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【求助】请教有关caspase-3的有关问题
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最近正在做关于caspase-3的免疫组化，但是有些问题弄不清楚请园子里的高手们指点一下啊1.active caspase-3、pro caspase-3和cleaved caspase-3分别是什么意思呢？2.active caspase-3这种蛋白主要是在胞浆中还是核中呢?谢谢啊，焦急的等待结果中
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不同种类Caspase 3的结构和功能　　凋亡（或程序性细胞死亡）是一个生理性的细胞自我毁灭的过程，在胚胎发育、生物体内环境的稳定及多细胞生物防御外在及内在伤害方面均起着非常重要的作用。凋亡过程的紊乱，可能与许多疾病的发生有直接或间接的关系，如肿瘤、自身免疫性疾病、神经退行性变及局部损伤等[1]。能够诱发细胞凋亡的因素很多，如射线、能够引起染色体损伤的药物、细胞自身表达的一些受体分子等。凋亡细胞表现出一些共同的特征，如形态学的改变（包括胞膜小泡的形成，细胞的皱缩，凋亡小体的形成），生物化学特性的改变（如胞膜内环磷脂酰丝氨酸的外翻，DNA的片断化，细胞骨架的解离，细胞内功能蛋白的降解等）[2]。对细胞凋亡的机制，人们进行了深入的研究，在以往研究的基础上，大致可以把凋亡分为Caspase依赖的和非Caspase依赖的凋亡。本文着重对Caspase依赖的凋亡过程中的Caspase分子特性作一综述。　　
Caspase分子是一类在进化上非常保守的蛋白酶类分子。Caspase的含义表现在两个方面（１）他们为半胱苷酸蛋白酶类，并且把半胱氨酸作为对底物裂解时的亲核基团，（２）他们为天冬氨酸蛋白酶类，切割天冬氨酸的羧基与下一个氨基酸的氨基形成的肽键。人们对Caspase在凋亡中起重要作用的认识来自于一些试验观察（１）天然和合成的Caspase抑制剂可以显著降低甚至阻断多种刺激引起的细胞凋亡，（２）一些Caspase基因敲除动物模型表现出明显的无凋亡现象，（３）Caspase催化裂解众多的细胞内功能蛋白分子，这些裂解的分子可以导致细胞凋亡[3]。Caspase分子除了在凋亡过程中起重要作用外，在炎症过程中也起重要作用。Caspase分子以酶原的形式被合成，并且在体内低水平组成性表达。外部或内部的刺激引起Caspase分子以瀑布式的活化方式活化。活化的Caspase分子催化裂解众多的效应分子，诱发细胞凋亡。Caspase的结构和酶活性 　　自从第一个Caspase分子（Caspase－１）被发现以来，在哺乳动物已经发现了１４种同源分子，在果蝇中发现了５种同源分子。从结构上进行分析，这些同源物均含有一个高度同源的酶活性区域，该区域可以被切割为大约２０KD和１０KD的两个片断，在一些Caspase分子如Caspase－３，大小两个片断以Linker相连。根据Caspase分子酶活性区域的相似性，可以把Caspase分子分为三大类（１）与炎症有关的Caspase分子，包括Caspase-1、-4、-5、-11、-12、-13和-14，（２）包括Caspase-2和-9，（３）包括Caspase-3、-6、-7、-8、-10。Caspase分子的另外一个显著特点是以酶原的形式被合成，这些酶原的氨基端有一段长短不一的肽段，被称为Prodomain。Prodomain与Caspase分子功能密切相关。与炎症相关的Caspase分子的Prodomain长度大于100个氨基酸，而功能性Caspase分子的Prodomain长度则小于30个氨基酸。长的Prodomain往往含有明显的功能域，如DED（death effector domain）,CARD(Caspase recruitment domain)，DID(death inducing domain)等。Caspase-8和-10均含有两个重复的DED功能域，而Caspase-1、-2、-4、-5和-9均含有CARD功能域，在果蝇的DREDD中含有DID功能域。这些功能域参与Caspase分子之间的相互作用及Procaspase DE活化及Caspase分子的亚细胞定位等[4,5,6,7,8]。短的Prodomain的功能可能是抑制Caspase的活化[9]。最近的研究发现Linker中的一些氨基酸序列也有明显的生物学作用，如Caspase-3的Linker中的DDD序列参与Procaspase-3的稳定[10]。Procaspase分子的三维结构人们目前还无法知道，但DED，CARD等功能域的三维结构已经被认识，他们均由６个a－螺旋构成，外形上非常相似，但仍有一些差异，主要表现为功能域相互作用的方式不尽相同。如电荷－电荷相互作用主导CARD-CARD之间的作用，而疏水相互作用主导DED-DED之间的作用 [11,12,13]。　　对活化Caspase的结构的研究发现，活化Caspases均为由大小两个亚基构成的异四聚体，大小两个亚基对于酶的活性均是必需的。利用Caspase的抑制物已经将一些活化Caspase分子的三维结构研究的比较清楚。如Caspase-8，Caspase-3等。这些研究显示，活化Caspase为四聚体，两个小亚基相邻排列，两个大亚基围绕在小亚基的周围；每一大小亚基形成一球状分子，球状分子的核心为６个α螺旋环绕的6个β片层样结构。两个异二聚体以小亚基相连。每一活化Caspase分子含有两个酶活性中心，这两个活性中心可能独立发挥作用。在Caspase-1分子中，Cys-285，His-237， Arg-179（大亚基）和Arg-341（小亚基）组成酶的活性中心。结构研究还显示，在Procaspase到活化Caspase的过程中，大亚基的羧基端和小亚基的氨基端顺势相邻有利于形成正确的酶活性中心[14,15,16,17,18]。对Caspase酶活性中心的研究主要是依靠特异性抑制剂及突变技术。如在对Caspase-1的研究中，发现Caspase-1的活性可以不可逆的被半胱苷酸蛋白酶抑制剂（带重氮甲基酮的多肽）所抑制，起他的能够修饰半胱氨酸的类似物如碘乙酰胺、N－乙酰马来酰亚胺也可以抑制Caspase-1的活性；其他一些丝氨酸、天冬氨酸、金属蛋白酶抑制剂不能抑制Caspase-1的活性。以上结果被突变技术及三维结构的研究所证实。与其他半胱氨酸蛋白酶相类似，Caspase分子对过渡期金属元素比较敏感，如Zn2+ 可以明显抑制多种因素诱导的凋亡，其机制可能是Zn2+干扰了活性中心的正确形成 [19,20] 。　　Caspase分子是非常特异的内肽酶，其酶作用的底物要有四个排列正确的四个氨基酸及相邻氨基酸[21,22]。如图所示，P1位必须是天冬氨酸，P2、P3、P4位上氨基酸的组成，不同的Caspase分子的要求不同。应用positional scanning synthetic combinatorial library(PS-SCL)的方法[23]，我们现在已经可以对不同的Caspase分子的底物特异性有一大概了解。根据Caspase对底物的识别不同，Caspase分子可以分为三大类，第一类的特异识别位点是WEHD，包括Caspase-1、-4、-5。第二类的特异识别位点为DETD，包括Caspase-2、-3、-7、CED3。第三类的特异识别位点为（L/E）EXD，包括Caspase-6、-8、-9、-10。以上仅仅是粗粗的分类，其实，同一类的不同的Caspase分子对相同的底物的亲合力是不同的，如Caspase-1和Caspase-4对WEHD的亲合力常数分别为0.056和97，这说明Caspase-1比Caspase-4的酶活性更强[24]。除了P1-P4位外，P1′（切割位点后的第一个氨基酸）的氨基酸种类也很有特点，常常为Ala、Ser、 Asn等小分子的氨基酸。在体外试验中，P1′位只要是甲酰胺就足以引起正确地切割。必须注意的是，体外实验的结果并不能完全代表体内实验的结果，因为在体内，酶对底物的切割更易受到蛋白分子内相邻氨基酸残基的影响。
Procaspase的活化
　　尽管人们对凋亡的机制及Caspase分子特性了解很多，但Caspase分子是如何被活化的，仍是一个有争论的话题。对initiator caspase的活化始于对caspase 在大肠杆菌表达的研究．这些表达的procaspase分子能够完全和准确的活化，但是在这些研究中，所使用的蛋白浓度非常高，并不能代表细胞内的真正情况．对procaspase的真正意义上的活化的研究始于procaspase-8．当受到FasL的作用后，Fas的细胞内肽段募集Procaspase-8，引起Procaspase-8的寡聚化，继而活化。由此提出Procaspase-8的活化是由于其寡聚化引起的，体外实验中寡聚化可以引起caspase－８的活化。Procaspase-9的活化是由于Apaf-1引起其寡聚化后而活化的。事实上，由寡聚化而使蛋白活化是细胞内的一个广泛的机制。但近来的研究却发现，由突变引起的Processing位点缺失的Procaspase-9仍能诱导凋亡，而且其Prodomain参与全酶的形成。这些结果提示Initiator caspase的自我切割并不是寡聚化介导的caspase活化的首发条件。另外一个利用定点突变方法是相邻的Procaspase分子一个缺失Processing位点，另一个缺失酶活性位点，均不能使两个Procaspase分子活化。这些结果似乎提示还有其他活化Procaspase的途径[25,26,27,28]。　　效应caspase的活化可能有两条途径：一是由Initiator caspase对其切割后活化的，另外是通过反式活化途径。现在已经证明了的活化途径包括受体介导的caspase的活化和线粒体介导的caspase的活化。反式活化需经两个步骤。以颗粒酶B对caspase-3的活化对反式途径加以描述。颗粒酶对caspase-3的切割首先发生在Linker区域，产生一个具有部分酶活性的中间体，该中间体与成熟酶在结构上很相似，然后，中间体进行自我切割，切去Prodomain，形成活化的caspase-3。IAPs（inhibitor of apoptosis）对caspase的抑制作用之一就是抑制Prodomain的自我切割[29,30,31,32]。非常有意思的是，Procaspase-3可以被含有R-G-D Motif的短肽所活化，该种活化机制不清，但Procaspase-3在活化部位的RGD motif及linker区域中所含有的RGD结合序列，可能参与了这种作用。Caspases 分子在凋亡过程中的位移 　　Procaspases分子为细胞的组成性表达分子，主要分布于胞液中。在各种刺激诱导的细胞凋亡过程中，不同的caspases分子位移到不同的亚细胞区域，发挥不同的作用。胞浆－胞膜之间的位移?caspase-8主要介导由受体诱导的细胞凋亡，在正常情况下存在于胞浆中。当受到配体的作用后，受体的胞内肽段的DD Domain的抑制因子SODD解离。在伴侣分子FLASH的陪伴下，procaspase-8通过其prodomain中的DED结构域与受体的DD domain相互作用，在胞膜内的局部区域聚集，导致procaspase-8的活化，活化的caspase-8再返回胞浆，激活下游的caspase分子[33]。　　胞浆、线粒体和核之间的位移?caspase-9是个多功能的分子，间接活化caspase-2、-6、-8、-10，直接活化caspase-3、-7。在许多肿瘤细胞系中，procaspase-9分布于胞浆中，但在部分细胞系及肝脏细胞提取的线粒体中，发现procaspase-2、-9存在于膜间隙中，当细胞受到细胞毒性药物袭击后，线粒体外膜破坏，procaspase-2、-9移位到胞浆中，进行活化。另外，在培养及活体的心肌细胞及神经元细胞中，procaspase-9几乎全部位于线粒体中。与通常所理解的procaspase-9的作用不同，心肌细胞的procaspase-9移位到细胞核中。procaspase-３主要在胞液中，但一些研究者在部分细胞系及肝细胞的线粒体中，发现有10-90%不等的procaspase-3分布于线粒体的膜间隙中，这还是一个有争议的结果，因为另外一些研究者得到的是阴性结果。procaspase-７是目前直到的唯一位移到微体的caspase分子，细胞受到FasL作用后，procaspase-７被活化后，移位到微体中。Caspase-3和caspase-7切割的底物相同，但在细胞内的定位不同。最近的研究发现，caspase-2可以易位到高尔基体中，并对特异底物Golgin-160进行切割。[34,35]　　Caspases 分子的核转位?在细胞凋亡的过程中，细胞核的形态学和生化特性都发生了很大的变化，这些变化有些是核内的功能性蛋白直接被切割降解失活引起的，如Lamins,Poly(ADP-ribose) polymerize,DNPK,Rb和DNA topoisomeraseI等，有些则是caspase 的切割激活了一些内切酶类，如ICAD/CAD。已经发现可以核转位的caspase分子有caspase-1、-2、-3、-6和-9。Caspase核转位的机制还不是特别清楚。已知caspase核转位的机制大致可以归为Prodomain介导的和自由扩散两种。Procaspase-1、-2、和-9的长的Prodomain中含有核定位信号，可以辅助caspase的入核。Caspase-3的入核机制还在争论中，有的研究认为该过程是一个主动需能的过程，但最近的对MCF-7DE研究结果却发现，caspase-3的核转位是由于活化的caspase-9破坏了细胞的核屏障作用，导致了caspase-3在核浆之间的自由扩散[36]。Caspases分子的调控 　　由于功能上的多样性和对细胞作用的不可逆性，caspase分子在细胞内受到精细的调控。根据调控的方式不同，大致可以分为以下三类：（１）caspases 分子一级结构内所含的特异基序，调控caspase 活性，（２）由调控分子直接作用与caspase 分子进行的调控，（３）对caspase的修饰作用。　　对caspase一级结构所包含的调控信息现在了解的不是很多。已经知道，caspase―３的Prodomain可以抑制caspase－３的活化，使caspase－３保持在静止状态。对caspase的一级结构的研究还发现，在caspase－１、２、３、７分子中含有RGD基序，而在caspase―３的分子中，还发现有RGD的结合序列ＤＤＭ, RGD和DDM的相互作用可以促进caspase－３的自身活化[37]。为了抑制caspase分子在正常情况下的自我催化作用，在caspase－３分子的linker序列中，包含有ＤＤＤ基序，可以抑制caspase－９、颗粒酶Ｂ介导的活化，及caspase－３的自身活化。在caspase－７的Linker区发现了相似的基序DTD，提示利用一级结构的某些基序来调控caspase是一个广泛的机制[10]。现在已知的直接作用与caspase并调控其功能的分子很多。理论上，对一个代谢通路的调节包含有正、负两种方式，但在caspase的调控研究中，除了我们刚刚发现的一个正调控分子TFAR19外，其余均为负调控因子。　　TFAR19为一个有１２５个氨基酸的酸性蛋白质，在体内广泛分布，在胞浆合成，利用反义寡核甘酸技术发现TFAR19可以促进由etoposide等topoisomeraseⅡ抑制剂诱导的凋亡，对其作用的分子机理的研究发现TFAR19直接作用与caspase－３，促进caspase－３的活性。对TFAR19的作用机理的研究还在进行。通过对其的研究，可能会促进对caspase－３正调控机理的研究。　　Caspase的负调控分子有很多。如选择性作用于一、三类caspase的CrmA(来自牛痘病毒的丝氨酸蛋白酶抑制剂)，主要选择性的作用于二类caspase的IAP超家族成员，来自于杆状病毒caspase的广泛抑制分子p35。CrmA和p35分子作为caspase的竞争性抑制剂，抑制caspase的活性。　　IAP超家族的成员较多，如c-IAP1, c-IAP2,XIAP, NIAP 和Survivin，新的成员在不断的被发现，如新发现的Livin分子[38]。IAP家族成员有一个共同的特征，含有一个或多个７０个氨基酸的重复序列（BIR），类似于zinc指状的结构。c-IAP1、 c-IAP2和 XIAP含有环指装结构。BIR功能域和之间的连接区域介导对caspase的抑制作用，而环指状结构则具有泛素化蛋白连接酶的作用，介导caspase－３和－７的泛素化降解作用[39]。　　Caspase的负调控分子还包括caspase的变异体。如已经发现caspase-８有８种变异体[40]，这些变异主要包括N端的缺失或序列变异。Caspase－９的变异体caspase－９beta缺乏活性区，为caspase－９的内源性负调控因子[40]。Caspase的调控还包括转录后修饰作用。如Akt 和p21-RAS 可以诱导procaspase-9 Ser196的磷酸化，抑制procaspase-9的活化。Ser196的突变可以抑制Akt的磷酸化作用，促进凋亡[41]。在部分未被刺激的细胞中，procaspase-3活性中心的半胱氨酸被亚硝基化，Fas诱导的caspase的活化可以使procaspase-3去亚硝基化，使procaspase-3活化[42]。　　总之，作为决定细胞命运的活性分子，Caspase具有复杂的功能和调控方式。人们对Caspase分子的了解还刚刚开始，对其的进一步了解将会帮助我们认识疾病，治疗疾病。
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wh2008 edited on
谢谢楼上的师兄啊，多谢多谢
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谢谢上面的楼主啦！
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受教，原来不懂的，不知道的真的很多啊。
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受益了谢谢啦
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注:本文仅是基础知识，目前这方面进展十分快，需要更新更多的知识。如caspase家族目前发现至少14种。这里仅介绍几种常见的成员。目的是让大家了解到caspase家族的概况，以及在中的作用。
未活化的caspase家族蛋白酶是以酶原形式存在的，酶原的氨基端有一段被称为“原结构域”(pro-domain)的序列。酶原活化时不但要将原结构域切除，并且要将剩余部分剪切成一大一小两个亚基，分别称为P20和P10，活性酶就是由这两种亚基以(P20/P10)2的形式组成的。这种活化反应也是Asp特异的，剪切发生在酶原中保守序列的Asp与其后的氨基酸残基之间，一般是先切下羧基端的小亚基，然后再从大亚基的氨基端切去原结构域。这种剪切可以是酶原及中间活性酶自我催化，也可以是其它ICE家族蛋白酶的作用，还有其它酶类如颗粒酶B参与。
表5. caspase家族蛋白酶的识别序列及作用底物
蛋白酶名称
pro-IL-1b , pro-, pro-caspase 4
TX, ICH-2, ICErel-II
pro-caspase 1
ICErel-III, TY
ICE-LAP6, Mch6
CPP32, Yama, apopain
PARP, DNA-PK, SRE/BP, rho-GDI, KCq
Mch3, ICE-LAP3, CMH-1
PARP, pro-caspase 6
MACH, FLICE, Mch5
pro-caspase3,4,7,9,10
caspase 10
caspase 11
ICH3, FLICE2
已命名的caspase家族成员均已克隆成功，它们不但在氨基酸序列上具有同源性，而且在空间结构上也很相似。目前已经获得了caspase-1(ICE)和caspase-3(CPP32)的X线结晶图像，结果显示它们具有相似的空间结构，在P20的C端和P10的N端有200多个氨基酸残基的序列尤为保守，在空间结构上组成相似的b 折叠中心和相邻的a 螺旋，保守的、对蛋白酶活性有特殊意义的氨基酸残基均位于这一段，并形成特定的结构。不同源的序列主要存在于P20的N端和P20与P10交界处，这两个部位的氨基酸残基在蛋白酶活化过程中一般被全部或部分切除。
所有的成员都保守性地包含有与底物P1Asp作用的氨基酸残基，如在ICE中，它们是催化中心的Cys285，与酶/抑制剂复合物的巯基半缩醛以氢键结合的His237，以及可以稳定反应中间物氧阴离子的Gly238。另外，Arg179、Arg341、Gln383和Ser347形成容纳P1Asp的“口袋”，Ser339靠近Cys285的巯基，以氢键结合P1位的酰胺。与P2~P4作用的氨基酸残基则变异比较大，这可能是各个成员识别不同底物的特异性之所在。在活性Cys周围的氨基酸序列也很保守，一般都有Gln-Ala-Cys-Arg-Gly(QACRG)五肽序列，在caspase-8、caspase-10中为QACQG，在caspase-9中是QACGG，这三个成员都有一个氨基酸残基的变异，但这种变异不影响蛋白酶的剪切活性和特异性。
按照结构同源性的大小，可以将caspase蛋白酶分为三个组，分别以caspase-1、caspase-2和caspase-3为代表。其中最重要的是caspase-1、caspase-3 和caspase-8。
1. ICE的结构与生物学作用
ICE即IL-1b 转化酶(IL-1b converting enzyme)，是单核细胞合成的一种蛋白酶，可以将34kD的IL-1b 前体(pro-IL-1b )剪切为17kD的成熟IL-1b ，这种剪切对于IL-1b 活性的发挥是必须的。不表达ICE的细胞系转化IL-1b 基因后可以产生pro-IL-1b ，但不能分泌有活性的成熟IL-1b ；ICE特异性抑制剂可以阻断金黄色葡萄球菌刺激引起的IL-1b 的分泌。ICE属于半胱氨酸蛋白酶，活性中心有高活性的巯基，对氧化剂很敏感，但对丝氨酸蛋白酶、金属蛋白酶或天冬氨酸蛋白酶的抑制剂不敏感。
(1)ICE活化时的剪切过程：ICE基因定位于11q13-23，编码的ICE前体(pro-ICE)全长404aa，约45kD，蛋白酶活性中心是位于283~287位置的Gln-Ala-Cys-Arg-Gly(QACRG)五肽序列，其中Cys285是发挥酶切活性的关键残基。在活化过程中pro-ICE在4个位点Asp103~Ser104、Asp119~Asn120、Asp297~Ser298和Asp316~Ala317进行自我催化剪切形成两个片段P20和P10，P20和P10首先形成异源二聚体，然后两个P20/P10异源二聚体再通过P10小亚基多聚化形成同源二聚体，所以ICE的活性形式是(P20/P10)2。pro-ICE活化过程中的剪切并不是在四个酶切位点同时进行的，最先被剪切的是第三个位点(Asp297~Ser298)，形成P35和P12两个片段，P35的酶切活性比pro-ICE要高，它既可以进一步在第三个酶切位点剪切其它pro-ICE，还可以剪切其它三个酶切位点，形成P20和P10两个片段，再由P20和P10形成四聚体。四聚体形式的ICE酶切活性非常强，实验证明即使在单核细胞大量分泌IL-1b 时，细胞浆中活性形式的ICE也仅占很小的比例。从pro-ICE上剪切下来的原结构域可以抑制ICE的进一步剪切，这可能是一种反馈机制。
(2)ICE识别的剪切位点和特异性抑制剂：ICE识别的剪切位点是一个四肽序列，除了在P1位置的Asp外，还要求在P4位置的氨基酸残基具有一个较大的疏水性集团，P2和P3位置上的氨基酸的变异则较大，P1’位置上一般是一个较小的疏水性氨基酸。根据这一研究结果，人们合成了ICE的人工特异性四肽底物YVAD，醛化的YVAD(Ac-YVAD-CHO)是ICE的特异可逆抑制剂，醯酮化YVAD(Ac-YVAD-CMK)是特异性不可逆抑制剂。YVAD抑制剂可以抑制单核细胞中成熟IL-1b 的释放，而对其它细胞因子的释放没有作用，在体的实验也有同样的结果，说明这些特异性抑制可能具有一定的临床实用前景。
牛痘病毒产生的一种38kD的蛋白质CrmA(cytokine response modifier A)与丝氨酸蛋白酶抑制剂(serpin)很相似，但它并不抑制丝氨酸蛋白酶的活性，反而抑制ICE的活性。研究发现这是因为CrmA的氨基酸序列中有LVAD四肽结构，与ICE的特异性抑制剂YVAD很相似，可以作为假底物结合ICE，阻断ICE对pro-IL-1b 的剪切，从而降低IL-1b 的分泌。所以CrmA在病毒感染时可以干扰宿主的炎症反应，促进病毒在体内的复制。
(3)ICE的空间构型：利用不可逆的抑制剂Ac-YVAD-CMK，Walker等于1994年获得了活性ICE的X线结晶图像。分析发现，ICE是首先由P20/P10构成一个完整的结构域，然后两个相同的结构域再通过P10结合成一个蛋白酶。在P20/P10异源二聚体中，中心位置是由6个b 折叠股组成，其中4个来自于P20呈平行排列，另两个来自P10，其中一个与P20的4个折叠股平行排列，另一个则呈反平行排列。b 折叠股形成的核心周围是由分别来自P20和P10的a 螺旋所包围。两个P20/P10异源二聚体以反平行方式通过P10结合在一起，在外表形成一个可以容纳底物P1Asp侧链羧基基团的“口袋”。这个“口袋”由P20的Arg179、Gln283和P10的Arg341、Ser347组成，Gly238和His237也参与这种构型的维持，活性中心的Cys285通过氢键与底物结合。对ICE/CED-3家族其它成员的研究发现，在ICE中形成活性中心的氨基酸序列和形成容纳底物的“口袋”的四个氨基酸都很保守，提示它们可能具有相似的空间结构。
2. ICE在细胞凋亡中的作用
Yuan等于1993年将CED-3基因克隆出来，发现它所编码的蛋白质的与人ICE很相似，在一级结构上有28%的同源性。CED-3包含503个氨基酸残基，有100aa富含丝氨酸，与ICE的同源性主要表现在非富含丝氨酸的区域，尤其是羧基端的115aa，与ICE同源性高达43%，其中也包含活性中心QACRG(361~365)。CED-3可能象ICE一样，也是一种半胱氨酸蛋白酶，通过剪切底物蛋白来参与细胞凋亡。ICE是人体中CED-3的同源物，可以发挥与CED-3相似的作用，参与人体细胞的凋亡过程。用ATP或过量内素毒素刺激单核细胞，可以通过活化ICE增加IL-1b 的分泌，这些刺激同时也可以促进细胞凋亡。将ICE cDNA转染入大鼠成纤维细胞系中过量表达ICE可以引起细胞凋亡，这种凋亡可以被牛痘病毒蛋白CrmA或细胞凋亡拮抗蛋白BCL-2所抑制；如果在转染前将ICE基因中编码酶切活性中心的氨基酸残基(Cys285、Gly287)突变，则不能诱导细胞发生凋亡；将CrmA导入鸡背根神经节细胞可以阻断撤除因子而引起的神经元细胞的凋亡过程。
但是有些研究与上述结果不相吻合：稳定高表达IL-1b 的细胞系并不自动发生凋亡；ICE基因剔除的小鼠虽然不能分泌成熟IL-b ，但其发育并不受影响，也不发生性疾病，这些小鼠的胸腺细胞和巨噬细胞在受到特定信号刺激后仍能发生凋亡；在具有ICE活性的细胞中用YVAD抑制ICE活性后，细胞凋亡过程也不受影响；凋亡的鸡细胞DU249的细胞提取液不具有剪切pro-IL-1b 的能力，但凋亡的DU249细胞提取液的另一种成分prICE(proteolytic resembling ICE)则可以将不能作为ICE底物的PARP剪切成典型的凋亡片段。这些结果说明ICE本身可能不是人体细胞凋亡的真正效应剂，至少不是最主要的因素，在人体中可能有其它更重要的ICE样的蛋白酶参与细胞凋亡过程。
1994年Fernandez-Alnemri等在BenBank表达序列标记(expression sequence tag, EST)数据库中找到一段ICE/CED-3活性中心同源的序列，用它合成探针后，筛选人Jurkat T淋巴细胞cDNA文库，从中克隆到一种新基因，因其编码分子量为32kD的半胱氨酸蛋白酶而称之为CPP32(cysteine protease protein, 32kD)。随后，其它学者独立地将这一蛋白基因克隆出来，并分别命名为prICE、apopain(凋亡素)和Yama(印度传说中的死亡之神)。1996年这种蛋白酶被命名为caspase-3。现在一般认为caspase-3是细胞凋亡过程中最主要的终末剪切酶，也是CTL细胞杀伤机制的重要组成部分。
1. caspase-3的结构
pro-caspase-3含有277个氨基酸残基，分子量约32kD，与ICE有30%同源性，与CED-3有35%同源，是caspase家族中与CED-3同源性最高的，不论从结构同源性还是从底物特异性来看都与CED-3很相似，所以有人认为它是CED-3在哺乳动物中的同源蛋白。caspase-3的原结构域明显短于ICE只有28个氨基酸残基，但蛋白酶活性中心和与结合底物有关的保守的氨基酸均与ICE一致。pro-caspase-3在活化过程中从Asp28~Ser29和Asp175~Ser176两处被剪切，形成P17(29~175)和P10(182~277)两个片段，相当于ICE的P20和P10，两种亚基再组成活性形式的caspase-3。pro-caspase-3本身并没有催化活性，在活化时首先由颗粒酶B(GrzB)或caspase-10在D175剪切下小片段后它才被部分活化，随后则可进行下一步的自我催化。在剪切原结构域时可能还有其它caspase如ICE的参与。
2. caspase-3的活化和参与细胞凋亡
caspase-3在细胞凋亡中起着不可替代的作用，caspase-3基因转染昆虫Sf9细胞后引起细胞凋亡，这个过程可以被BCL-2阻断；在发生凋亡的细胞提取液中去除caspase-3后，这些提取液就失去了诱导细胞凋亡的能力；再加入纯化的caspase-3它就又恢复了致凋亡的功能。
caspase-3可以被多种因素活化，在CTL细胞的杀伤作用中，它既可被Fas/FasL途径活化，也可以通过颗粒酶B途径活化。颗粒酶B是CTL细胞颗粒中的一种丝氨酸酯酶，是哺乳动物中caspase蛋白酶外唯一的在Asp后剪切的蛋白酶，它可以特异性剪切ICE家族蛋白酶催化亚单位C端的IxxD序列，并活化caspase 2、3、6、7、8、9、10。ICE也可以被颗粒酶剪切，但剪切后并不被活化。
3. caspase-3引起细胞凋亡的机制
caspase-3最主要的底物是多聚(ADP-核糖)聚合酶PARP(poly(ADP-ribose) polymerase)，该酶与DNA修复、基因完整性监护有关。在细胞凋亡启动时，116kD的PARP在Asp216-Gly217之间被caspase-3剪切成31kD和85kD两个片段，使PARP中与DNA结合的两个锌指结构与羧基端的催化区域分离，不能发挥正常功能。结果使受PARP负调控影响的Ca2+/Mg2+依赖性核酸内切酶的活性增高，裂解核小体间的DNA，引起细胞凋亡。这种裂解过程可被caspase-3的特异性抑制剂Ac-DEVD-CHO所抑制，但不能被CrmA抑制。还可以剪切U1-70K、DNA-PK、PKCd 和PKCq 。PKCd 和PKCq 都属于新型PKC(novel PKC, nPKC)，当被caspase 3剪切后，可以切除调节区域，而成为活性形式的PKC，另外实验还证明，过量表达PKCd 和PKCq 均可以引起细胞凋亡，说明它们都参与了细胞凋亡的诱导。
在caspase-8发现之前，人们虽然知道多种细胞膜外的因素可以引起细胞凋亡，而且知道caspase家族蛋白是这种细胞凋亡过程中的效应物质，但对凋亡信号如何由细胞膜外转递到细胞浆，并如何引起caspase蛋白酶活化的过程却知之甚少。含有死亡结构域的胞浆信号蛋白的发现，证明死亡信号是通过这些蛋白质向胞浆内部传递，并最终引起caspase蛋白酶的活化的。
1995年Enari等证明CrmA可以阻断Fas与TNFRI引起的细胞凋亡，并且发现在Fas和TNFRI活化时有caspase-3和caspase-7的活化，而CrmA在阻断细胞凋亡的同时也抑制了caspase-3和caspase-7的活化，这说明caspase-3、caspase-7等ICE家族蛋白酶参与了Fas和TNFRI引起的细胞凋亡过程，并且提示CrmA可以通过抑制caspase-3、caspase-7的上游ICE样蛋白酶来阻断凋亡过程。之后Kischkel等发现Fas活化时可以与至少4种蛋白相连，分别称为CAP1(cytotoxicity-dependent APO-1-associated proteins 1)、CAP2、CAP3和CAP4，这4种蛋白与活化的Fas受体一起被称为死亡诱导信号复合物(death-inducing signaling complex, DISC)。随后的研究证实CAP1和CAP2是不同形式丝氨酸磷酸化的FADD蛋白，CAP3和CAP4则被证明是一种新蛋白的两种不同剪接形式，这个蛋白被命名为FLICE(FADD-like ICE)。同年，另两组研究者分别用双杂交系统和根据蛋白的同源性也发现了这个蛋白，分别将其命名为MACH(MORT1-associated CED-3 homolog)和Mch5(mammalian Ced homolog 5)，这个蛋白质就是后来统一命名的caspase-8。
1. caspase-8的结构和分布
Caspase-8前体共有479aa，分子量为55kD，其显著的特点是在N端有2个70aa左右的结构域，与FADD的N端的死亡效应结构域(death effector domain, DED)同源，这种同源的结构域可以发生相互聚合，提供了caspase-8与FADD相互结合的一个部位。caspase-8的C端与ICE结构同源，它的活性中心与其它ICE家族蛋白酶活性中心有所不同，不是通常的QACRG，而是由QACQG五肽组成，但这样的结构不影响其蛋白酶活性的发挥。caspase-8一级结构中其它与结合底物有关的氨基酸残基都很保守。caspase-8分布于胎儿和成人的各种组织中，但在胎脑中没有分布。在外周血白细胞中水平较高，可能与白细胞的凋亡有关。
2. caspase-8的活化和参与细胞凋亡
caspase-8可以自我活化，也可以在颗粒酶B的剪切下活化。caspase 8特异性识别的序列是DEVD，活化的caspase-8不但可以剪切PARP，而且还参与其它ICE家族蛋白酶，如caspase-3和caspase-7的活化过程。用caspase-8基因转染MCF-7细胞系，可以引起细胞凋亡，出现典型的形态变化。caspase-8引起的细胞凋亡可以被广谱的ICE家族蛋白酶抑制z-VAD-fmk所阻断，也可以被CrmA阻断，提示它可能是CrmA的靶蛋白。
3. caspase-8参与细胞凋亡的机制
由于caspase-8具有FADD样DED结构域，并且能够通过DED结构域与FADD结合，所以caspase-8可以在凋亡过程中间接与细胞膜受体发生联系，从而将细胞膜事件转化为细胞浆事件。他们认为，在非活化情况下caspase-8的两个FADD样DED结构是互相结合在一起的。当细胞膜表面的Fas与其配体FasL或相应的单抗结合后，受体发生多聚化，引起FADD与受体胞浆区死亡结构域互相结合。这种结合使FADD的DED结构域发生变构，变构后的DED可以与胞浆中caspase-8的一个DED结构域结合，使caspase-8的两个DED结构域分开，同时使caspase-8的ICE同源区解放出来，恢复蛋白酶活性，通过自我催化生成活性形式的caspase-8蛋白酶，后者再作用于胞浆中其它ICE家族蛋白酶，使它们发生逐级活化。
1. caspase-2
Kumar等首先在小鼠胚脑中发现了一种称为Nedd-2(neuronally-expressed, developmentally downregulated)的蛋白酶，这种蛋白酶随着动物的成熟其表达水平逐步下降，在成年鼠脑中找不到Nedd-2的表达。Wang等利用鼠Nedd-2作为探针，筛选人胚脑cDNA文库，获得两条与鼠Nedd-2高度同源的cDNA序列，并命名为ICH-1(ICE and CED-3 homolog 1)。由于不同剪接，ICH-1可以编码两个基因产物：ICH-1L长435aa，其中原结构域长123aa，301~305有以半胱氨酸为中心的活性位点QACRG，含有与ICE和CED-2相似的序列，分别有28%和27%同源性，高表达可引起哺乳动物细胞凋亡；另一种基因产物ICH-1S长312aa，高表达则能抑制细胞凋亡。ICH-1L促凋亡的作用可以被BCL-2所阻断，但不被CrmA所阻断。Northern Blot和反转录-PCR证实，caspase-2的表达与组织的发育阶段有关。ICH-1L和ICH-1S均表达于心脏、肾和脑，但ICH-1S在胚脑中表达最高，而ICH-1H在成年胸腺中表达最高。
在细胞发生凋亡时，48kDa的caspase-2首先被一种caspase-3样蛋白酶在Asp316剪切成p33和p14，然后再缓慢地在Asp152和Asp330处剪切为p18和p12组成的活性蛋白酶，后一过程要在2~3h后才能完成。caspase-2可能参与CTL细胞的杀伤作用，但它并不能被颗粒酶B直接活化，必须被一种caspase-3样蛋白酶活化。
2. caspase-4
caspase-4是1995年Kamens等在松驰杂交(low stringency hybridization)的条件下用人ICE基因探针筛选人胸腺细胞cDNA文库，找到的一个与ICE和CED-3同源的基因，当时将它命名为ICH-2(ICE and CED-3 homolog 2)。同年另外两组科学家也分别独立地发现了这个基因，并分别命名为TX和ICErel-II。caspase-4基因定位于人染色体11q22.2-22.3，所编码的蛋白包含377aa，分子量约43kD，一级结构与ICE有53%的同源性，在切除104aa的原结构域后同源性更高达60%，所有与酶活性中心(QACRG)和与结合底物有关的氨基酸残基都得到了保留。caspase-4分布较广，除脑组织外在所有检测的组织中都有表达。
虽然caspase 4与ICE高度同源，但它并不能催化pro-IL-1b 为成熟分子，但可以活化ICE前体及其自身的前体。caspase 4不能剪切DNA-PK，ICE敏感的抑制剂YVAD-CHO可以阻断caspase 4的活性，但其敏感性仅为ICE的1/20。caspase-4的活性形式也是由P20和P10两种亚基组成。将caspase-4基因转染Sf9昆虫细胞系可以引起典型的凋亡变化，提示caspase-4在细胞凋亡中起一定的作用。
3. caspase-5
caspase 5是Munday等发现caspase 4(ICErel-II)时同时发现的一种蛋白，当时命名为ICErel-III，另外一组研究者则命名为TY。caspase-5包含418aa，分子量47.7kD，与ICE有51%的同源性，并具有保守的活性中心QACRG。但caspase-5不能剪切pro-IL-1b ，在过量表达时可以诱导凋亡的发生。
4. caspase-6
caspase 6是通过有保守的QACRG活性中心和GSWFI保守的抑制剂结合位点的方法用PCR的手段找到的，命名为Mch2，与caspase-3有38%同源性，可以在昆虫细胞中引起细胞凋亡。随后的研究证明，caspase 6可以剪切层蛋白B，而且其活性对Zn2+敏感，这是唯一一个可以剪切层蛋白的caspase。caspase识别的序列也是VEID。它不能剪切U1-70K和DNA-PK，但可以部分剪切PARP，并可活化caspase 3。
5. caspase-7
caspase 7是通过PCR扩增caspase保守序列得到的，称为Mch3(mammalian Ced homolog 3)，另外也被称为ICE-LAP3(ICE like apoptotic protease 3)和CMH1(CPP32/Mch2 homolog 1)。caspase-7包含304aa，分子量35kD，caspase-7是与caspase-3同源性最高的成员，有58%的同源性，与其它caspase有35%的同源性。caspase-7与caspase-3的同源区主要在具有酶活性的亚单位区，它也保留了QACRG(184~188)五肽活性中心，与底物结合的氨基酸残基也都存在。caspase-7可以分别在Asp23~Ala24、Asp198~Ser199和Asp206~Ala207之间被剪切，形成P20/P12形式的caspase-7。caspase-7分布很广泛，在脑中也有少量存在。用抗caspase-7的单抗发现caspase-7在Jurkat细胞中主要分布于胞浆和近膜结构中，细胞核中未见分布。
用caspase-7基因转染乳腺癌细胞系发现全长蛋白不能引起细胞凋亡，但去除氨基端53aa (其中包括原结构域)的caspase-7则可以引起细胞凋亡。进一步研究证明去除原结构域的caspase-7具有自催化作用，可以自动催化成P10/P12形式。酶活性中心的半胱氨酸对caspase-7的这种作用十分重要，突变为Ala后就失去致凋亡作用。当Fas和TNF引起的细胞凋亡时细胞内caspase-7也被活化，CrmA可以阻断caspase-7引起的细胞凋亡。caspase 7不能剪切pro-IL-1b ，但它可以剪切PARP和固醇调节元件，caspase-7对PARP的剪切可以被DEVD-CHO所阻断，但不能被ICE敏感的YVAD-CHO所阻断。caspase- 7对DEVD-CHO抑制剂的敏感性只有caspase-3的1/3，对CrmA则很不敏感。
6. caspase-9
通过人类数据库中与caspase-7同源的序列，Duan等找到一个命名为ICE-LAP6的基因序列，编码414aa，分子量46kD。序列分析表明它也属于ICE/CED-3家族，在相当于ICE活性部分的序列中，caspase-9与其它成员有30%左右的同源性，它的原结构域很长，与caspase-3相似。在caspase-9中与结合底物有关的6个氨基酸残基都得到了保留，但它的酶活性中心的五肽序列与其它ICE/CED-3蛋白酶的QACRT不同，是QACGG，这是继caspase-8的QACQG之后出现的另一种活性中心变异，这种变异也不影响蛋白酶的酶切活性。
caspase-8的分布很广泛，在许多胚胎和成人组织中都有分布。颗粒酶B可以活化caspase-8，活化后可以剪切PARP。乳腺癌细胞系MCF7转染caspase-8基因后出现凋亡，这种作用可以被z-VAD fmk所阻断。当活性中心的半胱氨酸被突变后，caspase-8失去促凋亡的作用。
7. caspase-10
Alnemri等于1996年通过在GenBank中寻找caspase-3的表达序列标记，从人Jurkat T淋巴细胞cDNA文库中同时克隆出caspase-8和caspase-10，分别命名为Mch5和Mch4。caspase-10含有497aa，分子量55kD，与其它成员有30~50%的同源性。caspase-10分子结构的显著特点是其N端也有两个FADD氨基端样结构域，所以它也可能与caspase-8一样是将细胞膜事件转化为细胞浆事件的一个环节。caspase-10的酶活性中心也与caspase-8一样，是QACQG，而不是一般的QACRG五肽序列。caspase-10分布广泛，基因定位于2p12，基因转染昆虫细胞系Sf9中可以引起细胞凋亡，其活性可以被DEVD-CHO所抑制。
8. caspase-11
Yuan等于1996年从小鼠胸腺细胞cDNA文库中发现，命名为ICH-3。373aa，42kDa，与ICE有46%同源性，活性中心为QACRG，ICE中与催化活性有关的氨基酸残基得到了保留，包括His206、Gly207和Cys254，与P1结合有关的氨基酸残基也保守，包括Arg148、Gln252、Arg310和Ser316。caspase-11表达于许多组织，与ICE表达模式相似，并可以被LPS所诱导。在Rat-1细胞中过量表达caspase-11可以引起细胞凋亡，CrmA和BCL-2可以阻断这种凋亡。caspase-11可以被颗粒酶B剪切并活化。caspase-11虽不能剪切IL-1b 前体，但可以活化ICE，通过ICE再活化IL-1b 。所以在细胞凋亡中，caspase-11可能作用于ICE上游，在受LPS刺激后首先活化，然后再通过活化ICE，一方面剪切IL-1b ，引起炎症反应，另一方面还可以在有些细胞中引起细胞凋亡。
9. mICH-3和mICH-4
通过松驰杂交方法也发现了另两种鼠的ICE同源蛋白，分别称为mICH-3和mICH-4。MICH-3在静止细胞表达水平很低，但LPS刺激后上调，基因剔除的小鼠可以抵抗LPS引起的致命的影响，所以推测它屯炎症过程有关。MICH-3不能剪切pro-IL-1b ，但过量表达时可以引起细胞凋亡。
caspase蛋白酶在死亡受体介导的细胞凋亡中起着中心的作用。Fas与配体结合而活化后，首先引起YVAD和zVAD敏感的ICE家族蛋白酶活化，然后再活化DEVD敏感的蛋白酶。其中caspase-8是这一凋亡过程中首先被活化的ICE家族蛋白酶。Caspase-8活化后，一方面它可以剪切活化caspase-3、caspase-7、caspase-4、caspase-9和caspase-10，通过这些蛋白酶剪切底物使凋亡得以进行；另一方面，它的活性可以被CrmA所抑制，籍此可作为细胞凋亡负调控因素作用的环节。
caspase-8的活化可以是Fas与其配体结合引起的FADD蛋白与caspase-8结合的结果，也可能是颗粒酶B、ICE等作用的结果。所以其它能够引起细胞凋亡的因素也可以通过激活颗粒酶B或ICE来激活凋亡信号转导途径。caspase-8活化后引起caspase-3和caspase-7活化，这两种酶都可以剪切PARP，引起DNA的降解。另外caspase-3还可以活化caspase-6，后者可以降解层蛋白B。此外，U1核糖体蛋白的70kD亚基(U1-70K)、DNA依赖的蛋白(DNA-PK)的催化亚基、微丝相关蛋白Gas-2、b -actin、PKCd 、视网膜母细胞瘤蛋白、DNA拓扑异构酶I和II等也都可能作为caspase-3和caspase-6的作用底物。在哺乳动物细胞的凋亡过程中caspase 3、6、7是与CED-3最相似的蛋白酶，它们完成了大部分剪切底物的作用，发挥了CED-3在美丽线虫中发挥的作用。
目前认为，能够将细胞膜事件与细胞浆事件联系起来的蛋白质除了FADD/caspse-8通路外还有其它形式，新发现的胞浆蛋白CRADD可以将RIP与caspase-2联系起来。另外，caspase-10和caspase-9都已被证明可以在凋亡信号传导过程中先于其它蛋白酶活化，并通过其酶活性将信号传给其它caspase蛋白酶。
其它ICE家族蛋白酶虽然也在不同程度上参与凋亡过程，但具体细节还不十分清楚，它们可能是在不同细胞和组织起作用，也有可能是作为后备机制辅助上述途径的进行。
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