Caspases酶-底物及抑制劑在功能與凋亡、壞死與炎癥的應(yīng)用

最近很多小伙伴向我們咨詢各種Caspase的底物，今天小艾就來跟大家好好聊聊Caspase家族及各類Caspase酶對(duì)應(yīng)的底物，Caspases（半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶，半胱氨酸依賴性天冬氨酸定向蛋白酶）是一類蛋白酶家族，其功能與凋亡（程序性細(xì)胞死亡），壞死和發(fā)燒（炎癥）的過程密切相關(guān)。

 

 

什么是胱天蛋白酶？

 

胱天蛋白酶（Caspases）是含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶，它們是為細(xì)胞凋亡的主要介質(zhì)。多種受體，例如TNF-α 受體，F(xiàn)asL受體，TLR和死亡受體，以及Bcl-2和凋亡抑制劑（IAP）蛋白家族參與并調(diào)節(jié)該caspase依賴性凋亡途徑。一旦Caspase受到上游信號(hào)（外部或內(nèi)在）刺激被激活，即會(huì)參與執(zhí)行下游蛋白底物的水解作用，并觸發(fā)一系列事件，導(dǎo)致細(xì)胞分解，死亡，吞噬作用和細(xì)胞碎片的清除。

 

人Caspases酶

 

人的Caspases家族基于序列相似性和生物學(xué)功能等共性主要可分為三大類：第一類由具有長胱天蛋白酶募集結(jié)構(gòu)域的“炎癥”胱天蛋白酶組成，他們對(duì)P4位上的較大的芳香族或疏水性殘基具有親和力。第二類由具有短的前體結(jié)構(gòu)域的“細(xì)胞凋亡效應(yīng)”胱天蛋白酶組成，而第三類由具有長的前提結(jié)構(gòu)域的Pap位置具有亮氨酸或纈氨酸底物親和力的“凋亡引發(fā)劑”胱天蛋白酶組成（表1）。

 

表1. 人胱天蛋白酶的功能分類：

 

細(xì)胞死亡途徑	半胱天冬酶類型	酵素	物種
細(xì)胞凋亡	啟動(dòng)器	Caspases 2	人與鼠
細(xì)胞凋亡	啟動(dòng)器	Caspases 8	人與鼠
細(xì)胞凋亡	啟動(dòng)器	Caspases 9	人與鼠
細(xì)胞凋亡	啟動(dòng)器	Caspases 10	人的
細(xì)胞凋亡	效應(yīng)器	Caspases 3	人與鼠
細(xì)胞凋亡	效應(yīng)器	Caspases 6	人與鼠
細(xì)胞凋亡	效應(yīng)器	Caspases 6	人與鼠
細(xì)胞焦亡	炎性的	Caspases 1	人與鼠
細(xì)胞焦亡	炎性的	Caspases 4	人的
細(xì)胞焦亡	炎性的	Caspases 5	人的

 

啟動(dòng)器Caspase和效應(yīng)器Caspase酶

 

根據(jù)其在凋亡胱天蛋白酶途徑中的作用，胱天蛋白酶可分為兩類：?jiǎn)��?dòng)器和效應(yīng)器Caspase酶。啟動(dòng)器和效應(yīng)器Caspas酶都具有由小亞基和大亞基組成的催化位點(diǎn)，Caspase酶的識(shí)別位

 

 

凋亡啟動(dòng)器Caspase酶，例如caspase-2，-8，-9和-10可以啟動(dòng)caspase激活級(jí)聯(lián)反應(yīng)。Caspase-8對(duì)于形成死亡誘導(dǎo)信號(hào)復(fù)合物（DISC）是必不可少的，并且在激活后，Caspase-8激活下游效應(yīng)子Caspase（例如Caspase 3）并介導(dǎo)線粒體中細(xì)胞色素c的釋放。Caspase-8已被證明對(duì)IETD肽序列具有相對(duì)較高的底物選擇性。凋亡效應(yīng)胱天蛋白酶例如Caspase-3，-6和-7雖然不負(fù)責(zé)啟動(dòng)級(jí)聯(lián)途徑，但是當(dāng)被激活時(shí)，它們?cè)诩?jí)聯(lián)的中間和后續(xù)步驟中起著不可或缺的作用。Caspase-3（CPP32 / apopain）是關(guān)鍵效應(yīng)器，因?yàn)樗�放大了來自啟�?dòng)器Caspase的信號(hào)，使用對(duì)Caspase-3有選擇性的DEVD肽序列對(duì)活化的Caspase-3進(jìn)行檢測(cè)，可以檢測(cè)Caspase-3的活性。

 

 Caspase酶底物和抑制劑

 

Caspase底物和抑制劑由兩個(gè)關(guān)鍵成分組成：Caspase識(shí)別序列和信號(hào)產(chǎn)生或蛋白酶抑制基序。不同Caspase識(shí)別序列不同，一般由三個(gè)或四個(gè)氨基酸組成（表2）。Caspase酶識(shí)別序列的N端通常有乙酰基（Ac）或碳苯甲氧基（Z）基團(tuán)修飾，以增強(qiáng)膜的通透性。對(duì)應(yīng)的Caspase識(shí)別特定的肽序列為其酶促反應(yīng)切割位點(diǎn)，釋放產(chǎn)生信號(hào)或抑制信號(hào)的基序。Caspase的顯色和熒光底物均以相似的方式起作用，其中底物的信號(hào)或顏色強(qiáng)度與蛋白水解活性成正比。

 

Caspase酶的顯色底物

 

Caspase的顯色底物是有Caspase識(shí)別序列及生色基團(tuán)組成，常見的生色團(tuán)有pNA（對(duì)硝基苯胺或4-硝基苯胺），可使用酶標(biāo)儀或分光光度計(jì)在405 nm處進(jìn)行光密度檢測(cè)。

 

Caspase的熒光底物

 

Caspase的熒光底物的結(jié)構(gòu)包含與半胱天冬酶識(shí)別相關(guān)的熒光團(tuán)，例如7-氨基-4-甲基香豆素（AMC），7-氨基-4-三氟甲基香豆素（AFC）， Rhodamine 110（R110）或ProRed™620。R110的Caspase底物比基于香豆素的Caspase底物（例如AMC和AFC）更敏感，但由于兩步裂解過程，其動(dòng)態(tài)范圍更窄。 建議將R110標(biāo)記的Caspase底物用于終點(diǎn)法測(cè)定，而將AMC和AFC標(biāo)記的 Caspase底物用于動(dòng)力學(xué)測(cè)定。

 

Caspase的熒光底物

 

圖.從左到右，分別是AMC（7-氨基-4-甲基香豆素），AFC（7-氨基-4-三氟甲基香豆素），Rhodamine 110（R110）和ProRed™620的激發(fā)和發(fā)射光譜。

 

注意：

ε=在其最大吸收波長處的摩爾消光系數(shù)（單位= cm -1M -1）。

Φ=水性緩沖液（pH 7.2）中的熒光量子產(chǎn)率。

 

Caspase抑制劑

 

Caspase抑制劑能與Caspase的活性位點(diǎn)結(jié)合并形成可逆或不可逆的連接，通常，Caspase抑制劑的結(jié)構(gòu)由Caspase識(shí)別序列，諸如醛（-CHO）或氟甲基酮（-FMK）的官能團(tuán)組成。具有醛官能團(tuán)的胱天蛋白酶抑制劑是可逆的，而具有FMK的抑制劑是不可逆的。半胱天冬酶底物和抑制劑都具有較小的細(xì)胞毒性作用，因此，它們是研究半胱天冬酶活性的有用工具。

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