caspase家族蛋白酶结构与功能

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1、caspase家族蛋白酶的结构与功能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。(一)caspase-1(ICE)1.ICE的结构与生物学作用ICE即IL-1b转化酶(IL-1bconvertingenzyme)，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

2、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~Ser10

3、4、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

4、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I

5、CE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(cytokineresponsemodifierA)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-

6、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。8(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

7、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