中国细胞生物学学报Chinese Journal of Cell Biology2020, 42(11): 2072-2078DOI: 10.11844/cjcb.2020.11.0020
Caspase-3的研究进展
于丰铭1徐扬
〇辽宁师范大学，生命科学学院，大连116081;2辽宁师范大学，七鳃鳗研宄中心，大连116081;
3大连工业大学，海洋食品精深加工关键技术省部共建协同创新中心，大连116034)
摘要 细胞是一个复杂的有机整体，能够完成一系列生命活动。调控细胞衰老和程序性死亡的细胞凋亡过程，在其生命活动中占有重要地位。细胞凋亡主要由Caspase蛋白酶家族所调控，其中 Caspase-3起到关键作用。该文就C a s p a s e家族的构成、功能以及Caspase-3的特性和作用机制进行综 述。
关键词 调亡；C a s p a s e家族；C a s p a s e-3
Research Progress of Caspase-3
Y U F e n g m i n g1,X U Y a n g1,2,3*
Q College o f L ife Science, Liaoning Normal University, Dalian 116081, China',
2Lamprey Research Center, Liaoning Normal University, Dalian 116081, China;
z C ollaborative Innovation Center o f S eafood Deep Processing, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China)
Abstract A cell is a w h o l e c o m p l e x organism.It is capable of carrying out a series o f life activities.A p o p t osis,w h i c h regulates cell senescence a n d p r o g r a m m e d cell death,plays an important role in celFs life activities.A p o ptosis is mainly regulated b y the Caspase protease family,in w h i c h Caspase-3plays a crucial role.In this review,the composition a n d function of the Caspase family,the characteristics a n d m e c h a n i s m of Caspase-3 are reviewed.
Keywords apoptosis;C a s p a s e family;C a s p a s e-3
细胞凋亡(apoptosis)是细胞为维持内环境稳定，更好地适应生存环境而采取的一种自我死亡过程，涉及一系列基因的激活、表达及调控等[11。哺乳动 物的细胞凋亡与胚胎发育的停滞相关，在胚胎去除 发育异常的细胞过程中，对附植前的胚胎细胞凋亡 起着重要作用，但如果凋亡超过一定程度，则不利于 胚胎的发育[2]。天冬氨酸特异性的半胱氨酸蛋白水 解酶(cysteine-containing aspartate-specific protease,
C a s p a s e)能够启动和维持细胞渦亡，而其家族成员Caspase-3是最重要的凋亡蛋白酶之一，通常位于哺 乳动物细胞凋亡通路下游，其表达量直接反映细胞 凋亡程度[3]。在正常情况下，胞质中的Caspase-3以无 活性的酶原形式存在，细胞凋亡信号的出现可导致 Caspase-3发生裂解并被激活，活化后的Caspase-3又 进一步放大蛋白酶级联切割效应，最终使细胞走向 死亡[41。鉴于此，本文就C a s pase家族的构成、功能以 及Caspase-3的特性和作用机制进行综述，以期为探 宄Caspase-3的蛋白功能提供更多资料。
收稿日期:2020~05-13 接受日期:2020-07-17
辽宁省教育厅自然科学类青年育苗项目(批准号：LQ2019026)、辽宁师范大学教师指导本科生科研训练项目(批准号：CX202002045)、辽宁师范大学大学生创新创业训练计划项目(批准号：118)、中国博士后科学基金项目(批准号:2017M6U257)和国家自然科学基金项目(批准号：3丨501911)资助的课题
*通讯作者。Tel**************,E-mail:******************
Received: M ay 13, 2020 Accepted: July 17, 2020
T h i s w o r k w a s s u p p o r t e d b y t h e S e e d l i n g R a i s i n g P r o j e c t o f Y o u n g S c i e n t i f i c a n d T e c h n o l o g i c a l T a l e n t s o f L i a o n i n g P r o v i n c i a l D e p a r t m e n t o f E
d u c a t i o n(G r a n t N〇.L Q2019026),P r o j e c t o f T e a c h e r s G u i d i n g U n d e r g r a d u a t e S c i e n t i f i c R e s e a r c h t r a i n i n g o f L i a o n i n g N o r m a l U n i v e r s i t y(G r a n t N〇.C X202002045),t h e T r a i n i n g P r o g r a m o f I n n o v a t i o n a n d E n t r e p r e n e u r s h i p f o r C o l l e g e S t u d e n t s o f L i a o n i n g N o r m a l U n i v e r s i t y(G r a n t N o. 118), C h i n e s e P o s t d o c t o r a l S c i e n c e F o u n d a t i o n(G r a n t N〇.2017M611257), a n d t h e N a t i o n a l N a t u r a l S c i e n c e F o u n d a t i o n o f C h i n a (G r a n t N o.31501911),
^C o r r e s p o n d i n g a u t l i o r. T e l:+86-411-85827065,E-m a i l:y a n g x u2017@163.c o m
U R L:h t t p://w w w.c j c b.o r g/a r t s.a s p7i d s5395
于丰铭等:Caspase-3的研究进展2073
表1 C a spase家族分类及作用
Table 1 Classification a n d function of Caspase family
分类Category Caspase 成员
Caspase member
作用
Effect
Apoptotic Caspase-2, Caspase-8, Caspase-9,Located upstream o f the cascade reaction, it can self-activate, initiate initiator Caspase-10the cascade reaction and activate the downstream effect Caspase
Apoptotic effector Caspase-3, Caspase-6, Caspase-7Located downstream o f the cascade reaction, it can be activated
by the upstream initiator and act on the specific substrate, causing
morphological changes of cells, leading to apoptosis
Inflammatory Caspase-1, Caspase-4, Caspase-5,It plays a role in cytokine mediated inflammatory response and death mediators Caspase-11, Caspase-12receptor mediated apoptosis
1Caspase家族及Caspase-3的基本特性1.1 Caspase 家族
Caspase为一类蛋白酶，有半胱氨酸残基包含于 其活性位点中，对靶蛋白天冬氨酸残基的肽键进行 特
异切割，使靶蛋白被激活或失活，在细胞凋亡中起 到重要作用。至今已发现此类蛋白酶有15种，根据 功能可分为凋亡始动子、凋亡效应子和炎症介导因 子(表1)。C a s p a s e在未被激活时以酶原形式存在，调 亡信号的刺激使凋亡始动子被激活，引发系列级联 反应。除了在程序性细胞死亡和炎性反应中扮演特 定角之外，C a s p a s e还能通过微调抗病毒信号转导 物和细胞因子(如I型干扰素，一种重要的抗病毒因 子)的水平，成为抗病毒免疫的参与者[5]。
1.2 Caspase-3
C a s p a s e-3又被称为半胱氨酸蛋白32(cysteine protease 32，C P P32)，是 C a s p a s e家族中的重要成 员之一。F E R N A N
D E等ra于1994年利用反转录PCR(reverse transcription P C R,R T-P C R)技术，从 JurkatT细胞中克隆得到一种新凋亡基因，该基因由 831个核苷酸构成，可编码含有277个氨基酸的32 k D a C P P32。C P P32分子包括端结构域、1个大亚基和 1个小亚基，分为C P P32a和C P P32P两种类型。C a s-pase-3在人体各组织如淋巴、骨髓等处广泛表达，在 正常状态下以非活化的酶原形式存在，经活化后产 生有活性的执行者，可切割细胞核内、细胞质中的 结构蛋白和调节蛋白，从而调节细胞凋亡。
1.3 Caspase-3的底物
C a s p a s e-3有多种作用底物。较早发现的C a spase-3底物为
D N A断 裂因子(D N A fragmentation factor，D F F), 是个由2个分子量分别为40 k D a和45 k D a 的亚单位组成的异源二聚体[7_8]。在细胞凋亡过程中, Caspase发生级联活化时，D F F可作为下游Caspase-3的底物而被激活，形成核酸酶(D N a s e)，介导并调节D N A
断裂和染质凝聚。研宄发现，Caspase-3有多种底物，如：血影蛋白家族中的a-血影蛋白，可被Caspase-3降解 为120 k D a的降解产物(spectrin b r eakdown product 120, S B D P120)；凋亡神经元中的a2-血影蛋白、b-血影蛋白，可被降解形成110 k D a#卩85 k D a的降解产物又如：在 二磷酸腺苷核酸转移酶家族中，多二磷酸腺苷核糖多 M H(p o l y adeno-sine diphosphate ribose polymerase, P A R P)、腺苷二磷酸核糖转移酶(adenosine diphosphate ribose transferase,A D P R T)等， 均可被Caspase-3作用，参与D N A损伤修复，将113 k D a的A D P R T降解 为89 k D a和24 k D a的片段叫' 此外，在乳腺上皮基底层细胞凋亡的过程中，激活信号转导蛋白抑制 剂、转录激活因子P I A S1(proteininhibitor o f activated signal transducer andactivators of transcription 1)以及能 够与w y e基因相互作用的锋指蛋白M I Z1(mizu-kussey 1)，皆与Caspase-3的作用相关；M I Z1参与调节细胞 转录[12],P I A S1可与/753基因发生作用共同诱导凋亡。轴突膜蛋白 G a p43 (growth associated protain 43)在长时程抑制(long-term depression,L T D)和a-氨 基轻甲基恶哩丙酸(a-a m i n o-3-h y d r o x y-5-m e t h y l-4- isoxazolepropionic,A M P A)受体内吞作用中，也可作 为C a s p a s e-3的关键底物，且组织内G a p43含量能够 影响C a s p a s e-3的表达[14]。当然，C a s p a s e-3的底物远 不止上述物质，现己发
现的底物有70多种，除上述列 举的物质以外，还有波形蛋白、肌动蛋白、T a u蛋白、角蛋白、钓调蛋白、蛋白激酶等。C a s p a s e家族通 常能够识别底物酶切位点N-端至少4个氨基酸残基 序列(P4-P3-P2-D)，这是其底物特异性的主要表现; 其中P1位必须为天冬氨酸残基(D),P4位序列决定家 族成员间的特异性。C a s p a s e-3的P4序列为天冬氨酸 残基[15]。
2074.综述.
1.4 Caspase-3的激活
Caspase 家族在通常状态下以无活性的酶原形
式存在，只有经过激活才可以发挥作用。酶原激活 主要有转活化、自活化和非蛋白酶活化三种方式。 Caspase -3酶原活化以转活化和非蛋白酶活化两种方 式为主。
转活化是指己经被激活的Caspase 可激活其他
Caspase 酶原，引发级联反应，如：凋亡信号与细胞表
面受体结合，激活Caspase -8，活化的Caspase -8继而招 募并激活Caspase -3[16]。非蛋白酶活化是指Caspase 酶 原并非由自身或其他种类的Caspase 激活，而是被一 些非蛋白酶物质激活，常见的激活物质如阿特拉津
(atrazine ，A T Z )可降低B c l -2/B a x (B-cell l y m p h o m a -2/
B c l -2 associated X
)的比值，通过转活化激活C a s - pase -3[17]；急性早幼粒细胞白血病(acute promyelocytic leukemia ，A P L
)中，细胞素-c (c y t ochrome -c ，cyt -c )释
放的盐霉素(salinomycin , S A L )亦可促进Caspase -3酶 原活化，开启凋亡【18]。
2 Caspase-3与细胞凋亡
C a s p a s e -3作为一种效应蛋白，在凋亡过程中发
挥着重要作用，其参与细胞凋亡的途径主要有三种:
线粒体途径、死亡受体途径和细胞毒性T 淋巴细胞
(cytotoxic T ly m p h o c y t e , C T L )介导的颗粒酶B 途径[19]
(图 1)。
2.1线粒体途径
促凋亡信号的刺激使线粒体跨膜电位消失，线 粒体膜通透性改变，渗透转运膜开放,cyt -c 被释放到
细胞质基质中，与调亡酶激活因子-l(apoptosis prote
ase activating factor -1， A p a f -1) 的 W D
-40 区域结合形
成多聚复合体(凋亡体)。凋亡体氨基端具有C A R D 序列，可与Caspase -9的C
A R D
序列特异性结合，活化
Caspase -9，再激活下游的Caspase -3[2°
\在此过程中,
两种调控因子调亡抑制剂B cl -2和渦亡启动子B a x 发挥着重要作用。B d -2和其亚家族B a x 可作为C a s -
pase -3的上游调控因子，当凋亡信号刺激时，B a x 转移
至线粒体膜上形成P T 孔道，促进cyt -c 的释放。Bcl -2 如过量则会与B a x 结合，抑制凋亡的发生，还会与
A p a f -1结合，抑制Caspase 酶原活化。另外,Caspase -9
亦可作为Bcl -2的上游因子，直接切割Caspase -3，使
Caspase -3 活化[21]。
2.2死亡受体途径
死亡受体指肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor ,
T N F ；)的跨膜受体蛋白，其上含有的死亡结构域可相互
聚氣与死亡结构域蛋白(Fas-associateddeath d o m a i n ,
F A D D
)结合形成死亡复合物，激活上游Caspase -2、
Apoptotic signal
图1 Caspase-3参与细胞凋亡的主要途径示意图
Fig.l Schematic d i a g r a m of
Caspase-3 involved in apoptosis
于丰铭等:Caspase-3的研究进展2075
表2常见死亡受体及其特异性配体
Table 2 C o m m o n death receptors a n d their specific ligands
死亡受体Death receptor 配体Ligand
Fas FasL TNF-R1TNF-a DR-3APO-3 DR-4TRAL DR-5APO-2
Caspase-8等酶原，再通过转活化过程激活下游C a s-pase-3[22]。W U等问近期研宄发现，泛素连接酶R N F183 能够诱导死亡受体5(recombinant death receptor5,D R5) 转运至溶酶体，与Caspase-8结合并使之活化，激活 Caspase-3;R N F183的表达本身对Caspase-3的激活也 有直接作用，促进凋亡诱导配体T R A L(TNF-related apoptosis-inducing ligand)介导的调亡途径。常见死 亡受体及其特异性配体见表沪4^。
2.3 CTL介导的颗粒酶B途径
C T L及淋巴细胞因子激活杀伤细胞(1丫!1^11〇- kine-activated killer,L A K)、自然杀伤细胞(natural killer,N K)等亦可介导细胞凋亡，它们能够与细胞表 面受体结合，通过F as/F a s L途径激活C a s p a s e-3。此 外，C T L可释放颗粒酶B、T N F、穿孔蛋白(perforin, P F P)等因子，T N F介导死亡受体途径；P F P穿越细胞 膜形成跨膜通道，使颗粒酶B进入膜内，二者最终都 诱导C a s pase-3发生活化[28]。颗粒酶B还可裂解B H3- only蛋白，通过线粒体途径间接激活Caspase-3，导致 细胞凋亡[29]。
3Caspase-3与细胞增殖分化
除诱导凋亡外，C a s p a s e-3还能在细胞增殖分 化过程中起作用。R O T S C H A F E R^[3°]利用抑制剂 Z-D E V D-F M K阻断了胚胎发育过程中C a s p a s e-3的合成和表达，观察到胚胎神经系统层状核发育紊乱, 且前庭神经外侧核轴突投射异常，他们得出结论，Caspase-3的表达与神经系统发育成协同作用。无独 有偶，L O S S^[3l]也在其研究中证明了C a s p a s e-3能 够干预发生在小脑中的自然发生神经元死亡(naturally occurring neuronal death,N O N D), 这是 由于小 脑神经元与靶细胞间未能建立突触所致。1^111等[32]则利用敲除基因的小鼠进行探宄，证明了 Caspase-3缺陷导致小鼠体内凋亡体数量减少，严重影响骨髓干细胞的增殖分化，造成骨质疏松等疾病。Y O S E F Z O h^[33]发现，C a s p a s e-3能够激活转录共激 活因子相关蛋白(yes-associated protein，Y A P),Y A P 蛋白是器官大小的重要调节
因子，通过控制细胞分 裂来调节器官大小。C a s p a s e-3的含量还影响着细胞 活力，刃人\等[34]根据前人的研宄进展进一步探宄发 现，在营养缺乏和供氧不足的情况下，C a s p a s e-3活性 显著增强，细胞活力受到抑制。
4 Caspase-3与疾病
reaction研究4.1 Caspase-3 与癌症
凋亡途径受损是细胞癌变的重要特征之一，利 用Caspase-3的凋亡活性诱导癌变细胞凋亡是癌 症的重要方法。有研宄表明，Caspase-3高表达与乳腺 癌的特异性生存率之间存在着明显的相关性％。事 实上，这种情况不是只发生在乳腺癌中。L I U等[36]研 宄发现，在口腔舌鳞状细胞癌组织中的Caspase-3蛋白 的水平要普遍高于癌旁正常组织，因此,Caspase-3局 部高表达通常可被作为肿瘤发生的生物标志物。在 癌症方面，当前研宄表明，许多新型药物可以增 强癌细胞内C a s p a s e-3的活性，使癌细胞凋亡，达到抗 癌效果，如缺氧诱导因子-la(hypoxia inducible factor-la,H I F-la)在肿瘤组织中可与Caspase-3协同表达[37]；花青素malvidin-3-半乳糖苷能够调节C a s p a s e-3表达 水平，诱导肿瘤细胞凋亡[38]。一些局部麻醉剂也能 抑制癌细胞增殖，如W A N G等[39]研宄发现，罗哌卡因 (ropivacaine)能够损伤癌细胞线粒体，促进胞浆中的
C a s pase-3向核内迁移，抑制肝癌细胞迀移。
4.2 Caspase-3与神经系统疾病
C a s p a s e-3的表达影响神经系统调节血压的过 程。M A R C I A N T E等[4()]发现，在慢性间歇性缺氧诱 导的高血压疾病中，C a s p a s e-3通过影响视前中核投 射视旁核机制来调控血压。受损神经元的及时清
2076.综述.
除同样依赖于C a s p a s e-3的高表达，此过程有助于缩 短癫痫疾病的潜伏期和发作时间[4|]。在帕金森病治 疗过程中，蝉蜕被证明能够激活神经炎症细胞因子、氧化氮合酶、环氧合酶等物质，并切割C a s p a s e-3，诱 导病变多巴胺凋亡；同时，蝉蜕又抑制多巴胺的过度 消耗，对帕金森病和帕金森病患者的心理起着 显著作用[42】。显然，体内C a s p a s e-3表达异常会引起 严重的神经系统疾病，如脑膜炎、阿尔茨海默病等;
C H R I S T O P H E R^[43]发现，骨形态发生蛋白-4(bone morph o g e n e t i c protein-4,B M P-4)能够在体外直接诱 导C a s p a s e-3的活化，促使异常的神经元和少突胶质 细胞凋亡，是一种有效的疾病手段。
4.3 Caspase-3与其他疾病
C a s pase-3与许多疾病都有着一定的联系。在 肝炎疾病中，T I A N等[44]建立的肝炎体内模型表明，当病毒侵染细胞后，细胞核增殖抗原(proliferating cell nuclear antigen,P C N A)过表达，病变的细胞因 C a s p a s e-3被激活而凋亡。L R J等1451研宄发现，在胰腺 炎疾病中，三七皂苷能够减弱胰腺细胞的自噬 作用，并激活C a s p a s e-3，促使病变细胞凋亡；然而，这 种致使C a s pase-3大量表达的方法极易导致肺损 伤，可辅以Z-V A D-F M K等C a s p a s e-3抑制剂来有效缓 解副作用[46]。在紫外线等外界刺激下，皮肤细胞大 量凋亡导致皮肤损伤，Z H E N G等[47]探宄了异荭草素 对Caspase-3的抑制作用，通过延缓凋亡来缓解皮肤损 伤。
5 Caspase-3的抑制剂
为了防止正常细胞因酶原偶然激活而受损，已发现很多C a s p a s e的抑制剂。C a s p a s e抑制剂的分类 有多种依据：根据其来源可分为天然C a s p a s e酶抑制 剂、人工合成C a s p a s e酶抑制剂；根据其组成成分可 分为肽类抑制剂、非肽类抑制剂；根据其作用又可 分为内源抑制剂和外源抑制剂等。
早年发现的一些C a s p a s e-3抑制剂如八〇0£¥0- F M K[48]、A c-D N L D-C H O[49!、A c-D E V D-C H O[501等, 其作用依据是C a s p a s e-3酶切位点的特异性，但后续 实验证明，其在细胞水平上效果并不理想。研宄表 明，拉莫三嗪[51]、部分水杨酸片段化合物、M867、诺环素M等非肽类抑制剂，金属离子如Z n、F e等，小 分子化合物及天然产物的提取物如硝普钠、四氟硼 酸酯等N O供体[53]，均对C a s p a s e-3酶原有抑制作用。
J I A N G等％研究发现，有丝分裂原活化蛋白激 酶(mitogen-activated protein kinase,M A P K)家族成 员J N K(c-Jun N-terminal kinase)和p38，二者的抑制剂 S P600丨25和S B202190能够显著抑制Caspase-3活化和 表达。R I V E R A-D E I^[55]研究肺癌发现，抗氧化剂iV-乙醜半胱氨酸(W-acety1-L-cysteine,N A C)对Caspase-3酶原激活具有重要的抑制作用。靛红磺酰胺也被证 明是一种有效的抑制剂，其在抑制Caspase-3的同时，还能够激活其他硫铵类抑制剂，形成一个结构团，增强抑制作用[56]。
6总结与展望
C a s pase-3在细胞凋亡过程中起着至关重要的 作用，对于C a s pase-3的研宄有助于构建癌症新 的靶向位点，获得癌症的新方法[57]。但就现阶 段的研宄进展来看，a w p m e基因的转录调控、转录 后修饰等功能研究结果仍未得到明确的答案，随着 进一步的研宄，C a s p a s e家族的具体作用机制会越来 越明晰，相信在不久的将来，这些研究成果将会成为 新的关注点。
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