細(xì)胞色素C心磷脂復(fù)合體和氧化心磷脂及細(xì)胞凋亡

1、細(xì)胞色素C/心磷脂復(fù)合體和氧化心磷脂及細(xì)胞凋亡        【關(guān)鍵詞】  細(xì)胞色素C; 心磷脂    多年來(lái), 認(rèn)為脂質(zhì)通過(guò)構(gòu)成細(xì)胞膜疏水性核而保持其完整性; 但一直忽視了脂質(zhì)其他重要功能, 尤其是信號(hào)機(jī)制。細(xì)胞內(nèi)顯著的多種類脂質(zhì)和大量的特殊脂質(zhì)分子種類不能簡(jiǎn)單地運(yùn)用它們對(duì)適當(dāng)膜流動(dòng)性的保持是必須的觀點(diǎn)加以解釋1。最近發(fā)現(xiàn)脂質(zhì), 尤其是細(xì)胞信號(hào)中不同修飾的脂質(zhì), 在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用2。事實(shí)上, 膜脂質(zhì)是許多合成的第二信使前身的來(lái)源, 常通過(guò)水解從父代脂質(zhì)合成不同的信號(hào)分子。

2、促成脂質(zhì)分子種類多樣性主要在于它們的脂肪酸殘基與極性頭部結(jié)構(gòu)不同組合。哺乳動(dòng)物中, 許多脂質(zhì)含有多不飽和脂肪酸, 它們易被氧化。因此, 巨大數(shù)量脂質(zhì)分子的氧化修飾也許存在。    1  線粒體中的心磷脂及其在凋亡早期局部含量的變化    線粒體中心磷脂(cardiolipin, CL)約占所有脂質(zhì)的25%。真核細(xì)胞內(nèi)心磷脂主要位于線粒體內(nèi)膜(inner mitochondrial membrane, IMM), 然而, 至少65%的CL存在于膜內(nèi)側(cè)從而形成了磷脂的主要成分。每個(gè)CL分子含有4個(gè)脂肪酸殘基。因此, 在理論上有大

3、量可能的CL分子種類。每個(gè)額外的對(duì)脂肪酸殘基的修飾(如對(duì)多不飽和脂肪酸的過(guò)氧化)可以通過(guò)組合增加其數(shù)量。但令人驚訝的是, 許多可能的CL分子種類中僅有極少數(shù)存在于組織中。哺乳動(dòng)物心臟CL主要含亞油酸(C182)3, 而在一些海產(chǎn)雙殼類的CL主要含二十二碳六烯酸(C226)4。人類淋巴細(xì)胞中CL有多個(gè)脂肪酸, 其中包括油酸(C181)和棕櫚油酸(C161) 5。鼠腦CL富含長(zhǎng)鏈多不飽和脂肪酸殘基, 如花生四烯酸(C204), 二十二碳四烯酸(C224)和二十二碳六烯酸(C226)6。    CL在程序性細(xì)胞死亡中起重要作用, 是tBid誘導(dǎo)的線粒體生物能學(xué)失穩(wěn)過(guò)程中

4、的主要因子。凋亡相關(guān)蛋白如Bid和tBid含CL結(jié)合域并顯示出與CL及其代謝產(chǎn)物, 單和雙溶血CL的動(dòng)態(tài)作用7。這些作用在線粒體內(nèi)膜和外膜作用位點(diǎn)可能是十分有效的, 可導(dǎo)致CL跨膜分布的改變和其微結(jié)構(gòu)域的重組, 從而形成易于細(xì)胞色素c（cytochrome c, cyt c）和其他促凋亡因子釋放的一個(gè)六邊形Hn構(gòu)象6。因此, 凋亡時(shí)CL可明顯促進(jìn)外膜通透性增高和cyt c的釋放。正常細(xì)胞中, 約80%的CL存在于線粒體內(nèi)膜, 其基質(zhì)面和膜間隙表面的分布比例約為60407。盡管有約70倍過(guò)剩的CL易與cyt c進(jìn)行化學(xué)當(dāng)量11的結(jié)合, 但大部分CL不是游離8的而是與線粒體傳遞鏈復(fù)合體相互作用。然

5、而凋亡細(xì)胞中, 線粒體外膜CL含量顯著升高至約40%的水平。內(nèi)膜兩面的CL分布也發(fā)生改變, 外層幾乎有70%的CL, 而30%仍局限于內(nèi)層基質(zhì)面。CL這種跨膜遷移出現(xiàn)于凋亡早期, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)先于線粒體膜電位的改變和其他凋亡標(biāo)記, 如質(zhì)膜磷脂酰絲氨酸（phosphatidylserine, PS）外翻, 但晚于活性氧產(chǎn)生。凋亡時(shí)可與膜上cyt c緊密結(jié)合的CL數(shù)量發(fā)生了顯著變化。凋亡時(shí)CL分布改變可能是由于其與tBid相互作用而改變。事實(shí)上, 額外的tBid體外加入小鼠肝線粒體中可導(dǎo)致內(nèi)外膜上CL分布的顯著變化和單溶血（monolyso）CL的集聚。此外低劑量外源性單溶血CL和tBid加入離體線粒體時(shí)

6、, 可出現(xiàn)單溶血CL的集聚, 同時(shí)出現(xiàn)tBid線粒體跨膜遷移和cyt c的釋放。    2  心磷脂與細(xì)胞色素c結(jié)合并改變其催化性質(zhì)    生理?xiàng)l件下cyt c是一個(gè)帶8個(gè)正凈電荷的堿性蛋白。因此, 它易與負(fù)電荷膜包括陰離子(磷)脂膜相結(jié)合。該結(jié)合賦予了cyt c顯著的過(guò)氧化酶活性。這是由于其部分展開(kāi)以及血紅素鐵與Met80配位鍵弱化引起的。因此, 小分子如H2O2易接近c(diǎn)yt c亞鐵血紅素位點(diǎn)從而激活其過(guò)氧化物酶活性。線粒體cyt c/CL復(fù)合體過(guò)氧化物酶活性是CL特異的過(guò)氧化物酶, 可產(chǎn)生過(guò)氧化CL。 

7、0;  靜息狀態(tài)線粒體中大部分CL和cyt c在空間上是分離的, 因此, cyt c過(guò)氧化物酶活性很低。然而, 凋亡時(shí)大量CL跨膜遷移可形成cyt c/CL復(fù)合體并顯著提高cyt c的過(guò)氧化物酶活性。事實(shí)上線粒體膜間可利用的cyt c的數(shù)量, 決定了凋亡時(shí)cyt c/CL復(fù)合體過(guò)氧化物酶水平, 而IMM外層和OMM內(nèi)層的CL含量對(duì)此無(wú)重要影響。cyt c siRNA處理細(xì)胞可導(dǎo)致CL加氧酶水平的降低和與cyt c含量相稱的對(duì)凋亡敏感性的降低。    因此凋亡時(shí)如果有足夠水平的H2O2(與過(guò)氧化物酶的激活所需的量相當(dāng)), cyt c/CL復(fù)合體的過(guò)氧化物酶

8、活性可產(chǎn)生CL過(guò)氧化物。凋亡時(shí)H2O2一個(gè)重要來(lái)源是電子傳遞鏈?zhǔn)д{(diào)產(chǎn)生的高濃度超氧化物, 后者自發(fā)或通過(guò)MnSOD催化岐化可產(chǎn)生H2O2。此外, 與CL結(jié)合的cyt c有一個(gè)負(fù)的氧化還原電位, 妨礙了其參與電子傳遞鏈作為線粒體復(fù)合體III的電子受體。因此cyt c/CL復(fù)合體不能參與復(fù)合體III和IV間的電子傳遞。最近發(fā)現(xiàn)p66(正常情況下是酪氨酸激酶接頭蛋白)可作為凋亡時(shí)H2O2的產(chǎn)生器, 從而產(chǎn)生足夠的促氧化物促進(jìn)CL的氧化9。因此, CL氧化可發(fā)生于各種細(xì)胞的凋亡時(shí)期。電離輻射是促凋亡刺激之一, 可觸發(fā)顯著的依賴cyt c水平的CL氧化。對(duì)小鼠心臟線粒體進(jìn)行電離輻射可致CL氧化產(chǎn)物的積聚

9、, 可代表過(guò)氧化CL總量和質(zhì)譜分析中多不飽和過(guò)氧化CL分子種類數(shù)量的升高。據(jù)此損傷因素(腦創(chuàng)傷損傷后)致組織中細(xì)胞凋亡時(shí), CL過(guò)氧化物的積聚可作為一個(gè)特征性的生物學(xué)標(biāo)記。    3  促凋亡因子的釋放需氧化CL的參與    CL氧化對(duì)于凋亡過(guò)程的意義在于該氧化磷脂對(duì)于促凋亡因子如Smac/Diablo, cyt c、 凋亡誘導(dǎo)因子（AIF）等釋放是必須的10。cyt c缺失細(xì)胞中, CL氧化不能發(fā)生, 促凋亡因子也不能釋放。此外, 外源性奇氯（ClOx）加入cyt c缺失細(xì)胞的線粒體中可促使促凋亡因子Smac/Diablo

10、釋放, 是在正常線粒體促凋亡機(jī)制中ClOx的重要作用。目前, 仍不清楚ClOx是否依賴或與其他促凋亡分子如Bax、  Bak關(guān)聯(lián)來(lái)觸發(fā)這些因子逸至胞質(zhì)。因此, 兩個(gè)促凋亡通路、 CL跨膜遷移和cyt c/CL復(fù)合體形成, 產(chǎn)生了一個(gè)新的信號(hào), 即氧化的CL, 其對(duì)于促凋亡因子由線粒體釋放至胞質(zhì)是必須的。    4  心磷脂二十二碳六烯酸或亞油酸修飾對(duì)凋亡的影響    CL氧化是凋亡程序的早期事件, 刺激CL氧化可能會(huì)提高細(xì)胞的凋亡應(yīng)答; 相反, 抑制CL氧化也可相應(yīng)降低其對(duì)凋亡的敏感性。人工細(xì)胞中可檢測(cè)到CL脂肪酸

11、修飾可改變其對(duì)氧化的敏感性?，F(xiàn)已證實(shí)四油酰CL(tetraoleoylCL)對(duì)cyt c催化的氧化高度耐受, 而四亞油酰CL和CL更多不飽和分子對(duì)促氧化刺激高度敏感。利用含有非常豐富CL分子的HL60細(xì)胞, 其中含有極易被氧化的C226。這些細(xì)胞對(duì)十字孢堿的促凋亡刺激變得十分敏感。相反, 含高含量油酸和飽和脂肪酸殘基CL的細(xì)胞對(duì)凋亡刺激有較高耐受?？梢酝茰y(cè)改變CL對(duì)氧化的敏感性也許是未分化細(xì)胞(如神經(jīng)干細(xì)胞或腫瘤細(xì)胞) 為了獲得對(duì)促凋亡信號(hào)的耐受而依賴的途徑之一。相反, 根除腫瘤細(xì)胞的藥物開(kāi)發(fā)可通過(guò)融合多不飽和脂肪酸殘基至CL上而刺激線粒體CL氧化。方法之一可通過(guò)使用多不飽和脂肪酸殘基作為一種

12、無(wú)毒的營(yíng)養(yǎng)方法。    5  線粒體心磷脂氧化的調(diào)節(jié)與細(xì)胞凋亡的控制    CL氧化是凋亡早期事件,  cyt c/CL復(fù)合體形成也許可成為控制凋亡的重要靶點(diǎn)。CL可利用性是cyt c活化為CL加氧酶的重要階段, 對(duì)CL在線粒體中遷移的調(diào)節(jié)可作為靶點(diǎn)。凋亡線粒體中tBid可刺激CL重新分布, 因此tBid與線粒體相互作用也可作為靶點(diǎn)11?？刂朴欣赾yt c/CL過(guò)氧化酶活性形成的氧化還原環(huán)境是另一個(gè)影響凋亡CL氧化的方法之一。cyt c/CL過(guò)氧化酶中間物的高氧化性電位易被內(nèi)源性底物或外源性物質(zhì)還原12?？箟难?/p>

13、, 半胱氨酸, GSH和其它低分子量的硫氫基, 維生素E同系物是一種類型, 而酚類和含SH藥物代表另一種類型。然而該設(shè)想沒(méi)有考慮重要的結(jié)構(gòu)因素, 它也許可影響大分子還原物質(zhì)與只能與小分子作用的cyt c催化位點(diǎn)靠近。研究發(fā)現(xiàn)丙泊酚可抑制CL的氧化, 小分子NO, 它可作為cyt c/CL過(guò)氧化物酶復(fù)合物活性中間物的還原劑。因此, NO和可釋放 NO的化合物也許可通過(guò)cyt c/CL復(fù)合體而調(diào)節(jié)CL氧化13。此外, 可推測(cè)線粒體NOS參與了cyt c/CL復(fù)合體過(guò)氧化物酶活性的調(diào)節(jié), 從而阻止CL氧化。1        

14、60;    由于cyt c/CL復(fù)合體過(guò)氧化物酶需要H2O2或有機(jī) (脂質(zhì)) 過(guò)氧化物, 除去這些氧化性物質(zhì)同樣可抑制CL加氧酶活性。GSH依賴機(jī)制(GSH過(guò)氧化物酶)14, 硫氧還蛋白以及過(guò)氧化氫還原劑15也許可通過(guò)各自的酶通路有效移除過(guò)氧化物。凋亡時(shí)阻斷傳遞可影響超氧游離基形成16。超氧游離基自發(fā)或通過(guò)MnSOD的催化岐化可產(chǎn)生H2O2, 從而促進(jìn)cyt c/CL復(fù)合體過(guò)氧化酶反應(yīng)。因此, 阻止超氧化物產(chǎn)物也許是抑制CL氧化的潛在機(jī)制。氧化亞氮基團(tuán)也許是理想的清除線粒體超氧化物的物質(zhì)。它可控制超氧游離基和H2O2。首先, 它們易被電子傳遞還原產(chǎn)生羥胺, 從而

15、阻止氧還原為超氧游離基。羥胺基可作為自由基清除劑而產(chǎn)生氧化亞氮, 從而進(jìn)行循環(huán)。第二, 氧化亞氮基團(tuán)可發(fā)揮其類似SOD活性并岐化超氧游離基17。第三, 氧化亞氮的過(guò)氧化氫酶活性可直接清除H2O2。然而這些特性需要線粒體中有較高濃度的氧化亞氮。這一直影響了氧化亞氮抗凋亡方法的利用性。最近的研究表明氧化亞氮顯著的抗凋亡活性可通過(guò)不同的方法將它們有效導(dǎo)入線粒體而獲得18, 19。    線粒體凋亡過(guò)程與CL氧化產(chǎn)物有關(guān), 能抑制CL過(guò)氧化反應(yīng)的脂質(zhì)抗氧化劑也許可作為抗凋亡因子。鬼臼乙叉甙, 一個(gè)凋亡誘導(dǎo)劑, 同時(shí)是一個(gè)有效的脂質(zhì)基團(tuán)清除劑和脂質(zhì)抗氧化劑。凋亡時(shí)CL氧化由

16、緊密結(jié)合的cyt c/CL復(fù)合體過(guò)氧(化)物酶催化, 這可抑制鬼臼乙叉甙與該過(guò)程產(chǎn)生的中間物作用。然而鬼臼乙叉甙可作為過(guò)氧化物酶底物而競(jìng)爭(zhēng)抑制cyt c催化的CL氧化反應(yīng), 這種抑制濃度遠(yuǎn)比其誘導(dǎo)凋亡的濃度高。因此cyt c/CL過(guò)氧化物酶復(fù)合體催化的CL氧化不能被這種藥物促凋亡濃度所抑制。    6  結(jié)語(yǔ)    線粒體凋亡時(shí)膜間隙主要蛋白之一cyt c可與主要膜磷脂CL相互作用, 形成的復(fù)合體不能作為呼吸鏈電子穿梭體, 但可作為CL特異的加氧酶。CL氧化也許是凋亡一個(gè)必須的機(jī)制, 當(dāng)CL氧化如同缺乏CL酵母細(xì)胞一樣變得不

17、可能或無(wú)效時(shí), 旁路途徑也許起作用。cyt c/CL復(fù)合體過(guò)氧化物酶激活對(duì)于凋亡是必須的。氧化CL可促進(jìn)促凋亡因子由線粒體釋放至胞質(zhì)。cyt c這種特性依賴其氧化還原屬性。cyt c氧化還原屬性以及其與不同CL分子相互作用的特性對(duì)于CL氧化及其參與細(xì)胞(包括腫瘤細(xì)胞)對(duì)凋亡敏感性的調(diào)節(jié)是重要的。這種凋亡早期的發(fā)現(xiàn)也為藥物開(kāi)發(fā)提供了新的靶點(diǎn)?！尽?#160; 1 Serhan CN. Mediator lipidomicsJ. Prostaglandins Other Lipid Mediat, 2005, 77(1-4): 4-14.2 Wenk MR. The emerging field

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