细胞凋亡通路系列之二：Caspase级联反应

细胞凋亡通路系列之二：Caspase级联反应

一、Caspase级联反应

凋亡发生是一个由 Caspase 家族成员介导的蛋白酶级联反应过程，即 Caspases 在凋亡诱导信号的作用下，启动型 Caspases 先通过结合特异辅因子而激活，发挥水解蛋白的作用，从而激活下游效应型 Caspases。一旦效应 Caspase 被激活，便大范围的水解细胞内的靶物质，从而降解细胞内蛋白，最终使细胞不可逆的走向死亡。

二、Caspase-3介绍

Caspase-3 是 ICE（白细胞介素1-β转化酶）家族成员之一，因其编码分子量为 32 kD的半胱氨酸蛋白酶而称之为 CPP32（cysteine protease protein，32kD），又称为 prICE、apopain（凋亡素）和 Yama（印度传说中的死亡之神）。

Caspase-3 是主要的效应 Caspase，是多种凋亡途径的共同下游效应部分，在细胞凋亡过程中占据核心地位，被称为“死亡执行蛋白酶”。正常情况下，胞质中的 Caspase-3 以无活性的酶原形存在（Pro-caspase-3）。细胞凋亡信号的出现可导致 Caspase-3 在多种蛋白水解酶的作用下，发生裂解而活化，其主要受粒酶B、Caspase-1、Caspase-2、Caspase-10、CPP32激活蛋白酶（CAP） 以及自身等所活化。Pro-caspase-3 在活化过程中从Asp28~Ser29 和 Asp175~Ser176 两处被剪切，形成 p17(29~175) 和 p10(182~277) 两个片段。Caspase-3 p17蛋白表达水平与Caspase-3活性呈正相关。

三、凋亡通路

凋亡信号转导通路，包括外源性通路和内源性通路：①外源性通路，由肿瘤坏死因子受体（Tumor Necrosis Factor receptor, TNFR）超家族的一个亚群（包括TNFR、Fas、TRAIL）介导；②内源性通路，最广泛研究的形式是由线粒体释放细胞色素 c 引起的应激介导的凋亡小体形成[3]。

1、死亡受体介导的外源性凋亡通路

在细胞外途径中，死亡信号的转导依赖于死亡配体（Fas）与受体（FasL）的结合及受体的死亡结构域（DD）与信号转导分子结合（见贴：死亡信号诱导复合体（DISC））。通过膜的死亡受体作用，使 Pro-Caspase-8 自我水解、活化，形成活性 Caspase-8，激活下游的 Caspase-3，从而引起细胞凋亡（Figure1 左侧部分）。

Caspase-8 除了直接激活 Caspase-3 外，还可直接切割胞质的 Bcl-2 家族成员 Bid 前体，形成截断的 Bid（truncated Bid，tBid），激活的 tBid 转位到线粒体，触发 Bak 和 Bax 同源寡聚作用，启动细胞色素 C 的释放。

2、线粒体介导的内源性凋亡通路

正常情况下，Bcl-xl 与 Apaf-1（apoptosis protease- activating factor 1，凋亡酶激活因子-1）结合，使 Apaf-1 不参与激活 Procaspase-9。当细胞受到死亡信号刺激时，Bax 可与 Bcl-xl 相互作用，去除 Bcl-xl 对 Apaf-1 的抑制作用。细胞色素C 从线粒体释放，Apaf-1 结合细胞色素C，并且其中的 ADP 被 ATP/dATP 取代，游离于胞浆中的 Apaf-1 被激活，通过其 CARD 与 Procaspase-9 结合，使 Procaspase-9 自身水解激活。此外，Apaf-1 不仅仅辅助 Caspase-9 酶原的自主切割，而且对于提高其酶切活性具有至关重要的作用，提示 Apaf-1 是 Caspase-9 的全酶（holoenzyme）组成部分之一。

Cyt-c 与 Apaf-1 及 Caspase-9 形成凋亡体（apoptosome），Caspase-9 自我剪切活化，在 dATP、ATP 存在下活化 Caspase-3、6、7 等成员，使凋亡进行下去。线粒体内部释放的 Pro-Caspase-3 直接参与凋亡信号的转导。这样就有可能存在一个 Caspase 和线粒体自身反馈的环，凋亡刺激导致线粒体细胞色素c、AIF、Caspase 释放，Caspase 的活化又促进诱发这一过程，这对于凋亡的加速和凋亡信号传递有十分重要的意义。

3、内质网介导的凋亡通路

Caspase-12 存在于内质网膜，是内质网应激（如内质网钙离子内环境紊乱以及过量内质网蛋白积累）诱导的凋亡所必需的。当内质网钙离子动态平衡破坏或过多蛋白积聚于内质网时，可直接激活位于内质网上的 Caspase-12。同时也导致胞质中的 Caspase-7 转移到内质网表面，进一步激活 Caspase-12，激活的 Caspase-12 可进一步剪切 Caspase-3，而引发细胞凋亡，此过程由内质网失常引起，与以膜或线粒体为靶位点的凋亡信号触发无关。

四、Caspase-3凋亡作用机制

Caspase-3 活化后大致通过三种机制使细胞解体：

• （1）酶解灭活凋亡抑制物，如核酸内切酶抑制剂（I-CAD/DFF45）、Bcl-2、mdm2、IκB等；
• （2）酶解细胞外基质及骨架蛋白，如角质蛋白、局部粘连蛋白（FAK）、肌动蛋白、P21依赖性激酶（PAK2）、层连蛋白等；
• （3）裂解DNA修复相关分子，如聚ADP核糖多聚酶（PARP）、DNA依赖性蛋白激酶（DNA-PK）、复制因子C（REC）的大亚单位REC140等。

这些底物被酶解失活后细胞的功能和形态发生变化，表现为细胞固缩，与邻近细胞分离，同时染色质聚集，核碎裂。最后细胞分裂为完整而分散的膜结合小体，即凋亡小体。凋亡的执行过程是系列 Caspase 级联切割的过程。不同蛋白酶分别切割并激活 Caspase-3 酶原。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。

=================

参考文献

[1]赵瑞杰,李引乾,王会,等.Caspase家族与细胞凋亡的关系[J].中国畜牧杂志,2010(17):80-85.

[2]董雅洁,高维娟.bcl-2、bax、caspase-3在细胞凋亡中的作用及其关系[J].中国老年学杂志, 2012,032(021):4828-4830.

[3]Yang SD, Yang DL, Sun YP, et al. 17β-estradiol protects against apoptosis induced by interleukin-1β in rat nucleus pulposus cells by down-regulating MMP-3 and MMP-13. Apoptosis. 2015;20(3):348–357. doi:10.1007/s10495-015-1086-4.