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摘要：Caspase家族是研究细胞凋亡的热点话题，而缺血性脑血管病是人类三大主要的死亡原因之一，其发病机制较复杂，随着细胞分子生物技术的发展，使缺血性脑血管病发病机制的研究进入了分子水平。神经细胞凋亡在缺血性脑血管病的发生、发展过程中的起着重要的作用。半胱氨酸天冬氨酸酶（Caspase）是一种促使细胞凋亡的蛋白酶，在细胞凋亡机制网络中处于核心地位。本文将综述Caspase家族与神经细胞凋亡的关系，以阐明其在缺血脑损伤中的作用。
关键词：Caspase家族；神经细胞凋亡；研究进展
本文引用格式：苏胜有.Caspase家族与神经细胞凋亡的研究进展[J].世界最新医学信息文摘,2019,19(80):76-77.
1神经细胞凋亡概述
在脑缺血损伤的早期，神经损伤以细胞坏死为主，后续损伤以细胞凋亡为主，细胞凋亡是脑缺血损伤病理生理的重要环节。细胞凋亡是指体内外因素触发细胞内预存的死亡程序，在基因的调控下自主地启动细胞的死亡程序，有序地结束生命的过程，即程序性细胞死亡（PCD）。脑缺血损伤可诱导多种基因的表达,包括促凋亡、抑制凋亡基因，它们编码的蛋白质产物可直接或间接调控凋亡的过程。细胞凋亡可由多种损害引起，包括细胞因子、炎性损伤、自由基损伤、兴奋性中毒。多种蛋白分子参与了细胞凋亡的过程，主要包括Caspase家族、衔接蛋白、Bcl-2家族以及凋亡抑制蛋白。其中，Caspase家族对于调节神经元的凋亡起到了至关重要的作用，其可发生在细胞凋亡的各个时期[1]。细胞凋亡因子/信号在多种内外因素的作用下产生，经死亡受体、线粒体等通路加工后转导至Caspase酶家族，以执行凋亡过程。凋亡路径起始于激活的Caspase酶，过程中有各种底物参与、级联放大，最终形成凋亡小体，并被邻近的巨噬细胞吞噬。
2Caspase家族的生物学特性
在上世纪90年代初，科学家们发现了半胱氨酸天冬氨酸酶（Caspase），经完成提纯、复制、测序后,将首个被发现的蛋白酶命名为Caspase-1。目前，学者们发现Caspase家族由14个成员组成，正常时均以无活性的酶原形式存在。Caspase酶原包括3个区域：原域、大亚基单位、小亚基单位。根据大小亚基的同源性，将半胱氨酸天冬氨酸酶分为三类：（1）炎症介质反应调节组：Caspase-1、-4、-5、-11、-12、-13、-14；（2）细胞凋亡启动组：Caspase-2、-8、-9和-10；（3）凋亡执行组：Caspase-3、-6和-7。
3Caspase介导的细胞凋亡通路
细胞凋亡的发生机制复杂，Caspase酶主要通过线粒体/Cytc通路、死亡受体通路和内质网通路这三种方式实现。
3.1细胞凋亡通路
3.1.1线粒体/Cytc介导的内源性凋亡通路
当细胞在受到外界凋亡信号的刺激时,线粒体膜发生肿胀、通透性增高，从而使凋亡启动因子转移到线粒体外。经研究发现，它们包括Cyt-C、PDCD8、Bitl等。由线粒体释放入胞液的Cyt-c能与半胱氨酸天冬氨酸酶-9（Caspase-9）及凋亡酶激活因子-1（Apaf-l）结合，生成凋亡体。然后凋亡体水解，释放的水解产物和细胞色素C可以使Apaf-1进一步聚集，形成一个复合的七聚物，具有较强的Caspase-9激活活性，最终使Caspase-9自我剪切、活化[2]。Caspase-9激活后,启动了Caspase级联反应，进一步切割Caspase-3、6、7等,从而启动细胞调亡，Caspase-3是执行细胞凋亡的关键因子。
3.1.2死亡受体介导的外源凋亡通路
在细胞外源性途径中，死亡信号的转导依赖于死亡配体与受体的结合以及受体的死亡结构域与信号转导分子结合。细胞死亡配体常见有如下几个：FasL、TNF-α、APO-3L、TRAL、APO-2L；它们相对应的受体为Fas、TNFR1、DR3、DR4和DR5，各自含有胞浆死亡结构域DD（起连接胞内凋亡机制的作用）。由于各种细胞凋亡信号的刺激，死亡配体分别结合于同源细胞表面相应的受体，再与胞内的死亡结构域蛋白结合，直接作用在Caspase-3或其他下游Caspase，促使细胞凋亡。
Caspase-8作为关键蛋白酶参与了外源性细胞凋亡信号的传导[3-4]。在此，以Fas为例介绍其信号传导通路，FasL配体与FasR受体结合，Fas通过死亡结构域募集FADD，FADD氨基端的DED（死亡效应结构域）与Caspase-8原域中的DED相互作用，把proCaspase-8募集到Fas区域，形成死亡诱导信号复合体(DISC)。然后促使proCaspase-8自我水解、活化，进而激活Caspase-8，最后可以活化下游的其他Caspase，启动级联反应。活化的Caspase-8除了直接激活、启动级联反应路径外，还可将位于细胞质内的Bid前体裂解，形成截断的活性分子，即羧基端tBid。然后，tBid被转位至线粒体，诱发Cyt-C的释放，促使凋亡效应信号被放大。由此可知，tBid可以将凋亡信号从死亡受体通路传递到线粒体通路，建立了它们之间的联系，使信号在传导中被放大。
3.1.3内质网介导的凋亡通路
内质网参与维持细胞内钙离子浓度、合成细胞膜上的蛋白等多种功能，并对细胞凋亡信号的处理起着重要的作用。Caspase-12位于内质网，它对内质网应激很敏感，可以激活Caspase的级联反应来调节凋亡的发生。内质网应激诱导Caspase-12表达，并导致Caspase-7转移到内质网表面，Caspase-7激活Caspase-12，进而活化Caspase-9,最终诱导细胞凋亡。
4Caspase家族与脑缺血研究
Caspase酶在脑缺血后神经细胞的凋亡过程中发挥着重要的作用，通过机制研究明确Caspase家族在脑缺血中如何参与细胞凋亡的过程，为脑缺血后的神经保护提供新的思路和治疗靶点。现主要阐述Caspase家族中-3、-8、-10和-12在脑缺血中的作用。
4.1Caspase-3
Caspase-3在细胞凋亡的级联反应途径中位于核心位置，激活Caspase-3及促进表达是凋亡信号传导通路中的关键的环节。在Caspase家族介导的凋亡通路中，级联反应最终聚集于此，并将刺激信号往下传导，可与大量的蛋白因子共同调控细胞凋亡，是执行细胞凋亡最重要的蛋白酶之一[5-6]。在脑缺血/再灌注损伤中，Caspase-3在神经细胞损伤的病理过程中发挥着重要的作用。Le DA等人[7]在Caspase-3基因缺乏的大鼠上构建缺血/再灌注的模型，与正常的大鼠对比，发现皮层梗死的体积减少55%，凋亡细胞数减小36%，说明了Caspase-3参与了神经细胞凋亡的病理过程，抑制了Caspase-3的表达能减轻神经损伤及减少神经细胞的凋亡。LU ZQ等[8]人在大鼠缺血/再灌注模型研究中发现Caspase-3蛋白参与了凋亡的过程，使用芦荟多糖干预后Caspase-3减低，起到抑制凋亡途径的作用，进而减轻了脑细胞的损伤。近年来，众多学者研究表明，Caspase-3介导了神经细胞的凋亡，直接导致凋亡细胞酶解，同时关闭DNA的修复，裂解细胞结构蛋白，降解DNA，最后形成多个凋亡小体；相反，通过调控Caspase-3的激活和表达可以有效地切断凋亡的过程[9-10]。林冬融等人研究发现，尤瑞克林可能通过下调Cytc及Caspase-3来实现抑制神经细胞的凋亡,对糖尿病的大鼠局灶性脑缺血再灌注具有神经保护的作用[11]。
4.2Caspase-8
Caspase-8为凋亡途径发生的主要诱导因子，以酶原的形式存在。Caspase-8酶原位于凋亡途径的上游，接受凋亡信息激活后可以作用于下游效应Caspase-3、-4、-7、-9酶原使其裂解并激活，发挥诱导细胞凋亡的作用，是主要的启动者，促使下游酶原发生“瀑布式”活化[12]。活化后Caspase-8能激活下游几乎所有的Caspase酶，起动级联反应而诱导细胞凋亡[13-14]。Caspase-3的激活是一个不可逆的细胞凋亡阶段，Caspase-3还可以反过来再次激活Caspase-8，形成正反馈。激活的Caspase-8蛋白也可以通过降低线粒体内膜的电位，激活Bcl-2家族蛋白，促进线粒体释放细胞色素C与Apaf-1结合后相继激活Caspase-9和Caspase-3参与内源性途径凋亡[15]。邓志锋等[16]人用Wistar大鼠制作全脑缺血模型，检测海马CA1区Caspase-8蛋白表达及凋亡细胞数，发现细胞凋亡数与Caspase-8蛋白表达的时序性相对应。经缺血预处理后，Caspase-8蛋白表达时程后延，相应的神经元凋亡数也明显减少，表明Caspase-8蛋白表达可能调控着神经元的凋亡。Bi FF等人通过对SD大鼠MCAO缺血/再灌注模型研究，对Caspase-8的表达及神经元细胞的凋亡进行检测，发现Caspase-8 mRNA和蛋白的表达与神经元凋亡之间有很高的相关性，提示脑缺血后Caspase-8可能诱导神经元细胞凋亡[17]。
4.3Caspase-10
Caspase-10蛋白一类新近被发现包含有死亡效应结构域的酶，功能主要是在识别和激活下游Caspase过程中起重要作用。Caspase-10属于该家族中的起始因子之一，其作用是接受上游凋亡传导信号的刺激，通过形成死亡诱导信号复合物，自我催化裂解，进而激活自身蛋白酶活性，活化的Caspase-10释放到胞浆中，裂解并激活Caspase-3、-7，传导凋亡信号引起级联效应，诱导细胞凋亡。Caspase-10蛋白主要在死亡受体CD95和TRA LR1/R2介导的凋亡信号传导通路中发挥作用。刘斌等[18]通过实验观察到，Caspase-10蛋白在海马CA1区表达量高于对照组，该区内脑细胞凋亡率亦呈对应性的增高趋势，说明了Caspase-10蛋白参与了脑细胞凋亡的发生和发展过程。
4.4Caspase-12
Caspase-12位于内质网外膜，是内质网应激（ERS）凋亡的关键蛋白酶，ERS可通过Caspase-12独立地导致细胞凋亡。当内质网受到损伤时，无活性的Caspase-12酶原可以被激活，具有活性的Caspase-12可以激活caspse-9、caspse-3等酶原，通过caspse级联反应促使细胞凋亡。研究发现Caspase 12与ERS介导的凋亡路径有显著的相关性[19]。田园等人在研究大鼠脑缺血/再灌注中发现，脑细胞凋亡率、梗死体积及Caspase 12表达在I/R组均明显高于对照组，支持Caspase 12蛋白参与了神经细胞凋亡的发生[20]。
LIU等[21]研究发现在兔MCAO模型中1小时后，Caspase-12半暗带区出现高表达，于24~72小时达到高峰，其脑细胞的凋亡也有相对应的变化。林冬融等人研究发现Caspase-12可能通过介导ERS加重脑缺血再灌注损伤及神经细胞凋亡的过程[22]。上述研究均说明Caspase-12参与了神经细胞I/R损伤中凋亡的发生和发展。
5小结
随着对细胞凋亡研究的不断深入，Caspase蛋白家族逐渐受关人们的重视，它们在凋亡的过程中发挥着不可估量的作用，贯穿于整个过程中，既充当启动者，又作为调控者，更为执行者。经典的脑缺血/再灌注损伤模型一直被应用于Caspase蛋白家族的研究，Caspase蛋白的功能也逐渐被发现。对Caspase家族进行很多功能和相互间的作用机制深入、细致的研究，可能对神经细胞凋亡的基因治疗提供新的、更有效的药物靶点。
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