《细胞凋亡的分子机理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《细胞凋亡的分子机理（10页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1细胞凋亡的分子机理【摘要】 目的 研究细胞凋亡现象发生的分子机理。方法 采用文献回顾的方法对细胞凋亡现象发生的分子机理进行综述。结果 影响细胞凋亡的生物学机制十分复杂，有多种因子、基因和蛋白参与细胞凋亡，如神经生长因子（NGF）、热休克蛋白（HSP）和 bcl-2 家族等等。结论 细胞凋亡受多种生物因子影响和调节。 【关键词】 细胞凋亡 因子 基因 蛋白细胞凋亡（cell apoptosis）是借用古希腊语，表示细胞像秋天的树叶一样凋落的死亡方式，细胞遵循自身的程序，自己结束其生命，最后裂解为若干凋亡小体而被其他细胞吞噬。1972 年 Kerr 最先提出这一概念。细胞凋亡是生命的基本现象，是
2、维持体内细胞数量动态平衡的基本措施。在胚胎发育阶段通过细胞凋亡清除多余的和已完成使命的细胞，保证了胚胎的正常发育；在成年阶段通过细胞凋亡清除衰老和病变的细胞，保证了机体的健康。细胞凋亡是受基因调控的精确过程。细胞凋亡包含着极为复杂的分子生物学机制，现将就凋亡相关分子机制做一个简要总结。1 细胞凋亡途径细胞凋亡的途径主要有两条，一条是细胞表面凋亡受体介导的通过胞外信号激活细胞内的凋亡酶 Caspase-8，一条是通过线粒体释放凋亡酶激活因子激活Caspase-9。活化的 Caspase-8 和 Caspase-9 均可激活 Caspase-3，将细胞内的重要蛋白降解，引起细胞凋亡1，2，见图 1
3、。21.1 表面凋亡受体 Fas 介导的细胞凋亡 细胞表面的凋亡受体是属于肿瘤坏死因子受体（TNFR）家族的跨膜蛋白，它们包括 Fas（Apo-1/CD95）、TNFR1、DR3/WSL、DR4/TRAIL-R1 和 DR5/TRAIL-R2。其配体属于 TNF 家族，目前已比较清楚的是 Fas 介导的细胞凋亡途径。Fas 具有三个富含半胱氨酸的胞外区和一个称为死亡结构域（Death domain，DD）的胞内区。Fas 的配体 FasL（Fas ligand）与 Fas 结合后，Fas 三聚化使胞内的 DD 区构象改变，然后与接头蛋白 FADD（Fasassociated death dom
4、ain）的 DD 区结合，而后 FADD 的 N 端 DED 区（death effector domain）就能与 Caspase-8（或-10）前体蛋白结合，形成 DISC （death-inducing signaling complex），引起 Caspase-8、10 通过自身剪激活，它们启动 Caspase 的级联反应，使 Caspase-3、-6、-7 激活，这几种Caspase 可降解胞内结构蛋白和功能蛋白，最终导致细胞凋亡3。Caspase 可激活名叫 CAD（caspase-activated Dnase）的核酸酶，CAD 能在核小体的连接区将其切断，形成约为 200bp
5、整数倍的核酸片段。正常情况下 CAD 存在于胞质中，并且与抑制因子 ICAD/DFF-45 蛋白结合，不能进入细胞核。Caspase 活化后可以降解 ICAD/DFF-45，释放出 CAD，使它进入细胞核降解 DNA。Fas 介导的细胞凋亡还可能以神经酰胺作为第二信使传递信号，通过激活一系列蛋白激酶和转录因子最终激活共同信号传递通路，引起细胞凋亡，这一过程被称为神经鞘磷脂循环4。另外，有丝分裂原蛋白激酶（MAPA）的两个亚类 JNK 和EPK 也可以传递 Fas 基因的凋亡信号5。Fas/FasL 系统在免疫系统中具有重要的作用，其一是参与免疫调节，活化成熟的外周 T 细胞主要通过 Fas/F
6、asL 系统介导的细胞凋亡清除与自身抗原有交叉反应3的克隆和由自身抗原激活的细胞克隆，以限制 T 细胞克隆的无限增殖，防止对自身组织的损伤，即产生外周免疫耐受。淋巴细胞凋亡异常导致的免疫耐受失控，是自身免疫性疾病的主要病因。其二是细胞毒 T 细胞（CTL）可以通过 FasL 诱导靶细胞凋亡，但遗憾的是，某些肿瘤细胞也可以通过这一途径诱导淋巴细胞凋亡，从而逃脱免疫监控。1.2 线粒体介导的细胞凋亡 细胞应激反应或凋亡信号能引起线粒体细胞色素 c释放，作为凋亡诱导因子，细胞色素 c 能与 Apaf-1、Caspase-9 前体、ATP/dATP 形成凋亡体（apoptosome），然后召集并激活
7、Caspase-3，进而引发 caspases 级联反应，导致细胞凋亡6。目前普遍认为细胞色素是通过线粒体 PT 孔或 Bcl-2 家族成员形成的线粒体跨膜通道释放到细胞质中的。线粒体 PT 孔（permeability transition pore）主要由位于内膜的腺苷转位因子（Adenine nucleotide translocator，ANT）和位于外膜的电压依赖性阴离子通道（Voltage dependent anion channel，VDAC）等蛋白所组成，PT 孔开放会引起线粒体跨膜电位驱散7和细胞色素 c、凋亡因子 AIF 等8释放。Bcl-2 家族蛋白对于PT 孔的开放和
8、关闭起关键的调节作用，促凋亡蛋白 Bax 等可以通过与 ANT 或VDAC 的结合介导 PT 孔的开放，而抗凋亡类蛋白如 Bcl-2、Bcl-xL 等则可通过与Bax 竞争性地与 ANT 结合，或者直接阻止 Bax 与 ANT、VDAC 的结合来发挥其抗凋亡效应。Bcl-2 家族的结构和能形成离子通道的一些毒素（如大肠杆菌毒素）非常相似。插入膜结构中形成较大的通道9，允许细胞色素 c 等蛋白质通过，这可能是细胞色素 c 释放的另一个途径。4在线虫中 ced-3 和 ced-4 的缺失突变抑制所有发育阶段的细胞死亡。在哺乳动物中，尽管 Apaf-1 基因缺失的小鼠没有 caspase 活化，但除
9、了神经细胞过多外，大多数器官发育是正常的。近年来的研究发现随细胞色素 c 释放的蛋白还有Smac（second mitochondria-derived activator of caspase）、凋亡诱导因子（apoptosis inducing factor，AIF）和核酸内切酶 G（Endo G）。Smac 能通过 N 端的几个氨基酸与 IAPs（凋亡抑制蛋白）的 BIR 结构域结合，从而解除 IAP 对 Caspase 的抑制；AIF（一种依赖于黄素的一种氧化还原酶）则引起核固缩和染色质断裂；Endo G 可以使 DNA 片段化。可见即使在 Caspase 不参与的情况下，由线粒体途径
10、仍可引起细胞凋亡。在对 Fas 应答的细胞中，一型细胞（type I），如胸腺细胞，其 Caspase-8 有足够的活性，被 Fas 活化后导致细胞凋亡，在这类细胞中高表达 Bcl-2 不能抑制 Fas 诱导的细胞凋亡。在二型细胞（type II），如肝细胞中，Fas 介导的 Caspase-8 活化不能达到足够的水平，因此这类细胞中的凋亡信号需要借助凋亡的线粒体途径来放大。活化的 Caspase-8 将胞质中的 Bid 剪切，形成活性分子 tBid（truncated Bid），tBid进入线粒体，导致细胞色素 c 释放，使凋亡信号放大。2 凋亡相关因子2.1 神经生长因子（nerve gr
11、owth factor，NGF） NGF 是典型的神经营养因子，能促进中枢神经元的分化、生长及存活。神经元发生凋亡与 NGF 有密切关系，剥夺细胞生长所需的 NGF 能激活 CPP32（一种诱导凋亡的蛋白水解酶），通过凋亡机制导致神经元死亡10。5目前研究认为，NGF 通过两种受体蛋白起作用。一种是神经生长因子低亲和力受体（LNGFR）或简称 P7511，另一种是神经生长因子高亲和力受体（HNGFR），它是由原癌基因 Trk 编码的一种酪氨酸蛋白激酶受体，称 TrkA12。P75，多数报道认为周围神经系统的感觉神经元、运动神经元及交感神经元在胚胎及生长发育时表达 P75，成年期不表达；也有报道
12、认为成年基底前脑胆碱能神经元始终有 P75表达。P75 的胞外部分与肿瘤坏死因子（TNF）受体、人细胞表面抗原（Fas）、细胞抗原 CD40 等凋亡相关受体结构相似，其表达能促进细胞凋亡。于是 NGF 被认为是有促进周围神经损伤修复的功能，其作用机理可能是 NGF 与 P75 结合而阻断P75 诱导神经元死亡的活性，从而阻止神经元的死亡，促进损伤神经的修复13。TrkA 被认为是 NGF 的功能性受体，传导 NGF 的信号，促进神经再生。在基因及蛋白水平上，有研究表明，c-myc 信号传导系统激活后，如有足够的NGF 持续作用，细胞可以生长并增殖；否则发生凋亡。在神经元发育过程中，NGF的存在
13、对 Bcl-2 功能有促进作用，NGF 不存在时 Bcl-2 就失活，因此推测 NGF 与Bcl-2 相耦联是抑制细胞凋亡的途径之一，但 GNF 与 Bcl-2 之间的确切关系还有待研究和证实14。此外，有实验证明 NGF 可减少由于缺少葡萄糖所引起的培养鼠海马隔区或皮质神经元中 Ca2+的升高，在培养的交感神经元中维持 Ca2+的稳定，并可影响细胞内 Na+/K+浓度比，改变兴奋性氨基酸（EAA）受体对 EAA 的反应性，从而保护神经元免受 EAA 引起的损伤15。NGF 还可调节细胞内氧化-抗氧化系统平衡。2.2 肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF） TNF
14、家族成员有：TNF-、LT-、LT-、FasL、CD40L、CD30L、CD27L、4-61BBL、OX40L、TRAIL、TRANCE、TWEAKE 等。TNF 家族成员都是 II 型跨膜蛋白，并且在 C 端胞膜外区有一段同源序列。多数 TNF 超家族的成员都有可溶性形式，这些可溶性蛋白都是由成熟膜蛋白被蛋白酶消化而形成的，并都有多聚化的倾向。有些分子的功能形式就是可溶性方式。TNF 受体家族成员有：TNFR1、TNFR2、Fas、CD40、NGF-R、CD30、TNF-RP、PV-T2、PV-A53R、4-1BB、OX40、CD27、DR3、CAR1、DR4、DR5、DR6、TRID 等。
15、除了个别成员外，TNF 受体超家族的成员都属 I 型跨膜糖蛋白，由 4 个部分组成：信号肽、富含半胱氨酸的胞外区、跨膜区及胞内区。这些受体中TNFR1、Fas、NGFR、DR3、CAR1、DR4 包含有死亡结构域（death domain, DD）。当 TNF 家族成员与细胞膜上的相应受体结合，激活受体，可导致受体胞内的死亡区域（DD）三聚化，从而启动细胞内的 Caspase 信号转导通路，诱导细胞凋亡。2.3 干扰素 IFN IFN- 可单独诱导细胞凋亡，可增强 TNF 诱导的细胞凋亡，还可增强 Fas 介导的凋亡16。2.4 白细胞介素-1 转化酶（ICE） 白细胞介素-1 转化酶是新一族
16、细胞凋亡蛋白酶，虽然目前对哺乳动物的细胞凋亡机理尚未完全清楚，但是实验表明 ICE 族蛋白酶为凋亡机构的主要成分，有人将 ICE 称为细胞凋亡“刽子手”。转染了 ice 基因的 Rat-1 成纤维细胞表达的 ICE，能够诱发细胞凋亡17；CrmA 蛋白特异地抑制ICE 活性，即使在除去 NGF 的鸡背根节神经元也不发生凋亡，同时也能防止膜蛋白（Fas）抗体介导的细胞凋亡18；在哺乳动物细胞凋亡中活化的 ICE 族蛋白酶特异地酶解死亡底物 PARP，产生 85kD 片段19。72.5 转化生长因子-（transforming growth factor-，TGF-） TGF- 可直接抑制神经元凋亡，影响某些调节凋亡的基因表达，如 Bcl-2 家族，但对 Bax 无影响。在培养海马锥体神经元细胞时，TGF- 可保护细胞免受辐射诱导的细胞凋亡20。其机理与抑制兴奋性氨基酸的神经毒性作用、保护细胞内 Ca2+稳态、促进 Bcl-2 表达有关。 2.6 凋亡酶激活因子-1（apoptotic pr
