摘 要 凋亡是精确调节细胞数量, 清除无用的或有害的细胞过程。本文阐述了凋亡有关的线粒体(M t) 特征性变化: 如膜
电位的降低; 膜通透性的转变; 细胞色素C、A IF 的释放; RO S 产物的增加以及dcl22 家族的影响等等, 说明M t 与凋亡的发生密
切相关。
关键词 线粒体; 凋亡; 活性氧; dcl22
细胞凋亡的发现距今仅20 年, 但已从以前的描
述生物学进入分子机理的研究。细胞凋亡是精确调节
细胞数量, 清除无用的或有潜在危险细胞的过程。哺
乳动物中所有有核细胞, 无论是在发育还是在成熟的
器官中都存在凋亡, 并表达死亡程序所必需的蛋白
质, 这一程序正常被细胞外生存信号抑制。细胞凋亡
的异常与一些疾病相关, 如不适当的激活可致爱滋
病、早老痴呆症、中风、心梗, 而细胞凋亡的抑制可致
自身免疫性疾病、肿瘤或病毒感染。与凋亡有关的基
因如细胞死亡基因ced 最初在线虫被发现, 重要的是
ced23 和ced24[ 1 ] , 类似哺乳动物的caspases22 和
Apaf21 (凋亡蛋白酶活化因子1)。这些caspases (即
ICE 家族) 通过选择性地切割细胞内蛋白质包括核蛋
白、细胞骨架、内质网等来介导细胞凋亡, 形成死亡程
序的核心。由于caspases 活化途径具复杂性和多样
性特点, 且其定位在M t 上, 所以许多研究者认为M t
可作为细胞凋亡的一个统一元素。下面仅就与细胞凋
亡有关的线粒体(M t) 的变化作一简要综述。
1 M t 与细胞凋亡
证实M t 参与凋亡的第一个证据来自TN F2A诱
导的细胞毒性的研究[ 2 ]。M t 功能的改变与细胞死亡
早期相关是细胞凋亡发生的关键步骤。M t 呼吸链的
抑制致RO S (活性氧) 过度产生, 而RO S 是死亡信号
途径的调节剂。有M t 的细菌和真核细胞共生是细胞
凋亡可能存在的基础[ 3 ]。
1. 1 RO S 与M t RO S 如过氧化阴离子、过氧化氢、
有机过氧化物和过氧化基因, 主要在M t 中产生。在
大多数RO S 依赖的细胞死亡体系中, RO S 的积聚和
细胞凋亡发生均需M t 呼吸链的存在。在呼吸链水平
上, 一个电子转移到分子氧可产生氧化基因, 这主要
发生在M t 内膜呼吸链复合物Ë 的CoQ 位点, 其中
涉及到的酶主要为细胞色素C (CytC)。
RO S 除在生理条件下可诱导与炎症和免疫反应
相关的基因的表达, 还在细胞凋亡死亡转导途径中处
于中心环节。有如下证据表明RO S 能调节细胞凋亡:
(1)RO S 的增加或内源性抗氧化剂的减少能促使细
胞死亡[ 4 ]。(2) 细胞凋亡有时被抗氧化剂延缓或抑
制[ 5 ]。(3) 细胞内RO S 的增加与细胞凋亡相关, 且
bcl22 通过抗氧化途径阻止细胞凋亡级联反应中的
RO S 调节[ 6 ]。因此大多数人认为RO S 为凋亡所必
需, 但不能排除其为杀伤过程中的一个伴随现象, 因
RO S 产物的增加多发生在凋亡晚期。当然若RO S 水
平过高也可激发坏死或导致向细胞凋亡发展的细胞
走向坏死。
那么RO S 是如何调节细胞凋亡的呢? 关于这一
问题有两种学说: (1)RO S 是活化转录因子(如A P21
或核因子N F2kB) 的信使分子, 能活化细胞凋亡发生
中的一些有用成分[ 7, 8 ]。RO S 通过调节细胞内的氧化
还原作用来间接发挥作用, 因这一过程能调节细胞凋
亡中的一些关键性的调节蛋白质。(2)RO S 产物增加
的主要作用是继发于细胞内抗氧化剂(如NADH、
NADPH、谷胱甘肽) 的减少导致氧化还原作用失衡,
而这恰是细胞凋亡发生的共同中心环节[ 9 ]。
1. 2 M t 膜电位、通透性转变与细胞凋亡 M t 膜电
位($7
m ) 的降低是凋亡的早期事件, 发生在DNA 断
裂之前, 致细胞浆中合成的M t 蛋白质成熟的缺陷、
翻译的停止、氧化磷酸化形式的解偶联, 标志着细胞
走向死亡的不归点。
膜通透性转变(PT ) 以M t 内膜孔开放和对极低
浓度环孢菌素A 敏感为特征, 这些孔(PT 孔) 允许分
子量小于1 500D 的物质通过, 且有自我放大的特点。
PT 孔开放可致$7
m 降低, 而$7 m 降低又以一种衰
退的方式增加PT。因此推测PT 孔开放构成凋亡的
不可逆状态, 这也是一个细胞所有M t 同时发生$7
m
降低的主要原因。
PT 孔的组成尚不清楚, 但原卟啉IX 和苍术苷
诱导PT 孔开放, 而N 2m ethylvalyl242环孢菌素A (是
环孢菌素A 的一种衍生物, 不是免疫抑制剂) 抑制
PT 孔开放, 从而调节$7
m’这些均说明PT 诱导激发
凋亡, 而PT 抑制凋亡, 即在凋亡效应阶段的PT 孔
开放与$7
m 降低有关。
1. 3 细胞色素C 与细胞凋亡 CytC 是M t 呼吸链
的一种基本成分, 松散地粘附于M t 内膜, 当其得到
一个血红素(亚铁血红素) 基团后成为带正电荷的完
整的蛋白质基团, 锚定于M t 内膜, 不再穿出。但
CytC 释放后如何发挥作用还不明确。近来发现一种
成分即凋亡蛋白酶活化因子(Apaf21) [ 10 ] , 它能与
CytC (Apaf22) 结合。Apaf21 的部分序列与ced24 几
近相同, 氨基端可能有caspases 聚集的区域(CARD)
组成。ced24 是一种前后序列依赖性的A TP 酶, 而
Apaf21 是哺乳动物中ced24 的等价物, 作为bcl2XL
和caspases 类似CPP32 亚家族。
那么CytC 是如何离开M t 的呢? 众多学者认为
这是$7
m 紊乱的结果。Bcl22 家族通过形成孔调节
M t 膜的通透性, 使之释放CytC[ 11, 12 ] , 因而CytC 的
释放可能是细胞凋亡过程中的一个关键性的协调步
骤。表达caspases23 (CPP32) 前体的细胞不可逆地走
向细胞凋亡。如caspases 样酶的活化构成了Fas 和
TN F2A受体的早期信号, 而这一蛋白酶的抑制阻止
CytC 从M t 释放, 从而抑制凋亡。但是在许多细胞凋
亡中caspases 抑制剂CytC 的丢失并无作用, 反而是
细胞内氧化还原电位构成了细胞凋亡的共同的中心
感受器, 即氧化失调致CytC 释放。但应强调的是
CytC 促凋亡需辅助以一些细胞浆内的因子, 并可与
凋亡诱导因子A IF (M t 的一种具蛋白酶活性的蛋白
质, 可活化caspases23 等类似蛋白酶) 协同作用诱导
彻底的细胞凋亡[ 13 ]。
2 bcl22、M t 与细胞凋亡
众所周知bcl22 家族与凋亡密切相关, 其中bcl2
2、bcl2XL 抑制凋亡, bax 诱导凋亡。bcl22 在效应性
caspases 上游阻止蛋白质水解, 从而抑制caspases 的
活化。目前认为bcl22 与caspases 相关有两种机制:
( 1) bcl22 通过运输caspases 到细胞内的膜结构(如
M t 膜) , 阻止caspases 的活化, 维持细胞生存[ 14 ]。(2)
bcl22 通过阻止一些caspases 活化剂(Cty C 和ö或
A IF) 从M t 释放入细胞浆, 以阻止caspases 活化维
持细胞生存[ 11, 12 ]。
M t 相关的bcl22 家族致少在三个水平上抑制凋
亡: (1)M t 巯基的氧化还原电位的控制。bcl22 抗
RO S 的作用可能有两种方式, 一是影响氧自由基的
生成, 一是防止细胞成分的氧化损伤。所以推测bcl22
可能以氧化剂前体方式起作用, 影响RO S 水平, 诱导
内源性抗氧化剂。但是即使RO S 形成最少(即厌氧条
件下) 时凋亡也能正常发生, 也可被bcl22 阻止[ 8 ] , 这
提示bcl22 或者通过不同刺激(RO S 依赖和非依赖性
的刺激) 阻止凋亡的诱导, 或者控制凋亡效应路径的
不同环节。也就是说凋亡为氧化还原敏感的蛋白质调
节, 而这些蛋白质又可被抗氧化剂修饰。bcl22 过度表
达使细胞处于还原状态, 不发生凋亡, 而M t 巯基在
凋亡中构成氧化还原电位的主要感受器, 所以这些作
用是在M t 水平完成的。(2) 膜通透性对小的凋亡前
分子的调节。bcl22、bcl2XL 是M t 的PT 孔的组分,
bax 通过离子和小分子从M t 的流出促进细胞凋亡,
诱导PT 孔开放, 而bcl22 中和此作用[ 11, 12 ]。协同免疫
参与作用研究表明: CytC 与bcl2XL 结合, 而不能与
bcl2Xs 蛋白质结合[ 15 ]。因而bcl2Xs 阻止了CytC 与
bcl2XL 的结合, 这也证明bcl2XL 及bcl22 可通过抑制
细胞浆中CytC 的作用来阻止细胞发生凋亡。(3) 凋
亡前蛋白质在M t 膜上的锚定。近来发现ced29 能抑
制ced24 的作用, 并能与ced23 结合, 从而调控凋
亡[ 16 ]。ced29 蛋白质类似哺乳动物bcl22 相关蛋白, 局
限分布于细胞内膜和核周, 而ced24 类似哺乳动物
Apaf21, 分布于细胞浆中。bcl22 固定于膜上, 而bcl2
XL 有可溶的和膜固定的两种形式, bax 主要分布于
细胞浆中。在凋亡时bax 从细胞浆运动到细胞内膜
(如M t ) , 干扰bcl22 和bcl2XL 的功能, 而bcl22 和
bcl2XL 能使Apaf21 由细胞浆转至M t 内膜, 从而抑
制凋亡[ 14 ]。
3 结论和展望
大多数研究者认为M t 是细胞死亡过程中的关
键成分。在第一个水平上,M t 能加强细胞凋亡信号。
如TN F2A或N 2酰胺诱导的细胞凋亡早期有RO S 的
增加, 而RO S 能加强凋亡信号。在第二个水平上,M t
与细胞凋亡的激发控制有关。这种控制通过bcl22 家
族, 效应性caspases、CytC 在M t 表面的锚定而起作
用。但M aeDonald 等研究发现即使在M t 不存在时
Granzym e B 也能诱导凋亡, 只是作用要较M t 存在
时弱很多, 其机制尚需进一步研究[ 12 ]。
但也存在许多需进一步探讨的问题。如由于哺乳
动物细胞基本都表达凋亡所需的蛋白质成分, 这提示
bax (或bcl22 家族的其他类似的凋亡前成员) 是普遍
被表达的, 生存需要它们持续的抑制。通过研究这些
蛋白质在M t 膜的定位和它们的孔形成特性, 能推测
这种调节在M t 水平起作用, 从而控制PT 孔开放、
CytC 等释放。此外CytC 释放的机制, caspases 底物
的鉴定的研究对理解凋亡时M t 的改变机制也是必
不可少的, 但目前该领域的研究尚处于初级阶段。
