caspase 家族與冠心病研究現狀及其進展

李曉云綜述，桂慶軍審校

（南華大學附屬第二醫院心內科，湖南衡陽412001）

caspase 家族與冠心病研究現狀及其進展

李曉云綜述，桂慶軍審校

（南華大學附屬第二醫院心內科，湖南衡陽412001）

冠心病； 細胞凋亡； 半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶； 綜述

冠狀動脈粥樣硬化性心臟病因冠狀動脈血管發生動脈粥樣硬化等病變而引起血管腔狹窄或者阻塞，造成心肌缺血、缺氧或壞死而導致的心臟病，常稱為“冠心病”。在歐美等發達國家已成為第一殺手。冠心病的發病機制很復雜，給治療和預防帶來很大的挑戰。近年來，隨著細胞分子生物技術的發展，使冠心病發病機制的研究進入了細胞分子水平。細胞凋亡是冠心病發生發展過程中的重要環節，而與細胞凋亡相關的分子，就是半胱氨酸天冬氨酸特異性蛋白酶（caspase）家族。研究caspase家族在冠心病發生發展中的作用機制，已成為近年來熱點課題。本文將綜述caspase家族在冠心病中的作用，以及二者與細胞凋亡的關系。

1 冠心病與細胞凋亡

動脈粥樣硬化斑塊上血管平滑肌細胞（VSMC）的凋亡以及心肌缺血引起的心肌細胞壞死和凋亡，都離不開細胞凋亡信號途徑。動脈粥樣硬化部位的巨噬細胞能通過直接作用和細胞因子釋放促進VSMC凋亡[1]。心肌缺血能引起由細胞色素C釋放及caspase家族活化介導的細胞凋亡[2]。各種刺激可以通過細胞凋亡信號途徑促使心肌細胞凋亡，如缺血/再灌注可以激活細胞外調節蛋白激酶（ERK）和應激化蛋白激酶，神經激素因子（如兒茶酚胺類）可作用于G結合蛋白，缺血促進生長因子的分泌等[3-5]。不管受到何種刺激誘導的細胞凋亡，其凋亡信號下游途徑是相同，分為2種途徑：死亡受體和線粒體擴大。在這2條途徑中，上游、途徑中或者下游都有caspase家族的參與。不同類型的caspase可以作為凋亡始動子、凋亡效應子和細胞因子介導炎性反應，在細胞凋亡過程中發揮不同的作用。研究表明，抑制凋亡信號途徑中的caspase活性可以延緩細胞凋亡，對動脈粥樣硬化和心肌缺血/再灌注造成的損傷有保護作用，對治療冠心病有很好的療效。

2 caspase的生物學特性

caspase家族在細胞凋亡信號途徑中居于中心位置，可以誘導凋亡細胞直接解體的蛋白酶系統。caspase作為一種特異天冬氨酸的半胱氨酸蛋白酶，以無活性的酶原形式存在，激活需要水解其N端一段序列，活化后可水解底物，并可以通過過級聯放大誘發凋亡。激活的caspase一般具有抑制劑，防止caspase酶原不正常激活對正常細胞造成損傷。caspase參與凋亡過程，根據起始激活的caspase不同可將凋亡激活途徑分成3條通路：（1）死亡受體途徑，也稱為“細胞外”通路。細胞外各種細胞凋亡信號刺激，FasL和TNF-α可以作用相關受體，并與內源性的FADD直接發生作用，生成FasL-Fas-FADD和TNFα-TNFR1-TRADD-FADD復合物凋亡復合物，復合物中FADD的死亡效應區可與caspase-8酶原或caspase-10酶原結合，使caspase酶原活化。（2）“細胞內”通路，始于線粒體，故也稱為線粒體途徑。當細胞接收到凋亡信號后，如DNA損傷、細胞周期阻滯等，促使線粒體釋放細胞色素C。細胞色素C能與凋亡酶激活因子及caspase-9形成凋亡體，其可以通過自我剪切活化，在dATP和ATP存在的情況下活化caspase-3、caspase-6、caspase-7等，這樣可使凋亡繼續下去。（3）內質網介導的凋亡通路，是一種新的細胞凋亡途徑。主要為內質網鈣離子的調控和內質網反應應激以及caspase-12的激活。caspase-12存在于內質網膜上，是內質網應激誘導凋亡所必需的。內質網鈣離子動態平衡遭到破壞或蛋白聚集于內質網時，可以直接激活其中caspase-12，經激活后，caspase-12可進一步剪切和激活caspase-3而引發細胞凋亡。總之，細胞凋亡是由特殊的凋亡信號刺激并激活caspase酶原，促使蛋白溶解系統發生活化而形成的。caspase處于細胞凋亡途徑的核心位置上，級聯反應被認為是不可逆轉的反應，所以，控制和抑制細胞凋亡時，抑制caspase的活化和caspase活性至關重要。

目前已發現有14種caspase，根據caspase在細胞凋亡分子機制途徑中反應的上、下游位置及功能的不同，可分為三大類，見表1。

3 冠心病與caspase家族

冠心病與細胞凋亡有著密切的關系，caspase在其中發揮的作用一直是研究者關心的話題。通過機制研究明確caspase家族在冠心病中是如何調控細胞凋亡的，可為其治療和診斷提供支持和幫助。下面介紹caspase家族中caspase-1、caspase-3、caspase-8和caspase-12在冠心病中的作用機制。

3.1 caspase-1 caspase-1也稱白介素-1β轉換酶（ICE），有時被寫作caspase1，是caspase家族中唯一可以剪切白介素-1β（IL-1β）或IL-18前體蛋白產生相應成熟的細胞因子的caspase[6-7]。Mezzaroma等[8]研究表明，在急性心肌梗死發生3、7 d后caspase-1mRNA的含量會增加幾倍，caspase-1的激活也在7 d后明顯增加。通過檢測procaspase-1和裂解的caspase-1的表達量，發現二者的比值是升高的。caspase-1的酶活性在動物模型建立6 h后既可以被檢測到，在第3～7天達頂峰，持續上升14 d。研究還證明含有炎癥復合物的急性心肌梗死小鼠模型，caspase-1活性增加，局部肉芽組織和毗鄰壞死區域的心肌細胞出現死亡，并發現其控制炎癥復合發展體可能成為一個獨特的治療方案限制急性心肌梗死中心肌細胞的死亡，最終防止心力衰竭的發生。

3.2 caspase-3 caspase-3是細胞凋亡的關鍵酶，caspase-3表達增加、刺激激活是凋亡信號傳導通路中的中心環節，是凋亡啟動過程中的早期事件，是參與調節和執行細胞凋亡最重要的蛋白酶之一[9-10]。在冠心病中，通過抑制caspase-3的活性，對心肌細胞凋亡會有比較好的效果[11]。Chandrashekhar等[12]觀察了caspase-3抑制劑Z-Asp-2，6，DCBMk（該藥具有細胞通透性，為廣譜半胱天冬酶抑制劑而且這并不影響其他半胱氨酸蛋白酶的活性）的抗心肌細胞凋亡作用，結果發現其具有抑制心肌細胞caspase-3活性，同時，伴隨troponin-I活性下降，心肌細胞凋亡減少。此外，在急性心肌梗死后，半胱天冬酶抑制還可以減少左心室質量與體質量比值，減少心肌間質膠原沉積，抑制左心室重構、更好地保存左心室收縮功能。

干細胞治療具有很好的前景，可修復梗死的心肌細胞和恢復心臟功能。間充質干細胞（MSC）由于固有的多種分化能力以及分泌多種生長因子和細胞因子，已經被運用到心臟修復并取得不錯的結果。盡管干細胞移植是一種很有前景的治療選擇修復梗死的心臟，其是面對一些挑戰，包括移植細胞如何生存在缺血區域，如何面對過度的氧化應激造成損失[13]。Hassan等[14]將MSC用含2.5μmol Carv無血清培養基處理1 h，接著用過氧化氫處理2 h，然后將MSC移植到心肌壞死區域治療動物心肌梗死導致的心力衰竭，結果顯示可明顯改善和降低心肌的纖維化。同時，通過抑制caspase-3的活性或表達，對干細胞抑制治療有明顯的改善作用，能更好地保護心肌細胞和抑制干細胞。

3.3 caspase-8 caspase-8是由位于人類染色體2q33.1上CASP8基因編碼，可翻譯成幾種不同的蛋白亞型。不同的亞基為凋亡始動子，位于級聯反應上游，激活后可以作用caspase3、4、7、9酶原使其裂解并激活。研究表明，在TNF-α/TNFR1信號通路中，caspase-8是處于激活狀態中[15]。該通路是由FADD的聚集激活的，同時，caspase-8酶原也進入到DISC。caspase-8激活后可以導致神經酰胺、線粒體ROS產生，隨后細胞色素C從線粒體中釋放，同時，凋亡小體也開始形成，最后可以活化下游的其他caspase，如caspase-3并導致細胞死亡[16-17]。在心肌梗死后，心臟再灌注損傷是非常嚴重的后果。心肌梗死后，再灌注心臟造成的損傷是一個很嚴重問題。然而，心肌缺血/再灌注是以炎癥、心律失常、心肌細胞損傷為特點。在細胞水平上，Ca2+的含量和氧化還原體系失去平衡狀態。Fauconnier等[18]應用心肌缺血/再灌注的鼠模型，試圖確定急性心肌梗死導致再灌注損傷和Ca2+內穩態擾動急性缺血后的作用機制。結果發現，TNF-α和caspase-8活性在再灌注后6 h內增加，導致心肌氮氧化和線粒體ROS生產。在1 d和15 d后再灌注，caspase-8激活導致舒張期肌漿網Ca2+泄漏。在再灌注之前，藥物抑制caspase-8的活性并抑制Ca2+泄漏，既可減少室性心律失常，又可減少心肌梗死15 d后的再灌注損失，促進左心室重構。TNF-α可誘導caspase-8活化，導致有裂縫的RyR2通道打開，該通道在缺血/再灌注后可使心肌重構。因此，早期預防SR Ca2+通道開放通過使RyR2功能正常化可以保護心臟。caspase-8激活后可參與再灌注損傷。因此，caspase-8抑制和RyR2/calstabin2正常化可以很好地預防再灌注的影響，包括心肌細胞死亡、心律失常和左心室改造后急性心肌。

3.4 caspase-12 caspase-12是內質網應激凋亡通路的特異性蛋白，屬于ICE家族，在生物體內是以無活性的procaspase-12存在。當受到持續刺激時位于內質網上的procaspase-12可以轉移至細胞質，即被激活成具有活性的caspase-12，從而可以激活下游的caspase-3等并促使細胞凋亡。李蕊君等[19]通過建立大鼠心肌梗死模型，觀察梗死后不同時間點心肌組織中caspase-12蛋白的表達變化，發現caspase-12蛋白表達較假手術組明顯增高，且隨梗死時間延長呈增加趨勢。說明在心肌梗死早期，內質網應激通過誘導未折疊蛋白反應可以適當恢復細胞狀態，從而在短時間內保護細胞，此時caspase-12主要以酶原形式存在，其含量較少；隨著梗死時間進一步延長，內質網應激可持續加大，procaspase-12便可活化為具有剪切活性的caspase-12，且含量增高，從而使心肌細胞凋亡。

Song等[20]將38只老鼠隨機分為三組：心力衰竭模型組（模型組）、心臟衰竭和阿托伐他汀治療組（阿托伐他汀組）和假手術組（對照組）。結果發現在阿托伐他汀組中心肌細胞排列更加有序，而且心肌纖維化水平較模型組是下降的，心肌細胞總GRP78表達和caspase-12也在減少；此外，該組中細胞凋亡率降低、內質網壓力被激活，以抵制心臟衰竭和血管緊張素刺激。說明大鼠心肌梗死后心力衰竭通過阿托伐他汀治療抑制GRP78、caspase-12和CHOP在心肌細胞中的表達，可減少心肌細胞凋亡，表明阿托伐他汀具有防止心力衰竭的功效。

4 小 結

冠心病引起的心肌細胞凋亡和壞死、造成心功能受損往往是不可逆。控制或者抑制心肌細胞凋亡，可更好地保護心功能。caspase蛋白家族貫穿著細胞凋亡的整個過程，發揮著重要作用。caspase在細胞凋亡傳導通路整個過程中既可以作為激發者，也可以作為調節者，還可以作為執行者。研究caspase蛋白與心肌缺血或缺血再灌注造成心肌凋亡壞死的關系，是一個很大的課題。研究表明，caspase家族一些成員參與了心肌凋亡，通過抑制其活性可以抑制心肌細胞凋亡和改善心臟的功能。因此，研究caspase家族在冠心病中的作用機制，可以為冠心病的治療帶來福音。

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10.3969/j.issn.1009-5519.2015.01.025

A

1009-5519（2015）01-0070-03

2014-09-01）

李曉云（1982-），女，湖南漢壽人，碩士研究生，主要從事冠心病的相關研究；E-mail：33365612@qq.com。

桂慶軍（E-mail：1113889115@qq.com）。