半胱天冬酶 4，凋亡相关半胱氨酸蛋白酶； CASP4

ICE 和 CED3 同系物 2； ICH2
半胱天冬酶 11, 小鼠, 同源物; CASP11

HGNC 批准的基因符号：CASP4

细胞遗传学位置：11q22.3 基因组坐标（GRCh38）：11:104,942,866-104,968,574（来自 NCBI）

▼ 说明

内质网（ER）中未折叠和错误折叠蛋白的积累会导致 ER 应激并触发未折叠蛋白反应（UPR），包括抑制蛋白质合成、ER 蛋白折叠伴侣表达升高和/或细胞凋亡。 CASP4 通过激活 caspase 级联参与 UPR 依赖性细胞凋亡（Moorwood 和 Barton, 2014）。

s Casp11 基因与人类 CASP4 最为同源。此外，Casp12 基因（608633）编码的蛋白质可能在功能上与人类 CASP4 等效。在大多数人类中，CASP12 是一种不活跃的假基因。有关人和人类 CASP12 的信息，请参阅 608633。

▼ 克隆与表达

与哺乳动物白介素-1-β 转换酶（ICE 或 CASP1；147678）和线虫 CED3 相关的半胱氨酸蛋白酶与细胞凋亡有关。 Kamens 等人通过用人类 ICE 编码序列筛选人类胸腺 cDNA 文库（1995）分离出编码 CASP4 的 cDNA，他们将其称为 ICH2。 ICH2 蛋白由 377 个氨基酸组成，与 ICE 具有 53% 的氨基酸同一性，并且包含所有 ICE 家族成员中保守的残基。通过 Northern 印迹分析，ICH2 在除大脑之外的所有检查组织中均以大约 1.7 kb 的转录本表达。

蒙迪等人（1995）从人类单核细胞 cDNA 文库中分离出编码 CASP4 的 cDNA，他们将其称为 ICE（rel）II。与 ICE 中相似的结构基序表明 ICE（rel）II 是作为酶原合成的，经过蛋白水解加工形成异二聚体活性酶。

福舍等人（1995）使用 RT-PCR 和锚定 PCR 克隆了编码 CASP4 的 cDNA，他们将其称为 TX。

瞳等人（2004）指出，啮齿动物 Casp12 与 ER 应激诱导的细胞凋亡和淀粉样蛋白-β（参见 104760）诱导的细胞凋亡有关，但人类 CASP12 没有功能。通过使用小鼠 Casp12 筛选人类结肠 cDNA 文库，他们将 CASP4 鉴定为 Casp12 的推定功能直向同源物。人类 CASP4 与小鼠 Casp12 具有 48% 的同源性。免疫荧光显微镜、免疫电子显微镜和生化分级分离表明，在 HeLa 细胞和 SK-N-SH 人神经母细胞瘤细胞中，CASP4 主要定位于 ER，此外还定位于线粒体。

▼ 基因结构

卡门斯等人（1995）确定CASP4基因包含8个编码外显子。

▼ 测绘

卡门斯等人（1995）将 CASP4 基因定位到含有 ICE 基因的 P1 克隆，该基因位于染色体 11q22.2-q22.3。

▼ 基因功能

卡门斯等人（1995）发现 ICH2 和 ICE 具有相同的催化特性，但底物特异性不同，表明这两种酶在体内具有不同的功能。昆虫细胞中ICH2的过度表达诱导细胞凋亡。

蒙迪等人（1995）发现缺乏前结构域的 ICE（rel）II 蛋白能够有效诱导成纤维细胞凋亡。

Faucheu 等人的转染实验（1995）证明 TX 作为一种蛋白酶发挥作用，可以裂解 ICE 前体及其自身的前体。然而，TX 不能从 IL1B 前体生成成熟的白细胞介素 1-β（IL1B；147720）。

瞳等人（2004）发现用 ER 应激诱导试剂（而非其他凋亡试剂）处理人 SK-N-SH 细胞会导致 CASP4 裂解。神经毒性β淀粉样蛋白的施用也会导致CASP4裂解。 SK-N-SH 细胞或 HeLa 细胞中 BCL2 的过表达不影响 CASP4 裂解，表明 CASP4 主要在内质网应激诱导的细胞凋亡中被激活。在 HeLa 细胞和 SK-N-SH 细胞中，通过小干扰 RNA 减少 CASP4 表达可减少 ER 应激诱导的细胞凋亡和淀粉样蛋白 β 诱导的细胞凋亡，但不会减少与 ER 应激无关的细胞凋亡。瞳等人（2004）得出的结论是，CASP4 是一种内质网应激特异性 caspase，其功能可能类似于 Casp12。

Kajiwara 等人使用微阵列分析（2009）表明 FE65（APBB1; 602709）和 TSHZ3（614119）下调 CASP4 的表达。通过小干扰RNA敲低FE65或TSHZ3会增加CASP4的表达，并且两者的敲低都会以加性方式增加CASP4的表达。染色质免疫沉淀分析证实 FE65 和 TSHZ3 均与 CASP4 启动子相关。在死后阿尔茨海默病（AD; 104300）大脑中，FE65 和茶衫蛋白（尤其是 TSHZ3）的表达与 CASP4 的表达呈负相关。 FE65 和茶衫表达降低，而 CASP4 表达升高，AD 的严重程度通过认知障碍、斑块密度和神经原纤维受累来衡量。

Rathinam 等人使用缺乏参与炎症小体激活基因的小鼠菌株（2012）表明革兰氏阴性细菌的内毒素与 Tlr4（603030）相互作用，然后该复合物与 Trif（TICAM1; 607601）相互作用，Ifnb（147640）的表达和信号传导，最后表达 Casp11，即与人类 CASP4 最同源。然后，Casp11 与组装的 Nlrp3（606416）炎性小体一起作用，激活 Casp1，导致 Il1b 和 Il18（600953）分泌和不依赖于 Casp1 的细胞死亡。革兰氏阳性菌不参与该途径。拉蒂南等人（2012）得出的结论是，TLR 是炎症小体信号传导的主要调节因子，特别是在革兰氏阴性细菌感染引起的感染性休克期间。

Sollberger 等人使用蛋白质印迹分析（2012）观察到人原代角质形成细胞在紫外线 B 照射下分泌 CASP4。用小干扰 RNA 敲低 CASP4 或 CASP1 会导致 IL1B 表达减少。 CASP4 功能需要 NLRP3 炎症小体，并且 CASP4 与 CASP1 发生物理相互作用。索尔伯格等人（2012）得出结论，CASP4 通过激活 CASP1 在炎症和先天免疫中发挥重要作用。

苗等人（2011）回顾了细胞焦亡，这是一种不同于细胞凋亡和肿瘤/坏死的细胞死亡机制。细胞焦亡和细胞凋亡都是程序性细胞死亡机制，但与肿瘤死亡不同，它们依赖于不同的半胱天冬酶。与细胞死亡类似但与细胞凋亡不同，细胞焦亡会导致细胞裂解并将胞质内容物释放到细胞外空间，从而诱导炎症以及 IL1B 和 IL18 的释放。阿乔伊等人（2013）指出 Casp1 和 Casp11 都会引发细胞焦亡。 Aachoui 等人利用泰国伯克霍尔德氏菌（它与类鼻疽伯克霍尔德氏菌有亲缘关系，但毒性较鼻疽伯克霍尔德氏菌（引起类鼻疽的革兰氏阴性细菌），以及通常存在于液泡中的嗜肺军团菌和鼠伤寒沙门氏菌的胞质突变体（2013）在小鼠巨噬细胞和小鼠中表明，Casp11 介导针对胞浆细菌的先天免疫，但不介导针对液泡细菌的先天免疫。 Casp11 的触发和细胞焦亡的诱导不需要涉及 Nlrp3、Nlrc4（606831）、Aim2（604578）或 Asc（PYCARD; 606838）的炎性体途径，也不需要产生 Il1b 或 Il18。 Casp11 需要保护小鼠免受泰国芽孢杆菌或类鼻疽芽孢杆菌的致命攻击。阿乔伊等人（2013）得出的结论是，Casp11 介导细胞焦亡并保护小鼠免受能够侵入细胞质的细菌的致命感染。

李等人（2013）发现 TMEM214（615301）的敲低可显着抑制内质网（ER）应激诱导剂毒胡萝卜素和布雷菲德菌素 A 诱导的细胞凋亡。共免疫沉淀和共定位实验表明，在存在或不存在的情况下，TMEM214 与人细胞中的 procaspase-4 组成型相关这些 ER 应激诱发因素。敲低 procaspase-4 或 TMEM214 可以消除 ER 应激诱导的细胞凋亡，单独敲除 TMEM214 可以显着降低 procaspase-4 与 ER 的关联。李等人（2013）得出结论，TMEM214 将 procaspase-4 锚定到内质网外膜上，并且这种相互作用是内质网应激诱导细胞凋亡所必需的。

在小鼠中，革兰氏阴性细菌，包括大肠杆菌、啮齿类杆菌、鼠伤寒沙门氏菌和福氏沙门氏菌，可被激活 Casp11 的细胞内炎性体复合物感知。茅垣等人（2013）表明，负载合成脂质 A、大肠杆菌脂多糖（LPS）或鼠伤寒沙门氏菌 LPS 的巨噬细胞孤立于 LPS 受体 Tlr4 激活 Casp11。与脂质 A 触发非典型炎症小体一致，含有不同脂质 A 结构的 LPS 可以对抗大肠杆菌 LPS 或革兰氏阴性菌的 CASP11 激活。此外，LPS 突变型大肠杆菌未能激活 Casp11。用 Tlr3（603029）激动剂聚肌苷:聚胞苷酸引发 pro-Casp11 表达的 Tlr4 缺失小鼠与野生型小鼠一样容易患大肠杆菌 LPS 诱导的脓毒症。茅垣等人（2013）得出的结论是，这些数据揭示了一种不依赖于 TLR4 的 LPS 先天免疫识别机制。

夏加尔等人（2013）报道称，LPS 对细胞质的污染是触发小鼠 Casp11 激活的信号。具体来说，Casp11 对五酰化和六酰化脂质 A 作出反应，而四酰化脂质 A 未检测到，这为细胞质侵入性弗朗西斯菌提供了逃避机制。在体内启动 Casp11 通路会导致野生型和 Tlr4 缺陷型小鼠对随后的 LPS 攻击极其敏感，而 Casp11 缺陷型小鼠则相对具有抵抗力。夏加尔等人（2013）得出的结论是，他们的数据揭示了检测细胞质 LPS 的新途径。

莫尼耶等人（2014）报道称，在液泡革兰氏阴性菌感染过程中，非经典的小鼠 Casp11（人 CASP4）炎症小体的全部活性需要一簇小的干扰素诱导型 GTP 酶，即所谓的鸟苷酸结合蛋白。莫尼耶等人（2014）表明鸟苷酸结合蛋白被招募到细胞内细菌病原体中，并且是诱导含有病原体的液泡裂解所必需的。液泡裂解将细菌释放到细胞质中，从而允许传感器检测其 LPS。此外，危险传感器半乳糖凝集素 8（LGALS8；606099）对裂解液泡的识别会启动细菌摄取到自噬体中，从而导致 Casp11 激活减少。莫尼耶等人（2014）的结论是，宿主介导的含有病原体的液泡裂解是一种重要的免疫功能，对于胞质溶胶中的炎性体复合物有效识别病原体是必要的。

Shi 等人使用全基因组 CRISPR-Cas9 核酸酶筛选小鼠骨髓巨噬细胞中的 Casp11 和 Casp1（147678）介导的细胞焦亡（2015）确定了 Gsdmd（617042）。缺乏 Gsdmd 的细胞抵抗胞浆 LPS 和炎性体配体诱导的细胞焦亡，并显示出 II1b 的有限释放。 CASP1、CASP4、CASP5 或 Casp11 特异性切割 N 端和 C 端 GSDMD 结构域之间的连接子，这种切割对于焦亡来说是必要且充分的。炎症性半胱天冬酶不会裂解其他 Gasdermin 家族成员。施等人（2015）得出结论，细胞焦亡是gasdermin 介导的程序性坏死。

茅垣等人（2015）表明 Gsdmd 对于小鼠 Casp11 依赖性细胞焦亡和 Il1b 成熟至关重要。缺乏 Gsdmd 的小鼠表现出细胞质 LPS 或革兰氏阴性细菌诱导的细胞焦亡和 Il1b 分泌缺陷。 Gsdmd -/- 小鼠受到保护，免受致死剂量的 LPS 的影响。 Casp11 裂解 Gsdmd，产生的 N 末端片段促进了 Casp1 的焦亡和 Nlrp3 依赖性激活。茅垣等人（2015）得出结论，Gsdmd 是 Casp11 的关键靶标，也是宿主针对革兰氏阴性菌反应的关键介质。

氧化磷脂 oxPAPC 可以促进或抑制 LPS 对 TLR4 依赖性炎症的影响，oxPAPC 是一种存在于垂死细胞和受损组织中的假定 LPS 模拟物。扎诺尼等人（2016）发现小鼠巨噬细胞和树突状细胞（DC）含有丰富的 viperin（RSAD2; 607810）和磷酸化 Stat1（600555），并在用 LPS 刺激后产生炎症细胞因子，但不产生 oxPAPC，表明 oxPAPC 不能激活 Tlr4。先用 LPS 刺激，然后用 oxPAPC 连续刺激，诱导 DC 过度激活，进而诱导 Casp11 引发强效适应性免疫反应。 Casp11 结合 LPS 和 oxPAPC 的不同结构域。两种脂质均诱导 Casp11 依赖性 Il1 释放，但仅 LPS 诱导细胞焦亡。扎诺尼等人（2016）提出先天免疫系统的细胞和受体可以实现不同的激活状态，从而对感染做出依赖于环境的反应。

Mandal 等人使用基因敲除小鼠（2018）表明促凋亡的 Casp8 和促凋亡的 Casp11 对于致死性 LPS 休克和大肠杆菌败血症至关重要。 Casp8 和 Casp11 不是 LPS 休克启动所必需的，LPS 休克是由独特的造血启动子室触发的。小肠和脾脏是受 Casp8 依赖性 LPS 休克影响的关键靶器官。 Casp8 和 Casp11 决定回肠炎症，并且都导致 LPS 驱动的全身炎症。然而，Casp8 和 Casp11 均不足以单独产生休克，并且 Casp8 和 Casp11 必须合作才能造成内毒素血症的炎症组织损伤。该合作由 Tnf 和 I 型 IFN 驱动执行 LPS 休克，但孤立于 Ripk1（603453）活性。 Casp11 增强了 Casp8 的激活，但 Casp11 依赖性细胞焦亡与 Casp8 无关。

▼ 动物模型

王等人（1998）报道了通过基因打靶使与人类 CASP4 最同源的小鼠 casp11 失活。与冰缺陷小鼠一样，casp11 突变小鼠对 LPS 诱导的内毒素休克具有抵抗力。 LPS 刺激后 IL1-α 和 IL1-β 的产生（败血性休克期间的一个关键事件，也是 ICE 激活的一个指标）在 casp11 突变小鼠中被阻断。 Casp11 突变胚胎成纤维细胞对 ICE 过表达诱导的细胞凋亡具有抵抗力。此外，王等人（1998）发现 pro-caspase-11 与细胞中的 pro-ICE 发生物理相互作用，并且 casp11 的表达对于 ICE 的激活至关重要。作者认为 caspase-11 是 ICE 复合物的一个组成部分，并且是 ICE 激活所必需的。

Kayagaki 等人使用 C57BL/6 Casp11 -/- 小鼠（2011）发现 Casp11 对于细菌感染的巨噬细胞中 Casp1（147678）的激活和 Il1b 的产生至关重要。 Il1b 产生的缺陷在 129 株小鼠中重现，该小鼠携带 Casp11 突变，导致 Casp11 表达减弱。茅垣等人（2011）指出 Kuida 等人使用了 129 株小鼠（1995）和李等人（1995）生成了 Casp1 -/- 小鼠，因此这些小鼠同时缺乏 Casp1 和 Casp11。 Casp11 -/- 巨噬细胞能够响应 ATP 和尿酸钠产生正常水平的 Il1b。缺乏 Casp1 但表达 C57BL/6 Casp11 的 129 株巨噬细胞无法响应任何刺激而正常分泌 Il1b，这证实了 Casp1 对于 Il1b 的产生至关重要。然而，非典型炎症小体触发的巨噬细胞死亡需要 Casp11，而不是 Casp1。 Casp11（而不是 Casp1）的缺失可以保护小鼠免受致命剂量的 LPS 伤害。茅垣等人（2011）得出的结论是，Casp11 在对临床上显着的细菌感染的先天免疫反应中具有独特的促炎作用。

布罗兹等人（2012）证明，非典型 caspase-11 激活会导致鼠伤寒沙门氏菌感染期间巨噬细胞死亡。 TLR4（603030）依赖性和包含 TIR 结构域的转换因子诱导干扰素 β（TRIF）依赖性干扰素 β 的产生对于巨噬细胞中 caspase-11 的激活至关重要，但只是 procaspase-11 表达的部分需要，与存在干扰素诱导的 caspase-11 激活剂。此外，Casp1 缺失小鼠比缺乏两种促炎性半胱天冬酶（Casp1 缺失/Casp11 缺失）的小鼠更容易感染鼠伤寒沙门氏菌。这种表型伴随着较高的细菌计数、感染组织中细胞外细菌微菌落的形成以及中性粒细胞介导的清除缺陷。布罗兹等人（2012）得出结论，在缺乏 caspase-1 介导的先天免疫的情况下，caspase-11 依赖性细胞死亡对宿主有害，导致兼性细胞内细菌病原体在细胞外复制。

Moorwood 和 Barton（2014）在杜氏肌营养不良（DMD; 300377）患者的肌肉活检中发现了裂解的 CASP4，但在健康对照中没有发现，这表明 ER 应激和 UPR 激活。在 DMD 的 mdx 小鼠模型的肌肉中，Casp12（相当于人类 CASP4）的原体和裂解形式的表达也升高，同时 ER 应激标记物升高。与 mdx 肌肉相比，敲除 mdx 小鼠中的 Casp12 往往会保留肌肉功能，比力产生和偏心收缩抵抗力恢复 75%。通常在 mdx 肌肉中发现的代偿性肥大在缺乏 Casp12 的情况下正常化，这是由于纤维尺寸减小而不是纤维类型变化所致。 Casp12 的缺失并没有减少 mdx 肌肉纤维化或外观。 Casp12 -/- mdx 肌肉中 mdx 小鼠的肌纤维变性减少至几乎野生型水平。 Moorwood 和 Barton（2014）得出结论，Casp12 的缺失促进了 mdx 小鼠的肌纤维存活，并且异常的 UPR 激活可能导致人类 DMD 发病机制。