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1、细胞凋亡的途径、相关基因以及凋亡分子机制的研究进展学号：2014171501 姓名：佘雯 专业：学科教学（生物）摘要：细胞凋亡指为维持内环境稳定，由基因控制的细胞自主的有序的死亡。 目前发现真核细胞主要经死亡受体介导的外部凋亡途径、内部线粒体途径、B粒酶介导的细胞凋亡途径及近几年开始关注的内质网应激途径介导细胞发生凋亡。同时，与细胞凋亡相关的基因有Caspase家族、Bcl-2族、P53基因、C-myc、NF-JB等，细胞凋亡离不开caspases。关键词：细胞凋亡 基因 caspases 细胞凋亡指为维持内环境稳定，由基因控制的细胞自主的有序的死亡。细胞凋亡与细胞坏死不同，细胞凋亡不是一件被
2、动的过程，而是主动过程，它涉及一系列基因的激活、表达以及调控等的作用，它并不是病理条件下，自体损伤的一种现象，而是为更好地适应生存环境而主动争取的一种死亡过程。 从严格的词学意义上来说，细胞程序性死亡与细胞凋亡是有很大区别的。细胞程序性死亡的概念是1956年提出的，PCD是个功能性概念，描述在一个多细胞生物体中某些细胞死亡是个体发育中的一个预定的，并受到严格程序控制的正常组成部分。例如蝌蚪变成青蛙，其变态过程中尾部的消失伴随大量细胞死亡，高等哺乳类动物指间蹼的消失、颚融合、视网膜发育以及免疫系统的正常发育都必须有细胞死亡的参与。这些形形色色的在机体发育过程中出现的细胞死亡有一个共同特征：即散在
3、的、逐个地从正常组织中死亡和消失，机体无炎症反应，而且对整个机体的发育是有利和必须的。因此认为动物发育过程中存在的细胞程序性死亡是一个发育学概念，而细胞凋亡则是一个形态学的概念，描述一件有着一整套形态学特征的与坏死完全不同的细胞死亡形式。但是一般认为凋亡和程序性死亡两个概念可以交互使用，具有同等意义。 虽然凋亡与坏死的最终结果极为相似，但它们的过程与表现却有很大差别。细胞坏死是细胞受到强烈理化或生物因素作用引起细胞无序变化的死亡过程。表现为细胞 胀大，胞膜破裂，细胞内容物外溢，核变化较慢，DNA降解不充分，引起局部严重的炎症反应。而细胞凋亡是细胞对环境的生理性病理性刺激信号，环境条件的变化或缓
4、和性损伤产生的应答有序变化的死亡过程。其细胞及组织的变化与坏死有明显的不同。一、细胞的凋亡的途径 细胞凋亡是机体内细胞死亡的重要途径，目前发现真核细胞主要经死亡受体介导的外部凋亡途径、内部线粒体途径、B粒酶介导的细胞凋亡途径及近几年开始关注的内质网应激途径介导细胞发生凋亡。 1.1 死亡受体介导的外部凋亡途径 死亡受体是指细胞表面的某些蛋白质，它们能与携带凋亡信号的专一性配体结合，并迅速将凋亡信号转导到细胞内诱导细胞凋亡。死亡受体属于肿瘤坏死因子受体基因超家族，其胞外区都有富含半胱氨酸的区域，胞质区有一由同源氨基酸残基构成的结构，具有蛋白水解的功能，称为“死亡结构域”，是信号转导和凋亡发生的重
5、要结构。 目前已知的死亡受体由五种，TNFR-1、FAS、DR3、DR4和DR5。前三种受体相应的配体分别为TNF、FasL、Apo-3L，后两种配体均为Apo-2L。 目前阐述最多的是Fas/FasL介导的细胞凋亡，即Fas与配体FasL结合后发生三聚化而激活，活化的Fas可通过其DD结合并聚集衔接蛋白Fas相关死亡结构域，导致FADD构象改变，此时的FADD可通过其自身的死亡效应结构域（DED）与具备同源结构的caspase-8，形成由FasL、Fas、FADD、caspase-8组成的蛋白复合物，该复合物具有裂解并激活凋亡蛋白酶caspase-3的能力，引发细胞凋亡过程的级联反应，最终导
6、致细胞凋亡。此外，TNF与其受体TNFR1结合后，TNFR1与衔接蛋白肿瘤坏死因子受体-1结合蛋白(TRADD)通过各自的DD结合，形成由TNF、TNFR1、TRADD组成的蛋白复合物，该复合物与受体相互作用蛋白1(RIP1)和肿瘤坏死因子受体相关因子2（TRAF2）2中蛋白结合，既可通过激活核因子B抑制剂激酶（IKK），使NF-kB抑制剂磷酸化，引起NF-kB信号途径的活化，促进细胞存活；也能通过结合其他衔接蛋白如FADD、RAIDD，后者分别聚集并激活caspases-8和caspase-2促进细胞凋亡的发生。而具备DD的TRALL受体与配体TRAIL结合后，可通过FADD/caspase
7、-8途径诱导细胞凋亡。 1.2 内部线粒体途径的细胞凋亡 目前的研究结果表明，线粒体程序化死亡至少存在3种相关的机制，包括释放cytC破坏电子传递及氧化磷酸化，进而降低ATP产出；释放cytC、Smac等蛋白质活化caspase蛋白酶家族；改变细胞的氧化-还原潜力。 线粒体程序化死亡途径是一个多种因子相互联系、相互平行促进细胞死亡的过程。比如释放cytC激活caspase，释放Smac解除IAP对前体caspase的抑制，释放EndoG和AIF诱导DNA的片段化和染色体的浓缩，。同样的，线粒体途径能够向前传递并放大程序化死亡信号，第三即使在caspase依赖和caspase不依赖的途径均发生异
8、常，线粒体功能失调同样也可导致细胞死亡。当凋亡信号转导到线粒体时，会使线粒体外膜形成多聚Bax孔道。线粒体内容物如细胞色素C(CytC)和smac等流出。Smae可促进凋亡反应速度和强度，以使凋亡顺利进行，而CytC则在进一步激活easpase一3的过程中处于核心地位一J。释放出的Cytc和三磷酸腺苷(ATP)作为复合因子与细胞液中的凋亡蛋白酶活化因子(Apaf一1)结合，通过ATP分解提供能量诱导Apaf一1自身多聚化，形成至少由8个亚单位组成的Apaf一1多聚物，并暴露Apaf一1的N端easpase募集域(caspase recruitment domain，CARD)与caspase一
9、9结构域中CARD相互作用，并募集easpase一9到多聚物上，形成CyteApaf一1caspase一9高分子量的复合物凋亡体(apoptosome)。Caspase一9被募集形成凋亡体后，通过改变构象自我激活，并引起其下游凋亡效应组caspase如caspase一3，caspase一7的激活，而产生一系列酶联激活反应，最后对核内底物进行剪切使受累细胞凋亡。另外，线粒体被激活后还可释放捌亡诱导凶子(apoptosisinducingfactor，AIF)，可不经过活化caspase而引起细胞凋亡。线粒体上形成线粒体膜通透引起Cytc释放而导致凋亡有2种方式：第一，通过Bcl一2家族蛋白控制线
10、粒体膜通透性来调控凋亡。抗凋亡蛋白Bcl一2和BclxL存在于线粒体外膜，起着抑制Cytc释放的作用。Bcl一2家族促凋亡蛋白Bad、Bid、Bax和Bim存在于细胞质中但接受凋亡信号刺激后则转位到线粒体。由此而促进Cyte的释放。Bad转位到线粒体和抑凋己蛋白BclxL结合形成促凋亡复合体，而释放与BelxL结合的促凋亡蛋白Bax。这种转位可被诱导Bad磷酸化的存活因子抑制，使其被“扣押”在胞质中。DNA损伤后，激活的p53诱导Bax、Noxa和PUMA转录。BclxL，Bcl一2和Bax影响电压依赖性阴离子通道(VDAC)开放，而VDAC在调节Cyte释放过程中起着重要作用。第二，其他信号
11、如ca、活性氧(ROS)等触发线粒体内膜上的小孔道开放，水分子进入线粒体基质使之肿胀，导致线粒体外膜破裂，这个反应也叫线粒体膜通透性转运(MPT)。MPT的形成以线粒体膜通透性转运孔(MMP)为中心，MMP是由电压依赖性阴离子通道(VDAC)、腺苷酸移位酶(AN7F)及亲环素D复合物在线粒体内膜、外膜交接处构成的一种孔道复合物。 1.3 B粒酶信号途径介导的细胞凋亡 细胞毒性淋巴细胞，如细胞毒性T细胞，淋巴细胞因子激活的杀伤细胞LAK、自然杀伤细胞，可通过多种机制诱导靶细胞的凋亡。例如这些细胞表面表达的FasL可结合靶细胞表面的Fas，激活靶细胞的外部凋亡途径。此外，细胞毒性淋巴细胞还能向靶细
12、胞传递一些毒性颗粒，其中包含TNF、B粒酶及另一种穿孔蛋白。TNF可介导细胞的外部凋亡途径，而穿孔蛋白通过在靶细胞表面形成膜间通道，利于B粒酶向靶细胞内部转移。进入细胞内部的B粒酶自身具备蛋白水解作用，可直接裂解并激活caspases，促进细胞凋亡，还能通过裂解BH3-only蛋白间接激活细胞凋亡的线粒体途径。且有研究显示，B粒酶通过BH3-only 蛋白介导的细胞凋亡效应强于其直接激活caspases效应。 1.4 其他细胞凋亡途径 除了上述三种途径以外，近年来还发现当细胞内环境改变，如缺氧、低血糖、氧化应激及一些肿瘤细胞生长的微环境等可导致内质网上未折叠蛋白质积累，通过内质网跨膜蛋白肌醇酶
13、1、蛋白激酶样内质网激酶、转录激活因子6使细胞发生未折叠蛋白应答(UPR)。UPR最初作用是增强内质网对蛋白质的折叠能力、降解积聚的未折叠蛋白，以减轻内质网上的蛋白质负荷、维持内质网稳态，促进细胞存活。但当细胞处于长期持续的内质网应激状态时，内质网跨膜受体，主要是IRE1、PERK，产生的信号传导可通过调节Bcl-2家族蛋白、调节内质网上的钙离子通道等方式促进细胞凋亡。例如持续的内质网应激状态下，被激活的IRE1通过IRE1/TRAF2/C-Jun氨基末端激酶信号通路，使Bcl-2、Bcl-xL磷酸化来抑制其抗凋亡能力，并且通过使Bid和Bim磷酸化来促进其促调往能力，最终达到促进细胞凋亡的目
14、的。而PERK激活后可通过受其调控的转录因子CHOP上调Bcl-2家族的BH3-only蛋白及促进内质网上的钙离子向胞质的释放，以上效应均可促进细胞凋亡的发生和进展。由于内质网应激状态下的细胞凋亡主要是通过对Bcl-2家族分子的调控发生的，今儿促进MOMP进程引起细胞凋亡，因此可将内质网应激引起的细胞凋亡看作是细胞线粒体凋亡途径的补充。二、细胞凋亡的相关基因 2.1 Caspase家族 对 clekegabs线虫 的研 究发现 ced-3、ced-4、ced-9这 3种基因产物在细胞凋亡的调控中发挥重要作用。 1993年发现 ced-3与哺乳动物的白细胞介素1B转化酶(ICE)有较高的 列同源
15、性。Caspases 是ICE样蛋白酶。迄今已发现了 14 种 Caspases形成了一个家族， 与线虫的ced一样在凋亡的启动与执行过程中起关键作用。凋亡信号首先活化凋亡途径上游的 Caspases启动分子， 例如 caspase-2、caspas e-8、caspase-9 ； 尔后通过一系列的级联反应激活下游的Caspases效应分子， 例如caspase-3、e -6、caspase-7； 最终引起核酸断裂导致细胞凋亡。Caspases作为凋亡的效应因子, 自然会成为肿瘤性疾病和其他退行性疾病治疗的新靶点。例如对凋亡受到抑制的肿瘤细胞可以通过基因治疗法将Caspases引入癌细胞, 激
16、活凋亡活性分子，启动凋亡途径,，引起 D NA 断裂，诱导其凋亡。而对那些凋亡过度的细胞可通过使用Caspases的抑制剂而缓解凋亡的发生。 2.2 Bcl-2族 Bcl-2基因是细胞凋亡研究中最受重视的癌基因之一，其表达的蛋白质Bcl-2蛋白最初发现于B淋巴细胞瘤/白血病-2而得名，与线虫ced-9基因表达的Ced-9分子在结构上有同源性，具有抗凋亡作用。Bcl-2的高表达能抑制多种凋亡诱导因素所引发的细胞凋亡，如：C-射线、糖皮质激素、热休克、多种化疗药物。 Bcl-2基因家族包含抑制和促进细胞凋亡两类功能相反的基因，在细胞凋亡中发挥重要的调节作用，抑制细胞凋亡的基因包括：bcl-2、bcl-xl、bcl-w、bfl-1、brag-1、mcl-1和a-1等，促进细胞凋亡的基因有b
