一种叫做卡斯帕斯（caspases）的蛋白质-切割酶，处于细胞自杀机器的核心位置。研究者开始认识到它们的作用，以及如何应用它们来治疗疾病。

每个细胞都含有使自身死亡的材料：有一组蛋白质，一旦释放出来，就在细胞内部杀死自己。它们指引其它的分子粉碎细胞核、切断染色体、消化建成细胞形状的骨架，把细胞拆散成碎片，并为清除作好准备。

这种自我毁灭叫做按程序的细胞死亡，或者叫做程序性细胞死亡（apoptosis）。对生物来说，这是必不可少的。举个例子，胚胎发育期内，组织被刻蚀，或者受到有害病毒侵染时，细胞就必须死亡。但是，程序性细胞死亡太多或者太少，就会成为灾难。例如，多种癌症由于对程序性细胞死亡的信号没有反应，很难被杀死，特别是处于神经退化条件下的帕金森病，或者因中风缺氧之后，大量的程序性细胞死亡，消灭大脑神经元的时候。目前，研究者们正在了解有关死亡机器的核心——一组叫做卡斯帕斯的蛋白质-切割酶——他们暗示，总有一天当程序性细胞死亡出毛病时，科学家就会应用这些知识加以干预。

他们发现卡斯帕斯在两个水平上作用于死亡。初始的卡斯帕斯负责宣布死亡判决。它们随着信号而被活化，表明细胞已经受到压力，或者损害，或者接到了死亡命令。于是它们活化另一族卡斯帕斯——执行死刑的卡斯帕斯。接着死刑执行者就在关键的蛋白质中，连续地进行有选择的切割、拆散细胞。研究者们还鉴定出在需要的时候，能检查核对卡斯帕斯的蛋白质——有破坏力，能为其所为的酶。加利福尼亚拉加拉伯纳姆研究所的程序性细胞死亡专家约翰 · 里德（John Reed）说 :“已经有了典型的发展，画面开始充实了。”

6年前，马萨诸塞州技术研究所（MIT）的罗伯特，霍维茨（Robert Horvitz）实验室，首次提出被叫做蛋白酶的蛋白质-裂解酶，在程序性细胞死亡中担负着重要任务。他的研究组在线虫突变的胚胎发育过程中，发现这种酶能防止正常细胞死亡。突变体基因ced-3产生出一个编码的蛋白质和叫做ICE的哺乳动物的酶关系密切。而在此之前，只知道ICE有促使发炎的作用。

此后，到了1994年，哈佛的袁俊英证明，哺乳动物的细胞培养物中，人为地活化ICE却会引起细胞死亡。在正常的情况下，ICE本身并不包含在程序性细胞死亡之内，因为它对自然的细胞死亡信号没有反应。但是，霍维茨和袁的发现引起了一场调查。调查结果找到了一整族的ICE-相关蛋白酶，其中至少有7个正常地参与了程序性细胞死亡。

这些酶被命名为卡斯帕斯（caspases，即cysteine-containing aspartate-specific proteases，含半胱氨酸的特异性天冬氨酸蛋白酶）。在它们的活性位点上全都含有半胱氨酸，并且剪切紧挨着天冬氨酸的蛋白质靶子。卡斯帕斯本身则位于这些靶子之中。它们开始时和那些叫做酶原（zemogens）的没有活性的蛋白质一样，必须被剪切后才会变得充分活跃起来。

里德说，设想卡斯帕斯能剪切，启发了酶原也含有完全相同舞 :基酸顺序的这种认识。“如果使卡斯帕斯活化起来，接着就会发生蛋白质水解作用的级联现象。”即活化的卡斯帕斯不断切割，活化更多的卡斯帕斯。研究者们积累证据，证明这些酶确实需要用初始的卡斯帕斯开始，以蛋白质结束的切割顺序方法杀死细胞。

剩下的问题是卡斯帕斯最初是如何开始的。目前看来好像有些初始的卡斯帕斯酶原，虽然至多仅具有活化酶分裂-蛋白质能力的十五分之一，也能彼此进行切割及活化。伯纳姆研究所的盖尹 · 萨尔文生（Gay Salvesen）.南旧金山遗传技术联合公司的维希 · 迪克希特（Vishva Dixit）的研究组、MIT的大卫 · 巴尔蒂莫尔（David Baltimore）研究组和魁北克波因特克莱尔-多尔韦尔的加拿大默克 · 弗罗斯特联合公司的唐纳德 · 尼科尔森研究组一道研究，并在数月前的报告中证明：试管中的卡斯帕斯酶原分子，通过紧密接触就会活化。

这项发现，能够解释一种叫做Fas的细胞表面受体，收到来自免疫系统正确的信号之后如何完成引起细胞自杀任务的。3年前，安阿伯密歇根大学医学院的迪克希特（Dixit）研究组和以色列里霍沃特魏兹曼科学研究所的大卫 · 沃勒克（David Wallach）研究组，二者同时发现Fas能够把卡斯帕斯-8酶原分子拉在一起。目前看来，这种接近会让卡斯帕斯前体相互活化。

但是，程序性细胞死亡，并不都是从细胞外部来信号才触发产生的。例如，发育期中如果剥夺了生长因子，细胞也会自杀。与其说因辐射、氧化剂或者其它的有害化合物对细胞有致命的危害性，因而经常产生程序性细胞死亡，倒不如说丧生于缺乏控制的死亡对生物可能更加有害。有些细胞感受到事态不正常时，例如，细胞分裂周期无法控制，变得杂乱无章时，细胞就会自杀。上述触发死亡的多样性，意味着卡斯帕斯酶原和受体接触，并不是活化它们的唯一方法。目前，其它的一些方法已逐渐为人所知。

和线粒体的联系

1996年，达拉斯得克萨斯大学西南医学中心的王晓东和他的同事们，获得惊人的发现。他们鉴定出一种卡斯帕斯的活化物，是用“胱细胞”程序性细胞死亡系统——一种特殊处理过的人细胞株的提取物——进行研究，从中发现线粒体（产生大量细胞能量的细胞器）的关键蛋白质组分，能够活化一种执行死刑的卡斯帕斯——卡斯帕斯-3。王说，这种线粒体蛋白质——细胞色素C—能兼做程序性细胞死亡活化物的观念是“完全意想不到的”。而在开始时，要去相信它，觉得太怪诞不经了。

但在一年之后，王的研究组却已经专注于研究细胞色素C究竟如何触发细胞死亡的问题。他们把细胞色素C和某种蛋白质结合时，找到了程序性细胞死亡蛋白酶活化因子-1（apoptotic protease activating factor–1，Apaf-1）。这种结合让Apaf-1和不知怎样活化起来的卡斯帕斯-9，一种能活化卡斯帕斯-3的初始的卡斯帕斯联系在一起。王说，他们还不知道Apaf-1是如何依靠卡斯帕斯-9的。但是，他“最中意的假说”是Apaf-1的作用和Fas相似：汇集多种卡斯帕斯酶原，然后彼此活化。

MIT的细胞死亡研究者赫尔曼 · 斯特勒（Hermann Steller）说，细胞色素C作为一种程序性细胞死亡触发器是说得通的。因为，各种各样的细胞损坏，都会危害线粒体，以至使其外膜破裂。这种情况下释放出细胞色素C，可以作为“一种压力检测器”告诉细胞已经接收到致命的“侮辱”。因此，“死的时候到了”。

其它的死亡触发器也能释放出细胞色素C。拉加拉过敏症和免疫学研究所的细胞生物学家唐纳德 · 纽梅耶（Donald Newmeyer）、北卡罗莱纳德拉姆杜克大学医学中心的萨莉 · 科恩布拉什（Sally Kornbluth）及其同事们也都发现，卡斯帕斯-8被死亡受体Fas活化之后，会使线粒体倾倒出它们的细胞色素C。纽梅耶说：“即使卡斯帕斯-8能够直接活化其它的卡斯帕斯，细胞色素C途径也是最有效的；因为它能和水平更低的卡斯帕斯-8起作用。所以，它能放大对其本身来说极为微弱的死亡信号是理所当然的。

死刑执行者的靶子

执行死刑的卡斯帕斯一旦被活化，它们就开始切割其它的蛋白质。迄今为止，研究者们已经鉴定出两打以上的这一类卡斯帕斯靶子。但是，直到目前，它们怎样和细胞死亡联系在一起，许多情况仍然不清楚，或者说，充其量仅是间接证明。然而，也是在最近，研究者们发现卡斯帕斯靶子的裂解作用很清楚地触发了程序性细胞死亡过程中，特别为人所知的步骤。

例如，程序性细胞死亡的标志之一，是细胞核解体 :首先染色体被割裂，然后细胞核破裂成小片。去年4月，王和他的协作者报告说，他们在培养的人细胞中找到一种蛋白质，一旦被卡斯帕斯-3切割，就能触发染色体断裂，和在程序性细胞死亡中看到的一样。研究者还找到和其它蛋白质配对的、未经切割的蛋白质。但是，他们并不清楚其它蛋白质的作用，或者卡斯帕斯怎样导致DNA断裂。

此外，今年早些时候，日本大阪大学医学院的希盖卡苏 · 纳加塔（Shigekasu Nagata）及其同事们提供了一个答案。他们在鼠细胞中找到了相同的蛋白质对，并且证明卡斯帕斯靶子的配偶体是一种叫做内切酶的DNA-裂解酶。卡斯帕斯靶子被剪切后，便释放出核酸内切酶，后者进入细胞核切断DNA。伯纳姆研究所的里德说 :“那是一则惊人的报道。把核酸内切酶和卡斯帕斯直接联系在一起，还是第一次。”

程序性细胞死亡的其它关键要素——细胞外膜的变化——细胞死亡前会由膜预报变化：细胞失去正常的形状，变得更圆并在其表面上形成类似泡状的隆起。去年，加利福尼亚埃默里奇龙公司的刘易斯 · 威廉姆斯（Lewis Williams），波士顿哈佛医学院的大卫 · 奎亚特科斯基（David Kwiatkowski）以及他们的同事，发现卡斯帕斯-3能切割gelsolin。gelsolin是一种与肌动蛋白丝正常结合在一起的蛋白质，有助于形成细胞的形状。威廉姆斯说，gelsolin的碎片也能切碎肌动蛋白丝。用卡斯帕斯-切割的gelsolin碎片注射进细胞后，更加坚定了研究组的印象。他还说，团拢细胞按此方法处理，“看起来就像经历着程序性细胞死亡。”

细胞失去形状之后，程序性细胞死亡便闯入由膜包装着的“程序性细胞死亡体”，引起细胞死亡，然后被游走细胞大量吞食。去年春天，拉加拉斯克里普斯研究所的加里 · 博克（Gary Bokoch）和托马斯 · 鲁德尔（Thomas Rudel）鉴定出为形成程序性细胞死亡体所必需的卡斯帕斯靶子，一种叫做PAK2的酶（p-21-activated kinase-2，p-21活化激酶-2），给它们加入磷酸基后，可以调节其它蛋白质的活性。

博科和鲁德尔发现卡斯帕斯-3能切割和活化酶。然而，用工程细胞制成的PAK2却不能被活化。这使得他们更加坚信酶在拆卸细胞中的关键作用。博科说，对适当的程序性细胞死亡刺激的反应，“即使是［工程细胞］也要经历DNA的破碎作用，但它们却不能粉碎程序性细胞死亡体。”PAK2有助于调整细胞的内部骨架，但是它究竟如何引起死亡细胞的破碎，却仍然不清楚。

控制死亡机器

已知卡斯帕斯具有不可思议的力量去拆卸细胞。但在不适宜程序性细胞死亡的时候，细胞就需要控制得住强而有力的酶。在许多控制的方法之中，看来有两种蛋白质，Bcl-2和Bcl-x是很有帮助的。其中特别是能够阻止线粒体释放出细胞色素C，至于如何做到这一点，还不完全清楚。但是，它们可能用使线粒体破裂的反粒子平衡失调来起作用。另外，Bel蛋白质还有其它的方法阻挠细胞死亡——例如，它们可以直接和Apaf-1结合，防止卡斯帕斯活化——它们在细胞内的数量，也有助于决定如何弱化程序性细胞死亡。事实上，过量的Bcl-2在细胞接到死亡命令时，会拒绝死亡并把正常细胞转变成癌细胞。已经证实，抗Bcl-2治疗法在临床试验中，对有些癌症是有效的。

另一组蛋白质叫做lAPs（inhibitors of apoptosis，程序性细胞死亡抑制剂）。由于能够直接抑制卡斯帕斯，似乎已经在程序性细胞死亡中加以应用。IAPs是1993年由阿森斯乔治亚大学的洛伊丝 · 米勒（Lois Miller）的研究组找到的。他们发现，病毒在复制和蔓延的时候，就安置这些蛋白质以保证寄主细胞生存。1994年，渥太华大学的亚历克斯 · 麦肯齐（Alex Mackenzie）研究组发现了第一个细胞IAPs，—种在神经细胞中抑制程序性细胞死亡的蛋白质。此后，研究者们在哺乳动物细胞中，又陆续发现5种以上的IAPs。

许多研究组，包括麦肯齐的、里德的以及在加拿大默克弗洛斯特联合公司的尼科尔森（Nicholson）研究组，都证实过IAPs—经和卡斯帕斯结合，就能阻断其活性。然而这样的描述似乎过于简单。像Bel蛋白质一样，IAPs可能有多种方法参与。米勒的研究组就发现过，在卡斯帕斯卷入之前，IAPs就明显地制止住程序性细胞死亡。所以米勒说 :“此时就草率地作出结论是毫无意义的，那是一个复杂的过程。”

确实，关于卡斯帕斯的功能和控制所有方面，实际上都是同样有力的。研究者们极想知道，除T细胞色素C之外，还有哪些蛋白质能够触发卡斯帕斯的活性。他们还在苦苦思索细胞如何保持对酶的控制——在细胞要死亡的时候，能解除这些保护者。当然，他们也正在寻找更多的像Bcl-2那样的杠杆，以便能够操纵程序性细胞死亡，使之能用于治疗疾病。

［Science，1998年4月3日］