Caspase-1在眼科疾病中的研究進展

李華章 李志堅

[摘要] 半胱氨酸天冬氨酸特異性蛋白水解酶-1（Caspase-1）作為一種炎癥調(diào)節(jié)因子，已被證明是炎癥調(diào)控與細胞凋亡的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。大量研究顯示，Caspase-1廣泛參與心血管疾病、代謝性疾病及肝硬化等全身疾病的分子機制中。Caspase-1與多種眼科疾病的發(fā)生同樣密切相關(guān)，在年齡相關(guān)性白內(nèi)障、年齡相關(guān)性黃斑變性、糖尿病視網(wǎng)膜病變等常見疾病中作用重大。本文主要對Caspase-1在上述疾病中的作用進行總結(jié)。

[關(guān)鍵詞] 半胱氨酸天冬氨酸特異性蛋白水解酶-1;細胞凋亡;細胞焦亡;炎癥

[中圖分類號] R776.1 ? ? ? ? ?[文獻標(biāo)識碼] A ? ? ? ? ?[文章編號] 1673-7210（2020）07（a）-0035-03

[Abstract] Cysteinyl aspartate specific proteinase-1 （caspase-1） as an inflammation regulator has been shown to be a key link in inflammation regulation and cell apoptosis. A large number of studies have shown that caspase-1 is widely involved in the molecular mechanisms of cardiovascular diseases， metabolic diseases and liver cirrhosis and other systemic diseases. Caspase-1 is also closely related to the occurrence of a variety of ophthalmic diseases， and plays an important role in common diseases such as age-related cataracts， age-related macular degeneration and diabetic retinopathy. This article mainly summarizes the role of caspase-1 in the above diseases.

[Key words] Cysteinyl aspartate specific proteinase-1; Apoptosis; Pyrocytosis; Inflammation

針對年齡相關(guān)性黃斑變性、糖尿病性視網(wǎng)膜病變與年齡相關(guān)性白內(nèi)障等主要致盲眼病的研究從未停息。細胞凋亡、炎癥過程等途徑的機制研究中均發(fā)現(xiàn)半胱氨酸天冬氨酸特異性蛋白水解酶-1（Caspase-1）的直接參與。近期研究證實，二者之外存在一種全新的細胞程序性死亡方式：細胞焦亡。同時，Caspase-1在其信號通路中起到關(guān)鍵作用。本文對Caspase-1在眼科疾病中的焦亡作用與凋亡及炎性作用進行比較和總結(jié)。

1 Caspase-1概述

Caspase家族是一類以半胱氨酸天冬氨酸為本質(zhì)，特異性切割及水解蛋白的酶家族，與白細胞介素（IL）-1β轉(zhuǎn)換酶（ICE）同源。哺乳動物中已發(fā)現(xiàn)多種Caspase，目前已被確定及命名的達15種[1-2]。Caspase參與細胞凋亡、焦亡、壞死介導(dǎo)的細胞死亡，非凋亡作用包括增殖、腫瘤抑制、分化、神經(jīng)發(fā)育和衰老[3]。其中，Caspase-1作為發(fā)現(xiàn)最早也是研究最早的成員，已被證實參與慢性腎臟疾病[4]、心力衰竭[5]、神經(jīng)系統(tǒng)疾病[6]、炎癥性腸病[7]等全身疾病發(fā)生的分子機制。

1.1 Caspase-1與細胞焦亡

細胞焦亡主要有兩種主要途徑，經(jīng)典焦亡途徑的研究相對透徹，而非經(jīng)典焦亡途徑仍需要進一步探索。經(jīng)典途徑中，胞內(nèi)吞噬細胞識別受體3（NLRP3）等受體蛋白會選擇性應(yīng)答細胞外刺激信號，半胱天冬氨酸酶1前體（Pro-caspase-1）與胞內(nèi)吞噬細胞識別受體（NLR）系列中相應(yīng)受體蛋白以凋亡相關(guān)微粒蛋白（ASC）為中介進行連接，形成高分子蛋白復(fù)合物，誘導(dǎo)Pro-caspase-1二聚體化，自體蛋白酶活性激活，剪切后形成具有切割活性的Caspase-1，主要作用元件為p20亞基。具有生物活性的Caspase-1切割激活消皮素D（GSDMD），有活性的GSDMD-N[8-9]末端同源集聚形成多聚體，與胞膜內(nèi)磷脂酰肌醇/甘油等選擇性結(jié)合，從內(nèi)部破壞細胞膜，最終形成多個直徑2～4 nm的親水孔道，破壞質(zhì)膜完整。同時，Caspase-1將無活性的前體（Pro）-IL-1β激活為具有重要生物作用的IL-1β，與IL-18等因子從細胞中初始釋放，募集其他炎癥細胞并擴大炎性反應(yīng)[10-12]，最終導(dǎo)致細胞焦亡的發(fā)生。非經(jīng)典途徑中，Caspase-1同樣可以通過被NLRP3、ASC與Pro-caspase-1的復(fù)合物激活，最終使IL-18和IL-1β等得以釋放，誘導(dǎo)細胞焦亡。

1.2 Caspase-1與細胞凋亡

早期Caspase研究[13]中發(fā)現(xiàn)，成纖維細胞Rat-1中鼠源Asp特異性的Caspase（后證實為鼠來源Caspase-1）過量表達會使細胞發(fā)生程序性死亡，使用ICE抑制劑可逆轉(zhuǎn)該現(xiàn)象，并首次提出Caspase-1具有凋亡相關(guān)作用。組織培養(yǎng)實驗顯示：心肌組織中，缺氧會使Caspase-1的表達增加，繼而Caspase-3/9發(fā)生激活，最終心肌細胞發(fā)生凋亡[14]。缺失Caspase-1時，多種細胞仍能正常對凋亡刺激產(chǎn)生應(yīng)答，提示Caspse-1的凋亡相關(guān)功能局限于少數(shù)種類細胞。Casapse-1化學(xué)二聚作用會在GSDMD充足的細胞中誘導(dǎo)焦磷酸化，但在GSDMD不足的細胞中會導(dǎo)致凋亡[15]，提示細胞焦亡與凋亡同為程序性死亡，功能十分相似。

1.3 Caspase-1介導(dǎo)的炎癥過程

Caspase-1調(diào)控細胞的炎性反應(yīng)過程主要通過促進炎性因子的加工與釋放。經(jīng)過炎性因子活化，具有生物活性的Caspase-1[16]切割pro-IL-1β和pro-IL-18，使之成為活性IL-1β和IL-18并促進其釋放。此外，Caspase-1與IL-1α的釋放也有密切聯(lián)系，缺失Caspase-1的巨噬細胞，受到ATP和LPS的刺激后，使IL-1α的釋放顯著減少。盡管IL-1α與Caspase-1無固定信號聯(lián)系，但活化Caspase-1亞基仍可與IL-1α前體蛋白結(jié)合并充當(dāng)運輸媒介，激活途徑先關(guān)蛋白，釋放IL-1α[16]。細胞焦亡也是一種炎癥性過程，在激活GSDMD形成孔道后，通過IL-1β等炎癥介質(zhì)的釋放誘導(dǎo)焦亡，擴大炎性反應(yīng)[10-12]。目前研究顯示，Caspase-1在炎癥過程發(fā)揮作用的途徑與細胞焦亡高度相似。

2 Caspase-1在眼部相關(guān)疾病中的研究

2.1 Caspase-1在年齡相關(guān)性白內(nèi)障中的研究

年齡相關(guān)性白內(nèi)障又稱老年性白內(nèi)障，是嚴(yán)重的致盲眼病。探究Caspase-1在白內(nèi)障的發(fā)生中的作用可為預(yù)防白內(nèi)障提供新思路。

大多數(shù)白內(nèi)障引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）產(chǎn)生錯誤折疊的蛋白質(zhì)。為了在細胞衰老前消除錯誤折疊的蛋白質(zhì)，細胞激活ER應(yīng)激/未折疊蛋白應(yīng)答（UPR）清理機制[17]。當(dāng)ER壓力達到臨界高水平，UPR激活ER-Ca2+向細胞質(zhì)的動員，導(dǎo)致依賴Ca2+的蛋白酶活化，裂解各種酶和蛋白質(zhì)，導(dǎo)致正常晶狀體功能喪失。UPR還可增強了活性氧（ROS）的過量生產(chǎn)，從而破壞晶狀體成分并導(dǎo)致紅系衍生的核因子相關(guān)因子2（Nrf2）依賴性細胞保護功能失效，觸發(fā)程序性細胞死亡[18]。Ca2+的內(nèi)流與ROS的產(chǎn)生是Caspase-1誘導(dǎo)的細胞焦亡與凋亡的重要環(huán)節(jié)，故而在白內(nèi)障的發(fā)生過程中，細胞凋亡與焦亡同時發(fā)揮作用。

2.2 Caspase-1在老年黃斑變性（AMD）中的研究

AMD是一種進行性眼病，與慢性氧化應(yīng)激、炎癥等病理因素有關(guān)。AMD可在眼中央后極檢測到視網(wǎng)膜色素上皮（RPE）斑點和RPE細胞與Bruch膜的細胞外玻璃疣沉積[19]。

RPE功能障礙與光氧化損傷和慢性先天免疫活化有關(guān)，正是AMD的直接病因之一。RPE中的炎性體激活于2012年首次報道[20-22]。迄今為止，NLRP3一直是RPE細胞中的責(zé)任受體，并被多種誘導(dǎo)劑激活，其中包括脂褐素和玻璃疣成分，例如腫瘤壞死因子-α（TNF-α）、N-亞芐基-N-視黃基乙醇胺（A2E）和淀粉樣β。此外，還有許多其他危險信號，例如Alu RNA的積累，脂質(zhì)過氧化終產(chǎn)物HNE（4-羥基壬烯醛）的出現(xiàn)及細胞內(nèi)蛋白質(zhì)聚集體的存在伴隨著自噬效率的降低都會誘導(dǎo)NLRP3的產(chǎn)生[20，22]。NLRP3可直接誘導(dǎo)Caspase-1激活，從而激活細胞焦亡通路、直接減少NLRP3的產(chǎn)生，從通路上游抑制Caspase-1自體活化可為AMD的治療提供新思路。

2.3 Caspase-1與糖尿病視網(wǎng)膜病變（DR）

DR是糖尿病最常見的并發(fā)癥之一，是一種嚴(yán)重危害視力的視網(wǎng)膜微血管疾病。高血糖會通過缺血或高滲性損傷促進血管和神經(jīng)元結(jié)構(gòu)的變化，最終新生血管形成，對視力造成不可逆的損害。

高血糖導(dǎo)致氧化應(yīng)激（OS），OS通過細胞焦亡，細胞或自噬和神經(jīng)退行性變引起炎性反應(yīng)共同導(dǎo)致神經(jīng)，血管和視網(wǎng)膜組織損傷[23]。OS促進炎性因子的活化，形成炎癥小體，募集了含有ASC的銜接子凋亡斑點樣蛋白。這種酶裂解激活Caspase-1誘導(dǎo)的細胞焦亡，促進的IL-1β和IL-18釋放并最終導(dǎo)致細胞死亡[24]。Chen等[25]同樣發(fā)現(xiàn)ROS等OS相關(guān)的危險因子可激活焦亡炎性復(fù)合體，增強DR的炎性反應(yīng)，并且外周血單核細胞中Caspase-1水平與疾病嚴(yán)重程度呈正相關(guān)，提示Caspase-1在DR的病理過程中的作用。

3 展望

Caspase-1是細胞焦亡、凋亡及炎癥過程的重要環(huán)節(jié)，其介導(dǎo)的焦亡與炎癥過程在功能與過程上均十分相似，前期研究中無法用凋亡與炎癥進行單一解釋的過程可以用焦亡完成，為眼部疾病深層發(fā)病機制的探索提供了新的思路。同時，精準(zhǔn)調(diào)控Caspase-1來治療眼部疾病中的研究較少，前景十分可期。

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（收稿日期：2019-12-12）