| [摘要] 细胞凋亡是生物体细胞受基因精确调控的主动消亡过程。多种分子参与、多重信号转导通路介导其调控机
制,其中,线粒体介导的凋亡通路是重要的组成部分。凋亡信号可经有丝分裂原活化的蛋白激酶(MAPK) 通路传递给线粒
体,诱导细胞色素c 释放,活化caspases 蛋白酶家族,或诱导凋亡诱导因子(AIF) 释放,执行凋亡。Bcl2 家族成员参与凋亡
调控,并作为桥梁沟通线粒体、死亡受体介导的通路间的对话。
[关键词] 凋亡;线粒体
细胞凋亡由多种生理和病理性刺激信号所引发,
是生物体形态发生、发展过程中受基因调控的一种细
胞自杀方式,对于清除机体衰老细胞及无能细胞、维持
自身稳定等具有重要意义。目前线粒体在细胞凋亡的
发生、发展及调控过程中的作用备受关注。
1 线粒体介导的凋亡与caspase 家族
caspase 存在于细胞质中, 是半胱氨酸依赖的、天
冬氨酸指导的、与凋亡密切相关的一类蛋白酶,在细胞
中以酶原(procaspase) 形式存在。procaspases 中procas2
paseO2、O8、O9、O10 等为上游或起始procaspases ,它们是
刺激信号最先激活的酶,并且可以激活下游或效应
procaspaseO3、O6、O7 等,后者可直接作用于底物蛋白,执
行凋亡。caspase 激活的基本机制是通过接头分子介
导caspase 分子募集并相互酶解而活化,大体可分为内
源性和外源性两条途径[1 ,2 ] 。
线粒体介导细胞凋亡时引起的procaspase 激活可
称之为内源性激活途径,起始的caspase 蛋白酶为pro2
caspaseO9 ,活化过程由凋亡蛋白活化因子1 (apoptosis
protein activating factor ,Apaf1) 作为接头分子介导完成。
Apaf1 是线虫促凋亡蛋白CEDO4 的同源体,其C 端和N
端分别为细胞色素c 和procaspaseO9 的结合位点。当
凋亡信号传至线粒体时,引起细胞色素c 释放,Apaf1
作为桥梁连接细胞色素c 和procaspaseO9 ,促进procas2
paseO9 活化,进而酶解procaspaseO3 使之激活,执行凋
亡。研究发现,分布于线粒体内procaspaseO9、O3 亚群
的活性半胱氨酸位点受亚硝酰化的抑制性修饰;而分
布于胞质内的procaspaseO3 亚群不存在这种修饰作用,
这表明亚硝酰化的修饰作用对调节线粒体中的cas2
pase 活性具有重要作用[3 ] 。
细胞表面死亡受体是介导caspase 激活的外源性
途径。这条途径中死亡受体( Fas、TNFR 等) 激活的起
始caspase 是procaspaseO8 ,caspaseO8 进而酶解、激活cas2
paseO3 执行凋亡。最近有研究发现,定位于内质网的
caspaseO12 的激活独立于死亡受体、线粒体传递的凋亡
信号,提示caspaseO12可能参与内质网介导的新凋亡
通路[4 ] 。可见,caspases 家族成员归属于不同的凋亡通
路,其中caspaseO9 与线粒体传递的凋亡密切相关。
2 线粒体介导的凋亡和BclO2 家族
过去几年中一系列与凋亡抑制因子BclO2 结构类
似的蛋白质被发现。根据功能不同,它们被分为两类:
一类促进细胞凋亡,如Bax、Bak、Bik、Bid、Bim、Bad、Bcl2
rambo ;另一类抑制细胞凋亡,如BclO2、Bcl2xL 、Bcl2W、
A1、MclO1、ELBO19K、BHRF1[5 ] 。其中,BclO2、Bcl2xL 、Bcl2
W、Bcl2rambo 分子结构中含有四种Bcl2 同源(BclO2 Ho2
mology ,BH) 结构域,分别是BH1、BH2、BH3、BH4 ;Bax、
Bak、Bad 含有BH1、BH2、BH3 ;而Bid、Bim 仅含有BH3
结构域,是目前所知细胞死亡最强的诱导因子。促进
凋亡的BclO2 家族成员在结构上除共有BH3 结构域外
无其他相似性,表明它们各自有某些特定的生物活性,
如与其上游信号分子作用,共同的功能则是结合并拮
抗配体的凋亡抑制效应。
BclO2 家族通过多种机制与线粒体相关信号作用
而调节细胞凋亡。BclO2、Bcl2xL 通过抑制细胞色素c 释
放而抑制线粒体介导的凋亡,其机制可能是:BclO2 与
Apaf1 直接结合,抑制其对凋亡的诱导;而Bcl2xL 与细
胞色素c 直接结合减少其释放[6 ] 。另外,BclO2 过表达
可降低线粒体复合物Ⅰ的活性和细胞色素b、c 的水
平,拮抗凋亡[7 ] 。Bax、Bak 可直接结合BclO2 ,抑制其抗
凋亡作用; 或从Bcl2xL2Apaf1O细胞色素c 复合物中把
Bcl2xL 置换出来,导致caspase 活化,促进凋亡发生。有
报道指出,在凋亡信号作用下,Bax 以胞质中20 000 的
单体形式聚合成相对分子质量分别为96 000、260 000
的大分子寡聚体整合于线粒体外膜[8 ] 。Bax 的寡聚体
形式是促凋亡活性所必需的,它在线粒体外膜上构成
完整的细胞色素c 释放通道。Wei 等[9 ]发现,只有同时
缺乏Bax 和Bak 的细胞才能完全抵抗tBid 诱导的细胞
色素c 释放和凋亡,他们认为Bax 或Bak 的活化,即同
源寡聚体的形成,是线粒体功能失调导致细胞死亡的
必要途径。
要说明的是典型的凋亡抑制因子BclO2 也有促凋
亡活性[10 ] 。BclO2 是一种膜蛋白,分布于内质网膜、线
粒体外膜及核膜。caspaseO3 可裂解定位于线粒体的
BclO2 产生20 000 的蛋白质分子进而诱导凋亡,然而定
位于内质网的BclO2 却对抗Bax 诱导的凋亡。因此,Bcl
O2 对凋亡的不同调节作用与其在细胞内的定位有关。
3 线粒体介导的凋亡与有丝分裂原活化的蛋白激酶家族
有丝分裂原活化的蛋白激酶(mitogen2activated pro2
tein kinase ,MAPK) 家族是细胞内信号转导中的一类关
键酶,属于丝/ 苏氨酸蛋白激酶。MAPK超家族有三种
主要形式,包括c2Jun NH2 末端激酶(JNK) 、P38 有丝分
裂原活化的蛋白激酶( P382MAPK) 以及胞外信号调节
激酶(ERK1/ 2) 。
目前认为,MAPK家族成员参与部分应激反应诱导
凋亡的信号转导。凋亡信号调节激酶1 (ASK1) 属于
MAPK家族,可活化JNK、P38OMAPK信号级联,构成应
激诱导的凋亡信号转导通路[11 ] 。应用广谱的caspase
抑制剂可以抑制ASK1 诱导的细胞死亡,说明ASK1 诱
导凋亡依赖caspases 活性。另一方面,ASK1 过表达可
引发细胞色素c 释放,活化caspaseO9 和caspaseO3 ,但对
caspaseO8 样的蛋白酶则不起作用,caspaseO8 阴性细胞对
ASK1 诱导的凋亡依然敏感,而caspaseO9 阴性细胞能抵
抗ASK1 诱导的凋亡。这些结果表明,ASK1 通过JNK、
P382MAPK信号级联传递死亡信号,致敏线粒体执行凋
亡。紫外线(UVB) 应激反应诱导的细胞凋亡也有P382
MAPK参与[2 ] 。UVB 可以持续激活P38 ,P38 抑制剂可
抑制UVB 诱导的caspaseO3 活化并对抗细胞色素c 的释
放,说明UVB 诱导凋亡的途径之一是由活化的P382
MAPK通过线粒体的细胞色素c 释放实现的。
4 线粒体凋亡诱导因子
通常认为,在线粒体介导的凋亡通路中,细胞色素
c 的释放是关键性步骤。细胞色素c 释放导致Apaf1、
caspaseO9 等因子装配成caspase 激活复合物( apopto2
some) ,apoptosome 的形成是受控于线粒体的细胞死亡
通路启动的标志性分子事件,其功能类似于非线粒体
凋亡通路中由死亡受体、接头分子、procaspaseO8 构成的
死亡诱导信号复合物(DISC) 。
近期有文献报道,线粒体调节的凋亡通路可不依
赖Apaf1/ caspaseO9 ,而由凋亡诱导因子(apoptosis2induc2
ing factor ,AIF) 介导完成[12 ] 。AIF 于1996 年发现,是一
种凋亡诱导蛋白,与细胞色素c 一样位于线粒体膜,死
亡信号诱导AIF 释放。在基因水平抑制AIF 的产生可
防止胚胎干细胞发生凋亡。在鼠胚腔化时期,AIF 是细
胞发生程序性死亡形成空腔所不可缺少的,对胚胎早
期发育至关重要。AIF 依赖性细胞死亡具有凋亡细胞
典型特征,但和caspaseO9 的表达无关,因此线粒体的
AIF 途径是控制生物体早期形态、独立于caspase 的一
条凋亡途径。
5 死亡受体与线粒体介导的凋亡通路间对话
早期研究中,线粒体在死亡受体介导的凋亡通路
中的作用并不十分清楚。一些细胞中,BclO2 过表达能
抑制CD95/ Fas 诱导的凋亡,而另一些完全不受影响,
据此将细胞分为Ⅰ和Ⅱ型。Ⅰ型细胞通过死亡受体诱
导procaspaseO8 活化,进而激活procaspaseO3 执行凋亡;
Ⅱ型细胞主要经历线粒体介导的凋亡通路。
1998 年两个独立的研究小组同时报告,caspaseO8
可裂解Bid 形成tBid ,连接死亡受体和线粒体凋亡通
路[13 ,14 ] 。tBid 与Bax 结合,引起Bax 氨基端构象改变
而活化,Bax 的活化和细胞色素c 的释放近乎同时发
生,促进线粒体的apoptosome 形成,活化线粒体介导的
凋亡通路,tBid 是连接死亡受体和线粒体凋亡通路的
桥梁分子。Esposti 等[15 ]进一步证实,Bid 可能参与线
粒体磷脂的运输和循环,具有线粒体膜和其它亚细胞
结构生物膜之间的脂质转移活性,从而使死亡信号的
刺激能够定向分布于线粒体发挥其促凋亡活性。有学
者认为通路间对话的作用在于线粒体介导的凋亡通路
放大了死亡受体介导的凋亡通路[2 ] 。因此用细胞毒药
物处理不同类型细胞,凋亡的机制就不相同[16 ] 。Ⅰ型
细胞中Bid 的裂解早于线粒体异常,细胞毒药物诱导
激活死亡受体后通过tBid 的桥梁作用导致线粒体紊
乱,死亡受体和线粒体凋亡途径均可以被活化;而在Ⅱ
型细胞中,凋亡由线粒体信号通路驱动。这种凋亡的
细胞型特异性反应机制可以帮助我们理解为什么不同
肿瘤细胞对化疗药物的敏感性不同。
总之,线粒体参与细胞凋亡的发生、发展及调控过
程。线粒体接受凋亡信号,释放细胞色素c ,活化特定
的caspase 蛋白酶, 形成依赖caspase 的通路; 或释放
AIF ,形成不依赖caspase 的途径,促使细胞进入不可逆
的凋亡程序之中。在一定的刺激下,MAPK超家族成员
JNK、P382MAPK可以将凋亡信号传递给线粒体,使之致
敏,引发下游事件。BclO2 家族促凋亡和抑凋亡成员之
间的相互作用调节线粒体介导的凋亡过程,并参与线
粒体、死亡受体通路间的对话。
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