Caspase-3：细胞凋亡的终极执行者与CTL细胞杀伤机制的核心

Caspase-3

在生命科学的浩瀚宇宙中，细胞凋亡作为生命体维持内部平衡和稳态的重要机制，一直受到科研人员的广泛关注。其中，Caspase-3作为一种关键的蛋白酶，不仅在细胞凋亡过程中扮演着至关重要的角色，还是CTL（细胞毒性T淋巴细胞）细胞杀伤机制的重要组成部分。本文将深入探讨Caspase-3的发现历程、结构特征、活化机制及其在细胞凋亡和CTL细胞杀伤中的作用，以期为读者揭示这一神奇蛋白的奥秘。

一、Caspase-3的发现与命名

Caspase-3的发现可以追溯到1994年，当时Fernandez-Alnemri等科学家在BenBank表达序列标记（EST）数据库中，找到了一段与ICE/CED-3活性中心同源的序列。通过合成探针并筛选人Jurkat T淋巴细胞cDNA文库，他们成功克隆到了一种新基因，该基因编码的分子量为32kD的半胱氨酸蛋白酶，因此被命名为CPP32（cysteine protease protein, 32kD）。随后，其他学者也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，这一蛋白酶被正式命名为Caspase-3，成为Caspase家族中的一员。

二、Caspase-3的结构与功能

Caspase-3是一种含有277个氨基酸残基的蛋白质，分子量约为32kD。它与ICE（白介素-1β转换酶）有30%的同源性，与CED-3（秀丽隐杆线虫中的凋亡相关蛋白）有35%的同源性，是Caspase家族中与CED-3同源性最高的成员。无论从结构同源性还是从底物特异性来看，Caspase-3都与CED-3非常相似，因此有人认为它是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，但蛋白酶活性中心和与结合底物有关的保守氨基酸序列均与ICE一致。在活化过程中，Caspase-3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。这两种亚基再组成活性形式的Caspase-3，从而具备催化活性。

三、Caspase-3的活化机制

虽然pro-caspase-3本身没有催化活性，但它在多种因素的触发下可以被活化。在CTL细胞的杀伤作用中，Caspase-3可以通过Fas/FasL途径或颗粒酶B途径被活化。颗粒酶B是CTL细胞颗粒中的一种丝氨酸酯酶，它可以特异性剪切ICE家族蛋白酶催化亚单位C端的XXD序列，并活化Caspase 2、3、6、7、8、9、10。在活化过程中，首先由颗粒酶B或Caspase-10在D175处剪切下小片段后，pro-caspase-3被部分活化，随后则可进行下一步的自我催化。此外，其他Caspase如ICE也可能参与剪切原结构域的过程。

四、Caspase-3在细胞凋亡中的作用

Caspase-3在细胞凋亡中起着不可替代的作用。当Caspase-3基因被转染到昆虫Sf9细胞后，会引起细胞凋亡，并且这个过程可以被Bcl-2（一种抗凋亡蛋白）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；而再加入纯化的Caspase-3后，它又能恢复致凋亡的功能。这表明Caspase-3是细胞凋亡过程中的关键执行者。

Caspase-3的最主要底物是多聚（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，导致PARP中与DNA结合的两个锌指结构与羧基端的催化区域分离，从而失去正常功能。这进一步导致受PARP负调控影响的Ca/Mg依赖性核酸内切酶的活性增高，裂解核小体间的DNA，最终引发细胞凋亡。这种裂解过程可以被Caspase-3的特异性抑制剂Ac-DEVD-CHO所抑制。

此外，Caspase-3还可以剪切U1-70K、DNA-PK、PKCd和PKCq等蛋白。其中，PKCd和PKCq都属于新型PKC（novel PKC, nPKC）家族成员。当它们被Caspase-3剪切后，可以切除调节区域而成为活性形式的PKC。实验证明，过量表达PKCd和PKCq均可以引起细胞凋亡，这表明它们都参与了细胞凋亡的诱导过程。

五、Caspase-3在CTL细胞杀伤机制中的作用

作为CTL细胞杀伤机制的重要组成部分，Caspase-3在靶细胞被CTL细胞识别并杀伤的过程中发挥着关键作用。CTL细胞通过释放穿孔素在靶细胞膜上形成孔道，使颗粒酶B等杀伤性蛋白进入靶细胞内部。颗粒酶B进入靶细胞后特异性地剪切ICE家族蛋白酶催化亚单位C端的XXD序列并活化Caspase-3等Caspase蛋白酶。活化的Caspase-3进而引发一系列级联反应最终导致靶细胞凋亡。因此，Caspase-3不仅是细胞凋亡的关键执行者也是CTL细胞杀伤机制中的核心分子。

六、结语

综上所述，Caspase-3作为一种关键的蛋白酶在细胞凋亡和CTL细胞杀伤机制中发挥着不可替代的作用。随着生命科学研究的不断深入我们对Caspase-3及其相关信号通路的认识也将更加全面和深入。未来针对Caspase-3及其相关信号通路的研究将为肿瘤治疗、自身免疫性疾病治疗等领域提供新的思路和方法。