岳原亦Caspase家族与细胞凋亡课件.ppt

1、Caspase家族与细胞凋亡93K7B 岳原亦指导教师：石玉秀什么是caspase?w通过对美丽线虫的细胞死亡机制的研究发现,至少有3个基因直接参与了细胞凋亡的调节。ced23、ced24 直接介导细胞死亡,为促凋亡基因,其编码的蛋白分别为CED23、CED24,ced23 在细胞中起关键作用,称为线虫自杀基因,CED23 则称为死亡蛋白酶;ced29 则拮抗其作用,为抗凋亡基因,其编w码的蛋白质为CED29。后来发现,CED23 与哺乳动物的白介素-1转换酶(Caspase-1,原名ICE)具有高度同源性,CED24、CED29 则分别与Apaf21、Bcl22 同源。w哺乳动物的ICE类蛋

2、白是一组半胱氨酸蛋白酶,且有以下共同特点:w(1)和ICE 有同源性；w(2)有高度保守QACXG(X 为R、Q 或G)五肽序列;w(3)有发挥酶活性所必须的半胱氨酸；w(4)特异地裂解天冬氨酸位点；w(5)前体蛋白均无活性,均需经蛋白水解后才产生活性；w(6)转染不同细胞可诱导凋亡；wAlnemri 将其命名为Caspase（cysteinyl aspartate specific proteinase),其基因用casp表示。目前在哺乳动物中发现至少14 种Caspase,按其发现的先后顺序命名为Caspase-1Caspase-14Caspase的生物学特性wCaspase 家族有相似的

3、氨基酸序列结构和底物特异性,通常以无活性的蛋白酶原形式存在于细胞内。经蛋白水解后，大小亚基结合并暴露出底物识别,结合和催化所需的氨基酸残基,即形成了活性的Caspase。Procaspase 可自我催化及催化其他Procaspase 产生活性蛋白酶,其蛋白水解级联功能类似凝血因子活化的“瀑布效应”。wCaspase 的作用特点是能识别底物裂解位点NH2-末端最少4 个氨基酸并在天冬氨酸后裂解底物。不同的Caspase 识别的4 个氨基酸的不同而具有明显的底物特异性,从而发挥各自不同的生物学功能。Caspase活性检测试剂w根据Caspase 在级联反应上下游的位置及功能的不同,可分为3 大类：

4、w第1 类为凋亡始动子,包括Caspase-2、8、9、10 等。w第2 类为凋亡效应子,包括Caspase-3、6、7w第3 类包括Caspase-1、4、5、13、14,主要参与细胞因子介导炎症反应。wCaspase-1是该家族中第一个被鉴定的成员,但它在细胞凋亡中并无十分明显的作用,主要参与IL-1的成熟和转运。wCaspase-8是Caspases始动子的重要代表,可通过与连接分子FADD 的结合而活化,将凋亡信号传递到下游的效应Caspases 分子。wCaspasc-14是该家族中的最新成员,主要表达于胚胎细胞中,成年期缺乏表达,。功能研究发现,它能直接诱导细胞凋亡,但具体的信号转

5、导途径不清楚。wCaspase-3是迄今为止研究比较透彻的一个,它是主要的效应子。在蛋白酶级联切割过程中,Caspase-3处于核心位置,不同的蛋白酶分别切割Caspase-3酶原,从而激活Caspase-3,活化的Caspase-3又进一步切割不同的底物,导致蛋白酶级联切割放大,最终使细胞走向死亡。因此Caspase-3被称为死亡蛋白酶。wCaspase-3缺乏的小鼠脑是正常的2倍。研究表明,这种Caspase-3缺陷小鼠在大脑发育中缺乏脑细胞凋亡，于出生后13 周即死亡,且表现出神经系统发育的极度异常。Caspase家族的作用wCaspase 蛋白酶家族成员在哺乳动物细胞凋亡中起重要作用:

6、w(1)灭活阻止细胞凋亡的细胞内物质;w(2)通过对细胞结构的直接酶解而促进凋亡;w(3)通过对一些细胞骨架调节相关蛋白质的酶解而改变细胞结构而导致细胞凋亡;Procaspase的激活途径wCaspase酶原本身没有活性。必需通过活化才能导致细胞凋亡。根据起始激活的Caspase不同，凋亡激活的途径分为3种。w外源性途径始于细胞表面死亡受体。细胞死亡受体属于肿瘤坏死因子TNF、神经生长因子NGF超家族，如Fas、TNFR1(TNF receptor-1)。w由于各种细胞凋亡信号的刺激，FasL(Fas ligand)和TNF 作用于相应的受体，使得内源性Fas相关死亡结构域(Fas assoc

7、iated death domain，FADD)和Fas发生直接的作用，生成FasL-Fas-FADD凋亡复合物而使细胞凋亡。而TNFR相关死亡结构域(TNFR associated death domain，TRADD)通过与死亡域间的相互作用，与TNFR1直接结合。间接使TNFR1和FADD相结合形成TNF-TNFR1-TRADD-FADD复合物。复合物形成后FADD的死亡效应区即和Caspase-8酶原或Caspase-10酶原结合。使Caspase酶原活化为有活性的Caspase。活化的Caspase-8或10激活下游的Caspase-3、6、7，最终导致细胞的凋亡。w内源性细胞凋亡途

8、径始于线粒体。当受到细胞凋亡信号刺激。线粒体释放细胞色素C至细胞浆中。细胞色素C与细胞内存在的一种凋亡细胞蛋白酶激活因子(Apoptosis Protease Activating Factor-1，Apaf-1)结合，在dATP存在的条件下，通过半胱氨酸蛋白酶募集域的作用，Apaf1和Caspase-9酶原结合。使Caspase-9酶原活化，然后激活下游的效应半胱氨酸蛋白酶如Caspase-2、3、6、7、8、10，从而启动细胞凋亡。w第3种途径是近年发现的内质网途径。内质网应激的情况下，由于Ca2+平衡紊乱而激活的钙离子依赖性蛋白激酶可以直接剪切并激活Caspase-12。另外，内质网应激

9、也可以导致胞质Caspase-7和Bim向内质网表面移位激活Caspase-12和级联反应的发生。Caspase底物和抑制物wCaspase的底物种类繁多,下游Caspase激活后,作用于相应底物,引起细胞凋亡。根据底物特性的不同,Caspase 底物主要分为4类 w第1 类为细胞骨架和结构蛋白 w第2类为调节细胞周期及DNA复制的蛋白 w第3类为DNA 修复及切割酶类 w第4类为激酶类 wcaspase酶原包括原域、大亚单位和小亚单位。一旦原域以及大、小亚单位之间的连结被切除，大小亚单位之间相互作用形成一个异二聚体，其中包含一个活性位点；两个异二聚体形成一个四聚体，成为Caspase的活化形

10、式。因此，近年来caspase抑制剂的设计、合成主要是基于Caspase底物切割位点的特异性，连接一些化学基团从而达到抑制的效果。Z-vad-fmkCaspase与疾病的关系wCaspase与肿瘤w肿瘤的发生不仅仅是细胞增殖和分化异常的疾病，同时也是细胞凋亡异常的疾病。研究表明，肿瘤的发生、发展与肿瘤细胞的凋亡现象相关共存，与细胞凋亡速度密切相关。有大量资料显示，在许多肿瘤细胞的凋亡中发现有Caspase的活化。Seki用化疗药物顺铂诱导人骨肉瘤细胞株凋亡发现Caspase-3、6、8均被活化。Turnuen等在39例胆囊癌中发现有30例表达Caspase-6，其表达率为77。wCaspase

11、与心血管疾病w典型的例子就是在缺血-再灌注诱导的细胞凋亡后伴随出现的心衰。缺氧导致细胞死亡的主要方式是通过诱导细胞凋亡而产生。研究显示，缺氧3h即可致心肌细胞Caspase-3的基因表达上调，6h Caspase-3基因表达至峰值水平，并在随后的观察时间内维持高表达状态。另外，在心肌炎、心肌梗塞、快速心室起搏导致的心力衰竭、冠状动脉栓塞、压力超载性肥大等动物模型中也出现了生理病理的细胞凋亡。wCaspase与组织损伤w在组织损伤和炎症过程中，中性粒细胞和其它的滞留细胞均通过凋亡机制。在细胞膜完整的情况下被巨噬细胞识别和清除，从而避免继发的炎症反应。在执行细胞凋亡和促进创伤愈合的过程中Caspa

12、se发挥重要的作用。目前已证明Caspase与中枢神经损伤、皮肤损伤及其它内脏损伤和炎症反应有关。wCaspase与PTSDw研究证明，PTSD大鼠杏仁核神经元细胞质内细胞色素C氧化酶COX活性和COXII mRNA表达水平明显低于正常对照组，于SPS模型刺激后7d时最低。wCaspase-3 mRNA的表达逐渐上调，于7d时表达最高。创伤后应激障碍模型大鼠杏仁核COX，COXII 及Caspase-3 可能与PTSD的发病机制有关。w目前，PTSD的发病机制尚未清楚。但研究证明，SPS刺激引起大鼠杏仁核神经元线粒体中的COX的释放，从而导致呼吸酶活性发生改变。w线粒体功能受损，其释放也激活凋亡蛋白酶Caspase-3，导致杏仁核神经元细胞凋亡，最终影响杏仁核的功能。结语w作为凋亡机制中重要的效应子成分,Caspase家族参与多种与凋亡有关的生理和病理过程。在诸如生长因子撤除、热休克、细胞因子和DNA 损伤剂等刺激作用下,细胞内多种凋亡信号传导途径被活化,最终将会聚于Caspase家族蛋白酶这一共同的遗传保守机制。w因此随着对Caspase的结构、特性及其在凋亡中的作用不断深入的了解,将有助于人类对生命奥秘的了解和各种疾病的诊断和最终治疗。