细胞凋亡信号传导通路研究进展

细胞凋亡信号传导通路研究进展

张旭 曲妍佳

山东省烟台市 龙口市烟台南山学院 265706

                      摘要

   细胞凋亡是生物体细胞的主动消亡过程，是多细胞有机体调控机体发育、控制细胞衰老、维持内环境稳定的重要机制。各种凋亡信号通过信号传导通路传至细胞内，激活靶分子而产生细胞效应，引发细胞凋亡。一般认为，细胞凋亡存在三条主要通路：线粒体通路、内质网通路和死亡受体通路，各通路间互相联系，共同调节细胞凋亡。随着人们对凋亡的认识逐渐深入,对凋亡发生的分子机制的了解也越来越透彻,但同时也发现这一过程远非原来想象的那样简单,而是包含了复杂的调控机制。尽管仍有许多问题迄今尚未阐明,但近几年的研究在凋亡信号转导途径、凋亡的生化反应机制以及凋亡的基因调控等方面都取得了显著的进展。

关键词：细胞凋亡；线粒体

第一章凋亡的机制

1. 1凋亡的机制

多细胞生物在凋亡过程中拥有相似的酶反应机制。秀丽新小杆线虫一直是研究凋亡机制的一个良好的模型，研究发现了三个重要的原因：促进凋亡的CED-3、CED-4和抑制凋亡的CED-9[1]。剔除或突变CED-3、CED-4任一基因都可使整车本应凋亡的细胞得以存活。CED-3是一个蛋白酶，激活的CED-3可以水解靶蛋白从而使细胞凋亡；正常情况下，CED-9与CED-4、CED-3结合，因此CED-3不处于激活状态。凋亡信号会引起CED-9从上述复合体上解离下来，激活CED-3并在最终发生凋亡。

第二章凋亡通路

2.1线粒体通路

    此通路由含BH3结构域的Bcl-2家族成员Bid、Bad、Bim等在接受到胞内的死亡信号后激活。这些含BH3结构域的Bcl-2家族成员与另外的Bcl-2家族成员(Bax亚家族成员，主要松散的结合在线粒体外膜面或存在于胞浆)作用，导致后者的寡聚并插入线粒体膜，引起线粒体膜通透性改变，跨膜电位丢失，释放细色素C(Cytc)和其他蛋白[2]。

此外，定位于线粒体上的转录因子p53能与Bak、Bax直接相互作用[3]，这种相互作用解除了Bak与Mcl-1(Bcl-2蛋白家族中的抗凋亡蛋白)的结合，使Bak中的BH3结构域外露，从而处于促凋亡的结构构象[4]；此外，这种相互作用还引起Bak、Bax多聚化，这一系列的变化导致线粒体通透性的改变，使各种促凋亡因子释放到细胞质中[5]。

线粒体是细胞能量代谢的中心，细胞凋亡过程中对线粒体损伤的最直接结果是其正常功能的丧失，如果损伤程度相对较轻，ATP保留了提供细胞凋亡所需的能量，则发生细胞凋亡；若损伤严重，ATP急剧耗竭，则发生细胞坏死[6]。

2.2内质网通路

   内质网在凋亡信号处理过程中发挥重要作用，内质网通路不同于线粒体或死亡受体介导的凋亡通路。Caspase-12位于内质网膜，内质网钙离子平衡的破坏或者内质网蛋白的过量积累都会诱导Caspase-12表达，同时也导致胞质Caspase-7转移到内质网表面。Caspase-7激活Caspase-12，进一步剪切Caspase-3而引发细胞凋亡。许多细胞在凋亡早期会出现胞质内Ca2+浓度迅速持续的升高[7]，这种浓度升高来源于细胞外Ca2+的内流及内质网中Ca2+的释放，相对高浓度的Ca2+可以激活胞质中的钙依赖性蛋白酶，又可以作用于线粒体，影响其通透性并导致其膜电位的改变，从而促进凋亡。这提示,Ca2+在凋亡的调节中可能有很重要的作用。

2.3死亡受体通路

死亡受体为一类跨膜蛋白，属肿瘤坏死因子受体(TNFR)基因超家族。其胞外部分都含有一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，有蛋白水解功能，称“死亡区域”。“死亡区域”使死亡信号得以进一步传递而启动凋亡。已知的死亡受体有五种,THFR-1,Fas,DR3，DR4和DR5。前三种受体相应的配体分别为TNF,FasL(CD95L)Apo-3L(DR3L),后两种均为Apo-2L(TRAIL)。

Fas介导凋亡先由不同的胞质蛋白与受体(FasL)的死亡域结合，然后连接蛋白即Fas相关死亡域蛋白直接与Fas死亡域结合，FADD激活Caspase-8，引发蛋白水解，导致细胞死亡。细胞在接收到经Fas传递的凋亡信号后，主要经两种途径引发细胞程序性死亡，据此将对Fas介导的细胞凋亡敏感的细胞分为两种：FasI型细胞和FasⅡ型细胞[8]。

TNF主要在激活的巨噬细胞和T淋巴细胞中表达。TNF与TNFR1结合可激活核转录因子NF-KB和激活蛋白AP-1，诱导促炎因子和免疫调节因子的表达。在一些细胞中，TNF也可以通过与TNFR1结合诱导细胞凋亡。但是,与FasL不同的是，TNF只有在蛋白合成被阻断的情况下才可以诱导凋亡，表明细胞中预先存在的一些细胞因子，可以抑制TNF产生的凋亡信号。这些抑制蛋白的表达可能是由NF-KB和JNK/AP-1调控的。

DR3的氨基酸序列与TNFR1高度同源[9]。DR3可与TNF高度同源的Apo3L结合。Apo3L激活NF-KB和诱导细胞凋亡的调节机制类似于TNF[10]。TNF主要在激活的巨噬细胞和淋巴细胞中表达，Apo3L在许多正常组织中表达[10]。相反，TNFR1在各种组织中广泛表达，而DR3主要在脾、胸腺和激活的T淋巴细胞中表达。因此，尽管信号传导机制类似，但Apo3L-DR3和TNF-TNFR1可能具有不同的生物学功能[10]。

第三章三条通路间的相互联系

3.1线粒体通路和内质网通路

    内质网通路和线粒体通路之间存在着密切的联系。内质网释放Ca2+是线粒体释放Cytc的一个早期事件，内质网Ca2+释放导致的线粒体内Ca2+浓度的改变是促进Cytc释放的重要信号。促凋亡的基因Bak和Bax可快速的清除内质网中的Ca2+，使线粒体对Ca2+的内流和Cytc的释放敏感，从而调节细胞凋亡。近年来研究表明，钙激活蛋白酶与Caspase-3之间关系密切，两者不仅有共同的底物，而且在细胞凋亡的径路上有相互作用。

3.2内质网通路和死亡受体通路

    死亡受体Fas与其配体结合后通过衔接蛋白FADD激活Caspase-8，同时内质网膜上的BAP31也能被Caspase-8特异剪切，进而诱导内质网Ca2+的释放，从而使线粒体分裂，增强线粒体Cytc的释放，诱导产生凋亡[11]。未剪切的BAP31与内质网的A4蛋白结合，抑制Fas诱导的Cytc的释放和导致的凋亡。

3.3线粒体通路和死亡受体通路

有时经死亡受体通路激活的Caspase-8，主要作用于Bid。Caspase-8可切割原本处于胞浆的Bid为活性的tBid，tBid有很强的凋亡活性可以诱发促凋亡家族成员Bax和Bak寡聚化，使线粒体蛋白释放，引起凋亡。tBid的凋亡活性能被Bc1-X,完全抑制,被Bc1-2部分抑制。与内源性XIAP结合的Caspase-3将不能发生自身剪切而生成有活性Caspase-3，而Smac自身就足以使XIAP失活，从而促进Caspase-3活性，因此可能存在一条死亡受体诱导、Smac依赖的凋亡复合体通路[12]。这些表明线粒体通路与死亡受体通路是密切联系的。

三条凋亡通路最后都有Caspase的激活，这说明Caspase是诸多调控通路的关键。但许多情况下，虽然没有Caspase的参与，凋亡仍然可以发生，这说明还存在不依赖Caspase的凋亡通路。Caspase基因敲除实验也表明细胞存在凋亡的代偿通路。研究凋亡可能的通路，调控及相互关系对进一步认识和治疗凋亡相关疾病有重要意义。

第四章结语

    现在一般认为细胞凋亡有3条信号途径,即胞膜上的死亡受体途径、胞质内的线粒体途径和内质网途径,而内质网的凋亡信号途径往往归并于线粒体途径,因此,也可以认为有2条主要的信号途径。这3条信号途径,最终都是集中到线粒体来执行凋亡过程。不同的凋亡刺激最终主要通过活化Caspase导致细胞凋亡,其中Caspase-3是各条凋亡通路的枢纽,各种凋亡刺激激活Caspase后,最终激活Caspase-3而诱导细胞凋亡。但在一些情况下,虽然没有Caspase的参与,凋亡仍然可以发生,这说明还存在不依赖Caspase的凋亡途径。细胞凋亡发生的原因和途径是复杂多样的,其分子调控机制仍然需要进一步阐明。研究凋亡可能的径、相关因子及调控等对进一步认识和治疗凋亡相关疾病有重要意义。通过Caspase途径来诱发肿瘤凋亡也受到癌症治疗研究的重视。我们相信随着对细胞凋亡途径及相关因子研究的不断深入,将会对认识、治疗凋亡相关疾病以及一些疑难杂症带来新的希望。

展望

    细胞凋亡是有核细胞死亡的生理性通道，通过凋亡清除不必要的、损伤的或病毒感染的细胞，维持机体内环境的稳定。细胞凋亡的失调被认为在自身免疫性疾病、病毒感染、AIDS、心血管疾病、骨质硫松症、老化、肿瘤形成、神经退行性疾病(帕金森氏病)中发挥重要作用。因此，有关细胞凋亡机制在未来的研究还将进一步深入，所取得的进展将为这些疾病发病机理的阐述提供理论依据，也使通过调节凋亡过程治疗这些疾病成为可能。

参考文献

[1]Caspase家族与细胞凋亡的研究进展[J]. 杨涛;费振海;钟兴明.浙江医学,2018(18)

[2]细胞凋亡核心基因Caspase家族的研究进展[J]. 刘大锐;李报春;李怀东.中国医药导刊,2020(11)

[3]凋亡体与细胞凋亡[J]. 张玮莹;彭建新.生物学杂志,2010(03)

[4]细胞焦亡在病毒性疾病中的研究进展[J]. 李飞;孙航.中国细胞生物学学报,2020(09)

[5]Endoplasmic Reticulum Stress As a Therapeutic Target in Cardiovascular Disease. Tetsuo Minamino;;Issei Komuro;;Masafumi Kitakaze.Circulation Research,2010

[6]焦俊霞，高维娟．细胞凋亡的信号转导机制研究进展［J］．中国老年学杂志，2010，30(6):853-856

[7]Leu JI, Dumont P, Hafey M, et al. Mitochondrial p53 activates Bak and causes disruption of a Bak-Mcll complex [J]. Nat Cell Biol,2004,6:443-450

[8]Chipuk JE, Kuwana T, Bouchier-Hayes L, et al. Direct activation of Bax by p53 mediates mitochondrial embrane pemeabilization and apoptosis [J]. Science, 2004,303: 1010-1014

[9]Gasdermin E诱导细胞焦亡的研究进展[J]. 杨羽依;刘秀萍.中华病理学杂志,2021(04)

[10]细胞焦亡的发生机制研究[J]. 王锐;付萍.医学信息,2021(11)

[11]王海燕，王来栓．细胞凋亡通路研究进展［J］．国外医学·生理、病理科学与临床分册，2003,23(5):490-492

[12]铜绿假单胞菌群体感应代谢产物通过细胞表面脂质结构域溶解诱导宿主淋巴细胞死亡的机制[J]. 祝司霞.中国免疫学杂志,2021(08)