抑制劑Z-VAD-FMK的作用機(jī)理及應(yīng)用案例詳解

 

細(xì)胞的凋亡可以分為內(nèi)源性觸發(fā)和外源性觸發(fā)兩種類型，內(nèi)源性途徑：由細(xì)胞內(nèi)部環(huán)境變化引發(fā)，如 DNA 損傷、氧化應(yīng)激、線粒體功能異常等。此時，線粒體膜通透性改變，釋放細(xì)胞色素 C（Cytochrome C）至細(xì)胞質(zhì)，激活凋亡相關(guān)的半胱天蛋白酶（Caspase）。外源性途徑：通過細(xì)胞表面死亡受體（如 Fas、TNFR1）接受外部信號（如FasL、TNF-α），形成死亡誘導(dǎo)信號復(fù)合體（DISC），直接激活起始型Caspase（如 Caspase-8、Caspase-9）。當(dāng)?shù)蛲霰患せ詈髸�進(jìn)入Caspase級聯(lián)反應(yīng)：激活的起始型Caspase進(jìn)一步切割并激活效應(yīng)型 Caspase（ Caspase-3、Caspase-6、Caspase-7）。效應(yīng)型 Caspase 最后通過切割細(xì)胞內(nèi)關(guān)鍵蛋白（如細(xì)胞骨架蛋白、DNA 修復(fù)酶 PARP 等），引發(fā)細(xì)胞結(jié)構(gòu)崩解和功能喪失。
 

圖1. 細(xì)胞凋亡通路圖[1]

 

Z-VAD-FMK（Z-VAD(OH)-FMK，AbMole，M3143）可以抑制Caspase家族中的Caspase-1到Caspase-10等9種胱天蛋白酶的活性（Z-VAD-FMK對Caspase-2的抑制能力有限）。Caspase家族在結(jié)構(gòu)上具有一定的相似性：所有的Caspase都包括一大一小兩個催化亞基，用于切割底物蛋白。此外，一些 Caspase含有DED（死亡效應(yīng)結(jié)構(gòu)域）或CARD（Caspase募集結(jié)構(gòu)域 ），負(fù)責(zé)Caspase的寡聚化和激活以及死亡誘導(dǎo)信號復(fù)合物組裝。Z-VAD-FMK（AbMole，M3143）通過不可逆地結(jié)合 Caspase的催化位點(diǎn)來抑制其活性，進(jìn)而抑制細(xì)胞的凋亡。
 

圖2. Casepase家族和分類[2]

 

細(xì)胞焦亡是一種由Caspase（如 Caspase-1、Caspase-4、Caspase-5）介導(dǎo)的促炎性細(xì)胞死亡方式。一般由病原體相關(guān)分子模式（PAMPs）或損傷相關(guān)分子模式（DAMPs）觸發(fā)炎癥小體（如NLRP3、AIM2）的組裝，招募并激活Caspase-1前體�；罨�的Caspase-1切割Gasdermin D（GSDMD），釋放其 N 端結(jié)構(gòu)域，該結(jié)構(gòu)域寡聚化后可在細(xì)胞膜上形成孔洞，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)容物釋放并引發(fā)強(qiáng)烈的炎癥反應(yīng)。Z-VAD-FMK（AbMole，M3143）可以抑制Caspase-1進(jìn)而阻斷炎癥小體的形成，最終實(shí)現(xiàn)對細(xì)胞焦亡（Pyroptosis）的有效抑制。
 

圖3. 細(xì)胞焦亡示意圖[1]

3.Z-VAD-FMK誘導(dǎo)壞死性凋亡

壞死性凋亡由腫瘤壞死因子（TNF）超家族受體（如TNFR1、Fas）或模式識別受體（如TLR3/4）激活，受體激活后可招募 RIPK1、Caspase-8、Caspase-10等形成復(fù)合物 I（膜結(jié)合型），此時Caspase-8會剪切RIPK3以抑制壞死小體的形成，因此上述信號通路偏向引起細(xì)胞凋亡。而當(dāng)Caspase-8活性被抑制（如使用 Z-VAD-FMK）時，RIPK1與RIPK3結(jié)合形成復(fù)合物IIb，移位至細(xì)胞質(zhì)，隨后RIPK3通過磷酸化其底物MLKL（混合譜系激酶結(jié)構(gòu)域樣蛋白），誘導(dǎo)MLKL寡聚化并轉(zhuǎn)位至細(xì)胞膜，形成孔洞導(dǎo)致細(xì)胞腫脹破裂，釋放DAMPs并引發(fā)炎癥反應(yīng)。在具體的實(shí)驗(yàn)中，Z-VAD-FMK（ 氟甲基酮，AbMole，M3143）常常和TNF-α（AbMole，M9370）聯(lián)合使用誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生壞死性凋亡[3]。2014年，AbMole的兩款抑制劑分別被西班牙國家心血管研究中心和美國哥倫比亞大學(xué)用于動物體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，相關(guān)科研成果發(fā)表于頂刊 Nature 和 Nature Medicine。
 

圖4. 細(xì)胞壞死性凋亡示意圖[1]

 

上述文章主要研究了化合物ONC213在急性髓系白血�。ˋML）中的作用。研究發(fā)現(xiàn)，ONC213通過靶向α-酮戊二酸脫氫酶（α-KGDH）來誘導(dǎo)線粒體應(yīng)激和抑制氧化磷酸化，從而在AML細(xì)胞中發(fā)揮強(qiáng)大的抑制活性，尤其是在AML干細(xì)胞中，同時對正常造血細(xì)胞的毒性極低。此外，ONC213還通過抑制MCL-1的翻譯來促進(jìn)AML細(xì)胞的凋亡。來自AbMole的Z-VAD-FMK（AbMole，M3143）被用來驗(yàn)證ONC213誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡是否依賴于Caspase介導(dǎo)的凋亡途徑，結(jié)果顯示Z-VAD-FMK能夠顯著拯救MV4–11細(xì)胞免受ONC213誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡[4]。
 

圖5. Relationship between MCL-1 and ONC213 sensitivity[4].

 

上述文章研究了MEX3A在卵巢癌細(xì)胞中的作用，特別是其如何通過調(diào)節(jié)p53蛋白來影響腫瘤的生長和鐵死亡。研究發(fā)現(xiàn)，MEX3A在卵巢癌細(xì)胞中過表達(dá)，尤其是在含有野生型p53的卵巢癌亞型中。最終結(jié)果表明MEX3A通過促進(jìn)p53蛋白的降解，抑制了p53介導(dǎo)的鐵死亡，從而促進(jìn)了腫瘤的生長和存活。在細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中研究人員對MEX3A缺失（sh-MEX3A）和對照（sh-Ctrl）的PA-1和TOV21G細(xì)胞進(jìn)行了不同抑制劑的處理，以確定MEX3A缺失造成的細(xì)胞死亡類型。該部分的實(shí)驗(yàn)使用了來自AbMole的Z-VAD-FMK (凋亡抑制劑，AbMole，M3143)，Necrostatin-1 (壞死抑制劑，AbMole，M2315)和3-Methyladenine (自噬抑制劑，AbMole，M2296)等多款產(chǎn)品[5]。
 

圖6. MEX3A depletion leads to ferroptosis phenotypes in WT p53 ovarian cancer cells[5]

3.J Hazard Mater. 2021 Mar 15;406:124682. 

上述文章的核心目的是研究硫化氫（H2S）對肉雞法氏囊（Bursa of Fabricius）的免疫損傷機(jī)制，結(jié)果證實(shí)H2S暴露可導(dǎo)法氏囊細(xì)胞的壞死性凋亡和炎癥反應(yīng)，產(chǎn)生氧化應(yīng)激，激活TGF-β信號通路，上述這些過程由miR-15b-5p/TGFBR3軸共同調(diào)節(jié)。在實(shí)驗(yàn)中，科研人員使用了由AbMole提供的Z-VAD-FMK（AbMole，M3143）、Necrostatin-1（AbMole，M2315）以驗(yàn)證壞死性凋亡在上述過程中的作用[6]。
 

圖7. NaHS treatment induces necroptosis and inflammation in DT40 and HD11[6]

 

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[1] Damien Bertheloot, Eicke Latz, Bernardo S. Franklin, Necroptosis, pyroptosis and apoptosis: an intricate game of cell death, Cellular & Molecular Immunology 18(5) (2021) 1106-1121.

[2] W. Zhang, H. Wu, Y. Liao, et al., Caspase family in autoimmune diseases, Autoimmunity reviews 24(2) (2025) 103714.

[3] C. Yu, Z. Lei, X. Li, et al., Role of HMGB1 in TNF-α Combined with Z-VAD-fmk-Induced L929 Cells Necroptosis, Biochemical genetics 60(2) (2022) 598-610.

[4] Y. Su, J. L. Carter, X. Li, et al., The Imipridone ONC213 Targets α-Ketoglutarate Dehydrogenase to Induce Mitochondrial Stress and Suppress Oxidative Phosphorylation in Acute Myeloid Leukemia, Cancer research 84(7) (2024) 1084-1100.

[5] C. K. Wang, T. J. Chen, G. Y. T. Tan, et al., MEX3A Mediates p53 Degradation to Suppress Ferroptosis and Facilitate Ovarian Cancer Tumorigenesis, Cancer research 83(2) (2023) 251-263.

[6] C. Qianru, H. Xueyuan, Z. Bing, et al., Regulation of H(2)S-induced necroptosis and inflammation in broiler bursa of Fabricius by the miR-15b-5p/TGFBR3 axis and the involvement of oxidative stress in this process, Journal of hazardous materials 406 (2021) 124682.