細胞生物學前沿技術(shù)

1、細胞生物學課程論文題目的研究講展班別學號姓名 成績 摘要 人們對細胞凋亡的認識逐漸深入，對細胞凋亡發(fā)生機理的了解越來越透徹，在 細胞凋亡的調(diào)控等方面都取得了顯著的進展。尤其是對線粒體在細胞凋亡過程中重要作用的發(fā)現(xiàn)，更是引人注目。線粒體首先感受到能量的變化從而影響核基因的表達。本文 在綜述了線粒體通透性轉(zhuǎn)換與細胞凋亡的研究概況。關(guān)鍵詞線粒體 通透性細胞凋亡能量變化基因表達1刖言自1850年發(fā)現(xiàn)線粒體、1898年命名、1963年發(fā)現(xiàn)線粒體DNA（mtDNA后，人們 又在線粒體中發(fā)現(xiàn)了 RNA DNAS合酶，tRNA核糖體、氨基酸活化酶等進行 DN復(fù)制、 轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)翻譯的全套裝備，表明線粒體具有獨

2、立的遺傳體系。雖然線粒體也能合成 蛋白質(zhì)，但是合成能力有限。線粒體的1000多種蛋白質(zhì)中，mtDN基因編碼的僅十余種。 線粒體的核糖體蛋白、氨酰tRNA合成酶、許多結(jié)構(gòu)蛋白，都是核基因編碼，在細胞質(zhì)中 合成后，定向轉(zhuǎn)運到線粒體的，因此線粒體是一種 為半自主性細胞器。真核細胞的線粒體是重要細胞器，是動物細胞生成ATP勺主要場所。 線粒體基質(zhì)的三羧酸循環(huán)酶系通過底物脫氫氧化生成 NADH NAD通過線 粒體內(nèi)膜呼吸鏈氧化。與此同時，導(dǎo)致跨膜質(zhì)子移位形成跨膜質(zhì)子梯度和/或跨膜電位。 線粒體內(nèi)膜上的ATF合成酶利用跨膜質(zhì)子梯度能量合成 ATP合成的ATES過線粒體內(nèi)膜 AD/ATP載體與細胞質(zhì)中ADP

3、交換進入細胞質(zhì)，參與細胞的各種需能過程。2 PT的生理學特征正常生理情況下，PT允許相對分子質(zhì)量1500的離子自由通過，通過氧化磷酸化來 驅(qū)動ATP合成酶，維持線粒體膜電位及細胞內(nèi)外的離子平衡。但在凋亡信號刺激下，PT完全開放，直徑約3.0nm,使相對分子質(zhì)量1500的與可溶物質(zhì)非選擇性地自由通過， 這樣就破壞了內(nèi)膜的完整性，引起兩種結(jié)局：離子平衡紊亂，如胞質(zhì)內(nèi)的質(zhì)子增多， pHF降，鈣超載，氧化磷酸化解耦聯(lián)，ATP水平迅速下降等一系列凋亡事件的發(fā)生。 膜電位去極化，基質(zhì)腫脹，使膜間蛋白如細胞色素 C、凋亡誘導(dǎo)和因子、核酸內(nèi)切酶等 釋放入胞質(zhì)，通過啟動半胱天冬氨酸蛋白酶依賴性或非依賴性的級聯(lián)反

4、應(yīng)機制，誘導(dǎo)細胞凋亡或者壞死。凋亡是一個 ATP依賴的過程。3線粒體功能改變引起細胞凋亡的機制"3. 1線粒體釋放細胞色素C細胞色素C是線粒體呼吸鏈的重要組成部分，它是由 兩個無活性的前體分子合成的：前細胞色素C（該蛋白質(zhì)由細胞核基因編碼，然后被轉(zhuǎn)運 至線粒體）和亞鐵血紅素（由線粒體合成）。由于細胞色素c具有亞鐵血紅素基團，它可以 在呼吸鏈復(fù)合酶111（細胞色素還原酶）和2（細胞色素氧化酶）之間傳遞電子。細胞色素C 缺乏時，電子傳遞鏈被阻斷，將導(dǎo)致兩方面的后果：ATF合成減少及不完全氧化造成的超氧陰離子（ROS過度生成，而RO是誘導(dǎo)凋亡的重要因素。線粒體是細胞生命活動控制中心，它不僅

5、是細胞呼吸鏈和氧化磷酸化的中心，而且 是細胞凋亡調(diào)控中心。研究表明細胞色素 C從線粒體釋放是細胞凋亡的關(guān)鍵步驟”1。釋放到細胞質(zhì)中的細胞色素c在dATP存在的條件下能與凋亡蛋白酶活化因子1(apoptosisprotease activating factor l, Apaf 1)結(jié)合1,使其形成多聚體，并促使半胱天冬蛋白酶與其結(jié)合形成凋亡小體(apoptosome)，現(xiàn)已能確定半胱天冬蛋白酶即Caspase 在凋亡過程中是起著必不可少的作用。細胞凋亡的過程實際上是Caspase不可逆有限水解底物的級聯(lián)放大反應(yīng)過程。目前，至少有10多種Caspase被發(fā)現(xiàn)，Caspase分子間的同 源性很高，

6、結(jié)構(gòu)相似，都是半胱氨酸家族蛋白酶，根據(jù)功能可把Caspase基本分為2類：一類參與細胞的jJn-r ；另一類參與細胞凋亡。Caspase家族一般以酶原的形式存在，并 具有半胱氨酸激活位點和底物裂解位點。細胞色素c在dATP存在的條件下與凋亡蛋白酶活化因子 1(apoptosis protease activating factor 1，Apaf一 1)結(jié)合形成的多聚體主要與caspase一 9結(jié)合形成凋亡小體。其結(jié)果是 caspase一9被激活，激活的caspase-9能 夠激活其他的caspase如caspase一3等，從而誘導(dǎo)凋亡。3.2線粒體釋放凋亡誘導(dǎo)因子凋亡誘導(dǎo)因子AIF(apopt

7、osis inducing factor ，AIF)是一種主要的凋亡效應(yīng)蛋白，在體外它可以誘導(dǎo)染色質(zhì)凝聚以及DNAt規(guī)模片段化的形成。激光共聚焦熒光顯微鏡和電子顯微鏡觀察顯示，在正常的細胞內(nèi)，AIF定位于線粒體，被線粒體外膜保留在膜間隙，并與熱休克蛋白60(heat stock protein 60，hsp60)共同定位于線粒體，hsp60被線粒體內(nèi)膜保留于基質(zhì)。當細胞受到誘導(dǎo)凋亡的刺激，如癌基因抑制 藥物神經(jīng)酰胺等作用時，AIF而不是hsp60由線粒體轉(zhuǎn)位至細胞核。這表明僅僅是線粒體 外膜成為有通透性的蛋白。AIF由線粒體至細胞核的再分配，可以被 Bcl 一2阻止，Bcl 一2特異性地保護線

8、粒體 膜穩(wěn)定性，從而阻止AIF由線粒體轉(zhuǎn)位至細胞核。Caspase的廣譜抑制物N一芐氧羰基一 纈氨酸一丙氨酸一門冬氨酰氟甲基酮 (N ben zyloxycarbo nyl Vai Ala Asp fluoromethylketone ，Z VAD fmk)不能阻止AIF的轉(zhuǎn)位。ATP的過度消耗可以引起AIF 轉(zhuǎn)位至細胞核，神經(jīng)酰胺加速AIF的轉(zhuǎn)位。3. 3 線粒體釋放 SmaqDIABLO Smac (the seco nd mitocho ndria derivedactivator of caspase) 又稱為 DIABLO(direct IAP binding protein)，是一

9、種線粒體蛋白，能夠促進細胞凋亡，它通過拮抗或中和一種或幾種凋亡抑制蛋白(IAP)家族成員而發(fā)揮其促凋亡作用0|。當細胞受到紫外線或1 一射線照射時， Smac/DIABLO線粒體進入細胞質(zhì)，Smac/DIABLO勺這種位移可被Bcl 一2抑制?？梢?， Bcl 一2除了通過抑制細胞色素c的釋放來抑制凋亡以外，還可以通過抑制Sma/DIABLO的位移而抑制凋亡。Sma/ DIABLO線粒體移位至細胞質(zhì)，依賴于細胞色素 c的釋放，即首先細胞色素C 從線粒體釋放至細胞質(zhì)。然后Smac/ DIABLC才從線粒體釋放，發(fā)生位移。與細胞色素 c相同的是，Smac/ DIA BL辿是由比較大的核基因編碼。合成

10、后輸送到線粒體。在輸送 過程中，Sma/DIABLO勺N端被切掉而成為成熟的蛋白質(zhì)因子。成熟的Sma/DIABLC以二聚體的形式存在，其單體在N端相互作用而形成分子量約100KD勺二聚體，二聚體形式 的Sma/ DIABLC才有促凋亡的作用。4線粒體功能改變的機制線粒體膜上一種稱為PI'(Permeability Transition,PT)孔道的形成。促凋亡信號會使Caspase激活，而某些Caspase的底物就是位于線粒體膜上的蛋白；胞漿Ca2+水平升高；產(chǎn)生神經(jīng)酰胺等，諸如此類的改變會直接或間接地引發(fā)明PT孔道。PT孔道是由線粒體一些內(nèi)膜外蛋白組成的，定位于內(nèi)外膜接觸點，并可以無

11、選擇地允許w1. 5 kDa分子通過。這個孔道的開放會由于線粒體基質(zhì)內(nèi)的高滲透壓，使線粒體內(nèi)外H+弟度消失，呼吸鏈脫偶聯(lián)，能量產(chǎn)生中斷；還會由于水和溶質(zhì)的進入使基質(zhì)腫脹導(dǎo)致外膜破裂，釋放 出包括細胞色素C在內(nèi)的各種蛋白，而引起細胞凋亡。段秋紅等通過缺血再灌注研究細 胞色素c釋放和跨膜壓的改變判斷線粒體的功能，其研究結(jié)果表明：線粒體功能失調(diào)在 缺血再灌注引起的N2a細胞凋亡過程中可能起到凋亡早期的啟動和隨后的信號放大作 用。5線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔(MPTP的意義線粒體是細胞生命活動的控制中心，它不僅是呼吸鏈和氧化磷酸化的中心，而且是細胞凋亡的控制中心。MPT開放導(dǎo)致線粒體基質(zhì)內(nèi)的高滲透壓，使線粒體

12、內(nèi)外氫離子梯度消失，呼吸鏈脫偶聯(lián)，能量產(chǎn)生中斷；還會由于水和溶質(zhì)的進入使基質(zhì)腫脹導(dǎo)致外膜 破裂，釋放出包括細胞色素C和AIF等線粒體凋亡因子在內(nèi)的各種蛋白，從而啟動細胞凋亡程序，引起細胞凋亡。參考文獻1. 沈方.沈倩細胞凋亡與線粒體通透性轉(zhuǎn)變孔的研究進展期刊論文卜浙江大學學報2005(02)2. 常青.王曉良細胞色素C、線粒體與凋亡期刊論文卜中國藥理學通報2003(03)3. 劉麗君.彭建新.洪華珠線粒體在細胞凋亡中的變化與作用期刊論文卜細胞生物學雜志 2005(02)4. Mootha VK.Wei MC.Buttle KF A reversible component of mitochondrial respiratory dysf un cti on in apoptosis can be rescued y exoge nous cytochrome c 2001(04)5.Sri ni vasa M.Sri nivasula.Ramesh Hegde A con served XIAP-i nteractio n motif in caspase-9 and Smac/DIABLO regu