Caspase3旁分泌對(duì)細(xì)胞增殖及組織再生的影響

摘要：蛋白激酶Caspase3是細(xì)胞凋亡的執(zhí)行者。Caspase3能通過活化或抑制細(xì)胞內(nèi)激酶、磷酸酶和蛋白分子來調(diào)節(jié)細(xì)胞的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。最新研究表明，caspase3的活化能影響周邊非凋亡細(xì)胞的信號(hào)傳導(dǎo)和基因表達(dá)，促進(jìn)細(xì)胞增殖和組織再生。這種非細(xì)胞自主控制的組織再生對(duì)維持機(jī)體生理平衡至關(guān)重要。本文將重點(diǎn)闡述Caspase3的旁分泌功能。

關(guān)鍵詞：caspase3；凋亡；旁分泌；腫瘤

【中圖分類號(hào)】

R249 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B 【文章編號(hào)】1002-3763（2014）07-0025-02

1 Caspase3的生物性

Caspase3是一種相對(duì)分子量為32KD，含277個(gè)氨基酸的蛋白酶，是IL-1β轉(zhuǎn)化酶家族中最受重視的一名成員。Caspase3基因位于染色體4q32上，有32α和32β兩種編碼產(chǎn)物。Caspase3在凋亡過程中主要負(fù)責(zé)切割靶向蛋白質(zhì)。Caspase3作為家族中最重要的蛋白酶，其過量表達(dá)標(biāo)志著凋亡進(jìn)入了不可逆環(huán)節(jié)。

凋亡對(duì)維持機(jī)體正常新陳代謝至關(guān)重要，不僅與胚胎發(fā)育密切相關(guān)，而且通過對(duì)壞死或衰老細(xì)胞的清除保障了細(xì)胞周期的正常運(yùn)行。細(xì)胞凋亡率隨細(xì)胞不同狀態(tài)而改變，如病理性增生、自身免疫紊亂、衰老退化及癌癥等。Caspase3參與整個(gè)凋亡過程，它通過對(duì)核層粘連蛋白、粘著斑和細(xì)胞橋的有效附著，活化DNA裂解酶，沉淀凋亡細(xì)胞DNA碎片，促使細(xì)胞凋亡。除對(duì)底物蛋白切割外，caspase3還可干擾細(xì)胞周期運(yùn)行、參與細(xì)胞生理代謝及修復(fù)、隔離細(xì)胞和分解細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)等^[1]。

2 Caspase3旁分泌功能

除了強(qiáng)大的促凋亡作用外，caspase3活化的同時(shí)對(duì)鄰近非凋亡細(xì)胞增殖和組織再生有直接促進(jìn)作用。凋亡細(xì)胞通過旁分泌caspase3的方式刺激鄰近非凋亡細(xì)胞的信號(hào)活化，促進(jìn)細(xì)胞增殖和組織再生。旁分泌信號(hào)可增加抑炎癥因子IL-10表達(dá)，減少促炎癥因子IL-1、IL-12和TNF-α等表達(dá)以調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)；凋亡細(xì)胞分泌的TGF-β能間接增強(qiáng)機(jī)體免疫抑制能力^[2]。研究表明，組織應(yīng)激導(dǎo)致的細(xì)胞凋亡是組織重塑的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，啟動(dòng)了細(xì)胞增殖和干細(xì)胞的重新聚集，有利于保持機(jī)體生理平衡，維持組織正常新陳代謝。

越來越多的研究表明，除了在免疫系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用外，caspase3可活化凋亡細(xì)胞內(nèi)特殊的蛋白激酶和磷酸酶。Zhao等證明，Caspase3通過活化鈣依賴性磷脂酶A2，產(chǎn)生溶血磷脂酸（iPLA2）和花生四烯酸（AA）^[3]。Caspase3同時(shí)參與T細(xì)胞的增殖和成骨細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞及骨骼肌細(xì)胞的分化。凋亡信號(hào)也能促進(jìn)成肌細(xì)胞融合，是哺乳動(dòng)物骨骼肌形成的關(guān)鍵步驟。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)，Caspase3活化促進(jìn)結(jié)締組織生長因子表達(dá)，組織明顯纖維化^[4]。

Caspase3的活化能構(gòu)促進(jìn)或抑制細(xì)胞因子表達(dá)，以調(diào)節(jié)復(fù)雜的機(jī)體生理學(xué)過程。然而許多非凋亡Caspase3活化可能是細(xì)胞生理或級(jí)聯(lián)反應(yīng)的結(jié)果，也可能是凋亡細(xì)胞通過旁分泌信號(hào)作用于鄰近非凋亡細(xì)胞所導(dǎo)致。在低等生物中，凋亡和組織重塑與再生息息相關(guān)。果蠅細(xì)胞中，細(xì)胞有絲分裂像數(shù)目隨細(xì)胞死亡率變化而變化，可稱之為“凋亡導(dǎo)致的補(bǔ)償性增殖”；離體的水蛭息肉中凋亡也同樣發(fā)揮重要作用，Caspase3阻滯劑zVAD-fmk作用于離體水蛭息肉后，沒有明顯細(xì)胞再生^[5]。因此凋亡細(xì)胞被認(rèn)為是再生信號(hào)的發(fā)出者，通過旁分泌Wnt3和活化Wnt/β信號(hào)通路刺激非凋亡細(xì)胞再生。Wnt/β信號(hào)通路不僅參與胚胎發(fā)育，同時(shí)在細(xì)胞增殖、組織再生中起作用，一旦信號(hào)活化，細(xì)胞質(zhì)中β蛋白即刻轉(zhuǎn)錄翻譯。β信號(hào)的易位傳導(dǎo)加快了β蛋白的轉(zhuǎn)錄并上調(diào)細(xì)胞循環(huán)和增殖中的靶基因表達(dá)^[6]。Chera研究中，對(duì)經(jīng)zVAD-fmk處理后的息肉培養(yǎng)皿中添加Wnt3蛋白，β核轉(zhuǎn)錄明顯、細(xì)胞再生，驗(yàn)證了作者關(guān)于Caspase3通過Wnt/β途徑觸發(fā)組織的再生的假說^[5]。

在Caspase3或其它Caspase家族成員缺乏情況下，機(jī)體組織同樣存在細(xì)胞凋亡，但表現(xiàn)出了凋亡周期延長生物學(xué)特征。在細(xì)胞內(nèi)因素誘導(dǎo)凋亡的途徑中，細(xì)胞線粒體通透性增加、ATP消耗、細(xì)胞自噬及線粒體釋放促凋亡因子啟動(dòng)Caspase3依賴的細(xì)胞凋亡；在外源性刺激誘導(dǎo)的凋亡途徑中，Caspase8做為中間產(chǎn)物間接活化Caspase3，并通過裂解CYLD，抑制細(xì)胞壞死性凋亡。因此，Caspase3蛋白阻滯劑通過抑制死亡信號(hào)接收器，促進(jìn)相關(guān)蛋白及RIP3的磷酸化，導(dǎo)致壞死性細(xì)胞凋亡。即使Caspase3家族在細(xì)胞凋亡中可有可無，但Caspase3的活化在維持組織生理平衡的過程中舉足輕重。凋亡和Caspase3活化的生物學(xué)行為觸發(fā)抑炎癥分子的釋放，以抑制炎癥發(fā)展。研究表明Caspase3除了促凋亡作用外，同時(shí)參與免疫系統(tǒng)應(yīng)答，通過影響促炎癥分子表達(dá)，減弱炎癥反應(yīng)，避免自主免疫應(yīng)答。促炎因子DAMPs被認(rèn)為是細(xì)胞壞死的炎癥或免疫級(jí)聯(lián)反應(yīng)的始動(dòng)者^[9]。機(jī)體免疫系統(tǒng)對(duì)Caspase依賴的細(xì)胞凋亡和非Caspase依賴的細(xì)胞死亡應(yīng)答是截然不同的，有學(xué)者認(rèn)為Caspase3密切參與炎癥反應(yīng)，有效預(yù)防了壞死細(xì)胞導(dǎo)致的免疫性疾病。

3 Caspase3與腫瘤治療

Caspase3的旁分泌功能有利于組織損傷的再生修復(fù)、誘發(fā)部分對(duì)放化療耐受的細(xì)胞的增殖，這種機(jī)制可能減弱了目前腫瘤治療的有效性。現(xiàn)臨床絕大部分放化療方法都以誘導(dǎo)癌癥細(xì)胞凋亡為目的。腫瘤細(xì)胞復(fù)雜的生理環(huán)境、免疫應(yīng)答、基因突變和不斷變化的新陳代謝意味著并不是所有的腫瘤細(xì)胞都對(duì)放化療同樣敏感。腫瘤細(xì)胞部分殺傷學(xué)說，強(qiáng)調(diào)一定時(shí)間內(nèi)的靶向放化療能集中殺傷一批細(xì)胞，殺傷效果只與腫瘤敏感性相關(guān)，與腫瘤的大小、部位組織來源等性質(zhì)不密切。換句話說，放化療后逃逸的腫瘤細(xì)胞無論是增殖速度還是細(xì)胞分化程度都具有更強(qiáng)的侵襲性。實(shí)際上，增殖速率的提高往往提示不良預(yù)后情況。與癌癥細(xì)胞間差異性反應(yīng)相對(duì)應(yīng)的的是在腫瘤中以一定數(shù)量存在的腫瘤干細(xì)胞^[6]。腫瘤干細(xì)胞對(duì)放化療有獨(dú)特的耐受力，Caspase3旁分泌信號(hào)可特異性激活其腫瘤發(fā)生的潛能。Caspase3效應(yīng)器通過調(diào)節(jié)旁分泌信號(hào)通路，特別是Caspase3作為腫瘤生長和增殖的刺激因素，發(fā)揮其在腫瘤治療中的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)作用。在體外模型中，熒光標(biāo)記的干細(xì)胞與凋亡細(xì)胞MEFs被植入同一培養(yǎng)皿中，對(duì)照組單獨(dú)植入干細(xì)胞，同等條件下培養(yǎng)一段時(shí)間后，實(shí)驗(yàn)組干細(xì)胞增殖明顯優(yōu)于對(duì)照組，說明了凋亡細(xì)胞MEFs加速了干細(xì)胞的增殖。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，在植入凋亡MEFs的培養(yǎng)皿中加入Caspase3滅活劑后不再出現(xiàn)明顯的干細(xì)胞增殖，更加確認(rèn)了Caspase3這種特殊的旁分泌信號(hào)導(dǎo)致細(xì)胞增殖。值得一提的是，Huang臨床研究提出有復(fù)發(fā)傾向的腫瘤對(duì)放化療的耐受性較高，因此大大降低了患者臨床放化療的有效性。流行病學(xué)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，Caspase3高表達(dá)提示腫瘤高復(fù)發(fā)率和患者較低生存率。這個(gè)結(jié)論與人們普遍認(rèn)為的Caspase3高表達(dá)預(yù)示著放化療較為成功的觀點(diǎn)截然相反。但Caspase3這種獨(dú)特的功能有望使其成為判斷腫瘤耐受力和復(fù)發(fā)性的重要標(biāo)志。研究發(fā)現(xiàn)，caspase-3的表達(dá)異常與肝癌、宮頸癌、食管癌、胃癌等多種腫瘤的發(fā)生均密切相關(guān)。夏鈺弘等通過對(duì)肝癌的研究發(fā)現(xiàn)caspase-3與腫瘤的分期有明顯相關(guān)性，其表達(dá)越低，肝癌的惡性程度越高。說明胡黃連苷ò和丹參素鈉楊曉燕等 采用大鼠MCAO /R模型發(fā)現(xiàn)， 缺血1 h /再灌注24 h大腦皮Caspase-3表達(dá)增強(qiáng)，細(xì)胞凋亡數(shù)目也相應(yīng)增多。差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，從而推測 caspase-3 的低表達(dá)很可能促進(jìn)了宮頸癌的發(fā)生發(fā)展轉(zhuǎn)歸。

關(guān)于Caspase3的最新發(fā)現(xiàn)對(duì)臨床腫瘤的治療具有重要的指導(dǎo)意義。確切的說，caspase3介導(dǎo)的腫瘤細(xì)胞凋亡是放化療根治腫瘤的基礎(chǔ)，有效抑制Caspase3旁分泌信號(hào)的傳導(dǎo)將可能成為一項(xiàng)卓有成效的治療方法，特別針對(duì)那些具有不良愈后傾向的腫瘤。特異性阻斷Caspase3旁分泌信號(hào)下游效應(yīng)器，比如拮抗PGE2或Wnt信號(hào)途徑，也能有效阻止至少減緩放化療后腫瘤細(xì)胞再增長速率，為腫瘤的治療提供了更多選擇并值得深入研究探討。常規(guī)放療與特異性Caspase3信號(hào)阻滯結(jié)合在一起的治療方法明顯延遲腫瘤細(xì)胞的生長，且腫瘤血管化較常規(guī)治療對(duì)照組明顯減少。survivin和caspase-3 mRNA與胃癌臨床病理行為之間的相關(guān)性研究提示，無論胃癌組織中survivin mRNA表達(dá)水平高低，其正常胃組織中caspase-3 mRNA水平均呈現(xiàn)下降（P<0.01）。這一結(jié)果充分表明胃癌演變過程中caspase-3表達(dá)本身受到抑制，而與survivin表達(dá)無關(guān)。caspase-3表達(dá)受到抑制是否是因survivin表達(dá)升高而引起，從本實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出survivin表達(dá)與caspase-3表達(dá)呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)。這一結(jié)果表明，在胃癌演進(jìn)過程中，survivin可能主要是通過其桿狀病毒凋亡抑制蛋白重復(fù)區(qū)（baculoviral IAP repeat proteins，BIR）與caspase-3結(jié)合抑制caspase-3的活性，發(fā)揮抗細(xì)胞凋亡作用健脾解毒方由生黃芪等組成。臨床應(yīng)用健脾解毒方對(duì)晚期結(jié)直腸癌以L-OHP聯(lián)合5-氟尿嘧啶（5-Fu）、甲酰四氫葉酸鈣（CF）的FOLF-OX4方案化療有增加近期療效， 提高生活質(zhì)量， 減少不良反應(yīng)的作用，對(duì)化療取得部分緩解的患者有延長中位生存期的作用，研究組的中位生存期為13.6 mo，而對(duì)照組為10.2 mo（P <0.05）； 研究組的1 年生存率也優(yōu)于對(duì)照組，分別為80.9%和50.0%（P <0.05）^[4].已有數(shù)據(jù)表明靶向抑制細(xì)胞凋亡是自主的程序性的細(xì)胞死亡方式，caspases 家族蛋白在凋亡過程中起重要作用。Caspases 蛋白家族分為2類：起始caspases和效應(yīng)caspases。起始caspases 如 caspase-8 及、caspase-9 被激活后，通過裂解效應(yīng) caspases 的酶原而激活效應(yīng)caspases。 效應(yīng)caspases包括caspase-3、caspase-6及caspase-7，其中caspase-3是caspases級(jí)聯(lián)反應(yīng)中一種關(guān)鍵的效應(yīng)分子，是細(xì)胞凋亡的執(zhí)行者。 Caspase-3被激活后依次裂解細(xì)胞內(nèi)其他蛋白底物如PARP和DFF45。PARP被裂解后失去正常的DNA修復(fù)功能，激活受PARP負(fù)調(diào)控的核酸內(nèi)切酶，最終導(dǎo)致核小體DNA 降解，從而觸發(fā)細(xì)胞凋亡Caspase3有效阻止了異種移植肺癌的細(xì)胞增殖，這種綜合治療方法有待進(jìn)一步推廣。Huang采用cas3基因缺陷MCF—7原代細(xì)胞建立了移植瘤模型，經(jīng)過放射處理后腫瘤細(xì)胞完全凋亡，且沒有再生長^[6]；相反，對(duì)照組用Caspase3轉(zhuǎn)染MCF—7細(xì)胞使其表達(dá)Caspase3，同樣照射處理后，殘余腫瘤細(xì)胞以一定速度生長，并逐漸顯現(xiàn)出對(duì)放療耐受性，提示抑制cas3活性可能間接提高腫瘤細(xì)胞的放療敏感性^[5]。因此，特異性的抑制Caspase3的活化并結(jié)合放化療的綜合治療方法對(duì)那些具有放化療耐受性和復(fù)發(fā)傾向的腫瘤開辟了新的治療途徑。

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