caspase 家族与冠心病研究现状及其进展

李晓云综述，桂庆军审校

（南华大学附属第二医院心内科，湖南衡阳412001）

caspase 家族与冠心病研究现状及其进展

李晓云综述，桂庆军审校

（南华大学附属第二医院心内科，湖南衡阳412001）

冠心病； 细胞凋亡； 半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶； 综述

冠状动脉粥样硬化性心脏病因冠状动脉血管发生动脉粥样硬化等病变而引起血管腔狭窄或者阻塞，造成心肌缺血、缺氧或坏死而导致的心脏病，常称为“冠心病”。在欧美等发达国家已成为第一杀手。冠心病的发病机制很复杂，给治疗和预防带来很大的挑战。近年来，随着细胞分子生物技术的发展，使冠心病发病机制的研究进入了细胞分子水平。细胞凋亡是冠心病发生发展过程中的重要环节，而与细胞凋亡相关的分子，就是半胱氨酸天冬氨酸特异性蛋白酶（caspase）家族。研究caspase家族在冠心病发生发展中的作用机制，已成为近年来热点课题。本文将综述caspase家族在冠心病中的作用，以及二者与细胞凋亡的关系。

1 冠心病与细胞凋亡

动脉粥样硬化斑块上血管平滑肌细胞（VSMC）的凋亡以及心肌缺血引起的心肌细胞坏死和凋亡，都离不开细胞凋亡信号途径。动脉粥样硬化部位的巨噬细胞能通过直接作用和细胞因子释放促进VSMC凋亡[1]。心肌缺血能引起由细胞色素C释放及caspase家族活化介导的细胞凋亡[2]。各种刺激可以通过细胞凋亡信号途径促使心肌细胞凋亡，如缺血/再灌注可以激活细胞外调节蛋白激酶（ERK）和应激化蛋白激酶，神经激素因子（如儿茶酚胺类）可作用于G结合蛋白，缺血促进生长因子的分泌等[3-5]。不管受到何种刺激诱导的细胞凋亡，其凋亡信号下游途径是相同，分为2种途径：死亡受体和线粒体扩大。在这2条途径中，上游、途径中或者下游都有caspase家族的参与。不同类型的caspase可以作为凋亡始动子、凋亡效应子和细胞因子介导炎性反应，在细胞凋亡过程中发挥不同的作用。研究表明，抑制凋亡信号途径中的caspase活性可以延缓细胞凋亡，对动脉粥样硬化和心肌缺血/再灌注造成的损伤有保护作用，对治疗冠心病有很好的疗效。

2 caspase的生物学特性

caspase家族在细胞凋亡信号途径中居于中心位置，可以诱导凋亡细胞直接解体的蛋白酶系统。caspase作为一种特异天冬氨酸的半胱氨酸蛋白酶，以无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，并可以通过过级联放大诱发凋亡。激活的caspase一般具有抑制剂，防止caspase酶原不正常激活对正常细胞造成损伤。caspase参与凋亡过程，根据起始激活的caspase不同可将凋亡激活途径分成3条通路：（1）死亡受体途径，也称为“细胞外”通路。细胞外各种细胞凋亡信号刺激，FasL和TNF-α可以作用相关受体，并与内源性的FADD直接发生作用，生成FasL-Fas-FADD和TNFα-TNFR1-TRADD-FADD复合物凋亡复合物，复合物中FADD的死亡效应区可与caspase-8酶原或caspase-10酶原结合，使caspase酶原活化。（2）“细胞内”通路，始于线粒体，故也称为线粒体途径。当细胞接收到凋亡信号后，如DNA损伤、细胞周期阻滞等，促使线粒体释放细胞色素C。细胞色素C能与凋亡酶激活因子及caspase-9形成凋亡体，其可以通过自我剪切活化，在dATP和ATP存在的情况下活化caspase-3、caspase-6、caspase-7等，这样可使凋亡继续下去。（3）内质网介导的凋亡通路，是一种新的细胞凋亡途径。主要为内质网钙离子的调控和内质网反应应激以及caspase-12的激活。caspase-12存在于内质网膜上，是内质网应激诱导凋亡所必需的。内质网钙离子动态平衡遭到破坏或蛋白聚集于内质网时，可以直接激活其中caspase-12，经激活后，caspase-12可进一步剪切和激活caspase-3而引发细胞凋亡。总之，细胞凋亡是由特殊的凋亡信号刺激并激活caspase酶原，促使蛋白溶解系统发生活化而形成的。caspase处于细胞凋亡途径的核心位置上，级联反应被认为是不可逆转的反应，所以，控制和抑制细胞凋亡时，抑制caspase的活化和caspase活性至关重要。

目前已发现有14种caspase，根据caspase在细胞凋亡分子机制途径中反应的上、下游位置及功能的不同，可分为三大类，见表1。

3 冠心病与caspase家族

冠心病与细胞凋亡有着密切的关系，caspase在其中发挥的作用一直是研究者关心的话题。通过机制研究明确caspase家族在冠心病中是如何调控细胞凋亡的，可为其治疗和诊断提供支持和帮助。下面介绍caspase家族中caspase-1、caspase-3、caspase-8和caspase-12在冠心病中的作用机制。

3.1 caspase-1 caspase-1也称白介素-1β转换酶（ICE），有时被写作caspase1，是caspase家族中唯一可以剪切白介素-1β（IL-1β）或IL-18前体蛋白产生相应成熟的细胞因子的caspase[6-7]。Mezzaroma等[8]研究表明，在急性心肌梗死发生3、7 d后caspase-1mRNA的含量会增加几倍，caspase-1的激活也在7 d后明显增加。通过检测procaspase-1和裂解的caspase-1的表达量，发现二者的比值是升高的。caspase-1的酶活性在动物模型建立6 h后既可以被检测到，在第3～7天达顶峰，持续上升14 d。研究还证明含有炎症复合物的急性心肌梗死小鼠模型，caspase-1活性增加，局部肉芽组织和毗邻坏死区域的心肌细胞出现死亡，并发现其控制炎症复合发展体可能成为一个独特的治疗方案限制急性心肌梗死中心肌细胞的死亡，最终防止心力衰竭的发生。

3.2 caspase-3 caspase-3是细胞凋亡的关键酶，caspase-3表达增加、刺激激活是凋亡信号传导通路中的中心环节，是凋亡启动过程中的早期事件，是参与调节和执行细胞凋亡最重要的蛋白酶之一[9-10]。在冠心病中，通过抑制caspase-3的活性，对心肌细胞凋亡会有比较好的效果[11]。Chandrashekhar等[12]观察了caspase-3抑制剂Z-Asp-2，6，DCBMk（该药具有细胞通透性，为广谱半胱天冬酶抑制剂而且这并不影响其他半胱氨酸蛋白酶的活性）的抗心肌细胞凋亡作用，结果发现其具有抑制心肌细胞caspase-3活性，同时，伴随troponin-I活性下降，心肌细胞凋亡减少。此外，在急性心肌梗死后，半胱天冬酶抑制还可以减少左心室质量与体质量比值，减少心肌间质胶原沉积，抑制左心室重构、更好地保存左心室收缩功能。

干细胞治疗具有很好的前景，可修复梗死的心肌细胞和恢复心脏功能。间充质干细胞（MSC）由于固有的多种分化能力以及分泌多种生长因子和细胞因子，已经被运用到心脏修复并取得不错的结果。尽管干细胞移植是一种很有前景的治疗选择修复梗死的心脏，其是面对一些挑战，包括移植细胞如何生存在缺血区域，如何面对过度的氧化应激造成损失[13]。Hassan等[14]将MSC用含2.5μmol Carv无血清培养基处理1 h，接着用过氧化氢处理2 h，然后将MSC移植到心肌坏死区域治疗动物心肌梗死导致的心力衰竭，结果显示可明显改善和降低心肌的纤维化。同时，通过抑制caspase-3的活性或表达，对干细胞抑制治疗有明显的改善作用，能更好地保护心肌细胞和抑制干细胞。

3.3 caspase-8 caspase-8是由位于人类染色体2q33.1上CASP8基因编码，可翻译成几种不同的蛋白亚型。不同的亚基为凋亡始动子，位于级联反应上游，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信号通路中，caspase-8是处于激活状态中[15]。该通路是由FADD的聚集激活的，同时，caspase-8酶原也进入到DISC。caspase-8激活后可以导致神经酰胺、线粒体ROS产生，随后细胞色素C从线粒体中释放，同时，凋亡小体也开始形成，最后可以活化下游的其他caspase，如caspase-3并导致细胞死亡[16-17]。在心肌梗死后，心脏再灌注损伤是非常严重的后果。心肌梗死后，再灌注心脏造成的损伤是一个很严重问题。然而，心肌缺血/再灌注是以炎症、心律失常、心肌细胞损伤为特点。在细胞水平上，Ca2+的含量和氧化还原体系失去平衡状态。Fauconnier等[18]应用心肌缺血/再灌注的鼠模型，试图确定急性心肌梗死导致再灌注损伤和Ca2+内稳态扰动急性缺血后的作用机制。结果发现，TNF-α和caspase-8活性在再灌注后6 h内增加，导致心肌氮氧化和线粒体ROS生产。在1 d和15 d后再灌注，caspase-8激活导致舒张期肌浆网Ca2+泄漏。在再灌注之前，药物抑制caspase-8的活性并抑制Ca2+泄漏，既可减少室性心律失常，又可减少心肌梗死15 d后的再灌注损失，促进左心室重构。TNF-α可诱导caspase-8活化，导致有裂缝的RyR2通道打开，该通道在缺血/再灌注后可使心肌重构。因此，早期预防SR Ca2+通道开放通过使RyR2功能正常化可以保护心脏。caspase-8激活后可参与再灌注损伤。因此，caspase-8抑制和RyR2/calstabin2正常化可以很好地预防再灌注的影响，包括心肌细胞死亡、心律失常和左心室改造后急性心肌。

3.4 caspase-12 caspase-12是内质网应激凋亡通路的特异性蛋白，属于ICE家族，在生物体内是以无活性的procaspase-12存在。当受到持续刺激时位于内质网上的procaspase-12可以转移至细胞质，即被激活成具有活性的caspase-12，从而可以激活下游的caspase-3等并促使细胞凋亡。李蕊君等[19]通过建立大鼠心肌梗死模型，观察梗死后不同时间点心肌组织中caspase-12蛋白的表达变化，发现caspase-12蛋白表达较假手术组明显增高，且随梗死时间延长呈增加趋势。说明在心肌梗死早期，内质网应激通过诱导未折叠蛋白反应可以适当恢复细胞状态，从而在短时间内保护细胞，此时caspase-12主要以酶原形式存在，其含量较少；随着梗死时间进一步延长，内质网应激可持续加大，procaspase-12便可活化为具有剪切活性的caspase-12，且含量增高，从而使心肌细胞凋亡。

Song等[20]将38只老鼠随机分为三组：心力衰竭模型组（模型组）、心脏衰竭和阿托伐他汀治疗组（阿托伐他汀组）和假手术组（对照组）。结果发现在阿托伐他汀组中心肌细胞排列更加有序，而且心肌纤维化水平较模型组是下降的，心肌细胞总GRP78表达和caspase-12也在减少；此外，该组中细胞凋亡率降低、内质网压力被激活，以抵制心脏衰竭和血管紧张素刺激。说明大鼠心肌梗死后心力衰竭通过阿托伐他汀治疗抑制GRP78、caspase-12和CHOP在心肌细胞中的表达，可减少心肌细胞凋亡，表明阿托伐他汀具有防止心力衰竭的功效。

4 小 结

冠心病引起的心肌细胞凋亡和坏死、造成心功能受损往往是不可逆。控制或者抑制心肌细胞凋亡，可更好地保护心功能。caspase蛋白家族贯穿着细胞凋亡的整个过程，发挥着重要作用。caspase在细胞凋亡传导通路整个过程中既可以作为激发者，也可以作为调节者，还可以作为执行者。研究caspase蛋白与心肌缺血或缺血再灌注造成心肌凋亡坏死的关系，是一个很大的课题。研究表明，caspase家族一些成员参与了心肌凋亡，通过抑制其活性可以抑制心肌细胞凋亡和改善心脏的功能。因此，研究caspase家族在冠心病中的作用机制，可以为冠心病的治疗带来福音。

[1]Kockx MM.Apoptosis in the atherosclerotic plaque：quantitative and qualitative aspects[J].Arterioscler Thromb Vasc Biol，1998，18（10）：1519-1522.

[2]Borutaite V，Budriunaite A，Morkuniene R，etal.Release ofmitochondrial cytochrome c and activation of cytosolic caspases induced bymyocardial ischaemia[J].Biochim Biophys Acta，2001，1537（2）：101-109.

[3]Armstrong SC.Protein kinase activation andmyocardial ischemia/reperfusion injury[J].Cardiovasc Res，2004，61（3）：427-436.

[4]SantulliG，Campanile A，Spinelli L，etal.G protein-coupled receptor kinase 2 in patientswith acutemyocardial infarction[J].Am JCardiol，2011，107（8）：1125-1130.

[5]HillMF，PatelAV，Murphy A，etal.Intravenousglialgrowth factor2（GGF2）isoform of neuregulin-1beta improves left ventricular function，gene and protein expression in ratsaftermyocardial infarction[J].PLoSOne，2013，8（2）：e55741.

[6]Hitzler I，SayiA，Kohler E，etal.Caspase-1 hasboth proinflammatory and regulatory properties in Helicobacter infections，which are differentially mediated by its substrates IL-1beta and IL-18[J].J Immunol，2012，188（8）：3594-3602.

[7]Lalor SJ，Dungan LS，Sutton CE，etal.Caspase-1-processed cytokines IL-1beta and IL-18 promote IL-17 production by gammadelta and CD4 T cells thatmediateautoimmunity[J].JImmunol，2011，186（10）：5738-5748.

[8]Mezzaroma E，Toldo S，Farkas D，et al.The inflammasome promotes adverse cardiac remodeling following acute myocardial infarction in the mouse[J].Proc NatlAcad SciUSA，2011，108（49）：19725-19730.

[9]Snigdha S，Smith ED，Prieto GA，etal.Caspase-3 activation asa bifurcation point between plasticity and cell death[J].Neurosci Bull，2012，28（1）：14-24.

[10]Cakir E，Yilmaz A，Demirag F，et al.Prognostic significance ofmicropapillary pattern in lung adenocarcinoma and expression of apoptosis-related markers：caspase-3，bcl-2，and p53[J].APMIS，2011，119（9）：574-580.

[11]Yang B，Ye D，Wang Y.Caspase-3 asa therapeutic target for heart failure [J].ExpertOpin Ther Targets，2013，17（3）：255-263.

[12]Chandrashekhar Y，Sen S，Anway R，et al.Long-term caspase inhibition ame liorates apoptosis，reducesmyocardial troponin-I cleavage，protects left ventricular function，and attenuates remodeling in ratswithmyocardial infarction[J].JAm CollCardiol，2004，43（2）：295-301.

[13]Zhang M，Methot D，Poppa V，et al.Cardiomyocyte grafting for cardiac repair：graft cell death and anti-death strategies[J].JMol Cell Cardiol，2001，33（5）：907-921.

[14]Hassan F，Meduru S，TaguchiK，etal.Carvedilolenhancesmesenchymal stem cell therapy formyocardial infarction via inhibition of caspase-3 expression[J].JPharmacolExp Ther，2012，343（1）：62-71.

[15]Roberge S，Roussel J，Andersson DC，etal.TNF-alpha-mediated caspase-8 activation induces ROS production and TRPM2 activation in adult ventricularmyocytes[J].Cardiovasc Res，2014，103（1）：90-99.

[16]Mezencev R，Updegrove T，Kutschy P，etal.Camalexin inducesapoptosis in T-leukemia Jurkat cells by increased concentration of reactive oxygen speciesand activation of caspase-8 and caspase-9[J].JNatMed，2011，65（3/4）：488-499.

[17]Lee HH，Park C，Jeong JW，et al.Apoptosis induction of human prostate carcinoma cells by cordycepin through reactive oxygen speciesmediated mitochondrialdeath pathway[J].Int JOncol，2013，42（3）：1036-1044.

[18]Fauconnier J，MeliAC，Thireau T，etal.Ryanodine receptor leakmediated by caspase-8 activation leads to left ventricular injury aftermyocardial ischemia-reperfusion[J].Proc Natl Acad Sci USA，2011，108（32）：13258-13263.

[19]李蕊君，何昆仑，李鑫，等.急性心肌梗死大鼠心肌caspase-12表达变化的研究[J].解放军医学杂志，2011，36（3）：257-259.

[20]Song XJ，Yang CY，Liu B，etal.Atorvastatin inhibitsmyocardial cellapoptosis in a ratmodelwith post-myocardial infarction heart failure by downregulating ER stress response[J].Int JMed Sci，2011，8（7）：564-572.

10.3969/j.issn.1009-5519.2015.01.025

A

1009-5519（2015）01-0070-03

2014-09-01）

李晓云（1982-），女，湖南汉寿人，硕士研究生，主要从事冠心病的相关研究；E-mail：33365612@qq.com。

桂庆军（E-mail：1113889115@qq.com）。