半胱天冬酶

半胱天冬酶(半胱氨酸依赖性天冬氨酸特异性蛋白酶)可形成一系列密切相关的酶(family C14; clan CD),然后参与到一类称为细胞凋亡的细胞死亡、炎症反应、细胞增殖和分化的调节过程中。根据刺激和细胞类型,不同的半胱天冬酶组合会参与到相应的通路中。

半胱天冬酶是作为无活性前体(酶原)合成的。这些半胱天冬酶原由一个前结构域、一个大亚基、一个连接子和一个小亚基组成。最大活性的半胱天冬酶为二聚体并且通过大小亚基之间的切割来稳定。对于凋亡“引发剂”半胱天冬酶(caspases 2/8/9/10),活化被认为是由酶原单体的二聚化并由支架蛋白介导而触发的。自动切割遵循二聚化并能稳定活性确认或获得进一步的调节属性。相反,“效应子”半胱天冬酶(caspase 3/6/7)是作为无活性的二聚体存在的,而引发剂半胱天冬酶对亚基间连接子的切割导致了它们的活化。到目前为止,参与引发剂半胱天冬酶激活的四种多蛋白复合物目前已得到确定:死亡诱导信号复合物(DISC,caspases 8/10)、凋亡小体(caspase-9),炎性体复合物(炎性caspase-1和-5)和PIDDosome(caspase-2)。

半胱天冬酶(在大多数情况下)通过同一位点对有限的一组蛋白质进行切割来发挥其活性。半胱天冬酶的切割可导致蛋白或酶的活化、功能丧失以及新的活性产生。在这种情况下,细胞内半胱天冬酶底物的生理意义的鉴定、表征和阐明仍然是一个深入研究的领域。

与CD家族的其他成员一样,半胱天冬酶的催化二元体系涉及组氨酸-半胱氨酸对的配位。所有半胱天冬酶对裂变键P1位置的天冬氨酸残基都有严格要求,而对P2-P4的偏好较弱。粗略地说,炎性caspase和caspase-14对WEHD肽序列(P4中的芳香族)更具倾向性。Caspases 2/3/7则对含有DEVD的底物(P4中的天冬氨酸)更具偏好。Caspase 6/8/10倾向于(V/I/L)ETD(P4中的疏水残基),而caspase-9在LEHD基序后切割(P2中的组氨酸是具有强烈偏向性的)。值得注意的是,所有的半胱天冬酶都共同偏好切割P3中的谷氨酸和识别序列的P1'中的小残基(Ser/Gly/Ala)。切割并不限于这些受偏好的基序,例如,caspases 8/9都可通过在非最佳位点IQAD↓S处的切割来激活半胱天冬酶原-7。底物结构中的背景、细胞定位和定时与底物序列本身一样都可能影响特定半胱天冬酶切割特定蛋白的能力。

人类IAP(细胞凋亡抑制剂)是第一个被鉴定的内源性半胱天冬酶抑制剂,其中X连锁的IAP (XIAP)是迄今为止得到最佳特征的IAP。包含XIAP杆状病毒抑制重复结构域(Bir2和Bir3)的序列可分别抑制caspases 3/7和casapes-9。这些XIAP衍生的结构域是迄今已知最具特异性和有效性的半胱天冬酶抑制剂。尽管其他的IAP(cIAP1、cIAP2、NAIP、ML-IAP、ILP2、Bruce和Survivin)都显示出可以抑制半胱天冬酶,但它们的生理作用可能也会涉及其他功能。无论如何,这些半胱天冬酶和其他细胞调节剂已证明在癌症中会被错误调节,从而在致癌过程期间提供存活优势并促进对治疗的抗性。病原体也已经进化出半胱天冬酶的抑制剂。例如,牛痘病毒丝氨酸蛋白酶抑制剂CrmA是caspase 1/8的强效抑制剂,可使得病毒逃避宿主炎症反应并阻断免疫细胞诱导的宿主细胞凋亡的开始。

目前市售的合成半胱天冬酶抑制剂基于首选底物的肽序列且包括醛、氯-或氟-甲基酮或环氧基团等活性官能团。除了已被证明会选择性结合caspases 3/7的靛红磺酰胺衍生物之外,不存在特定的非肽类半胱天冬酶抑制剂。最后,与CD家族的许多蛋白酶一样,半胱天冬酶不受E-64抑制,但对半胱氨酸烷化剂敏感。半胱天冬酶抑制剂已成为阐明细胞凋亡通路的重要工具,并建议可在发生不适当或过度细胞凋亡时作为各种疾病的治疗剂。小分子半胱天冬酶抑制剂目前正处于治疗肝病和移植的临床试验阶段。

许多试剂据称均可以激活细胞内的半胱天冬酶,包括化学治疗药物、TNF受体激动剂和其他酶如颗粒酶B。除了通过其他酶的直接激活,小分子、TNF配体和抗体激动剂对半胱天冬酶的激活都是间接的,而对这些通路的完全阐明仍需更进一步研究。开发直接靶向药物,特别是在癌细胞中导致半胱天冬酶活化和凋亡,是肿瘤学当前正在采用的一种策略。

 

下表包含公认的调节剂和其他信息。有关其他产品的列表,请参阅以下 “相似产品”部分。

 

活化剂

  • 顺铂 (P4394) - caspase 3激活剂
  • 藤黄酸(G8171) - caspase激活剂及凋亡诱导剂
  • 咪喹莫特 (I5159) - caspase 3活化剂
  • PAC-1 (P0115) - caspase 3活化剂
  • 人SMAC/Diablo (S5941)促进caspase激活

抑制剂

  • Ac-WEHD-CHO (A1466) -高潜力caspase 1和5抑制剂
  • 细胞透过性Caspase 4抑制剂caspase 4抑制剂
  • Z-DEVD-FMK (C0605) - caspase 3,6,7,8,10的竞争性、不可逆转、细胞透过性抑制剂
  • Z-LEHD-FMK (C1355) - caspase 9的竞争性、不可逆转、细胞透过性抑制剂
  • Z-VAD-FMK (C2105V116caspase 1及其他caspase的竞争性、不可逆转、细胞透过性抑制剂
  • Z-VDVAD-FMK (C1605) - caspase 2的竞争性、不可逆转、细胞透过性抑制剂

底物

Ac-LETD-AFC (SCP0096) - caspase-8的荧光底物

 

 

当前名称 Caspase-1
(C5482)
Caspase-2
(C2854)
Caspase-3
(C1224)
Caspase-4
(C6357)
Caspase-5
(C6482)
MEROPS IDa C14.001 C14.006 C14.003 C14.007 C14.008
前名称 ICE, IL1BC, p45 Ich-IL, Ich-1 CPP32,Yama, Apopain, Sca-1 TX, Ich-2, ICE-rel II ICE-rel III, Ich-3, TY
基因和染色体位置
CASP1
11q22.2-q22.3
CASP2
7q34-q35
CASP3
4q33-q35.1
CASP4
11q22.2-q22.3
CASP5
11q22.2-q22.3
组织表达 普遍表达 普遍表达 普遍表达 普遍表达 Ubiquitous
普遍表达
基团功能 炎症 启动子/效应子 效应子 炎症 Inflammatory
炎症
生理功能 炎症 凋亡 凋亡 炎症 Inflammation
炎症
疾病关联性
病毒感染
炎症性疾病
帕金森病早期发病
不详
阿尔茨海默氏病
帕金森病
亨廷顿氏病
缺血

病毒感染
炎症性疾病
Not Known
不详
底物 Pro-caspase-4
Pro-IL-β
D4-GD1
Parkin
自身 自身
PARP (P0996)
ICAD
Rb
PKC-d
亨廷顿病
Pro-caspase-1 Not Known
不详
底物基团 I基团 II基团 II基团 I基团 Group I
I基团
首选肽序列 WEHD (A6720)
YVAD (A2452A9965)
VDVAD (A5345)
DEVD (A1086A0466A2559)
DEVD (A1086A0466A2559) WEHD (A0216A6720)
YVAD (A2452A9965)
WEHD (A0216A6720)
YVAD (A2452A9965)
常用抑制剂b YVAD (A1466) VDVAD (C1605) DEVD (C0605A0835) YVAD (A1466) YVAD (A1466)
抑制剂 CrmA (低nM)
p35
p35 NSCI (N1413)
XIAP (Bir2)
cIAP1和2 (Bir2)
p35
ML-IAP
MMPSI
CrmA (低nM)

p35
CrmA
前结构域 CARD CARD N-peptide
N-肽
CARD CARD
活化剂 炎症体 PIDDosome 咪喹莫特(I5159)
PAC-1 (P0115)
Caspases 8/9
GrB
Caspase-10
炎症体 Inflammasome
炎症体
 
 
     
当前名称 Caspase-6 Caspase-7
(C2979)
Caspase-8
(C1099)
Caspase-9
(C8726)
Caspase-10
(C6607)
Caspase-14
MEROPS IDa C14.005 C14.004 C14.009 C14.010 C14.011 C14.018
前名称 Mch2 Mch3, ICE-Lap3, CMH-1 MACH, FLICE, Mch5 ICE-Lap6, Mch6 Mch 4, FLICE2 MICE, mini-ICE
基因和染色体位置 CASP6
4q25
CASP7
10q25.1-q25.2
CASP8
2q33-q34
CASP9
1p36.1-p36.3
CASP10
2q33-q34
CASP14
19p13.1
组织表达 普遍表达 普遍表达 普遍表达 普遍表达 普遍表达
表皮
脉络丛
视网膜色素上皮细胞
胸腺小体
基团功能 效应子 效应子 引发剂 引发剂 引发剂 炎症
生理功能 凋亡 凋亡 凋亡 凋亡 凋亡 角质形成细胞分化
疾病关联性 阿尔茨海默氏病 癌症 癌症
自身免疫疾病
帕金森病和亨廷顿氏病早期发病
免疫缺陷
癌症 亨廷顿氏病
自身免疫
淋巴组织增生综合征
银屑病
底物 Lamins A/B1
Parkin
PARP (P0996) Pro-caspases 3/7
自身
Bid
FLIP
Pro-caspase-6
Pro-caspases 3/7
自身

自身
Pro-caspases 3/7
不详
底物基团
III基团
II基团 III基团 III基团 III基团 I基团
首选肽序列 IETD (A4188C5599)
LETD
VEHD
DEVD (I/L)ETD > DEVD LEHD (A5845) (I/L)ETD > DEVD WEHD
常用抑制剂b IETD (A1216C1230)
LETD (C8734)
DEVD (I/L)ETD LEHD (C1355) (I/L)ETD  
抑制剂 CrmA (mid nM) XIAP (Bir2)
p35
ML-IAP
MMPSI
CrmA(低nM) XIAP (Bir3)
CrmA(高nM)
ML-IAP
ILP2
CrmA p35
前结构域 N-肽 N-肽 串联DED CARD 串联DED
活化剂 Caspases 8/9
GrB
Caspase-10
Caspases 8/9
GrB
Caspase-10
DISC 凋亡体 DISC 不详


附注

一项早期的报道表明了人类caspase-13(ERICE,一种新型FLICE可激活的caspase J. Biol. Chem.,273 ,15702-15707 (1998)的存在,但进一步分析显示原始文库被牛cDNA所污染。小鼠也表达caspase-12,而这似乎与内质网应激反应有关。这种蛋白质是催化失活的,因为它缺乏一个关键的残基(caspase-1编号系统中的Arg341)。在人类中存在一个假基因,但这仅在一个非洲血统的亚群中作为一种非活性蛋白质而表达。 Saleh, M, et al., Differential modulation of endotoxin responsiveness by human caspase-12 polymorphisms., Nature, 429, 75-79 (2004).

a)  MEROPS (http://merops.sanger.ac.uk/index.htm)数据库含有关于肽酶以及可抑制它们的蛋白的信息。该数据库是由英国Cambs CB10 1SA的Wellcome Trust Sanger Institue的Neil D. Rawlings, Fraser R. Morton and Alan J. Barrett维护。

b) 许多常用底物带有多种荧光和发光基团。这些包括Afc(7-氨基-4-三氟基甲基香豆素)、Amc(7-氨基-4-甲基香豆素)以及pNA(p-硝基苯胺)。原则上,由首选底物肽和抑制剂官能团组成的抑制剂构成首选抑制剂。官能团可能包括但不局限于醛基(CHO)、fmk(fluromethylketone)和环氧衍生物。不建议使用氯甲基酮,因为一般抑制剂(泛半胱天冬酶抑制剂)是Z-VAD-FMK和Z-EVD-FMK,以及更小延伸的BAF (Z-D-FMK)。


缩写

Bir:杆状病毒抑制重复
CARD:caspase招募结构域 
CHO:醛基
CrmA:细胞因子反应调节剂A
DED:死亡效应器结构域
DISC:死亡诱导信息复合物 
GrB:颗粒酶B
IAP:凋亡蛋白抑制剂
ICAD:caspase激活的DNase抑制剂
ILP2:IAP样蛋白-2
ML-IAP:黑色素瘤IAP
MMPSI: (S)-(+)-5-[1-(2-Methoxymethylpyrrolidinyl)sulfonyl]isatin
PARP:聚(ADP-核糖)聚合酶
PIDD:含有死亡结构域的P53诱导蛋白
XIAP :X连锁的凋亡蛋白酶抑制剂

 

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参考文献