楊帆 楊澤

老年退行性疾病中的凋亡和炎癥機制研究進展

楊帆1，2楊澤1※

Caspase家族在進化上十分保守，在各種細胞中Caspase都扮演著十分重要的作用。Caspase主要在胞內(nèi)起作用，并且其產(chǎn)生及活動均受胞外的信號觸發(fā)和調(diào)控。但是，一些Caspase對于細胞因子的成熟，激活和分泌是必需的。因而，細胞因子與Caspase之間的相互作用存在不同的路徑和層次。本文綜述了炎癥反應(yīng)和細胞凋亡過程中Caspase與細胞因子間的相互作用，以使我們進一步深入了解近來Caspase與細胞因子之間的相互作用網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)反饋機制的研究結(jié)果以及在老年退行性疾病中的凋亡和炎癥機制研究進展。

Caspase 凋亡 炎癥 細胞因子 調(diào)節(jié)作用

Caspase是一個進化上十分保守的蛋白酶家族。第一個Caspase被發(fā)現(xiàn)是因其在IL-1β功能成熟過程中必不可少的作用［1，2］。這個最初被稱為白介素1β轉(zhuǎn)換酶(interleukin-1βconverting enzyme，ICE)的分子是caspase家族的第一個分子［3］:包含有特定的半胱氨酸(位于QACXG-motif)天門冬氨酸序列蛋白酶活性。不久發(fā)現(xiàn)ICE與秀麗隱桿線蟲的ced-3基因同源［4］。這個發(fā)現(xiàn)提示caspase可能對于凋亡具有復雜的調(diào)節(jié)作用，隨后對這個領(lǐng)域進行了大量深入的研究。目前，在人和動物體內(nèi)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了14個caspase家族成員。另外，在原生動物、真菌、植物、黏菌和鯨體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一些caspase樣的蛋白酶，如paracaspase和metacaspase［5］。目前學界普遍認為caspase對于凋亡的調(diào)節(jié)作用是不可或缺的，而且對炎癥反應(yīng)和細胞周期也同樣具有一定的調(diào)節(jié)功能［6～8］。caspase作用于不同的底物，包括caspase自身、其他的酶、結(jié)構(gòu)性蛋白、信號蛋白和細胞因子(表1)。

表1 Caspase及其底物

續(xù)表1

盡管caspase主要作用于細胞內(nèi)，其產(chǎn)生及活動均由胞外信號觸發(fā)和調(diào)控，包括一些細胞因子，并且細胞因子與caspase的作用網(wǎng)絡(luò)具有不同的路徑及層次。一些caspase對于細胞因子的成熟(包括激活)和分泌是必需的，包括切割及使其失活。在以下的內(nèi)容中，我們主要介紹在炎癥反應(yīng)和凋亡過程中caspase與細胞因子間的相互作用。我們關(guān)注于caspase對于細胞因子的產(chǎn)生、激活和降解的重要性?？偨Y(jié)了細胞因子對于caspase介導的細胞凋亡及目前對于細胞因子和caspase在轉(zhuǎn)錄水平上相互作用的一些信息。但我們不會討論TNF介導的caspase激活，因其屬于另外一個巨大的領(lǐng)域。

1．Caspase在細胞因子激活中的作用

根據(jù)其分子生物學性質(zhì)不同，Caspase被分為Caspase-1，Caspase-2，Caspase-3三個家族。Caspase-1家族包含有Caspase-4，Caspase-5，Caspase-11，Caspase-12，Caspase-14。這些Caspase主要參與細胞因子前處理調(diào)節(jié)或在參與細胞因子的活化。Caspase作用網(wǎng)絡(luò)可能也存在于細胞因子依賴的炎癥反應(yīng)過程。Caspase-2家族包含有凋亡抑制因子Caspase-2，Caspase-8，Caspase-9和Caspase-10。Caspase-3家族包含凋亡過程的執(zhí)行蛋白Caspase-3，Caspase-6和Caspase-7。從進化的角度來看，Caspase-2是一個特例，Caspase-2家族的其他成員(Caspase-8，Caspase-9，Caspase-10)更接近于Caspase-3家族。Caspase最重要的特征就是其原始結(jié)構(gòu)域的大小。目前發(fā)現(xiàn)，一些Caspase可能包含有死亡結(jié)構(gòu)域超家族的motif，如CARD和DED。Caspase通過一種親核的水解機制來產(chǎn)生作用。Caspase的活性中心包含一個QACXG序列，可在天門冬氨酸之后切割底物。P1到P4的4個氨基酸殘基對于底物的特異性十分重要，而且底物的三級結(jié)構(gòu)也可以影響Caspase對底物的切割。

Caspase-1(ICE)是在對IL-1β前體(pro-IL-1β)的研究中發(fā)現(xiàn)的［1，2］，盡管后來發(fā)現(xiàn)Caspase最主要的作用是介導細胞凋亡而非作用于細胞因子。雖然，其他的一些Caspase可以直接或間接促進細胞因子成熟，其中包括Caspase-1，Caspase-3，Caspase-4，Caspase-5，Caspase-7和Caspase-11。

IL-1β產(chǎn)生后為無活性的前體分子，當在第116位的Asp殘基被切割后才具有活性［1，2］。而激活的IL-1β在生物體內(nèi)起著十分重要的作用。在人類IL-1β中，其生物學活性中心包含120-226位氨基酸殘基，而在鼠類則是131-270位氨基酸殘基。研究發(fā)現(xiàn)，IL-1 I型受體不與IL-1β前體發(fā)生作用，并且不會產(chǎn)生下游信號，以此推斷IL-1β分子需要經(jīng)過加工后才能成熟，從而具有生物學活性。Western blot實驗發(fā)現(xiàn)，可以在IL-1β前體的27-28位及116-117位氨基酸殘基對其進行切割。對于ICE敲除鼠的研究發(fā)現(xiàn)，受FasL刺激的PMN產(chǎn)生的其他Caspase仍然會對IL-1β前體進行切割。使用LPS刺激這些小鼠后，小鼠無IL-1β產(chǎn)生，而使用FasL刺激則會產(chǎn)生的IL-1β。雖然在ICE敲除鼠中促進IL-1β成熟的Caspase分子仍未被識別，但至少提示了，其他可以被Caspase激活的酶參與了這個過程。

除Caspase外，還有一此可以切割I(lǐng)L-1β前體，從而形成其具有生物學活性的IL-1β酶，包括彈性蛋白酶、組織蛋白酶、金屬蛋白酶、胰蛋白酶及胰凝乳蛋白酶，肥大細胞類糜蛋白酶亦可切割I(lǐng)L-1β前體。另外使用化膿性鏈球菌的半胱氨酸蛋白酶會在另外一個位點切割I(lǐng)L-1β前體，從而使其具有活性。這些酶可以在離Caspase-1切割位點不遠的氨基末端有限地水解IL-1β前體。這些信息提示我們，在炎癥反應(yīng)中，IL-1β可能不僅被Caspase-1切割，并且在水解過程中，IL-1β是很穩(wěn)定的。并且，資料顯示，IFN-γ和TNF-α，而非IL-1會被蛋白酶和彈性蛋白酶失活。

Caspase-1的另一個作用靶是IL-18。盡管與IL-1β前體不同，IL-18主要在全血細胞和新鮮分離的單核細胞中表達，但它仍需要經(jīng)過Caspase-1的切割才能激活其作用。有些證據(jù)表明，Caspase-3可能會參與切割I(lǐng)L-18前體，盡管這些切割產(chǎn)物可能并無生物活性。不同于Caspase-1，其他Caspase對于IL-18的作用研究表明，在BALB/c小鼠中pan Caspase-，而非ICE特異的抑制因子，可能阻止IL-18刺激TH1-cell產(chǎn)生細胞因子(IFN)。除Caspase-1之外，Caspase-4和Caspase-5，被認為是細胞因子激活劑或可以介導炎癥。盡管這些Caspase并不能像Caspase-1一樣切割I(lǐng)L-1β，但他們被認為可以參與激活Caspase-1。

在凋亡中，未檢測到Caspase-3的高表達，提示Caspase-3可能具有其他的功能，而不參與凋亡。Caspase-3可能通過切割細胞因子而參與炎癥過程。IL-16 CD8細胞起源的淋巴細胞趨化因子，可以促進炎癥反應(yīng)，其前體為80KD，但成熟后的分子為一個四聚體，每個亞基為14-17KD。此分子由Caspase-3激活，而非Caspase-1，Caspase-2，或granzyme-B。另有報道發(fā)現(xiàn)Caspase-3類似的活性對于T細胞釋放IL-2十分重要，IL-2可能被Caspase介導的鈣依賴磷酸酶切割。Caspase-7可以切割內(nèi)皮單核細胞活化多肽Ⅱ(endothelial monocyte-activating polypeptideⅡ，EMAP-Ⅱ)前體。該促炎細胞因子和趨化因子是由氨酰tRNA合成酶復合物形成的。

除細胞因子外，細胞因子受體和其他受體(包括T細胞受體)可能也是Caspase的靶分子?？山閷L/生存促進信號通路的EGF受體可被Caspase-1，Caspase-3和Caspase-7切割，從而阻斷該條信號通路。同樣，TRAF-1亦可被切割。這種機制通過封閉NF-κB來介導細胞的凋亡。在研究中發(fā)現(xiàn)，抑制谷氨酸受體的裂解，可以使細胞免于壞死，而走向凋亡。

2．Caspase依賴的細胞因子產(chǎn)物成熟

上文介紹了Caspase作為酶對于激活或滅活細胞因子的重要作用。Caspase網(wǎng)絡(luò)也可能在對細胞因子前體的特定修飾之前對其施加干擾。對于Caspase的抑制實驗可以提供一定的證據(jù)。例如，在異位心臟移植聯(lián)合缺血再灌注模型中，預防性地使用DEVD-CHO抑制Caspase-3可以防止TNF的增加。用IL-1刺激成纖維細胞后，發(fā)現(xiàn)抑制Caspase-3的同時亦可以降低IL-16水平。另一方面，除去Caspase對于細胞因子的誘導，細胞凋亡本身還可以激活細胞因子的產(chǎn)生。在FasL介導的平滑肌細胞凋亡中，IL-1α水平升高，而且可能參與升高血管壁中的趨化因子水平。平滑肌細胞凋亡中產(chǎn)生的IL-1可能由表層的細胞產(chǎn)生，并且可誘導鄰近細胞產(chǎn)生細胞因子。IL-1可以有效地激活心血管細胞產(chǎn)生細胞因子，并且這些細胞因子被認為參與了心血管疾病的發(fā)生。IL-1α，而非IL-1β，可能由不同的IL-1亞型形成。ICE敲除鼠中，不僅沒有IL-1β的表達，而且IL-1α的表達也是抑制的。FasL會在轉(zhuǎn)基因小鼠的心臟超表達。這些小鼠發(fā)育正常，但TNF，IL-1β，IL-6和TGF-β的表達量會增加。在人類的MNC和細胞系中過量表達IL-4可以觀察到各種凋亡誘導分子。細胞吞噬過程中可產(chǎn)生細胞凋亡和細胞因子。使用活菌血清引起的吞噬作用可導致Caspase依賴的細胞凋亡。相同的細胞產(chǎn)生IL-1β和TNF-α的生物活性與吞噬微生物的數(shù)量具有一定的相關(guān)性。使用單細胞RT-PCR技術(shù)，發(fā)現(xiàn)細菌感染后IL-1和IL-12表達均會升高。當細胞因子引起凋亡時，Caspase是否會參與其中尚未明確。Caspase抑制劑可以在毒素處理的MNC中阻止DNA片段化和IL-4的表達，但并不會影響FasL處理的單核細胞或紫外顯照射淋巴細胞的IL-10表達量。

3．Caspase對細胞因子功能的調(diào)節(jié)

Caspase的活性受到嚴格限制，不管其是否參與細胞凋亡或細胞因子的處理。凋亡調(diào)控機制包括酶原的激活、抑制Caspase活性或翻譯后的修飾。我們對Caspase-1活性的調(diào)節(jié)及IL-1β的產(chǎn)生仍未完全了解。已有證據(jù)表明，LPS可以刺激產(chǎn)生Caspase-1和IL-1β，并且Caspase-11或Caspase-5被認為對于Caspase-1的激活是必須的。另一方面，其他的酶，如tripeptidyⅠ，peptidaseⅡ和cathepsin-B，可能也可以激活Caspase-1。有研究提示，Caspase可能自激活，也有學者認為Caspase-1和Caspase-8通過低聚反應(yīng)而激活自身。對于其他可能的自激活機制的研究正在進行，可以與Caspase-1相互作用，且可以調(diào)節(jié)其功能的分子已經(jīng)確定，RIP樣激酶RIP-2可以與Caspase-1的CARD-motif相結(jié)合并激活Caspase-1。這種激活作用可以被COP或ICEBERG通過與RIP-2競爭性地結(jié)合CARD-motif而抑制。

有趣的是，有證據(jù)顯示不僅Caspase-1，Caspase-11也可能激活Caspase-3。granzyme B和Caspase-10也可激活Caspase-3。最近，發(fā)現(xiàn)一些DISC復合物可以激活Caspase-8。Caspase-9可由Caspase-3引起的一個反饋放大信號通路激活，并且Caspase-9也可以像其他Caspase一樣通過切割自身而自激活。

另一方面，一些Caspase抑制劑，包括K+，絲氨酸蛋白酶抑制蛋白，其他細胞間通訊分子及Caspase去激活劑，可能影響Caspase-1功能的調(diào)節(jié)。Caspase介導的凋亡過程中，其主要的靶分子是一些凋亡抑制因子，如ARC可抑制Caspase-2和Caspase-8，或其他凋亡抑制因子IAPs。桿狀病毒IAP可以有效地抑制ICE或Caspase-2介導的凋亡。一些抑制分子，如CrmA，p35或hILP在Caspase被切割后可以保持一定的水平。

Caspase的滅活，即酶的失活，可能還有其他機制。同時，有研究表明calpain可以滅活Caspase-7，Caspase-8和Caspase-9。Caspase也是可能被磷酸化的。舉個例子，Akt和p21-Ras是通過將Caspase-9磷酸化而使其失活的。近幾年，發(fā)現(xiàn)NO可影響Caspase的活性。NO可通過使Caspase的活性中心亞硝基化，從而阻止凋亡。這個過程是可逆的，使用FasL可以使亞硝基化的Caspase-3去亞硝基化，從而使其激活，進而介導凋亡。最后，亞硝基化也可以抑制Caspase-1的活性，使RAW264.7細胞的IL-1和IFN-γ的釋放減少。

4．Caspase-1，IL-1及細胞凋亡

盡管Caspase-1是第一個發(fā)現(xiàn)的Caspase，并對其在凋亡過程中的作用進行了深入研究，但Caspase-1并不是凋亡過程中的主角。早期研究中，在成纖維細胞中超表達Caspase-1，并重點觀察其對在凋亡中的功能。令人驚奇的是，Caspase-1缺失的小鼠發(fā)育正常，這些小鼠的細胞在受LPS刺激后不表達IL-1α或IL-1β。TNF和IL-6的表達也減少，小鼠會產(chǎn)生抗內(nèi)毒素休克。這些動物的胸腺細胞對Fas誘導的凋亡不敏感，但輻射或地塞米松則可誘導其凋亡，提示Caspase-1在Fas介導的細胞凋亡中有一定的作用。ICE-/-小鼠，Caspase-3，Caspase-9或Caspase-8敲除小鼠中，發(fā)育均會發(fā)現(xiàn)神經(jīng)或心臟的損傷。這些數(shù)據(jù)表明，Caspase-1在發(fā)育過程中的凋亡沒有什么大的作用，但它在其他類型的生理性細胞死亡是重要的，如Fas介導的細胞凋亡。如上文講的那樣，Caspase-1，而非Caspase-3或Caspase11，似乎參與了細菌感染引起的巨噬細胞凋亡。Caspase-1結(jié)合一個志賀氏菌的IpaB或沙門氏菌的SipB后，可以使其激活。從Caspase-1-/-小鼠中分離出的巨噬細胞對沙門氏菌介導的凋亡不敏感。另一方面，Caspase-1仍然參與了TGF-β介導的T細胞凋亡，并且含有內(nèi)源ICE基因的小鼠的胸腺細胞可以抵抗Fas抗體引起的凋亡。

Caspase-1在特定類型的凋亡中，促進IL-1β成熟，可能是Caspase與細胞因子一種相互作用，從而對凋亡進行調(diào)節(jié)。有證據(jù)表明，不同的細胞類型中IL-1的功能也是不同的，如依賴于IL-1受體的通路。在自發(fā)的PMN凋亡中，像LPS刺激的那樣，ICE或IL-1可以推遲凋亡的到來。此外，在PC12細胞中，可以檢測到SOD-1下調(diào)介導的凋亡，并且伴隨著IL-1β的產(chǎn)生。IL-1-Ra或IL-1β抗體可以使細胞免于死亡。另一方面，將ICE或IL-1封閉后，可以加速PMN的自發(fā)性凋亡，盡管Fas介導的細胞凋亡中，ICE的表達增加。對比一下，在單核細胞，自發(fā)的凋亡是依賴于Caspase-1的。IL-11作為Caspase-1的激活劑，可能參與到這些過程中。EAE和Kang曾發(fā)現(xiàn)少突膠質(zhì)細胞凋亡Caspase-11是必不可少的，Hisahara等在他們的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)Caspase-11可以像活化Caspase-8或Caspase-9一樣活化Caspase-3。

5．細胞因子可增強或阻礙Caspase依賴的細胞凋亡

以上講了細胞因子一方面是Caspase的靶分子，但另一方面也可以調(diào)節(jié)凋亡，并且細胞因子在炎癥過程中的作用十分重要。在以下的內(nèi)容中，我們總結(jié)了一些關(guān)于除IL-1β外的細胞因子對凋亡調(diào)節(jié)的研究。

眾所周知，TNF可以介導包括凋亡在內(nèi)的大量生物學過程。最近發(fā)現(xiàn)，IL-10也可以介導凋亡。Schmidt等的研究顯示，IL-10介導(或增強)了人外周血單核細胞(MNC)中Fas-FasL或Caspase-8依賴的凋亡。stromal-derived factor 1a通過上調(diào)CD95和CD95L來介導CD4+T細胞凋亡。相比之下，被剝奪了生存因子的細胞，包括使用細胞因子刺激的細胞，終將因凋亡而死去。IL-3，NGF，IGF-1和血小板衍生生長因子或保護細胞免于凋亡酪氨酸激酶受體家族可以活化PI3-K。嗜鉻細胞瘤PC12細胞中，可以用NGF或IGF-1活化PI3-K。同樣，下調(diào)PI3-K后，Akt對于阻止細胞凋亡至關(guān)重要。其他的細胞因子通過不同的機制加速或延緩細胞凋亡。VEGF經(jīng)缺氧誘導后，可以通過活化MAPK/ERK通路來介導細胞的凋亡，并且在一些細胞中啟動TNF-R1的表達［1，2，4］。人生長激素可以保護U937細胞免于Fas引起B(yǎng)cl-2表達升高后導致的凋亡，Bcl-2α也有同樣的機制。當TGF-β對FLIP的劑量變化產(chǎn)生感應(yīng)時，細胞會進入凋亡狀態(tài)。同樣，一些化學試劑也可以激活Caspase。IL-8可以通過Fas和TFN-R來減少Caspase-3的激活，從而保護PMN免于凋亡。在炎癥反應(yīng)或過敏反應(yīng)中，GM-CSF，G-CSF和IL-5可以延緩中性粒細胞或嗜酸性粒細胞的凋亡。

即使在同種細胞中，細胞因子的作用也可能是不同的，有可能是驅(qū)動或阻礙凋亡。例如，IFN-α/β可以使鼠的成纖維細胞對dsRNA或流感病毒感染引起的FADD依賴性凋亡更加敏感，但會抵抗由水泡性口炎病毒引起的Caspase-9依賴的細胞溶解。盡管IL-6可以促進細胞增長，但也可以通過IFN-α介導的多發(fā)性骨髓瘤凋亡。在紅細胞祖細胞中，IFN-γ作為一個生存信號也可以同時上高Fas水平。而在小膠質(zhì)細胞中，IFN-γ處理后可觀察到Fas和FasL表達上調(diào)，進行細胞進入凋亡［9］。IL-2可以提高激活的T細胞對Fas介導的細胞死亡更敏感，最終由于FLIP下調(diào)導致細胞死亡。此外，IL-2通過激活I(lǐng)L-2Rβ，進而激活STAT5，從而增加FasL的表達。這樣，盡管IL-2可以促進T細胞的生長，同時它也可以促進細胞凋亡。

有報道發(fā)現(xiàn)，增加Caspase-1，Caspase-3，Caspase-6和Caspase-9的活性可以使小鼠癌癥進一點惡化，一個可能的原因是細胞因子在其中起了作用。另一個關(guān)于膿毒癥的在體實驗發(fā)現(xiàn)細胞因子的產(chǎn)生與凋亡聯(lián)系密切。在膿毒癥發(fā)生時，一些器官中的細胞大量凋亡，其中包括心肌細胞。令人感興趣的是最近的一項研究。使用z-VAD-fmk或z-DEVD-cmk作為Caspase的抑制劑，即使使用內(nèi)毒素刺激兩小時后，仍可以減少Caspase-3的活化及心肌功能障礙。

細胞因子對細胞的影響可能取決于所涉及的受體的類型。眾所周知的例子，TNF-R1/TNF-R2受體系統(tǒng):TNF-R1誘導凋亡，而TNF-R2則刺激細胞增殖。當然這也不是一定的，TNF-R2也可能參與了TNF-R1凋亡通路。此外，其他的發(fā)現(xiàn)清晰地顯示，T細胞中，TNF-R2在細胞的增殖和死亡中是把雙刃劍。

對Caspase-/-小鼠的研究表明，Caspase不僅參與細胞凋亡和細胞因子的成熟，而且會影響細胞生長和分化。凋亡與細胞分化盡管經(jīng)由不同的機制，但在一些層次上是息息相關(guān)的。某些細胞因子受體(大部分包含有βc-鏈或γc-鏈)促進細胞分裂和/或分化，從而阻礙細胞凋亡。由于各種細胞類型的增殖和分化信號有不同的要求，同種細胞因子(如IL-7)可能對同一種細胞(如淋巴細胞)的重要程度是不同的。此外，發(fā)育中的免疫細胞由于缺乏FADD表達而進入未成熟的CD4/CD8階段(在TCR表達之前)，這意味著死亡受體信號復合體可能對于細胞的生長和分化是必不可少。最近顯示Caspase活性抑制劑可以阻礙在T細胞中CD3誘導的增殖和產(chǎn)生IL-2。CD3刺激后，發(fā)現(xiàn)T細胞可以持續(xù)快速地切割Caspase-8，但無法檢測到Caspase-3。這些數(shù)據(jù)顯示死亡受體與IL-2協(xié)同作用，在T細胞增殖中的一種可能的機制。

6．Caspase對細胞轉(zhuǎn)錄的調(diào)控

外界環(huán)境不同，細胞表達的基因也是不同的，特別是針對特定的細胞外信號分子。同時，細胞也會向外界釋放一些細胞因子，可溶性的受體及酶等來改變其所處的微環(huán)境。細胞對刺激的反應(yīng)方式取決于刺激的方式，即刺激信號的各類和序列。細胞外信號在細胞內(nèi)聚集，并可能對基因表達有不同的影響?；虻谋磉_是在轉(zhuǎn)錄水平開始的，因此細胞的命運是基因轉(zhuǎn)錄的結(jié)果。細胞由細胞因子激活，以及細胞因子的表達，均以分子功能為基礎(chǔ)，并且轉(zhuǎn)錄也是主要的調(diào)控途徑。以下主要介紹發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平的Caspase和細胞因子之間的聯(lián)系。

目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些Caspase的底物，包括細胞因子，修復蛋白，Bcl-2蛋白家族，RNA結(jié)合蛋白(La-1，U1-70kD)，結(jié)構(gòu)性蛋白(核纖層蛋白、角蛋白、血影蛋白)，信號分子(激酶，PLC-γ)，控制細胞周期的蛋白(Rb)，轉(zhuǎn)錄因子及其調(diào)控蛋白(I-κB，SP1，SREBP)，整聯(lián)蛋白(HEF-1)及其他蛋白。有些Caspase底物并不直接參與凋亡，這意味著，Caspase可能在其他的細胞生物過程中具有作用。這兩個看似矛盾的細胞生物過程(如激活Caspase和轉(zhuǎn)錄)，是由同樣的受體觸發(fā)了對細胞功能調(diào)節(jié)不同的酶引起的。

TNF受體可以介導Caspase的級聯(lián)放大效應(yīng)，進而導致細胞死亡。另一方面，TRAF-2和cIAP可以激活激酶并及其轉(zhuǎn)錄因子AP-1或NF-κB，使細胞保持存活。NF-κB通過其抗凋亡的作用而對細胞生存十分重要，同時也可以阻礙各種原因引起的凋亡。使用IFN-α預處理可以抑制TNF介導的凋亡，同時具有抑制相關(guān)蛋白的磷酸化和I-κBα的降解。巨噬細胞需要一定活化的NF-κB來通過A1的表達和線粒體穩(wěn)態(tài)而保持生存能力。持續(xù)地抑制NF-κB的活性可以導致時間依賴的線粒體跨膜蛋白降解及DNA片段化。

凋亡的級聯(lián)放大效應(yīng)和轉(zhuǎn)錄激活途徑似乎獨立地起作用，雖然已經(jīng)報道了一些交叉作用。抑制NF-κB的激活通路可以上調(diào)Caspase的級聯(lián)放大效應(yīng)。對于抑制NF-κB對Caspase的級聯(lián)放大作用仍然是有爭議的。現(xiàn)在已經(jīng)明確的是，激活的NF-κB可以調(diào)節(jié)一些抗凋亡蛋白的表達，如TRAF-1，TRAF-2，cIAP-1，cIAP-2，Bcl-2家族，A1，Bcl-XL和IEX-1L。抑制這些蛋白可能會導致細胞凋亡的增強，而過表達可以防止細胞凋亡。最新的數(shù)據(jù)表明，這些蛋白的過表達并不能完全阻斷細胞凋亡，也就是說，NF-κB也調(diào)節(jié)其他抑制蛋白的表達。NDED(NF-κB-inducible death effector domain-containing protein)可能在NF-κB的抗凋亡作用中扮演重要角色。在NF-κB缺乏的細胞中，超表達NDED可以抑制TNF介導的凋亡。NDED可以抑制TNF介導的凋亡，但對依托泊苷介導的凋亡無作用，其作用可能是由于Caspase-8的選擇性下調(diào)。

同一種配體有時會開啟兩個不同的信號通路(如TNF-α或Apo3L)，激活一個通路往往會關(guān)閉另一個通路的活性。事實上，細胞凋亡的抑制劑可以促進細胞生成生存。c-FLIP(一種Caspase-8抑制劑)可以激活NF-κB和Erk信號通路，由于NF-κB可以增強c-FLIP的表達，從而形成延長抑制作用的正反饋。反之亦然，因為Caspase可以下調(diào)生存通路。Caspase可以切割一些接頭蛋白，如RIP，TRAF和cIAP。最近，在TNF-α或FasL介導的凋亡中，發(fā)現(xiàn)TRAF1是Caspase-8的一種底物。在受體介導的凋亡中，Caspase-8通過競爭性地參與信號轉(zhuǎn)導蛋白水解而關(guān)閉細胞的生存通路。紫外線導致的凋亡中，并未觀察到Caspase-8的活動，而且也沒有TRAF-1被水解。值得注意的是，當TRAF-1被Caspase-8切割時，TRAF-2對于生存通路的作用就十分重要了。與TRAF-2相比，TRAF-1的C端具有一個顯性抑制片段，可以通過TNF-α抑制NF-κB。Caspase-8的底物之間也有另一種生存途徑的分子，絲氨酸/蘇氨酸激酶RIP抑制TRADD與FADD之間的相互作用。Caspase-8可以把RIP切成顯性抑制片段。已經(jīng)報道的一個水解產(chǎn)物RIPc可以增強TRADD和FADD之間的相互作用，從而增加對TNFα的敏感度。由于TRADD和FADD之間的相互作用在死亡受體介導的凋亡過程中是必不可少的，抗Caspase-8切割的RIP突變可以保護細胞免于TNFα介導的凋亡［10］。

最近的研究表明，Gads是一種Caspase依賴的血細胞生成特異接頭蛋白。Gads包含SH2和SH3結(jié)構(gòu)域。Gads通過其C端的SH3結(jié)構(gòu)域與SLP-76結(jié)合來酪氨酸磷酸化與Gads的SH2結(jié)構(gòu)域結(jié)合在一起的LAT。Caspase的切割位點位于一長為120個氨基酸殘基的區(qū)段，該區(qū)段位于SH2和SH3結(jié)構(gòu)域之間。這樣可以阻斷SLP-76和LAT之間的相互作用，并改變T細胞受體所接受到的信號。于是，切割信號分子可能會導致信號通路的分支或不同的通路之間形成干擾。

凋亡蛋白酶可以切割并使下游的生存信號分子失活，如Akt/PKB，磷酯酶C(PLC-γ1)和Bcl-2。最近發(fā)現(xiàn)，Caspase-3參與了上皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor，EGFR)的水解過程，EGFR是一個起關(guān)鍵作用的抗凋亡信號。這種切割機制阻斷的EGFR依賴的生存通路的下游信號分子。Caspase可以通過兩種已明確的方式直接下調(diào)NF-κB的活性。Caspase-3可以在I-κBα的N端將其切斷。切割產(chǎn)物ΔN緊密地與NF-κB結(jié)合，從而抑制其活性，并提高細胞對TNF-α介導的死亡更加敏感。ΔN是否容易降解取決于何種因子激活NF-κB［11］。令人驚訝的是，NF-κB在中和其他因素誘導的細胞凋亡過程中，如伽瑪射線，并不會直接給細胞提供生存信號。近來，有報道發(fā)現(xiàn)Caspase可以切割NF-κB的p65亞單位［12］。有些研究了轉(zhuǎn)錄因子激活蛋白2α(transcription factor-activating protein-2α，AP-2α)與凋亡之間的聯(lián)系。在凋亡的DNA片段化過程中，AP-2α會被Caspase優(yōu)先水解，作用方式為與Asp-Arg-His-Asp1(DRHD)序列的天門冬氨酸結(jié)合。AP-2α的水解往往發(fā)生在其他轉(zhuǎn)錄因子。由于抗caspas水解的AP-2α突變可以使細胞抵抗TNF-α介導的凋亡，所以AP-2α是個重要的生存因子。

除了信號轉(zhuǎn)導分子外，Caspase也可以直接切割一些轉(zhuǎn)錄因子，這會導致特定細胞的這些基因非特異性地沉默。舉個例子，在Caspase介導的轉(zhuǎn)錄因子GATA-1降解參與的紅細胞分化過程中，Caspase的活性是一個負性的調(diào)節(jié)因素。Caspase可能作為正向的調(diào)節(jié)因素出現(xiàn)在各種轉(zhuǎn)錄依賴的凋亡中。Caspase可以激活那些控制凋亡相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄因子。這個過程可以發(fā)生在有限的蛋白水解或蛋白與蛋白之間的相互作用。盡管在細胞質(zhì)中存在激活的Caspase，但細胞仍能存活，表明Caspase功能除了促進凋亡外還有其他功能。這并不奇怪，因為Caspase可以促進多種細胞因子的成熟。IL-1，像其他炎癥性的細胞因子對于許多類型的細胞來說是必不可少的生存信號，但像上文講的那樣，一些細胞中被IL-1β活化的NF-κB具有凋亡誘導作用。

盡管細胞增殖和凋亡是一個相反的過程且是相互矛盾的，但一些證據(jù)又表明這兩個過程是相輔相成的。在對基因組穩(wěn)定性的維持上，Caspase和細胞周期調(diào)節(jié)因子的目標是一致的。細胞周期調(diào)節(jié)因子主要檢測可以阻斷細胞周期的基因組損傷，這是關(guān)于細胞周期的第一個檢查點。如果損傷無法修復，Caspase依賴的細胞死亡就登上了舞臺。我們可以推斷，Caspase最終決定細胞周期繼續(xù)或轉(zhuǎn)入凋亡。它們可以通過水解細胞周期抑制因子，或通過執(zhí)行細胞凋亡級聯(lián)誘導，來決定在細胞周期的走向。

據(jù)報道，Caspase可以參與造血祖細胞的分化，T淋巴細胞的增殖及眼睛中晶體纖維的發(fā)育。一些Caspase敲除研究顯示出Caspase對生長發(fā)育的影響。例如，Caspase-3-/-小鼠的出生率就很低，并且與同窩的其他個體相比體型較小。Caspase-8-/-和FADD-/-小鼠在心肌發(fā)育中發(fā)現(xiàn)trabeculae較薄和心室肌肉薄弱。在這些基因敲除小鼠的免疫系統(tǒng)中，造血前體細胞顯示出強烈受損后的集落形成，而且胸腺發(fā)育過程中產(chǎn)生大量有缺陷的T細胞祖細胞。據(jù)報道，Caspase-3在有絲分裂和有絲分裂后的大鼠腦細胞中是有活性的。一股Caspase-3激活的細胞被分配到增生帶，隨后遷移到延髓，最終分化成不同的神經(jīng)元。

許多人認為Caspase是細胞復制機制的不可缺少的調(diào)節(jié)因子。Caspase的底物，如topoisomerase 1和核復制因子MCM-3的作為是阻斷細胞進入有絲分裂。Caspase同樣可以水解像Wee1一樣的細胞周期負性調(diào)節(jié)因子。這些細胞周期負性調(diào)節(jié)因子是細胞周期調(diào)節(jié)激酶CDK2，Cdc2和Cdc27的抑制劑，并且參與組成后期促進復合物。再者，周期抑制因子p21Waf1和p27Kip1也是Caspase的作用靶分子。在增殖過程中，Caspase活性是不定期的，這樣就可以解釋為什么Caspase一般不會殺滅或沉默大多數(shù)腫瘤。Caspase對cdkI p27(KIP-1)豐度的調(diào)節(jié)作用即是一例。對Caspase的抑制導致了所有尺度的抑制分子的積累，從而減少細胞增殖。據(jù)最近的研究發(fā)現(xiàn)，各種惡性腫瘤均表達Fas和/或其配體FasL。然而，表達Fas的腫瘤細胞并不總是容易進入Fas介導的死亡程序，而且在同一腫瘤中Fas和FasL均有表達，其生物學意義尚不明確。在神經(jīng)膠質(zhì)瘤中Fas介導的Caspase激活的機制與MEK-ERK信號通路促進細胞周期進程緊密相連。據(jù)此我們可以推測在神經(jīng)膠質(zhì)瘤中，F(xiàn)asL可能是一個自分泌的細胞生長因子［13］。

最近關(guān)于DNA損傷，細胞周期和凋亡機制之間聯(lián)系的探討，使我們提出一個清晰的問題:Caspase是否促進DNA修復和細胞周期進展?轉(zhuǎn)錄是否也參與其中?許多實驗數(shù)據(jù)顯示了轉(zhuǎn)錄與細胞周期和細胞凋亡之間的聯(lián)系。最重要的證據(jù)就是熱休克蛋白90(HSP90)。壓力導致的轉(zhuǎn)錄激活始于熱休克因子1(HSF-1)從其與HSP90構(gòu)成的復合物上解離下來。HSF1單體構(gòu)成三聚體，并與hsp的啟動子結(jié)合。釋放后的Hsp90防止Apaf-1和底物激活后的proCaspase-9再聚集。HSP90同時可以穩(wěn)定細胞周期蛋白依賴性激酶，Cdc2。HSF1激活轉(zhuǎn)錄后幾個小時，結(jié)果導致HSP90的額外表達并在細胞內(nèi)累積。這個例子清晰地表明應(yīng)激反應(yīng)因子激活轉(zhuǎn)錄是如何導致細胞保護，并促進細胞周期。在上面的例子中應(yīng)該特別注意的是，許多非致命的應(yīng)激反應(yīng)的因子(包括熱休克)可以激活Caspase-9外其他Caspase［14］。

當細胞從壓力恢復但并不進入凋亡狀態(tài)時，短暫激活Caspase的意義何在?轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)修復可以允許紫外線損傷的細胞通過S期，并防止誘導細胞凋亡的發(fā)生。但在紫外線損傷的細胞中，轉(zhuǎn)錄及轉(zhuǎn)錄偶聯(lián)的修復作用是如何啟動的?我們是否應(yīng)該猜想Caspase是否在保護/修復機制的上游激活參與其中?以上問題的答案馬上就要來臨，但我們已經(jīng)目睹了對Caspase領(lǐng)域各種研究方式的變化。在過去的十年中Caspase被描繪成“敢死隊”，而它在細胞內(nèi)的作用是有限地自我毀滅?，F(xiàn)在這種片面的想法必需被新的思索代替。Caspase似乎除作為蛋白酶參與凋亡外還參與了其他許多過程，包括細胞周期調(diào)節(jié)和炎癥過程。

1 Thornberry N.A，et al.A novel heterodimeric cysteine protease is required for interleukin-1 beta processing in monocytes［J］.Nature，1992，356(6372):768-774.

2 Cerretti D.P，et al.Molecular cloning of the interleukin-1 beta converting enzyme［J］.Science，1992，256(5053):97-100.

3 Alnemri E.S，et al.Human ICE/CED-3 protease nomenclature［J］. Cell，1996，87(2):171.

4 Neuzil J，et al.Inhibition of inflammatory endothelial responses by a pathway involving caspase activation and p65 cleavage［J］.Biochemistry，2001，40(15):4686-4692.

5 Nyormoi O，et al.Transcription factor AP-2alpha is preferentially cleaved by caspase 6 and degraded by proteasome during tumor necrosis factor alpha-induced apoptosis in breast cancer cells［J］.Mol Cell Biol，2001，21(15):4856-4867.

6 Zheng T.S，R.A.Flavell，Divinations and surprises:genetic analysis of caspase function in mice［J］.Exp Cell Res，2000，256(1):67-73.

7 Frost V.S，Al-Mehairi A.J.Sinclair，Exploitation of a non-apoptotic caspase to regulate the abundance of the cdkI p27(KIP1)in transformed lymphoid cells［J］.Oncogene，2001，20(22):2737-2748.

8 Los M，et al.Caspases:more than just killers?［J］Trends Immunol，2001，22(1):31-34.

9 Yan X.X，et al.Expression of active caspase-3 in mitotic and postmitotic cells of the rat forebrain［J］.J Comp Neurol，2001，433(1):4-22.

10 Shinohara H，et al.Fas drives cell cycle progression in glioma cells via extracellular signal-regulated kinase activation［J］.Cancer Res，2000，60(6):1766-1772.

11 Zou J，et al.Repression of heat shock transcription factor HSF1 activation by HSP90(HSP90 complex)that forms a stress-sensitive complex with HSF1［J］.Cell，1998，94(4):471-480.

12 Pandey P，et al.Negative regulation of cytochrome c-mediated oligomerization of Apaf-1 and activation of procaspase-9 by heat shock protein 90［J］.EMBO J，2000，19(16):4310-4322.

13 Nakai A，T Ishikawa.Cell cycle transition under stress conditions controlled by vertebrate heat shock factors［J］.EMBO J，2001，20(11): 2885-2895.

14 van Oosten M，et al.Differential role of transcription-coupled repair in UVB-induced G2 arrest and apoptosis in mouse epidermis［J］.Proc Natl Acad Sci U S A，2000，97(21):11268-1173.

The research progress of apoptosis and inflammation mechanism in the senile degenerative disease

(YANG Fan1，2，YANG Ze1.1.Institute of Geriatrics，Chinese Ministry of Health，Beijing Hospital，Beijing 100730，China;2.Graduate School of Peking Union Medical College，Beijing 100730，China.)

Caspase family contains lots of evolutionary conserved proteases，and plays an important role in cellular life.Caspases act in cytoplasm，but its production and activity are triggered and regulated by single outside cells.Hower，some caspases are essential for modulation，activation and secretion of cytokines.There are different pathway and level for the interaction between caspases and cytokines.The article talked about the recent research findings of interaction between them in apoptosis and inflammation，for helping us understand the interacted net and feedback mechanism of caspases and cytokines and the research progress of apoptosis and inflammation mechanism in the senile degenerative disease.

Caspase，Apoptosis，Inflammation，Cytokines，Modulation

10.3969/j.issn.1672-4860.2015.05.007

2015-7-10

1.北京醫(yī)院，衛(wèi)生部北京老年醫(yī)學研究所醫(yī)學遺傳室 100730 2.北京協(xié)和醫(yī)學院研究生院 100730

國家自然科學基金(81061120527，81370445，81472408，81400790);衛(wèi)生部公益性研究基金(201302008);國家科技部十二五支撐計劃(2012BAI10B01);北京市科技新星計劃(Z121107002512058)

※為通訊作者