Caspases是近年来发现的一组存在于
胞质溶胶中的结构上相关的
半胱氨酸蛋白酶,它们的一个重要共同点是
活性位点都含有
半胱氨酸,并特异地断开天冬氨酸残基后的肽键。
Caspase一词是从Cysteine aspartic acid specific protease的字头缩写衍生而来,就反映了这个特征,而这种高度的特异性,在
蛋白酶中是很少见的。
由于这种特异性,使
caspase能够高度选择性地切割某些蛋白质,这种切割只发生在少数(通常只有1个)位点上,主要是在
结构域间的位点上,切割的结果或是活化某种蛋白,或使某种蛋白失活,但从不完全降解一种蛋白质。
Caspase的研究源于
线虫(C. elegans)细胞程序化死亡的研究。线虫在发育过程中,有131个细胞将进入程序化死亡;研究发现有11个基因与
PCD有关,其中ced3和ced4基因是决定细胞凋亡所必需的,ced9基因抑制PCD。线虫细胞程序化死亡的研究促进了其他动物特别是
哺乳类动物中细胞凋亡的研究。人们发现哺乳类细胞中存在着Ced3的同源物ICE(interleukin-1b converting enzyme),它催化
白介素-1b的活化,即从其前体上将IL-1b切割下来。在
大鼠成纤维细胞中过量表达ICE和Ced3都会引起细胞凋亡,表明了ICE和Ced3在结构和功能上的相似性;然而敲除ICE基因的小鼠其
表现型正常,并未发现细胞凋亡发生明显改变。进一步的研究发现,另一个ICE成员,后来被称为apopain,CPP32或Yama的半胱氨酸蛋白酶,催化poly(ADP-ribose)Polymerase(
PARP),即聚(
ADP-核糖)聚合酶的裂解,结果导致细胞的凋亡,因而认为apopain执行着与
线虫中的ced3相同的功能。Apopain被称为是“死亡酶”,而PARP被认为是“死亡底物”。Apopain/CPP32/Yama是在1995年由两个实验室分别同时报导,时间上只有两周之差。Ced4的哺乳类同源物则迟迟未能发现,直到1997年,才被证明是Apaf-1(即一种细胞凋亡蛋白酶活化因子apoptosis protease activating factor)。而Ced 9的哺乳类对应物则较早地被证明是
BCL-2,这一问题将在以后的部分述及。
这些caspases中,caspase 1和caspase 11,以及可能还有caspase 4被认为不直接参与凋亡信号的
转导,它们主要参与
白介素前体的活化;而caspase 2,caspase 8,caspase 9和caspase 10参与细胞凋亡的起始;参与细胞凋亡执行的则是caspase 3,caspase 6和caspase 7,其中caspase 3和7具有相近的底物和抑制剂特异性,它们降解
PARP,DFF-45(DNA fragmentation factor-45),导致
DNA修复的抑制并启动DNA的降解。而caspase-6的底物是lamin A和keratin 18,它们的降解导致核纤层和细胞骨架的崩解。
细胞中合成的
caspase以无活性的酶原状态存在,以后经活化方能执行其功能。
一般的蛋白酶活化时,只是将N-末端的肽段切除,而caspase的活化则需在两个
亚基的连接区的天冬氨酸位点进行切割,结果产生了由两个亚基组成的异二聚体,此即具有活性的酶。通常N-末端的肽在活化时也被除去,但对于caspase 7是否去除N-末端肽对活性无影响。认为细胞凋亡的起始者(caspase 2,8,9和10)和执行者(caspase 3,6和7)之间存在着上下游关系,即起始者活化执行者。
凋亡起始者(caspase 2和10)的活化属于同性活化(Homo activation)。caspase 8和10含有串联重复的“死亡效应子”结构域(death effector domain,DED),而caspase 2和9则含有不同但类似的
caspase募集结构域(caspase recruitment domain CARD),这两种结构域是募召caspase 2,8和10所必需的。