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与细胞凋亡相关的蛋白酶研究进展

来源:国外医学临床生物化学与检验学分册 作者:薛惠平 2004-9-27
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摘要: 摘要 目前国内外许多学者都逐渐认识到细胞内蛋白酶与细胞凋亡密切相关,认为这些蛋白酶可能在细胞凋亡的启动方面起着关键性作用。本文就这些蛋白酶的种类,底物及其抑制剂的作用作一综述。关键词:细胞凋亡。蛋白酶1 概 述细胞凋亡是区别于细胞坏死的一种细胞死亡形式,它是在一定的生理和病理条件下,一种并不引起机体炎......


  摘要 目前国内外许多学者都逐渐认识到细胞内蛋白酶与细胞凋亡密切相关,认为这些蛋白酶可能在细胞凋亡的启动方面起着关键性作用。本文就这些蛋白酶的种类,底物及其抑制剂的作用作一综述。

  关键词:细胞凋亡;白介素1转换酶;蛋白酶

  1 概 述

  细胞凋亡是区别于细胞坏死的一种细胞死亡形式,它是在一定的生理和病理条件下,一种并不引起机体炎症反应的细胞程序性死亡(programmed cell Death, PCD)的过程。细胞凋亡这一概念最早由Kerr等提出的[1],认为该种细胞死亡像秋天的树叶凋谢一样,故称谓“Apoptosis”,希腊文即凋亡之意。细胞凋亡在形态学和生化改变方面具有特征性。形态学改变包括细胞皱缩,染色质浓缩,核裂解成碎片,最终细胞膜及内质网膜将完整细胞器及碎片包裹成多个分散的凋亡小体。生化改变以往认为内源性核酸内切酶活性增加染色质核小体间DNA断裂是引起凋亡的一个启动因子,但有些具有细胞凋亡特征性改变的却没有染色质核小体间DNA断裂,有的甚至缺乏细胞核[1],看来仅仅以此酶活性增加作为凋亡的启动因子,不能得到满意的解释。目前许多学者都着重于对细胞内蛋白酶的研究,认为这些蛋白酶可能在细胞凋亡的启动方面起着关键性作用。研究依据为:(1)在细胞凋亡早期已发现特异的、可复制的细胞内蛋白的降解[2]。(2)某些蛋白酶抑制剂可抑制细胞凋亡的发生[3]。(3)部分病毒蛋白质作用类似蛋白酶抑制剂,可以抑制细胞凋亡[4]。(4)基因删除实验证明某些蛋白酶在细胞凋亡中起着主要作用[5]。

  2 白介素1转换酶家族(ICE家族)

  在蛋白酶的研究中,研究得最早且最多的为白介素1转换酶(Interleukin 1 converting enzyme, ICE)是巯基蛋白酶的一种。ICE的作用是将无活性的31KD的前白介素1(在天冬氨酸羧基端降解为有活性的17.5KD的细胞因子。ICE由Black等和Kostura等[6]在1989年发现,此酶有高度的底物特异性。ICE高度表达导致细胞死亡,而ICE抑制剂如痘苗病毒CrmA可抑制由各种不同刺激因子诱导的细胞凋亡[7]。在线虫C.elegans的遗传学研究中发现1090个细胞中131个细胞出现了预定的细胞凋亡,调控该程序性死亡的基因已被确认。基因删除实验证明有2个基因ced-3和ced-4是引起细胞凋亡所必需的。尽管由ced-3编码的多肽其功能还不十分清楚,但这一分子显示与人类ICE有广泛的相同部分,ced-3蛋白与ICE有29%氨基酸残基同源性。ced-3蛋白最长的保护顺序QACRG含有ICE活性所必需的半胱氨酸。14C碘乙酰胺标记和晶体学研究[8]均发现ICE活性位于半胱氨酸残基,此基团在催化作用中起着关键作用。活性型ICE是一个四聚体,由两个20KD和两个10KD亚基因组成。它是由无活性型的45KD酶原在天冬氨酸-X连接处降解成20KD和10KD亚基。晶体学研究提示2个亚基均是酶活性所必需的[8]。由于ced-3蛋白和ICE间29%同源性促使对包括人类的哺乳类细胞凋亡过程中ICE作用的研究,已发现鼠成纤维细胞中ICE过度表达引起细胞凋亡。若涉及ICE催化活性半胱氨酸和甘氨酸基团突变,则导致催化活性和诱导转染细胞凋亡的功能的丧失。由ATP诱导的鼠腹膜巨噬细胞凋亡及亚胺环已酮及肿瘤坏死因子诱导的Hela细胞凋亡过程中均发现有成熟的白介素1释放[9],提示ICE在细胞凋亡中被激活。目前对于与ICE活性有关的特异性底物还不十分清楚。随着研究的不断深入,ICE家族成员不断扩大,统称为ICE同类物(ICE homologues)。包括:1)Nedd-2,最初从鼠大脑细胞发育早期一组基因中发现的,后在人胎儿大脑细胞cDNA库中分离得到相同的基因,命名为Ich-1(即ICE和ced-3同类物-1),其编码蛋白顺序与ICE和ced-3相同[10],Ich-1有两种不同的mRNA即长Ich-1和短Ich-1。长Ich-1过度表达诱导细胞凋亡。而短Ich-1过度表达抑制细胞凋亡。Ich和ICE相比不易被CrmA抑制[10]。2)CPP32与ced-3同源性为35%,与ICE同源性为30%,其在真核细胞内的表达能诱导细胞凋亡。CPP32又称为YAMA和apopain。CPP32的底物特异性不同于ICE。前者在P1-P4位点偏向性为四肽DEVD>YVAD,而后者偏向于YVAD。前者易被DEVD-醛所抑制,后者易被YVAD-醛抑制。CPP32能降解多二磷酸腺苷核糖多聚酶(PARP),ICE及长Ich-1并不降解PARP。3)TX(亦称为ICErelⅡ或Ich-2),与ICE有50%同源性,与ced-3有30%等同性[12]。该酶亦为巯基蛋白酶,能催化降解30KD的ICE前体变为有活性的ICE[12]。TX在哺乳类动物细胞中的过度表达诱导细胞凋亡[12]。TX几乎不降解前白介素1。4)ICErelⅢ与ICE等同性为52%,与ced-3同源性为25%。该酶也不降解前白介素1,但仍使转染的Hela细胞发生凋亡。5)Mch2,是近年来发现的一个ICE家族成员,在氨基酸水平上与ced-3有35%等同性,与ICE有29%的同等性。Mch2不降解含有DEVD或YVAD产荧光的底物。Mch2底物的偏向性可能与CPP32或ICE的偏向性有很大不同。ICE家族偏向性成员的共同特性为:(1)这些蛋白酶参与催化降解作用依赖于P1位点的天冬氨酸,该特性与细胞毒T细胞特异的granzymeB有相同之处,后者为独特的丝氨酸蛋白酶。(2)这些蛋白结构均为多聚体,一般为四聚体,由大为17-22KD,10-12KD的亚单位组成。大小亚单位由单一的转录编码翻译成酶原,然后在各种天冬氨酸-X键处降解为两个亚单位。所有的ICE同类物都是具有相似的催化位点和相似的在等电点及天冬氨酸结合的部位。(3)这些蛋白酶均能自我催化或激活别的ICE同类物。由于在细胞凋亡过程中,ICE同类物并不是唯一的蛋白酶,许多描绘凋亡中蛋白酶的研究都是来源于蛋白酶抑制剂的研究,如TLCK、TPCK、TAME等,这些蛋白酶抑制剂抑制了与凋亡有关的各种细胞系统中DNA的降解[2,3,13],故它们可能除了直接抑制ICE同类物外,还抑制ICE作用前或ICE作用后的蛋白酶(即非ICE蛋白酶)。


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