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编号:10220776
CAD和ICAD在细胞凋亡中的作用
http://www.100md.com 《河北医科大学学报》 1999年第4期
     作者:冷双英 阎会敏 刘殿武

    单位:河北医科大学公共卫生学院流行病学教研室(石家庄 050017)

    关键词:细胞衰老,凋亡;生理学;脱氧核糖核酸酶类;类似物和衍生物;杀伤细胞;免疫学

    河北医科大学学报9904zs1 中图号 R339.38

    在哺乳类动物发育生长过程中,为了维持个体正常生理必需的细胞数量,其通过细胞凋亡(apoptosis)或细胞程序性死亡(programmed cell death)来清除衰老的和过剩的细胞〔1〕,就象细胞毒性T细胞和自然杀伤(NK)细胞杀死各种被感染的细胞或肿瘤细胞一样,这些效应细胞(effector cell)可导致靶细胞发生凋亡〔2〕。细胞凋亡过程中不但有形态学特征性变化,而且也具有典型的生物化学改变,染色质DNA断裂,被逐步降解为小的核酸片段〔3~5〕。目前已发现细胞内有许多酶与DNA的降解有关,如DNA酶I(DNaseI),DNA酶II(DNaseII),亲环蛋白(cyclophilins)〔6~8〕,但它们不能完全解释细胞核内DNA降解的过程。最近,Enari〔9〕等人研究发现细胞中有1对物质在细胞凋亡过程中直接参与了细胞核内DNA的降解,它们被命名为CAD(caspase-activated deoxyribonuclease)和ICAD(inhibitor of CAD)。现将有关研究情况综述如下。
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    1 CAD和ICAD的生物学特点

    CAD和ICAD均存在于活细胞的胞浆中,CAD主要是在细胞凋亡过程中使细胞核中的DNA降解成小的核苷酸片段,ICAD则是在非凋亡细胞中抑制CAD的活性,以维持细胞的正常生理活动。一些研究发现,被活化的T细胞和NK细胞可以表达Fas配体(ligand),Fas通过与靶细胞上的受体结合,诱导靶细胞发生凋 亡〔2,10〕,即Fas诱导的细胞中含有1种可参与细胞内DNA降解的物质,但该物质可能是以一种前体的形式存在于细胞内,需某种物质刺激使其活化后才能降解DNA〔11〕。Enari等人证实该物质以无活性的DNase形式存在于各种活细胞内,用caspase-3处理后被激活,可以引起细胞核中的DNA降解。因该物质需要caspase-3激活,所以被命名为CAD,它的抑制物被命名为ICAD。

    CAD是1种具有高度特异性的DNase,其特异性明显高于已知的DNaseI和DNaseII。ICAD只对CAD有抑制作用,特异性很强,对DNaseI和DNaseII无抑制作用,但是ICAD可以抑制被Fas诱导的细胞发生DNA降解。在活细胞中ICAD与CAD处于结合状态,使CAD无活性,在有细胞凋亡的刺激物作用下,经过一系列连锁反应,ICAD与CAD解离,CAD被释放。
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    2 CAD和ICAD的生物化学特征

    用DEAE-琼脂糖层析法从小鼠的T细胞淋巴瘤中分离出了S-100部分,每个部分均经过caspase-3处理,使其具有相应的降解细胞核内DNA的活性,用NaCl洗脱,可以观察到其降解DNA的活性在145 mmol/L NaCl处为单峰状,该物质为CAD,是碱性蛋白质,等电点(pI)为pH9.7,鼠的CAD由343个氨基酸残基组成,在其羟基末端带有一个核定位信号(nuclear-localization signal)。Western blotting分析,CAD的相对分子质量约为40 ku,具有DNase的活性,可以使裸DNA降解。

    ICAD具有耐高温(90 ℃15 min)和抗变性剂(0.1 % SDS)的特点,ICAD的自然结构为同型二聚体(homodimer),相对分子质量75 ku左右。分离出来的ICAD cDNA有两种类型,一个为长编码,1个为短编码,即ICAD-L和ICAD-S。小鼠的ICAD-S由265个氨基酸残基组成,ICAD-L由331个氨基酸残基组成,两者有261个氨基酸相同,提示ICAD-S和ICAD-L的mRNA在剪接方式上不同,ICAD是1种富含酸性氨基酸的蛋白质,等电点(pI)为pH4.5。ICAD-L和ICAD-S各有1或2个Caspase-3作用部位,即117位的DEPD和224位的DAVD〔12〕,当Caspase-3作用于这两个部位时,则ICAD被裂解,失去对CAD抑制的活性。纳克水平的ICAD-L就可以抑制从Fas活化的细胞中提取的20 μl物质中的CAD活性。经同源性分析显示:小鼠的ICAD-L与人的DFF-45的氨基酸序列有很高的同源性(76.1 %)。Northern blotting分析证实CAD和ICAD mRNA在各种细胞内可以同时表达。
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    3 CAD和ICAD在细胞凋亡中的作用原理

    在非凋亡的活细胞中,无活性的CAD是以CAD-ICAD复合物形式存在,即当CAD蛋白合成之后,立即与ICAD蛋白以某种形式(可能是在电荷的作用下)结合在一起,存在于细胞浆中。在这种状态下,CAD的DNase活性受到抑制,CAD的核定位信号区被覆盖,使其不能进入细胞核内降解DNA。当细胞受到凋亡刺激时,激活蛋白酶的启动子,引发了一系列反应,首先是caspase被激活〔2,14,16〕,然后caspase再裂解ICAD,将CAD从ICAD中释放,CAD同时被活化,这个过程很象细胞核转录因子(nuclear-transcription factor κB,NF-κB)〔17〕的活化过程。NF-κB和其抑制物以复合物的形式存在于胞浆中,当有刺激时,蛋白激酶被激活,诱发一系列瀑布式连锁反应,NF-κB从抑制物中释放出来,通过核定位信号进入细胞核,激活各种基因的表达〔18〕。在细胞凋亡过程中,各种凋亡刺激物,如某种细胞因子(cytokines,作为激活caspase蛋白酶的物质)使caspase-3激活,后者将ICAD裂解灭活,将CAD释放出来,CAD通过核定位信号进入细胞核内,分解染色质DNA。ICAD的作用不仅能抑制CAD的DNase活性,还可以改变CAD进入细胞核的位置。CAD可能是降解细胞核内DNA的最终的DNase。
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    CAD和ICAD的发现、提纯以及克隆,有助于对细胞凋亡过程的深入了解,比较完整地解释了细胞核内染色质DNA降解的机理,特别是它可以进一步研究死亡因子的受体和抗肿瘤药物诱发细胞凋亡的作用。

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    (1998-04-07 收稿), 百拇医药