Metacaspase在酵母凋亡过程中的作用

           作者：卢丽 冯霞 徐婷婷 李树峰 佟慧丽 严云勤

　　摘要Metacaspase是由YCA1/MCA1编码的一种哺乳动物caspases同系物。由于其分子结构的差异,使其断裂为不同的特异性底物。在哺乳动物中,凋亡被一组蛋白酶caspases定向激活,断裂特异性底物且触发细胞死亡。环境损伤、细胞内缺陷、预凋亡基因的异源表达诱导具有典型凋亡特征的酵母细胞死亡与metacaspase紧密相关。删除metacaspase可以阻碍不同因素引起的死亡,metacaspase在酵母细胞凋亡中具有核心作用。
　　关键词酵母;YCA1;凋亡

　　AbstractMetacaspase is a kind of mammal caspases homolog which coded by the YCA1/MCA1 gene. It can break into different specificity substrates because its difference in molecular structure. In mammals,apoptosis can be activated directly by a group of proteases,called caspases,then cleave specific substrates and trigger cell death. Damaging environment,certain intracellular defects and heterologous expression of pro-apoptotic genes inducing death in yeast cells exhibiting typical markers of apoptosis was closely related with themetacaspase. Metacaspase deletion may hinder the death which was caused by different factors. Metacaspase played a central role in yeast apoptosis progress.
　　Key wordsyeast;YCA1;apoptosis
　　
　　细胞凋亡(apoptosis)或编程性细胞死亡(programmed cell death,PCD)是一个高度被协调的细胞自杀过程,其对健康状态的维持和组织功能起决定性作用,细胞凋亡紊乱可导致癌症或神经退行性病变(neurodegenerative disorders)。
　　细胞有多种死亡方式,细胞凋亡应指仅仅是形态改变的细胞死亡。这些改变包括细胞聚集,细胞体积变小,染色质浓缩,核断裂,胞质细胞器少有或没有超微结构修饰,磷脂酰丝氨酸外翻,质膜起泡和维持质膜完整性直到凋亡晚期。虽然酵母基因组中没有哺乳动物Bax和Bcl家族的基因类似物,但由Bax介导的酿酒酵母细胞死亡具有典型的凋亡特征,如细胞膜表面的磷脂酰丝氨酸外翻,细胞色素C释放,膜起泡,染色质凝聚和边缘化,DNA断裂。若同时表达Bcl-xL可阻止这些现象发生和细胞死亡[1]。酿酒酵母基因组突变诱导的细胞死亡也具有哺乳动物凋亡细胞的表型特征[2]。酵母细胞死亡涉及的一些基因已被证实为后生动物凋亡调控子。被研究的哺乳动物凋亡级联的一些必要元件的酵母类似物有caspase [3],Omi [4],AIF [5] and Endo G [6],这说明凋亡的基本元素在单细胞有机体中是确实存在并起功能的。随着研究的深入,人们已经认识到,凋亡不仅存在于多细胞生物中,也存在于单细胞真核生物中,近年来,酿酒酵母发生凋亡已被公认。
　　1Metacaspase
　　Caspases是一组存在于胞质溶胶中的结构上相关的半胱氨酸蛋白酶。其命名由半胱氨酸依赖天冬氨酸的特异性而来。Metacaspase是caspases和paracaspase的同系物。Uren等通过PSI-BLAST研究发现metacaspase和paracaspase。以前的酵母基因组分析表明其不存在caspase,但通过序列比较发现ORF YOR197w编码一个类caspase蛋白,符合1型metacaspase的被命名为MCA1。后来因为YOR197w可被作为酵母的一个真实的caspase基因并被更名为YCA1[7]。
　　分子水平的系统进化分析表明,植物、真菌和原生动物的metacaspases 在进化上起源于caspases。酵母YCA1具有caspase的保守结构域。虽然保守,但差异是不可避免的。caspase特异性断裂天冬氨酸,其分为起始caspase(caspase 8, 9,10,12)和效应caspase(caspase 3,6,7)2类,而酵母只有YCA1,其在N末端含有1个富含脯氨酸的区域,酵母中的YCA1被激活起始通过水解掉1个12kDa的小亚基。但酵母的metacaspase和部分植物的metacaspase具有精氨酸、赖氨酸特异性。
　　虽然酵母YCA1与动物caspase在分子结构和断裂特异性底物上存在一些差异,但它们都介导细胞凋亡过程。YCA1是酵母中迄今发现的仅有的类caspase蛋白,YCA1在外源刺激和内源信号引起的众多凋亡过程中起核心作用。
　　2生理条件下的酵母凋亡与YCA1的作用
　　酵母细胞在时序衰老[8]、杀伤毒素产生的生理条件下发生的凋亡需要YCA1。时序衰老死亡的酵母菌显示典型的凋亡特征,如氧自由基的积累和YCA1的活化。通过删除YCA1可增加其长期培养的存活率进而破坏凋亡机制,虽然对整个菌落是不利的[8]。德尔饮食限制一段时间后,即使有可利用的营养,衰老的YCA1缺陷株也不能再生长,使菌落产生严重损伤和大量老细胞。这显示酵母凋亡的生理作用在衰老相关细胞死亡中进行适当细胞的选择起重要作用。对整个种群具有“清洁”效应。
　　产生杀伤毒素的细胞表型在多种酵母属种中普遍存在,损伤与低分子量蛋白或糖蛋白毒素(杀伤毒素)的分泌相关,其能杀伤敏感的细胞,在第2阶段的受体介导进程中没有细胞间的直接接触。在酵母中发现3个不同的杀伤毒素(K1,K2,and K28),其由细胞质双链RNA病毒编码,作为分泌α/β毒素的前体。在低浓度下,这3个病毒编码酵母毒素诱导凋亡标志的死亡。酵母YCA1和ROS介导这个过程。相反,高浓度诱导坏死,而不是凋亡,其不依赖YCA1和 ROS[9]。所以,在自然环境中,毒素浓度是低的,杀伤细胞通过诱发凋亡能清除竞争的敏感细胞。