細(xì)胞凋亡相關(guān)疾病與Caspase家族

劉大銳，李報(bào)春

(解放軍第960醫(yī)院泰安院區(qū)呼吸科，山東 泰安)

0 引言

細(xì)胞凋亡(apoptosis)，也稱為程序性細(xì)胞死亡(programmed cell death，PCD)，是為了維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定，細(xì)胞內(nèi)預(yù)存的由相關(guān)基因控制的死亡程序被某種因素誘發(fā)，進(jìn)而引起細(xì)胞死亡的過(guò)程[1]。凋亡的概念是1972年由Kerr等三位科學(xué)家首次提出，他們對(duì)凋亡的形態(tài)學(xué)特征進(jìn)行了簡(jiǎn)要描述，從此，細(xì)胞凋亡成為了世界各國(guó)科學(xué)家研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。細(xì)胞凋亡和細(xì)胞壞死(necrosis)是兩種完全不同的細(xì)胞死亡形式，細(xì)胞壞死是因各種病理因素導(dǎo)致的細(xì)胞被動(dòng)死亡。腫瘤的重要特征之一就是機(jī)體不能維持自身細(xì)胞數(shù)量的適當(dāng)平衡[2]，而細(xì)胞凋亡則能夠清除機(jī)體衰老的、異常的或損傷的細(xì)胞，是機(jī)體維持自身環(huán)境穩(wěn)定和保持正常生長(zhǎng)發(fā)育的重要生物學(xué)現(xiàn)象，因此，細(xì)胞凋亡具有重要的生物學(xué)意義，深入探討細(xì)胞凋亡的具體作用機(jī)制與調(diào)控機(jī)制對(duì)腫瘤和某些疾病的預(yù)防及治療具有重大價(jià)值[3]。

Caspase (cysteinyl aspartate specific protesae) 是含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶家族，其家族成員在細(xì)胞凋亡的啟動(dòng)、執(zhí)行過(guò)程中均起關(guān)鍵作用。在細(xì)胞凋亡的內(nèi)源性傳導(dǎo)通路中，Caspase-8位于傳導(dǎo)通路上游的核心位置，是最重要的凋亡啟動(dòng)因子，在其他相關(guān)因子的參與下，引起Caspase-8的自身激活，從而進(jìn)一步激活下游的Caspase家族成員，引發(fā)級(jí)聯(lián)放大效應(yīng)，最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡的發(fā)生[4]。Caspase家族在細(xì)胞凋亡中的作用已被眾多科學(xué)家廣泛關(guān)注。

1 細(xì)胞凋亡

細(xì)胞凋亡同細(xì)胞的分裂、分化一樣是機(jī)體生長(zhǎng)和發(fā)育的基礎(chǔ)，具有重要的生物學(xué)意義：①清除多余的、無(wú)用的、發(fā)育不正常的以及完成正常使命的衰老細(xì)胞；②與增殖保持著對(duì)立統(tǒng)一、相互協(xié)調(diào)的動(dòng)態(tài)平衡，維持細(xì)胞群體數(shù)目的自身穩(wěn)定；③維持正常生長(zhǎng)發(fā)育和免疫系統(tǒng)的克隆選擇，塑造機(jī)體的某些部分，去除不需要的結(jié)構(gòu)[5]。機(jī)體細(xì)胞增殖與凋亡過(guò)程達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡是維護(hù)其自身穩(wěn)定的必要條件，細(xì)胞凋亡過(guò)度或不足均可導(dǎo)致疾病，凋亡不足多見(jiàn)于自身免疫性疾病及腫瘤；凋亡過(guò)度則與多種退行性病變、免疫缺陷密切相關(guān)[6]。

2 Caspase家族

Caspase (cysteinyl aspartate specific protesae) 是一類含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶家族，也是一種 IL-1轉(zhuǎn)化蛋白酶[7]。種類眾多，目前已發(fā)現(xiàn)的Caspase有16種。它們通常具備以下特點(diǎn)：①都是半胱氨酸蛋白酶；②都含有五肽保守序列-QACRG；③都以無(wú)活性的酶前體形式存在；④活化后都具有獨(dú)特的催化活性，將底物在天冬氨酸位點(diǎn)后切斷；⑤都特異性識(shí)別底物的基因序列。

Caspase家族成員大致分為兩類[8]，一類是啟動(dòng)型Caspase(Initiator Caspase)，包 括Caspase-2、Caspase-8、Caspase-9、Caspase-10等成員，它們位于Caspase細(xì)胞凋亡傳導(dǎo)通路的上游，能在相關(guān)輔助因子的作用下發(fā)生自身活化，進(jìn)一步激活下游的Caspase。另一類是執(zhí)行型Caspase (Executioner Caspase)，包括Caspase-3、Caspase-6、Caspase-7等成員，它們特異性的裂解底物，使機(jī)體細(xì)胞發(fā)生形態(tài)學(xué)和生化改變，進(jìn)一步發(fā)生細(xì)胞凋亡[9]。Caspase家族成員在氨基酸結(jié)構(gòu)、序列均具有相似性。Caspase酶原是一單一多肽，其分子量約為30-50ku，由N端前域、10ku的小亞基單位和20ku的大亞基單位組成。Caspase酶原分子激活后，大小亞基解離，重新組裝成四聚體活性復(fù)合物，兩個(gè)大亞基在外圍，兩個(gè)小亞基在中間，其中每個(gè)異二聚體都包含一個(gè)催化位點(diǎn)。每一種Caspase酶原的大小亞基具有高度同源性，然而它的N端前域的同源性比較低，因此Caspase成員的N端前域便成為了鑒別Caspase家族成員的關(guān)鍵指標(biāo)。

3 腫瘤與Caspase家族

許多腫瘤治療方法是通過(guò)各種相關(guān)因子對(duì)Caspase前體進(jìn)行活化而進(jìn)行的[10]。Flavopiridol在大部分淋巴細(xì)胞系中下調(diào)Bcl-2，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，也可以通過(guò)P53途徑，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。Byrd等研究發(fā)現(xiàn)，CLL細(xì)胞系中，F(xiàn)lavopiridol通過(guò)對(duì)Caspase的活化來(lái)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，而沒(méi)有涉及以上方式。在MCF-7細(xì)胞系中，用病毒載體導(dǎo)入Caspase-3基因至ADR MCF-7細(xì)胞系中，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)入Caspase-3后的ADR細(xì)胞比導(dǎo)入前的細(xì)胞中Caspase-3表達(dá)水平及Caspase-3的活性均明顯提高。同時(shí)我們還發(fā)現(xiàn)Caspase-3前體的高表達(dá)，對(duì)細(xì)胞的凋亡水平無(wú)任何影響，但它對(duì)藥物的敏感性已達(dá)到了沒(méi)有ADR存在的細(xì)胞的水平，提示Caspase家族成員在化療藥物的抗藥性研究中具有重要的作用[11]。通常Caspase抑制劑和Caspase表達(dá)的改變，比如FLIP上調(diào)、Bcl-2隔離Caspase從而降低了細(xì)胞調(diào)亡，都可以導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞對(duì)化療藥物的耐藥產(chǎn)生。腫瘤細(xì)胞對(duì)化療藥物耐藥性的產(chǎn)生及藥物誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞調(diào)亡均與Caspase的活化有關(guān)。細(xì)胞調(diào)亡被抑制以后，細(xì)胞的生存時(shí)間延長(zhǎng)，細(xì)胞死亡率降低，細(xì)胞數(shù)量增加，從而導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生，這有可能是惡性腫瘤發(fā)生的機(jī)制之一。

腫瘤的治療的關(guān)鍵問(wèn)題是找到使癌細(xì)胞得到消滅而不影響正常細(xì)胞的方法，也就是解決腫瘤治療靶向性的問(wèn)題[12]。腫瘤靶向治療主要有兩種方案：一種是運(yùn)用腫瘤特異性因子選擇性進(jìn)入細(xì)胞系統(tǒng)，運(yùn)用腫瘤特異性啟動(dòng)子來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)，在研究Caspase家族參與的細(xì)胞凋亡的腫瘤生物治療中，已經(jīng)有人探索了靶向治療的可能性。位于小鼠probasin基因中的一個(gè)前列腺特異性結(jié)合位點(diǎn)，我們稱為ARR(2)PB，ARR(2)PB包括兩個(gè)雄激素反應(yīng)區(qū)域ARR，每個(gè)區(qū)域又包含兩個(gè)雄激素受體結(jié)合位點(diǎn)，它們位于probosin基因的上游，是轉(zhuǎn)錄的必需元件。Caspase-9包括兩個(gè)二聚體配體AY20187結(jié)合位點(diǎn)，在各期細(xì)胞中，能調(diào)控Caspase的活化、細(xì)胞凋亡和化學(xué)誘導(dǎo)的二聚體浸潤(rùn)等反應(yīng)[13]。Shariat等運(yùn)用一種脂質(zhì)載體滲透的、無(wú)毒的二聚體化學(xué)誘導(dǎo)劑(chemical iuducers of dimerization，CID)來(lái)調(diào)控導(dǎo)入了Caspase-1和Caspase-3的載體Adv，并聯(lián)合運(yùn)用Fas信號(hào)，由于CID對(duì)腫瘤細(xì)胞具有親和性，使得這一系統(tǒng)能迅速定位到腫瘤組織中產(chǎn)生細(xì)胞凋亡，所以我們認(rèn)為，以CID調(diào)控Caspase為基礎(chǔ)的靶向基因治療方法是安全有效的。惡性腫瘤細(xì)胞中含有大量的端粒酶，而正常組織細(xì)胞中沒(méi)有，端粒酶的活性受細(xì)胞內(nèi)hTERT水平的限制[14]。

4 惡性血液病與Caspase家族

Drain等用RT-PCR方法分析人類細(xì)胞中。Caspase-3、Caspase-4、Caspase-6及Caspase-2長(zhǎng)、短異構(gòu)體的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)這此基因在白血病細(xì)胞系及初診的急性髓系細(xì)胞白血病患者骨髓標(biāo)本中的表達(dá)有異質(zhì)性[15]。bcr/abl基因可能在細(xì)胞色索C釋放、Caspases活化的上游起作用，Caspases表達(dá)缺陷可能與白血病耐藥有關(guān)，且可作為預(yù)后指標(biāo)。在T-ALL細(xì)胞株CCRF-CEM、P53誘導(dǎo)的凋亡也與Caspase，尤其Caspase-3的活化有關(guān)。

5 心血管疾病與Caspase家族

Caspase與心血管系統(tǒng)疾病的關(guān)系中，最典型的例子是缺血-再灌注損傷誘發(fā)細(xì)胞凋亡，隨后出現(xiàn)的心力衰竭。缺氧導(dǎo)致的細(xì)胞死亡主要是通過(guò)誘發(fā)細(xì)胞凋亡而產(chǎn)生的。周舟等研究表明，機(jī)體缺氧3h，即可引起心肌細(xì)胞中Caspase-3的表達(dá)升高，缺氧6h，Caspase-3的表達(dá)升至峰值，隨后的觀察時(shí)間中Caspase-3的始終保持高表達(dá)狀態(tài)，這說(shuō)明Caspase-3的活化在缺血缺氧誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡過(guò)程中起重要作用[16]。心肌細(xì)胞凋亡水平升高的直接后果就是心肌細(xì)胞數(shù)量的明顯減少，使得心肌收縮力顯著下降，進(jìn)一步發(fā)展就導(dǎo)致心衰的發(fā)生。

6 糖尿病與Caspase家族

糖尿病是一種常見(jiàn)代謝性疾病，在我國(guó)發(fā)病率很高，它以慢性高血糖為特征。主要原因是B細(xì)胞功能缺陷導(dǎo)致的胰島素分泌障礙或胰島素抵抗導(dǎo)致胰島素分泌相對(duì)不足，但糖尿病的具體病因和發(fā)病機(jī)制尚未完全闡明。大量臨床研究證明，胰島的B細(xì)胞凋亡是1型糖尿病發(fā)病的直接原因，也是2型糖尿病發(fā)病的重要因素。為對(duì)抗胰島索抵抗導(dǎo)致胰島素分泌相對(duì)不足和B細(xì)胞功能缺陷，B細(xì)胞合成、分泌胰島素的作用增強(qiáng)，胰島索的大量合成超過(guò)了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)對(duì)蛋白質(zhì)的折疊能力，導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)過(guò)載引發(fā)長(zhǎng)期的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，最終發(fā)生Caspase細(xì)胞凋亡級(jí)聯(lián)反應(yīng)和B細(xì)胞的凋亡。

7 炎癥、組織損傷與Caspase家族

實(shí)驗(yàn)證明，在炎癥和組織損傷過(guò)程中，許多炎性細(xì)胞，如中性粒細(xì)胞和其它滯留的細(xì)胞都存在細(xì)胞凋亡機(jī)制。當(dāng)細(xì)胞膜完整時(shí)，被巨噬細(xì)胞識(shí)別、清除，避免了繼發(fā)的炎癥反應(yīng)。Caspase家族在上述過(guò)程中發(fā)揮重要作用。目前已證實(shí)的是皮膚損傷、中樞神經(jīng)損傷和炎癥反應(yīng)與Caspase啟動(dòng)的細(xì)胞凋亡有關(guān)[17]。

8 總結(jié)

綜上，Caspase家族成員在細(xì)胞凋亡相關(guān)疾病的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮關(guān)鍵作用。隨著對(duì)Caspase家族成員的更深入研究，一定會(huì)為未來(lái)疾病的診斷治療提供突破口。