线粒体相关物质与细胞凋亡

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1、线粒体相关物质与细胞凋亡【关键词】细胞凋亡；线粒体；细胞色素C;活性氧;凋亡诱导因子“凋亡”一词源于希腊文，意为“花瓣或树叶的枯落”，是1972 年由病理学家Kerr等1第一提出的一个不同于坏死的死亡概念，指 由体内外因素触发细胞内预存的死亡程序而致使的程序性细胞死亡 (programmed cell death， PCD)。凋亡细胞中可显现各类生化改变如 内源性核酸内切酶激活、半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶(cysteincontaining aspartate specific protease，caspase)的激活及 DNA 的片段化断裂等，其中，caspase被以为是凋亡的要紧执行者。目前

2、以为凋亡要紧通过两条死亡通路2： 一条是外源性通路，即死亡受体 介导的凋亡通路，此通路由死亡受体及配体系统激发的凋亡信号下传 至启动性caspase8，然后激活效应性caspase蛋白酶而引发细胞凋亡;另一通路称为内源性通路，即线粒体介导的凋亡通路，细胞损伤 后线粒体功能障碍，膜通透性改变，凋亡蛋白包括细胞色素 C(cytochromec，Cyt c)、凋亡蛋白酶激活因子(apoptosis protease activation factor 1， Apaf 1)、caspase 蛋白酶、细胞凋亡诱 导因子(apoptosis induced factor，AIF)等从线粒体释放到胞浆，随

3、之引发caspase瀑布式活化和细胞死亡。可见，凋亡的进程复杂，涉 及因素较多，其中线粒体的作用不容轻忽，线粒体的结构和功能的改 变，能加速核凋亡特点的显现，并是操纵细胞凋亡进程的关键。有学 者以为线粒体在凋亡中起着中心的调控作用，在某种意义上，能够决 定细胞的生存或死亡。本文综述线粒体相关物质：Cyt c、活性氧、Bcl 2蛋白家族、AIF在细胞凋亡中的作用。1线粒体释放Cyt c与细胞凋亡Cyt c由核基因编码的多肽和线粒体编码的亚铁血红素组 成，定位于线粒体内膜的外侧，是线粒体呼吸链中传递电子的载体， 关于它在氧化磷酸化及ATP形成中的作用早已为人熟悉。1996年，得 克萨斯西南医学研究

4、中心的王晓东小组最先提出了 Cytc在细胞凋亡中的重要作用3，以后的研究又证明Cytc基因敲除的细胞对凋亡具有明显的耐受性。此刻普遍以为Cyt c从线粒体抵达胞浆是多 种细胞凋亡的一起途径4。在细胞凋亡显现特点性的核改变之前，均 观看到线粒体跨膜电位(%)的下降。AWm是由线粒体内膜双侧电 子的不对称散布形成的，正常的Wm是细胞生存所必需的。Wm 下降说明线粒体膜通透性转运孔(mitochondrial permeability transition pore，MPTP)开放，线粒体膜通透性升高，现在水和小分 子物质可自由通过，水和溶质内流致使线粒体肿胀。由于线粒体内膜 向腔内形成嵴，延展性相

5、对较大，内膜面积大于外膜，故水肿后外膜 先破裂，位于膜间隙的Cytc便释放入胞浆5。Cyt c释放到细胞浆中后其血红素亚铁位点发生亚硝基化修饰，这种修饰有利于Cyt c与Apaf 1的结合，经亚硝基化修饰后的Cyt c与Apaf 1 的羧基端特定序列结合，同时胞浆中的dATP和(或)ATP与Apaf1的核苷酸结合结构域结合，从而增进Apaf1发生构象转变并暴露出CARD(caspase activation and recruitment domain)， CARD 是 Apaf1N结尾的一个Caspase召募结构域。随后Apaf 1再与procaspase 9 的 CARD 结合。至此，Cy

6、t c、dATP、Aapf 1 和 procaspase 9组成聚合体称为凋亡复合体(apoptosome)。 procaspase 9与其周围召募的其它procaspase9彼此靠近，发生自水解而活化，活化的Caspase9再激活下游的Caspase效应分子 procaspase 3、procaspase 6 和 procaspase 7，这些蛋白 酶通过量个途径作用于细胞骨架蛋白、DNA修复调剂因子、细胞周期 调剂蛋白等，引发细胞DNA修复功能丧失、核酸内切酶激活、DNA片 段化等，最终致使细胞凋亡6。关于procaspase 9的来源，有研 究发觉，它位于线粒体内膜上，在凋亡刺激信号的作

7、用下才释放入胞 液7。2线粒体产生活性氧与细胞凋亡活性氧(reactive oxygen species， ROS)包括超氧阴离子、 过氧化氢和羟自由基等。ROS增多的机制包括黄嘌吟氧化酶增多、线 粒体功能受损、中性粒细胞聚集和儿茶酚胺氧化等。在凋亡发生时， 线粒体呼吸链电子传递障碍是产生ROS的要紧缘故。众所周知，Cyt c是呼吸链中传递电子的重要载体，能将电子从复合体III传给复 合体 W，凋亡初期，Cyt c从线粒体释放到胞浆，线粒体内Cytc减少，那么电子从Cyt c传递给复合体 W减少，而致使线粒 体内电子超载，过量的电子从呼吸链中逃逸出来，并与O2作用产生超 氧阴离子。大量的超氧阴

8、离子进一步转变成H2O2和其它ROS。可见Cyt c释放致使线粒体内的Cytc缺乏，是增进ROS生成的要紧缘故8。反之，ROS引发的脂质过氧化破坏线粒体膜，又增进了 Cyt c 的释放，二者形成正反馈，一起参与细胞凋亡的进程。线粒体DNA(mtDNA)与核DNA相较缺乏组蛋白爱惜，容易受到 ROS的损伤，大量产生的ROS使mtDNA编码的呼吸链复合物的结构和 功能发生转变，电子传递效率降低，阻碍氧化磷酸化及ATP生成，显 现线粒体功能异样，线粒体膜通透性改变，Apaf 一、Cyt c等凋 亡蛋白释放，caspase激活，最终细胞经内源性通路走向凋亡9。另 外，呼吸链复合物功能异样及电子传递障碍

9、又生成大量ROS，形成恶 性循环。除损伤mtDNA引发凋亡外，ROS本身还可使线粒体膜脂质过 氧化、膜流动性降低、线粒体内外膜蛋白过氧化，蛋白质交链，造成 MPTP开放，线粒体膜通透性升高，Wm下降，线粒体凋亡相关物质 释放，引发细胞凋亡10。2蛋白家族介导的细胞凋亡Bcl 2蛋白家族要紧位于线粒体和内质网膜上，依照Bcl2家族成员结构和功能的不同分为三大类：促凋亡成员，如Bax和Bak;抗凋亡成员，如Bcl2和Bcl XL;BH3 only死亡蛋白，如Bid等。其中前两种类型在细胞凋亡发生进程中发挥着重要作用。Bcl2家族促凋亡蛋白的作用Bax通常以非活性单体的形式存在，其C结尾的a螺旋结构

10、 隐藏在其BH13结构域所形成的疏水性裂痕中。当损伤因素刺激后，Bax发生构象的改变，暴露a螺旋结构，a螺旋结构的C结尾插入到 线粒体的外膜，随后，线粒体外膜上Bax多聚化，形成膜通道11， 通过此通道，Cyt c便从线粒体释放出来。还有研究以为12，Bax 可能作用于电压依托性阴离子通道 (voltage dependent anion channel，VDAC)，使VDAC结构发生改变。VDAC是MPTP的组成部份， VDAC结构发生改变后，MPTP失去电压依托性和对离子通透的选择性， 从而致使Cytc释放。Bak在受到凋亡信号刺激后也能发生空间构象的改变，但不同于Bax，因为在线粒体外膜

11、已含有Bak锚定序列。 正常情形下Bak的活性受到VDAC和Bcl2家族的抗凋亡蛋白Mcl1(myeloid cell leukemia1)的抑制。当凋亡信号启动后，在Bid、Bim和Bad的作用下，Bak空间构象改变，锚定在线粒体外膜的部份发 生寡聚化，形成膜通道，引发Cytc等凋亡物质的释放1314。Bcl2家族抗凋亡蛋白的作用当外源性或内源性的刺激因子作用于细胞线粒体时，Bcl2和Bcl XL发挥抗凋亡作用，要紧有：可直接与线粒体外膜上的 VDAC结合，但与Bax的作用成效不同，Bcl 二、Bcl XL与VDAC 结合后，可维持线粒体膜的完整性，抑制MPTP的开放，稳固Wm, 从而抑制C

12、ytc的释放，同时也阻止了其它凋亡相关蛋白质的释出15;Bcl XL能够和Cyt c直接结合而减少Cyt c的释放16; Bcl2可抑制线粒体内氧自由基的生成，从而减少ROS致使的细胞凋亡;Bcl2可与Apaf 1和Caspase9结归并固定于线粒体上，阻止caspase级联激活16;Bcl2抑制Bax等促凋亡蛋白在线粒体的定位及寡聚化，从而抑制Cytc的释放17;有研究说明，Bcl2表达增强时，线粒体对Ca2+的耐受性提高，可减少钙超载引发的细胞凋亡。4线粒体释放AIF与细胞凋亡细胞凋亡诱导因子(apoptosis induced factor，AIF)是一种 黄素蛋白，同细菌的氧化还原酶有

13、很高的同源性，成熟型相对分子量 为57kD。正常情形下，AIF定位于线粒体双层膜间隙中，当细胞受到 凋亡诱导因素刺激时，AIF经MPTP从线粒体释放到胞浆中，继而进入 胞核中。在核内AIF可激活内源性核酸内切酶，活化的内切酶可作用 于核小体连接区，使DNA断裂为核小体倍数大小即180200bp的片段 18。有研究显示，向细胞中微量注射AIF也能引发染色质降解，且 这种作用不被Caspase抑制剂所抑制，说明AIF不依托于Caspase起 作用，而是在Cyt c释放的上游时期发挥作用19。另外，AIF还 可反馈放大MPTP的渗透性，诱导线粒体释放Cyt c等凋亡蛋白，增 进细胞凋亡Bcl 2蛋白

14、家族能通过调控MPTP的开放操纵AIF释放， 但不能抑制已释放的AIF的促凋亡作用20。5结语细胞凋亡的进程与线粒体关系紧密。众多线粒体相关因素如 Cyt c、活性氧、Bcl 2蛋白家族、AIF等参与凋亡的同时，彼此 联系、彼此阻碍，形成的复杂的网络效应，调控细胞凋亡。但是，现 今仍有很多问题有待进一步说明，如某些具体的信号转导通路及调控 机制还不十分清楚。目前，以线粒体为靶位的医治方式已慢慢引发关 注，相关问题的解决，不仅关于研究细胞凋亡本身具有重要的理论意 义，也为临床医治癌症、防治器官缺血/再灌注损伤等，提供了新的思 路和方式。【参考文献】1 Kerr JF，Wyllie AH， Cur

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