Caspase-1在眼科疾病中的研究进展

李华章 李志坚

[摘要] 半胱氨酸天冬氨酸特异性蛋白水解酶-1（Caspase-1）作为一种炎症调节因子，已被证明是炎症调控与细胞凋亡的关键环节。大量研究显示，Caspase-1广泛参与心血管疾病、代谢性疾病及肝硬化等全身疾病的分子机制中。Caspase-1与多种眼科疾病的发生同样密切相关，在年龄相关性白内障、年龄相关性黄斑变性、糖尿病视网膜病变等常见疾病中作用重大。本文主要对Caspase-1在上述疾病中的作用进行总结。

[关键词] 半胱氨酸天冬氨酸特异性蛋白水解酶-1;细胞凋亡;细胞焦亡;炎症

[中图分类号] R776.1          [文献标识码] A          [文章编号] 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

針对年龄相关性黄斑变性、糖尿病性视网膜病变与年龄相关性白内障等主要致盲眼病的研究从未停息。细胞凋亡、炎症过程等途径的机制研究中均发现半胱氨酸天冬氨酸特异性蛋白水解酶-1（Caspase-1）的直接参与。近期研究证实，二者之外存在一种全新的细胞程序性死亡方式：细胞焦亡。同时，Caspase-1在其信号通路中起到关键作用。本文对Caspase-1在眼科疾病中的焦亡作用与凋亡及炎性作用进行比较和总结。

1 Caspase-1概述

Caspase家族是一类以半胱氨酸天冬氨酸为本质，特异性切割及水解蛋白的酶家族，与白细胞介素（IL）-1β转换酶（ICE）同源。哺乳动物中已发现多种Caspase，目前已被确定及命名的达15种[1-2]。Caspase参与细胞凋亡、焦亡、坏死介导的细胞死亡，非凋亡作用包括增殖、肿瘤抑制、分化、神经发育和衰老[3]。其中，Caspase-1作为发现最早也是研究最早的成员，已被证实参与慢性肾脏疾病[4]、心力衰竭[5]、神经系统疾病[6]、炎症性肠病[7]等全身疾病发生的分子机制。

1.1 Caspase-1与细胞焦亡

细胞焦亡主要有两种主要途径，经典焦亡途径的研究相对透彻，而非经典焦亡途径仍需要进一步探索。经典途径中，胞内吞噬细胞识别受体3（NLRP3）等受体蛋白会选择性应答细胞外刺激信号，半胱天冬氨酸酶1前体（Pro-caspase-1）与胞内吞噬细胞识别受体（NLR）系列中相应受体蛋白以凋亡相关微粒蛋白（ASC）为中介进行连接，形成高分子蛋白复合物，诱导Pro-caspase-1二聚体化，自体蛋白酶活性激活，剪切后形成具有切割活性的Caspase-1，主要作用元件为p20亚基。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体，与胞膜内磷脂酰肌醇/甘油等选择性结合，从内部破坏细胞膜，最终形成多个直径2～4 nm的亲水孔道，破坏质膜完整。同时，Caspase-1将无活性的前体（Pro）-IL-1β激活为具有重要生物作用的IL-1β，与IL-18等因子从细胞中初始释放，募集其他炎症细胞并扩大炎性反应[10-12]，最终导致细胞焦亡的发生。非经典途径中，Caspase-1同样可以通过被NLRP3、ASC与Pro-caspase-1的复合物激活，最终使IL-18和IL-1β等得以释放，诱导细胞焦亡。

1.2 Caspase-1与细胞凋亡

早期Caspase研究[13]中发现，成纤维细胞Rat-1中鼠源Asp特异性的Caspase（后证实为鼠来源Caspase-1）过量表达会使细胞发生程序性死亡，使用ICE抑制剂可逆转该现象，并首次提出Caspase-1具有凋亡相关作用。组织培养实验显示：心肌组织中，缺氧会使Caspase-1的表达增加，继而Caspase-3/9发生激活，最终心肌细胞发生凋亡[14]。缺失Caspase-1时，多种细胞仍能正常对凋亡刺激产生应答，提示Caspse-1的凋亡相关功能局限于少数种类细胞。Casapse-1化学二聚作用会在GSDMD充足的细胞中诱导焦磷酸化，但在GSDMD不足的细胞中会导致凋亡[15]，提示细胞焦亡与凋亡同为程序性死亡，功能十分相似。

1.3 Caspase-1介导的炎症过程

Caspase-1调控细胞的炎性反应过程主要通过促进炎性因子的加工与释放。经过炎性因子活化，具有生物活性的Caspase-1[16]切割pro-IL-1β和pro-IL-18，使之成为活性IL-1β和IL-18并促进其释放。此外，Caspase-1与IL-1α的释放也有密切联系，缺失Caspase-1的巨噬细胞，受到ATP和LPS的刺激后，使IL-1α的释放显著减少。尽管IL-1α与Caspase-1無固定信号联系，但活化Caspase-1亚基仍可与IL-1α前体蛋白结合并充当运输媒介，激活途径先关蛋白，释放IL-1α[16]。细胞焦亡也是一种炎症性过程，在激活GSDMD形成孔道后，通过IL-1β等炎症介质的释放诱导焦亡，扩大炎性反应[10-12]。目前研究显示，Caspase-1在炎症过程发挥作用的途径与细胞焦亡高度相似。

2 Caspase-1在眼部相关疾病中的研究

2.1 Caspase-1在年龄相关性白内障中的研究

年龄相关性白内障又称老年性白内障，是严重的致盲眼病。探究Caspase-1在白内障的发生中的作用可为预防白内障提供新思路。

大多数白内障引起内质网（ER）产生错误折叠的蛋白质。为了在细胞衰老前消除错误折叠的蛋白质，细胞激活ER应激/未折叠蛋白应答（UPR）清理机制[17]。当ER压力达到临界高水平，UPR激活ER-Ca2+向细胞质的动员，导致依赖Ca2+的蛋白酶活化，裂解各种酶和蛋白质，导致正常晶状体功能丧失。UPR还可增强了活性氧（ROS）的过量生产，从而破坏晶状体成分并导致红系衍生的核因子相关因子2（Nrf2）依赖性细胞保护功能失效，触发程序性细胞死亡[18]。Ca2+的内流与ROS的产生是Caspase-1诱导的细胞焦亡与凋亡的重要环节，故而在白内障的发生过程中，细胞凋亡与焦亡同时发挥作用。

2.2 Caspase-1在老年黄斑变性（AMD）中的研究

AMD是一种进行性眼病，与慢性氧化应激、炎症等病理因素有关。AMD可在眼中央后极检测到视网膜色素上皮（RPE）斑点和RPE细胞与Bruch膜的细胞外玻璃疣沉积[19]。

RPE功能障碍与光氧化损伤和慢性先天免疫活化有关，正是AMD的直接病因之一。RPE中的炎性体激活于2012年首次报道[20-22]。迄今为止，NLRP3一直是RPE细胞中的责任受体，并被多种诱导剂激活，其中包括脂褐素和玻璃疣成分，例如肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、N-亚苄基-N-视黄基乙醇胺（A2E）和淀粉样β。此外，还有许多其他危险信号，例如Alu RNA的积累，脂质过氧化终产物HNE（4-羟基壬烯醛）的出现及细胞内蛋白质聚集体的存在伴随着自噬效率的降低都会诱导NLRP3的产生[20，22]。NLRP3可直接诱导Caspase-1激活，从而激活细胞焦亡通路、直接减少NLRP3的产生，从通路上游抑制Caspase-1自体活化可为AMD的治疗提供新思路。

2.3 Caspase-1与糖尿病视网膜病变（DR）

DR是糖尿病最常见的并发症之一，是一种严重危害视力的视网膜微血管疾病。高血糖会通过缺血或高渗性损伤促进血管和神经元结构的变化，最终新生血管形成，对视力造成不可逆的损害。

高血糖导致氧化应激（OS），OS通过细胞焦亡，细胞或自噬和神经退行性变引起炎性反应共同导致神经，血管和视网膜组织损伤[23]。OS促进炎性因子的活化，形成炎症小体，募集了含有ASC的衔接子凋亡斑点样蛋白。这种酶裂解激活Caspase-1诱导的细胞焦亡，促进的IL-1β和IL-18释放并最终导致细胞死亡[24]。Chen等[25]同样发现ROS等OS相关的危险因子可激活焦亡炎性复合体，增强DR的炎性反应，并且外周血单核细胞中Caspase-1水平与疾病严重程度呈正相关，提示Caspase-1在DR的病理过程中的作用。

3 展望

Caspase-1是细胞焦亡、凋亡及炎症过程的重要环节，其介导的焦亡与炎症过程在功能与过程上均十分相似，前期研究中无法用凋亡与炎症进行单一解释的过程可以用焦亡完成，为眼部疾病深层发病机制的探索提供了新的思路。同时，精准调控Caspase-1来治疗眼部疾病中的研究较少，前景十分可期。

[参考文献]

[1]  Man SM. Converging roles of caspases in inflammasome activation，cell death and innate immunity [J]. Nat Rev Immunol，2016，16（1）：7-21.

[2]  den Hartigh AB. Pyroptosis Induction and Detection [J]. Curr Protoc Immunol，2018，e52.

[3]  Shalini S，Dorstyn L，Dawar S，et al. New and emerging functions of caspases [J]. Cell Death Differ，2015，22（4）：526-539.

[4]  Ferrer LM，Monroy AM，Lopez-Pastrana J，et al. Caspase-1 Plays a Critical Role in Accelerating Chronic Kidney Disease-Promoted Neointimal Hyperplasia in the Carotid Artery [J]. J Cardiovasc Transl Res，2016，9（2）：135-144.

[5]  Zhou W，Chen C，Chen Z，et al. NLRP3：A Novel Mediator in Cardiovascular Disease [J]. J Immunol Res，2018：5702103.

[6]  Tan CC，Zhang JG，Tan MS，et al. NLRP1 inflammasome is activated in patients with medial temporal lobe epilepsy and contributes to neuronal pyroptosis in amygdala kindling-induced rat model [J]. J Neuroinflammation，2015， 12：18.

[7]  Yuan YY，Xie KX，Wang SL. Inflammatory caspase-related pyroptosis：mechanism，regulation and therapeutic potential for inflammatory bowel disease [J]. Gastroenterol Rep（Oxf），2018，6（3）：167-176.

[8]  Man SM，Kanneganti TD. Gasdermin D：the long-awaited executioner of pyroptosis [J]. Cell Res，2015，25（11）：1183-1184.

[9]  Broz P. Immunology：Caspase target drives pyroptosis [J]. Nature，2015，526（7575）：642-643.

[10]  Singh M. Hyperhomocysteinemia and Age-related Macular Degeneration：Role of Inflammatory Mediators and Pyroptosis; A Proposal [J]. Medical Hypotheses，2017， 105：17-21.

[11]  Chen S，Shen D，Popp NA，et al. Responses of Multipotent Retinal Stem Cells to IL-1β，IL-18，or IL-17 [J]. J Ophthalmol，2015：369312.

[12]  Gao J，Cui JZ，To E，et al. Evidence for the activation of pyroptotic and apoptotic pathways in RPE cells associated with NLRP3 inflammasome in the rodent eye [J]. J Neuroinflammation，2018，15（1）：15.

[13]  Yuan JY，Shaham SH，Ledoux S，et al. The C. elegans cell death gene ced-3 encodes a protein similar to mammalian interleukin-1 beta-converting enzyme [J]. Cell，1993，75（4）：641-652.

[14]  Syed FM，Hahn HS，GuoY，et al. Proapoptotic effects of caspase-1/inter-leukin-converting enzyme dominate in myocardial ischemia [J]. Circ Res，2005，96（10）：1103-1109.

[15]  Tsuchiya K，Nakajima S，Hosojima S，et al. Caspase-1 initiates apoptosis in the absence of gasdermin D [J]. Nat Commun，2019，10（1）：2091.

[16]  Martin K，Andreas R，Sabine W，et al. Active Caspase-1 Is a Regulator of Unconventional Protein Secretion [J]. Cell，2008，132（5）：818-831.

[17]  Periyasamy P，Shinohara T. Age-related cataracts： Role of unfolded protein response，Ca2+ mobilization，epigenetic DNA modifications，and loss of Nrf2/Keap1 dependent cytoprotection [J]. Prog Retin Eye Res，2017，60：1-19.

[18]  Elanchezhian R，Palsamy P，Madson CJ，et al. Low glucose under hypoxic conditions induces unfolded protein response and produces reactive oxygen species in lens epithelial cells [J]. Cell Death Dis，2012，3（4）：e301.

[19]  Ambati J，Atkinson JP，Gelfand BD. Immunology of age-related macular degeneration [J]. Nat Rev Immunol，2013，13：438-451.

[20]  Tarallo V，Hirano Y，Gelfand BD，et al. DICER1 loss and Alu RNA induce age-related macular degeneration via the NLRP3 inflammasome and MyD88 [J]. Cell，2012， 149（4）：847-859.

[21]  Doyle SL，Campbell M，Ozaki E，et al. NLRP3 has a protective role in age-related macular degeneration through the induction of IL-18 by drusen components [J]. Nat Med，2012，18（5）：791-798.

[22]  Kauppinen A，Niskanen H，Suuronen T，et al. Oxidative stress activates NLRP3 inflammasomes in ARPE-19 cells-implications for age-related macular degeneration（AMD） [J]. Immunol Lett，2012，147（1/2）：29-33.

[23]  Cecilia OM，José Alberto CG，José NP，et al. Oxidative Stress as the Main Target in Diabetic Retinopathy Pathophysiology [J]. J Diabetes Res，2019，2019：8562408.

[24]  Yerramothu P，Vijay AK，Willcox MDP. Inflammasomes，the eye and anti-inflammasome therapy [J]. Eye，2018， 32（3）：491-505.

[25]  Chen H，Zhang X，Liao N，et al. Enhanced Expression of NLRP3 Inflammasome-Related Inflammation in Diabetic Retinopathy [J]. Invest Ophthalmol Vis Sci，2018，59（2）：978-985.

（收稿日期：2019-12-12）