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1、河北大学2009级生物科学细胞生物学学年论文一 前言神经酰胺作为一种脂类分子,不仅是细胞膜的重要组成部分,而且近来发现它涉及调节各种各样的细胞功能,包括凋亡、细胞周期的抑制和细胞的衰老。尤其在凋亡的诱导过程中, Cer起到非常重要的作用。多种凋亡诱导因子如: TNF2、FAS配体和环境压力等诱导的凋亡都与鞘磷脂水解产生的或者从头合成的Cer的积累相联系。另外,来自细胞外的Cer和由鞘磷脂酶水解产生的Cer在许多不同类型的细胞中能够专一性诱导凋亡 1 。因此, Cer被公认为一种凋亡机制的调节者。二 本论2.1神经酰胺( ceramide, Cer)的来源Cer作为一种神经鞘磷脂的分子,不仅是细
2、胞膜的组成成分,而且在许多细胞生物学途径中都扮演着关键性的角色。目前Cer的产生有以下几种途径 2 : (1)Cer的从头合成途径; ( 2) Cer通过神经鞘磷脂酶对神经鞘磷脂的作用而产生;( 3) Cer通过神经酰胺酶的逆反应过程而产生; ( 4)糖基化脂类化合物水解可形Cer。而近来的报道表明Cer还可以通过神经酰胺212磷酸(Cer 212P)的水解产生 3 。2.2在细胞膜上富含Cer结构域的形成及其凋亡作用请把背景色去掉在正常发育的组织中,细胞膜上存在一种被称为“脂筏”的结构域,介导各种生物学过程,在一些凋亡信号的刺激下,膜上产生的Cer通过和膜蛋白的相互作用取代“脂筏”上的胆固醇
3、而形成富含Cer的结构域,进而诱发一系列的凋亡过程 4 。Kinnunen 等通过用固定在小珠上的鞘磷脂酶局部处理由卵磷脂或者鞘磷脂组成的脂粒,观察到膜上富含Cer的结构域的线性形成;在体内,采用荧光标记的抗Cer的抗体也发现膜上富含Cer的结构域的形成和存在 5 ,证明富含Cer的膜上结构域在体外和体内都能够形成。经过CD95、CD40、DR5 /TRA IL、FCR II、PAF受体和CD14 等的刺激后,细胞膜上产生大量的Cer,产生的Cer极大地改变了细胞膜的特性。Cer能够相互自发地耦联起来并形成富含Cer的微结构域,这种膜上微结构域能够自然地形成富含Cer的大的结构域(直径可达到5
4、 微米) 。富含Cer的膜上结构域在其他一些条件下也能够形成,如:细菌感染,病毒,射线,铜离子的处理,甚至在一些发育过程的死亡中。Erich Gulbins实验室的研究证明:死亡受体CD95和DR5的刺激产生的Cer不仅促进膜上富含Cer结构域的形成,而且该结构域反过来又促进刺激受体聚集成簇,提高了受体的密度,为信号有效传递到细胞内提供了条件,但受体聚集成簇的分子机制仍然不是很清楚。富含Cer结构域的破坏导致CD95 与FADD 和caspase28的集合和装配破坏,同时抑制D ISC的形成,表明富含Cer结构域不仅仅发挥使受体聚集成簇的作用,而且导致活性受体和下游信号分子的空间联合,增加受体
5、和配体之间相互作用的稳定性,进而引发下游的凋亡通路 6 。因此,膜上富含Cer的结构域能够在细胞膜上重组受体并使其和内部的信号分子相互作用,最终经过聚集成簇的受体促进和放大信号,进而引发一系列凋亡的过程。在细菌和病毒的感染下,神经磷脂酶快速地迁移到细胞膜表面引起Cer的释放,形成富含Cer的筏,对绿脓杆菌的研究表明富含Cer的筏不仅参与病原体的摄取,而且可以调节细胞因子的释放并使受侵染的细至在一些发育过程的死亡中,富含Cer的膜上结构域也将形成并可能通过死亡受体2配体的作用引发凋亡。但近来研究发现:在UV诱导的肿瘤细胞的凋亡中,膜上富含Cer结构域不依赖于死亡受体2配体相互作用诱导凋亡,但确切
6、机制还不清楚 7 ,可能与细胞核的Cer相关 8 。富含Cer结构域还能够募集细胞内的信号分子。例如:能够募集cavelin21进而阻止PI3K的活性,从而使细胞对凋亡非常敏感; Bock J 等发现在CD95刺激下, Cer结构域使Kv113通道募集其上,同时也许能够募集酪氨酸激酶,此酶的激活进而磷酸化通道蛋白而抑制此通道的活性。另外,钙离子通道也能够在CD95和TNF受体的刺激下所抑制,其机制可能于钾离子通道相似。这些研究并不能排除Cer可能和这些通道直接发生作用。2.3细胞内的Cer的凋亡作用细胞内的Cer能够通过许多不同的机制诱导凋亡,例如: (1) Cer直接作为一种脂类信使与细胞内
7、参与凋亡的酶系统相互作用,进而引发凋亡; ( 2)线粒体上的Cer引发的凋亡作用; ( 3) Cer代谢物与凋亡的关系; (4)细胞核Cer诱导的凋亡作用。2.3.1细胞质中Cer作为第二信使而发挥凋亡作用Cer作为细胞内的第二信使发挥着促进细胞凋亡和抑制增殖的重大作用。( 1 ) Cer能够通过RAC21、PKC、TAK21激活JNK,进一步激活c2JUN, c2JUN促进Bax的表达, 后者促使细胞色素C 的释放而引发凋亡 9 。(2) Cer能够激活PKR ( double2stranded RNA de2pendent p rotein kinase ) ,激活的PKR能够磷酸化RAX
8、,而反过来RAX又是PKR 的激活剂,过度表达的RAX已经被发现能够增加细胞对Cer诱导的凋亡的敏感性 10 。(3) Cer能够促进真核生物转录起始因子2( e IF22)的磷酸化,进而抑制蛋白质的合成,同时这种抑制作用和Cer的浓度成正比。Cer能够激活核转录因子NF2kB和激活蛋白1 (AP21)引起炎症反应和细胞凋亡。( 4 ) 在HL260 细胞中, Cer 使CAPK活化后,APK通过磷酸化C2Raf21,激活MAPK信号途径,其中: P38MAPK能够激活Bid (其活性形式是tBid) ,促进细胞色素C的释放,进一步促进凋亡; Cer能够激活P38SAPK ,导致转录因子CER
9、D和ATF21的磷酸化而促进凋亡。( 5) TNF受体介导的细胞内产生的Cer结合到Cathep sin D上的一个小的结构域上,引发Ca2thep sin D的自身催化切割,进而导致其产生并提高活性,具有活性的Cathep sin D从溶酶体中定位到细胞溶胶中,进而通过Bid、Bax和Bad引发凋亡。这可能是Cer通过在蛋白质的周围形成疏水性的外套导致Cer通道的形成,促使组织蛋白酶D通过脂双层而成功转运,但是目前对于Cer调节这些酶转移的机制仍然不清楚。(6) Cer激活CAPP (包括PP1和PP2A) , Cer激活的PP1能够使Rb (Rb对于细胞周期中由G1到S期的转变是必须的)
10、, Sr (参与前体mRNA的组成性或者选择性剪接)和Akt的去磷酸化,从而抑制细胞生长并促进凋亡进程 。Cer激活的PP2间接地使GSK23的第9位的丝氨酸去磷酸化,从而使活化的GSK23 诱导下游的Caspase2和Caspase8的活化,同时GSK23抑制抗凋亡蛋白Mcl21 的活性, 但GSK23 的活性也受到PI32K2Akt的抑制; PP2 抑制促进抗凋亡蛋白Bcl22 表达的转录因子c2Fos的表达,从而抑制Bcl22 的表达,而使细胞凋亡。( 7) Cer能够通过激活PLA2 进而抑制PKC的自身磷酸化,同时促进花生四烯酸的释放和前列腺素的合成。(8)在HL260细胞中, Ce
11、r能够使Bax转移到线粒体上促进凋亡作用。在A549 细胞中, Cer能够抑制Bcl22 和Bcl2xL 的磷酸化作用,从而抑制其抗凋亡作用;同时, Cer能够磷酸化Bim,并把它转移到线粒体上进而促进凋亡作用。2.3.2线粒体上Cer与凋亡的作用线粒体上也存在Cer,它存在于线粒体的膜间隙, 可以经过从头途径合成,或经过酸性鞘磷脂酶的激活或通过神经酰胺酶的逆反应活性而产生,在凋亡过程中发挥重大的作用。在体外, Cer能够在人工的脂双层和分离线粒体外膜上形成通道。虽然线粒体外膜上的Cer通道仅仅有短暂的活性,但允许低分子量的蛋白质从线粒体膜间隙转运到细胞溶胶中。这些蛋白质包括细胞色素C、凋亡诱
12、导因子(A IF) 、Smac /Diablo、HtrA2 /Omi和核酸内切酶G,进一步引发凋亡的形态学和生化改变而执行凋亡功能。Leah J1 Siskind等发现抗凋亡家族中的Bcl2xL和Bcl22不仅能够抑制Cer的积累,而且能够堵塞或者分解Cer在线粒体外膜上形成的通道,同时也能阻止Cer形成通道, 产生凋亡减弱或者抑制效应 ,这从另一方面反应了Cer和凋亡的关系。Cer和线粒体内膜间也存在相互作用。线粒体膜间隙的Cer能够干扰细胞色素C和线粒体内膜之间的相互作用,导致细胞色素与内膜的分离,进而促进细胞色素C的释放,同时能够抑制线粒体呼吸链中的复合物III等的活性进而引发凋亡过程。
13、H1 Birbes等证明TNF介导的线粒体上产生的Cer促使Bax向线粒体的转移并导致细胞色素C的释放和细胞死亡,这也表明线粒体上Cer的凋亡作用。2.3.3Cer代谢物与凋亡的关系Cer的代谢物包括GD3、鞘氨醇、鞘氨醇212磷酸( S1P)和Cer212P,这些物质也和细胞的凋亡存在紧密的联系。在Fenretinide处理的细胞中, Cer产生的GD3能够激发122脂氧合酶活性导致活性氧产生并经过转录因子GADD153和预凋Bcl22家族膜蛋白2Bax诱导作用进而执行凋亡; Cer在神经酰胺酶的作用下产生的鞘氨醇也具有促进凋亡的能力; S1P能够调节细胞的增殖并且对Cer诱导的凋亡有抑制作
14、用(关于S1P的作用机制在这里不详细阐述) ; Cer212P也涉及到包括细胞的有丝分裂、增殖和凋亡等许多细胞过程。2.3.4细胞核Cer诱导的凋亡作用所有脊椎动物细胞核的神经鞘脂类都具有重要的信号和调节的作用。细胞核膜和核内的神经鞘磷脂由核内的神经磷脂酶作用释放产生Cer,能够诱发细胞凋亡和核内其他代谢的改变。Cer更进一步分解可形成自由脂肪酸和神经鞘氨醇,后者在核内的特异性激酶作用下转化为神经鞘氨醇磷酸盐,这些代谢产物的比率的变化决定细胞的增殖或凋亡。Albi E等利用UV2C射线处理小鼠的甲状腺细胞系( FRTL25) ,证实了核内脂类的代谢影响细胞的功能。对于处于增殖状态细胞的细胞核,
15、辐射能激活中性2神经磷脂酶,抑制神经鞘磷脂合酶、卵磷脂的磷脂酶C和磷脂酰磷脂酶C的活性,使核内Cer水平增加,使Cer /甘油二酯的比值发生变化,细胞处于预凋亡阶段10 。总之,凋亡的发生和Cer的浓度、位置及其代谢物以及Cer与其它分子之间的作用存在紧密的联系。与凋亡相关的许多疾病在一定的程度上涉及到和Cer相关的通路, Cer已被用于许多疾病的治疗中,内源Cer可诱导Wilson病的肝细胞和被绿脓杆菌感染的肺支气管上皮细胞凋 ;在BZR细胞中, Cer能抑制肿瘤细胞的入侵和迁移 ;体外合成的短链外源Cer具有阻止癌细胞生长的作用。近来发现Cer在着床前的牛胚胎中也能诱导凋亡,主要通过线粒体
16、途径激活的Caspase 9 引发凋亡过程。相信随着基因敲除手段和RNA干涉等技术的日益成熟,对Cer的作用机制及其与其它途径之间相互作用将有更深入的了解,这将有助于今后为人类疾病的治疗提供新的用药靶点以及新的治疗方略,为凋亡机制的研究提供重要的参考。三结论总之,凋亡的发生和Cer的浓度、位置及其代谢物以及Cer与其它分子之间的作用存在紧密的联系。与凋亡相关的许多疾病在一定的程度上涉及到和Cer相关的通路, Cer已被用于许多疾病的治疗中,内源Cer可诱导Wilson病的肝细胞和被绿脓杆菌感染的肺支气管上皮细胞凋 ;在BZR细胞中, Cer能抑制肿瘤细胞的入侵和迁移;体外合成的短链外源Cer具有阻止癌细胞生长的作用 。近来发现Cer
