Caspase3旁分泌對細胞增殖及組織再生的影響

摘要：蛋白激酶Caspase3是細胞凋亡的執(zhí)行者。Caspase3能通過活化或抑制細胞內激酶、磷酸酶和蛋白分子來調節(jié)細胞的信號轉導。最新研究表明，caspase3的活化能影響周邊非凋亡細胞的信號傳導和基因表達，促進細胞增殖和組織再生。這種非細胞自主控制的組織再生對維持機體生理平衡至關重要。本文將重點闡述Caspase3的旁分泌功能。

關鍵詞：caspase3；凋亡；旁分泌；腫瘤

【中圖分類號】

R249 【文獻標識碼】B 【文章編號】1002-3763（2014）07-0025-02

1 Caspase3的生物性

Caspase3是一種相對分子量為32KD，含277個氨基酸的蛋白酶，是IL-1β轉化酶家族中最受重視的一名成員。Caspase3基因位于染色體4q32上，有32α和32β兩種編碼產物。Caspase3在凋亡過程中主要負責切割靶向蛋白質。Caspase3作為家族中最重要的蛋白酶，其過量表達標志著凋亡進入了不可逆環(huán)節(jié)。

凋亡對維持機體正常新陳代謝至關重要，不僅與胚胎發(fā)育密切相關，而且通過對壞死或衰老細胞的清除保障了細胞周期的正常運行。細胞凋亡率隨細胞不同狀態(tài)而改變，如病理性增生、自身免疫紊亂、衰老退化及癌癥等。Caspase3參與整個凋亡過程，它通過對核層粘連蛋白、粘著斑和細胞橋的有效附著，活化DNA裂解酶，沉淀凋亡細胞DNA碎片，促使細胞凋亡。除對底物蛋白切割外，caspase3還可干擾細胞周期運行、參與細胞生理代謝及修復、隔離細胞和分解細胞內部結構等^[1]。

2 Caspase3旁分泌功能

除了強大的促凋亡作用外，caspase3活化的同時對鄰近非凋亡細胞增殖和組織再生有直接促進作用。凋亡細胞通過旁分泌caspase3的方式刺激鄰近非凋亡細胞的信號活化，促進細胞增殖和組織再生。旁分泌信號可增加抑炎癥因子IL-10表達，減少促炎癥因子IL-1、IL-12和TNF-α等表達以調節(jié)炎癥反應；凋亡細胞分泌的TGF-β能間接增強機體免疫抑制能力^[2]。研究表明，組織應激導致的細胞凋亡是組織重塑的轉折點，啟動了細胞增殖和干細胞的重新聚集，有利于保持機體生理平衡，維持組織正常新陳代謝。

越來越多的研究表明，除了在免疫系統(tǒng)的調節(jié)作用外，caspase3可活化凋亡細胞內特殊的蛋白激酶和磷酸酶。Zhao等證明，Caspase3通過活化鈣依賴性磷脂酶A2，產生溶血磷脂酸（iPLA2）和花生四烯酸（AA）^[3]。Caspase3同時參與T細胞的增殖和成骨細胞、神經細胞及骨骼肌細胞的分化。凋亡信號也能促進成肌細胞融合，是哺乳動物骨骼肌形成的關鍵步驟。動物實驗證實，Caspase3活化促進結締組織生長因子表達，組織明顯纖維化^[4]。

Caspase3的活化能構促進或抑制細胞因子表達，以調節(jié)復雜的機體生理學過程。然而許多非凋亡Caspase3活化可能是細胞生理或級聯反應的結果，也可能是凋亡細胞通過旁分泌信號作用于鄰近非凋亡細胞所導致。在低等生物中，凋亡和組織重塑與再生息息相關。果蠅細胞中，細胞有絲分裂像數目隨細胞死亡率變化而變化，可稱之為“凋亡導致的補償性增殖”；離體的水蛭息肉中凋亡也同樣發(fā)揮重要作用，Caspase3阻滯劑zVAD-fmk作用于離體水蛭息肉后，沒有明顯細胞再生^[5]。因此凋亡細胞被認為是再生信號的發(fā)出者，通過旁分泌Wnt3和活化Wnt/β信號通路刺激非凋亡細胞再生。Wnt/β信號通路不僅參與胚胎發(fā)育，同時在細胞增殖、組織再生中起作用，一旦信號活化，細胞質中β蛋白即刻轉錄翻譯。β信號的易位傳導加快了β蛋白的轉錄并上調細胞循環(huán)和增殖中的靶基因表達^[6]。Chera研究中，對經zVAD-fmk處理后的息肉培養(yǎng)皿中添加Wnt3蛋白，β核轉錄明顯、細胞再生，驗證了作者關于Caspase3通過Wnt/β途徑觸發(fā)組織的再生的假說^[5]。

在Caspase3或其它Caspase家族成員缺乏情況下，機體組織同樣存在細胞凋亡，但表現出了凋亡周期延長生物學特征。在細胞內因素誘導凋亡的途徑中，細胞線粒體通透性增加、ATP消耗、細胞自噬及線粒體釋放促凋亡因子啟動Caspase3依賴的細胞凋亡；在外源性刺激誘導的凋亡途徑中，Caspase8做為中間產物間接活化Caspase3，并通過裂解CYLD，抑制細胞壞死性凋亡。因此，Caspase3蛋白阻滯劑通過抑制死亡信號接收器，促進相關蛋白及RIP3的磷酸化，導致壞死性細胞凋亡。即使Caspase3家族在細胞凋亡中可有可無，但Caspase3的活化在維持組織生理平衡的過程中舉足輕重。凋亡和Caspase3活化的生物學行為觸發(fā)抑炎癥分子的釋放，以抑制炎癥發(fā)展。研究表明Caspase3除了促凋亡作用外，同時參與免疫系統(tǒng)應答，通過影響促炎癥分子表達，減弱炎癥反應，避免自主免疫應答。促炎因子DAMPs被認為是細胞壞死的炎癥或免疫級聯反應的始動者^[9]。機體免疫系統(tǒng)對Caspase依賴的細胞凋亡和非Caspase依賴的細胞死亡應答是截然不同的，有學者認為Caspase3密切參與炎癥反應，有效預防了壞死細胞導致的免疫性疾病。

3 Caspase3與腫瘤治療

Caspase3的旁分泌功能有利于組織損傷的再生修復、誘發(fā)部分對放化療耐受的細胞的增殖，這種機制可能減弱了目前腫瘤治療的有效性。現臨床絕大部分放化療方法都以誘導癌癥細胞凋亡為目的。腫瘤細胞復雜的生理環(huán)境、免疫應答、基因突變和不斷變化的新陳代謝意味著并不是所有的腫瘤細胞都對放化療同樣敏感。腫瘤細胞部分殺傷學說，強調一定時間內的靶向放化療能集中殺傷一批細胞，殺傷效果只與腫瘤敏感性相關，與腫瘤的大小、部位組織來源等性質不密切。換句話說，放化療后逃逸的腫瘤細胞無論是增殖速度還是細胞分化程度都具有更強的侵襲性。實際上，增殖速率的提高往往提示不良預后情況。與癌癥細胞間差異性反應相對應的的是在腫瘤中以一定數量存在的腫瘤干細胞^[6]。腫瘤干細胞對放化療有獨特的耐受力，Caspase3旁分泌信號可特異性激活其腫瘤發(fā)生的潛能。Caspase3效應器通過調節(jié)旁分泌信號通路，特別是Caspase3作為腫瘤生長和增殖的刺激因素，發(fā)揮其在腫瘤治療中的信號轉導作用。在體外模型中，熒光標記的干細胞與凋亡細胞MEFs被植入同一培養(yǎng)皿中，對照組單獨植入干細胞，同等條件下培養(yǎng)一段時間后，實驗組干細胞增殖明顯優(yōu)于對照組，說明了凋亡細胞MEFs加速了干細胞的增殖。進一步實驗表明，在植入凋亡MEFs的培養(yǎng)皿中加入Caspase3滅活劑后不再出現明顯的干細胞增殖，更加確認了Caspase3這種特殊的旁分泌信號導致細胞增殖。值得一提的是，Huang臨床研究提出有復發(fā)傾向的腫瘤對放化療的耐受性較高，因此大大降低了患者臨床放化療的有效性。流行病學調查發(fā)現，Caspase3高表達提示腫瘤高復發(fā)率和患者較低生存率。這個結論與人們普遍認為的Caspase3高表達預示著放化療較為成功的觀點截然相反。但Caspase3這種獨特的功能有望使其成為判斷腫瘤耐受力和復發(fā)性的重要標志。研究發(fā)現，caspase-3的表達異常與肝癌、宮頸癌、食管癌、胃癌等多種腫瘤的發(fā)生均密切相關。夏鈺弘等通過對肝癌的研究發(fā)現caspase-3與腫瘤的分期有明顯相關性，其表達越低，肝癌的惡性程度越高。說明胡黃連苷ò和丹參素鈉楊曉燕等 采用大鼠MCAO /R模型發(fā)現， 缺血1 h /再灌注24 h大腦皮Caspase-3表達增強，細胞凋亡數目也相應增多。差異有統(tǒng)計學意義，從而推測 caspase-3 的低表達很可能促進了宮頸癌的發(fā)生發(fā)展轉歸。

關于Caspase3的最新發(fā)現對臨床腫瘤的治療具有重要的指導意義。確切的說，caspase3介導的腫瘤細胞凋亡是放化療根治腫瘤的基礎，有效抑制Caspase3旁分泌信號的傳導將可能成為一項卓有成效的治療方法，特別針對那些具有不良愈后傾向的腫瘤。特異性阻斷Caspase3旁分泌信號下游效應器，比如拮抗PGE2或Wnt信號途徑，也能有效阻止至少減緩放化療后腫瘤細胞再增長速率，為腫瘤的治療提供了更多選擇并值得深入研究探討。常規(guī)放療與特異性Caspase3信號阻滯結合在一起的治療方法明顯延遲腫瘤細胞的生長，且腫瘤血管化較常規(guī)治療對照組明顯減少。survivin和caspase-3 mRNA與胃癌臨床病理行為之間的相關性研究提示，無論胃癌組織中survivin mRNA表達水平高低，其正常胃組織中caspase-3 mRNA水平均呈現下降（P<0.01）。這一結果充分表明胃癌演變過程中caspase-3表達本身受到抑制，而與survivin表達無關。caspase-3表達受到抑制是否是因survivin表達升高而引起，從本實驗結果中可以看出survivin表達與caspase-3表達呈現顯著負相關。這一結果表明，在胃癌演進過程中，survivin可能主要是通過其桿狀病毒凋亡抑制蛋白重復區(qū)（baculoviral IAP repeat proteins，BIR）與caspase-3結合抑制caspase-3的活性，發(fā)揮抗細胞凋亡作用健脾解毒方由生黃芪等組成。臨床應用健脾解毒方對晚期結直腸癌以L-OHP聯合5-氟尿嘧啶（5-Fu）、甲酰四氫葉酸鈣（CF）的FOLF-OX4方案化療有增加近期療效， 提高生活質量， 減少不良反應的作用，對化療取得部分緩解的患者有延長中位生存期的作用，研究組的中位生存期為13.6 mo，而對照組為10.2 mo（P <0.05）； 研究組的1 年生存率也優(yōu)于對照組，分別為80.9%和50.0%（P <0.05）^[4].已有數據表明靶向抑制細胞凋亡是自主的程序性的細胞死亡方式，caspases 家族蛋白在凋亡過程中起重要作用。Caspases 蛋白家族分為2類：起始caspases和效應caspases。起始caspases 如 caspase-8 及、caspase-9 被激活后，通過裂解效應 caspases 的酶原而激活效應caspases。 效應caspases包括caspase-3、caspase-6及caspase-7，其中caspase-3是caspases級聯反應中一種關鍵的效應分子，是細胞凋亡的執(zhí)行者。 Caspase-3被激活后依次裂解細胞內其他蛋白底物如PARP和DFF45。PARP被裂解后失去正常的DNA修復功能，激活受PARP負調控的核酸內切酶，最終導致核小體DNA 降解，從而觸發(fā)細胞凋亡Caspase3有效阻止了異種移植肺癌的細胞增殖，這種綜合治療方法有待進一步推廣。Huang采用cas3基因缺陷MCF—7原代細胞建立了移植瘤模型，經過放射處理后腫瘤細胞完全凋亡，且沒有再生長^[6]；相反，對照組用Caspase3轉染MCF—7細胞使其表達Caspase3，同樣照射處理后，殘余腫瘤細胞以一定速度生長，并逐漸顯現出對放療耐受性，提示抑制cas3活性可能間接提高腫瘤細胞的放療敏感性^[5]。因此，特異性的抑制Caspase3的活化并結合放化療的綜合治療方法對那些具有放化療耐受性和復發(fā)傾向的腫瘤開辟了新的治療途徑。

參考文獻

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