图说 | Caspases （半胱氨酸蛋白酶）

联川生物 2022-05-21

The following article is from 珠江肿瘤 Author 孙月琴

本次图说的图片来自于杂志的《Cancer Cell》的SnapShot栏目之“Caspases”，原图如下：

背景介绍：

Caspases是Cysteine aspartic acid specific protease的缩写，是近年来发现的一组存在于胞质溶胶中的结构上相关的半胱氨酸蛋白酶，它们的一个重要共同点是活性位点都含有半胱氨酸，并特异地断开天冬氨酸残基后的肽键，由于这种特异性，使caspase能够高度选择性地切割某些蛋白质，这种切割只发生在少数（通常只有1个）位点上，主要是在结构域间的位点上，切割的结果或是活化某种蛋白，或使某种蛋白失活，但从不完全降解一种蛋白质。因此，Caspases在后生动物（除原生动物外所有其他动物的总称）的胚胎发生和体内稳态中起着重要作用，调节各种生物过程，例如程序性细胞死亡，炎症，细胞分化，增殖和运动等。

Caspases 类别的第一个成员（caspase-1）被鉴定为将白介素-1（IL-1）转化为成熟细胞因子的蛋白酶。后来证实它可以激活细胞凋亡，并与秀丽隐杆线虫程序性细胞死亡基因ced-3具有结构和功能相似性。小鼠caspase-8与人caspase-8和-10同义；小鼠caspase-11与人caspase-4和-5同系。Caspase-12了解相对不足，是因为它在各种哺乳动物（包括大多数人类种族）中表达为缺乏催化结构域的截短蛋白或无活性的突变体。秀丽隐杆线虫和果蝇具有比斑马鱼或哺乳动物少的 Caspases基因。

本次图说将从Caspases的功能、结构、激活机制、平台几个方面来介绍：

Function（功能）

基于结构和功能上的考虑，哺乳动物的Caspases分为三大类。然而，一些促凋亡的 Caspases在诸如淋巴细胞增殖，细胞运动和组织侵袭的过程中也发挥着除凋亡之外的作用。Proapoptotic Caspases（促凋亡的Caspases）：促凋亡的Caspases以级联的方式运作，通过裂解许多细胞蛋白，最终导致细胞凋亡。它们分为启动者和效应者。启动子可根据其参与细胞内源性（caspase-9）或细胞外源性（caspase-8和-10）凋亡途径的方式进一步划分。效应器裂解数百种细胞蛋白。这些中哪些对细胞凋亡必不可少，哪些是“无辜的旁观者”目前仍在研究争论中。Proinflammatory Caspases(促炎性Caspases）: 促炎性Caspases介导先天免疫应答的激活过程中特定细胞因子的成熟，但也可能参与细胞死亡的形式，称为Pyroptosis（细胞炎性坏死）。keratinocyte differentiation(角化细胞分化）：Caspase-14参与角化细胞分化，而在炎症或细胞凋亡中不发挥重要作用。

Structure, Activation Mechanisms, and Platforms（结构、激活机制、平台）

Caspases启动子（图中：Caspases Initiators）通过蛋白水解过程激活效应子（图中：Effectors），而非蛋白水解信号刺激启动子本身。最初，人们认为所有的Caspases都被蛋白水解激活。然而，现在已经清楚的是，该机制主要与效应子caspase-3，-6和-7有关。结构研究表明，所有的Caspases都具有相同的基本催化折叠结构。其活性形式是特定的二聚体，但是初始形式（酶原）的潜在形式是单体形式，效应子形式是二聚体。在活化和/或成熟过程中，催化区域被切割成大的（-20 kDa）和小（-10 kDa）亚基；它们一起形成特征性（p20 / p10）2全酶。大的亚基包含催化的Cys和His dyad，而小的亚基提供了几个形成底物结合槽的残基，包括必需的精氨酸。连接N-末端募集结构域和C-末端催化部分或两个催化亚基的非结构化区域是Caspases成熟过程中蛋白水解的对象。

Caspases Initiators是通过保守机制参与的，该机制要求形成寡聚平台，该平台通过诱导二聚作用募集并激活蛋白酶。细胞内凋亡途径中的caspase-9就是这一过程，细胞应激源（例如DNA损伤）改变了Bcl-2蛋白家族的前凋亡成员和抗凋亡成员之间的相互作用，从而促使线粒体细胞色素C释放到细胞质中。这促进了寡聚凋亡小体的组装，该寡聚体通过连接体Apaf-1及其辅因子dATP募集并激活caspase-9。尽管结构数据稀疏，但称为炎性体的类似平台似乎可以介导促炎性Caspases的激活。炎性小体由胞质NOD样受体组成，通常通过衔接蛋白ASC桥接至Caspases。

在细胞外源性凋亡途径中，属于肿瘤坏死因子（TNF）超家族的死亡配体激活了凋亡caspsae-8启动子，caspsae-8通过称为死亡诱导信号复合物（DISC）的低聚平台发挥作用。死亡配体在细胞表面诱导相关的死亡受体（例如Fas或DR5）聚集。聚集的受体通过衔接子FADD募集caspase-8或10来组装DISC。caspase-8或-10在DISC中的二聚化触发了激活作用，这种作用通过催化间域连接子的切除和p10亚基上的多泛素化作用得以增强。通过Ser / Thr激酶RIP1和FADD在TNF受体1下游形成核的细胞质复合物也可以刺激caspase-8。Caspase-8通过处理Bcl-2同源域3蛋白Bid（II型信号传导）直接（间接地激活I型信号传导）或间接激活caspase-3和-7效应子。cFLIP是一种与caspase-8相关的蛋白，缺少必需的催化残基，但保留了caspase折叠。 cFLIP作为双调制器在DISC上运行。在高浓度下，它会抑制启动子Caspases的活化。然而，在低水平下，它会通过与caspase-8或-10形成异二聚体来增强刺激。cFLIP / caspase-8异二聚体还可以通过抑制坏死性细胞死亡来支持生存。

另一个称为PIDDosome的低聚平台通过适配器PIDD和RAIDD响应DNA损伤而促进caspase-2的活化。但是，也可能存在其他天然caspase-2激活机制。

总结

总之，Caspases的特异性功能是断开天冬氨酸残基后的肽键，它们在后生动物胚胎发生和体内稳态中起关键作用，控制着重要的凋亡和炎症等过程。它们具有许多结构和机械特性，并以级联模式运行。