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柴继杰、施一公教授综述：凋亡复合体与炎症复合体 | NSR

已有 9938 次阅读 2014-7-23 10:52 |个人分类:国家科学评论|系统分类:论文交流| caspase, 凋亡, 炎症反应

——结构生物学分析Caspase活化的保守性

凋亡（Apoptosis）和炎症反应（Inflammation）是两个重要的生物学过程。细胞凋亡与细胞增殖、分化等过程协同维持机体稳态，在个体生长、发育、衰老过程中起关键作用。如蝌蚪到成蛙的变态发育中尾部的消失、哺乳动物未成熟胸腺细胞的清除、人胚胎指端发育的过程，均有细胞凋亡的积极参与。此外，异常的细胞凋亡与病变（如癌症、神经退行性疾病、免疫耐受疾病等）相关。Caspase（Cysteineproteases with aspartate cleavage speficity）是执行细胞凋亡的核心蛋白酶。凋亡通路可利用不同的起始凋亡蛋白酶（InitiatorCaspase）Caspase8和Caspase9触发凋亡过程，通过效应凋亡蛋白酶（EffectorCaspase）切割广泛底物蛋白引起不可逆的细胞死亡。

Caspase不但参与凋亡通路，而且参与炎症信号通路。在病原感染的细胞中，Caspase介导的炎症细胞反应是机体抵御感染的有效策略，对宿主生存至关重要。如Caspase1促进炎症相关分子IL-1β和IL-18的成熟和释放，引起炎症反应。此外，Caspase1也参与炎症相关的细胞死亡，即细胞焦亡（Pyroptosis）。除了Caspase1，Caspase4,5,11,12均在炎症反应中发挥作用。有趣的是，从蛋白结构来看，炎症信号相关的Caspase与凋亡起始Caspase的蛋白模块更为相似，在N-端均含有CARD结构域，而凋亡效应Caspase则不具有该结构域。

在正常细胞中，Caspase组成型合成并以无活性的酶原形式存在。凋亡和炎症过程均需要激活Caspase。在细胞凋亡时，效应Caspase被起始Caspase特异性切割，组装为成熟的具有活性位点的蛋白酶。因此，起始Caspase的活化是级联反应的关键步骤。与效应Caspase不同，起始Caspase切割后活性位点的形成需要多聚体骨架蛋白复合物的辅助。例如，Caspase9和Caspase8的活化分别需要凋亡复合体（Apoptosome）和DISC复合物。相应的，炎症反应中Caspase1的活化是依赖炎症复合体（Inflammasome）。那么，这些细胞内的大分子复合物是如何调控Caspase激活的？这一直是生物学家亟待解决的科学问题。

由清华大学施一公教授和柴继杰教授联合撰写的综述文章“Apoptosomeand inflammasome: conserved machineries for caspase activation”，主要从结构生物学角度介绍了在凋亡和炎症反应中激活关键Caspase的分子机理，并分析和归纳了其激活过程中的大分子复合体（凋亡复合体，炎症复合体）的结构差异、组装及自抑制状态机制的保守性。该文发表于National Science Review（NSR）（《国家科学评论》）2014年3月份的创刊号。

综述以Apaf-1凋亡复合体为代表，分析了凋亡复合体的结构和功能。在正常状态下，Apaf-1凋亡复合体以自抑制的构象存在以避免对pro-Caspase9酶原的活化。当凋亡信号被触发时，细胞色素C从线粒体释放，Apaf-1结合细胞色素C,并且其中的ADP被ATP/dATP取代，于是Apaf-1的自抑制效应得以解除。此外，Apaf-1凋亡复合体不仅仅辅助Caspase9酶原的自主切割，而且对于提高其酶切活性具有至关重要的作用，提示Apaf-1凋亡复合体是Caspase9的全酶（holoenzyme）组成部分之一。

Apaf-1凋亡复合体究竟是如何辅助起始Caspase9激活的？已有数据认为，Caspase9二聚化对于其激活非常有效的，寡聚化的凋亡复合体招募Caspase9酶原使之空间上彼此相互聚拢，有利于Caspase9形成二聚体并进一步激活。但是由于缺乏Apaf-1凋亡复合体与Caspase9相互结合的晶体结构，因而仍无法准确回答这一问题。此外，文章还分析了果蝇DARK凋亡复合体，以及线虫CED-4凋亡复合体，并与Apaf-1复合体在组装，自抑制状态，活性以及信号通路等方面进行了比较。

综述重点分析了骨架蛋白NLRC4的自抑制机理，并进一步讨论了该机制在Apfa-1自抑制中的保守性。自抑制的失效可能导致某些疾病的发生。例如一些NLRP3基因突变位导致了炎症复合体自抑制的失效，使NLRP3炎症小体进入组成型激活状态，产生了无法控制的促炎症因子IL-1β和IL-18的释放，从而引起相关自身免疫疾病。与此同时，作者提议Apaf-1和NLRC4不仅具有保守的自抑制机制，其信号复合物的组装可能也具有相似性。

该综述提出了一个凋亡复合体和炎症复合体的组装模型。在静息条件下，骨架蛋白(Apaf1或NLR)与ADP结合，处于自抑制状态。配体（如细胞色素C或者PAMP）的结合将使骨架蛋白构象变化，从而舒缓自抑制状态。随后ATP竞争性取代ADP,触发骨架蛋白（Apaf1或NLR）结构产生更大的构象变化，促进其聚合并形成凋亡复合体或者炎症复合体。凋亡复合体或者炎症复合体将分别招募起始Caspase分子或者其他接头分子，执行细胞凋亡或者炎症反应。目前对于这类大分子复合体如何解聚还有待于进一步探索。