浅论线粒体相关物质与细胞凋亡(1)

浅论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]首先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导致的程序性细胞死亡(programmedcelldeath，PCD)。凋亡细胞中可出现各种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(cysteincontainingaspartatespecificprotease，caspase)的激活及DNA的片段化断裂等，其中，caspase被认为是凋亡的主要执行者。目前认为凋亡主要经过两条死亡通路：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caspase8，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(apoptosisproteaseactivationfactor1，Apaf1)、caspase蛋白酶、细胞凋亡诱导因子(apoptosisinducedfactor，AIF)等从线粒体释放到胞浆，随之引起caspase瀑布式活化和细胞死亡。可见，凋亡的过程复杂，涉及因素较多，其中线粒体的作用不容忽视，线粒体的结构和功能的改变，能加速核凋亡特征的出现，并是控制细胞凋亡进程的关键。有学者认为线粒体在凋亡中起着中心的调控作用，在某种意义上，可以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Cytc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中心的王晓东小组最先提出了Cytc在细胞凋亡中的重要作用，之后的研究又证实Cytc基因敲除的细胞对凋亡具有明显的耐受性。现在普遍认为Cytc从线粒体到达胞浆是多种细胞凋亡的共同途径。在细胞凋亡出现特征性的核改变之前，均观察到线粒体跨膜电位(△Ψm)的下降。△Ψm是由线粒体内膜两侧电子的不对称分布形成的，正常的△Ψm是细胞生存所必需的。△Ψm下降说明线粒体膜通透性转运孔(mitochondrialpermeabilitytransitionpore，MPTP)开放，线粒体膜通透性升高，此时水和小分子物质可自由通过，水和溶质内流导致线粒体肿胀。由于线粒体内膜向腔内形成嵴，延展性相对较大，内膜面积大于外膜，故水肿后外膜先破裂，位于膜间隙的Cytc便释放入胞浆。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Apaf1的核苷酸结合结构域结合，从而促进Apaf1发生构象变化并暴露出CARD(caspaseactivationandrecruitmentdomain)，CARD是Apaf1N末端的一个Caspase募集结构域。随后Apaf1再与procaspase9的CARD结合。至此，Cytc、dATP、Aapf1和procaspase9组成聚合体称为凋亡复合体(apoptosome)。procaspase9与其周围募集的其它procaspase9相互靠近，发生自水解而活化，活化的Caspase9再激活下游的Caspase效应分子procaspase3、procaspase6和procaspase7，这些蛋白酶通过多个途径作用于细胞骨架蛋白、DNA修复调节因子、细胞周期调节蛋白等，引起细胞DNA修复功能丧失、核酸内切酶激活、DNA片段化等，最终导致细胞凋亡。关于procaspase9的来源，有研究发现，它位于线粒体内膜上，在凋亡刺激信号的作用下才释放入胞液。2线粒体产生活性氧与细胞凋亡活性氧(reactiveoxygenspecies，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呤氧化酶增多、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的主要原因。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Ⅳ，凋亡初期，Cytc从线粒体释放到胞浆，线粒体内Cytc减少，则电子从Cytc传递给复合体Ⅳ减少，而导致线粒体内电子超载，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。大量的超氧阴离子进一步转变为H2O2和其它ROS。可见Cytc释放导致线粒体内的Cytc缺乏，是促进ROS生成的主要原因。反之，ROS引起的脂质过氧化破坏线粒体膜，又促进了Cytc的释放，二者形成正反馈，共同参与细胞凋亡的进程。线粒体DNA(mtDNA)与核DNA相比缺乏组蛋白保护，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变化，电子传递效率降低，影响氧化磷酸化及ATP生成，出现线粒体功能异常，线粒体膜通透性改变，Apaf1、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。此外，呼吸链复合物功能异常及电子传递障碍又生成大量ROS，形成恶性循环。除损伤mtDNA引起凋亡外，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，△Ψm下降，线粒体凋亡相关物质释放，引起细胞凋亡[10]。2蛋白家族介导的细胞凋亡Bcl2蛋白家族主要位于线粒体和内质网膜上，根据Bcl2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Bcl2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过程中发挥着重要作用。3.1Bcl2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末端的α螺旋结构隐藏在其BH13结构域所形成的疏水性裂缝中。当损伤因素刺激后，Bax发生构象的改变，暴露α螺旋结构，α螺旋结构的C末端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。还有研究认为[12]，Bax可能作用于电压依赖性阴离子通道(voltagedependentanionchannel，VDAC)，使VDAC结构发生改变。VDAC是MPTP的组成部分，VDAC结构发生改变后，MPTP失去电压依赖性和对离子通透的选择性，从而导致Cytc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，因为在线粒体外膜已含有Bak锚定序列。正常情况下Bak的活性受到VDAC和Bcl2家族的抗凋亡蛋白Mcl1(myeloidcellleukemia1)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分发生寡聚化，形成膜通道，引起Cytc等凋亡物质的释放[1314]。3.2Bcl2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，Bcl2和BclXL发挥抗凋亡作用，主要有：①可直接与线粒体外膜上的VDAC结合，但与Bax的作用效果不同，Bcl2、BclXL与VDAC结合后，可保持线粒体膜的完整性，抑制MPTP的开放，稳定△Ψm，从而抑制Cytc的释放，同时也阻止了其它凋亡相关蛋白质的释出[15];②BclXL可以和Cytc直接结合而减少Cytc的释放[16];③Bcl2可抑制线粒体内氧自由基的生成，从而减少ROS导致的细胞凋亡;④Bcl2可与Apaf1和Caspase9结合并固定于线粒体上，阻止caspase级联激活[16];⑤Bcl2抑制Bax等促凋亡蛋白在线粒体的定位及寡聚化，从而抑制Cytc的释放[17];⑥有研究 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，Bcl2表达增强时，线粒体对Ca2的耐受性提高，可减少钙超载引起的细胞凋亡。4线粒体释放AIF与细胞凋亡细胞凋亡诱导因子(apoptosisinducedfactor，AIF)是一种黄素蛋白，同细菌的氧化还原酶有很高的同源性，成熟型相对分子量为57kD。正常情况下，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180～200bp的片段[18]。有研究显示，向细胞中微量注射AIF也能引起染色质降解，且这种作用不被Caspase抑制剂所抑制，表明AIF不依赖于Caspase起作用，而是在Cytc释放的上游阶段发挥作用[19]。此外，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，促进细胞凋亡。Bcl2蛋白家族能通过调控MPTP的开放控制AIF释放，但不能抑制已释放的AIF的促凋亡作用[20]。5结语细胞凋亡的过程与线粒体关系密切。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、相互影响，形成的复杂的网络效应，调控细胞凋亡。然而，现今仍有很多问题有待进一步阐明，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，以线粒体为靶位的治疗方法已逐步引起关注，相关问题的解决，不仅对于研究细胞凋亡本身具有重要的理论意义，也为临床治疗癌症、防治器官缺血/再灌注损伤等，提供了新的思路和方法。【参考文献】1KerrJF，WyllieAH，CurrieAR.Apoptosis：abasicbiologicalphenomenonwithwiderangingimplicationintissuekinetics[J].BritCancer，1972，26(4)：2392572杨建青.细胞色素C在氟尿啥咤诱导肝癌细胞凋亡中的作用[J].柳州医学，2008，21(4)：1881903LiuX，KimCN，YangJ，etal.Inductionofapoptoticprogramincellfreeextracts：requirementfordATPandcytochromeC[J].Cell，1996，86(1):1471574陈建伟.细胞色素C与caspase家族在缺血/再灌注所致心肌细胞凋亡中的作用[J].医学综述，2009，15(2):1731765朱静峰.氧自由基、钙超载与心肌缺血再灌注损伤[J].云南医药，2007，28(1)：67706YuX，WangL，AcehanD，etal.ThreedimensionalstructureofadoubleapoptosomeformedbytheDrosophilaApaf1relatedkiller[J].JMolBiol，2006，355(3):5775897HuXF，LiJ，YangE，etal.AnticriptomabinhibittumourgrowthandovercomeMDRinahumanleukaemiaMDRcelllinebyinhibitionofAktandactivationofJNK/SAPKandbaddeathpathways[J].BrJCancer，2007，96(6)：9189278BarrosMH，NettoLE，KowaltowskiAJ.H2O2generationinsaccharomycescerevisiaerespiratorypetmutants：effectofcytochromec[J].BiolMed，2003，35(2)：1791889ShihCM，KoWC，WuJS，etal.MediatingofcaspaseindependentapoptosisbycadmiumthroughthemitochondriaROSpathwayinMRC5fibroblasts[J].CellBiochem，2004，91(2)：38439710ZhouYJ，ZhangSP，LiuCW，etal.TheprotectionofseleniumonROSmediatedapoptosisbymitochondriadysfunctionincadmiuminducedLLCPK(1)cells[J].ToxicolInVitro，2009，23(2)：28829411GrinbergM，SchwarzM，ZaltsmanY，etal.Mitochondrialcarrierhomolog2isatargetoftBIDincellssignaledtodiebytumornecrosisfactoralpha[J].MolCellBio，2005，25(11)：4579459012KumarswamyR，ChandnaS.PutativepartnersinBaxmediatedcytochromeCrelease：ANT，CypD，VDACornoneofthem[J].Mitochondrion，2009，9(1):1813LeuJI，DumontP，HafeyM，etal.Mitochondrialp53activatesBakandcausesdisruptionofaBakMcl1complex[J].NatCellBio，2004，6(5)：44345014AdamsK，CopperG.RapidturnoverofMCL1couplestranslationtocellsurvivalandapoptosis[J].JBiolChem，2007，282(9)：6192620015DejeanLM，MartinezCaballeroS，GuoL，etal.OligomericBaxisacomponentoftheputativecytochro