線粒體相關(guān)物質(zhì)與細(xì)胞凋亡

1、線粒體相關(guān)物質(zhì)與細(xì)胞凋亡         11-03-28 10:15:00     作者：趙小祺 王小榮 張靜    編輯：studa20【關(guān)鍵詞】  細(xì)胞凋亡;線粒體;細(xì)胞色素C;活性氧;凋亡誘導(dǎo)因子“凋亡”一詞源于希臘文，意為“花瓣或樹葉的枯落”，是1972年由病理學(xué)家Kerr等1首先提出的一個(gè)不同于壞死的死亡概念，指由體內(nèi)外因素觸發(fā)細(xì)胞內(nèi)預(yù)存的死亡程序而導(dǎo)致的程序性細(xì)胞死亡(programmed cell death，

2、PCD)。凋亡細(xì)胞中可出現(xiàn)各種生化改變?nèi)鐑?nèi)源性核酸內(nèi)切酶激活、半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶(cysteincontaining aspartatespecific protease，caspase)的激活及DNA的片段化斷裂等，其中，caspase被認(rèn)為是凋亡的主要執(zhí)行者。目前認(rèn)為凋亡主要經(jīng)過(guò)兩條死亡通路2：一條是外源性通路，即死亡受體介導(dǎo)的凋亡通路，此通路由死亡受體及配體系統(tǒng)激發(fā)的凋亡信號(hào)下傳至啟動(dòng)性caspase8，然后激活效應(yīng)性caspase蛋白酶而引發(fā)細(xì)胞凋亡;另一通路稱為內(nèi)源性通路，即線粒體介導(dǎo)的凋亡通路，細(xì)胞損傷后線粒體功能障礙，膜通透性改變，凋亡蛋白包括細(xì)胞色素C(cytochrome

3、c，Cytc)、凋亡蛋白酶激活因子(apoptosis protease activation factor1，Apaf1)、caspase蛋白酶、細(xì)胞凋亡誘導(dǎo)因子(apoptosis induced factor，AIF)等從線粒體釋放到胞漿，隨之引起caspase瀑布式活化和細(xì)胞死亡。可見，凋亡的過(guò)程復(fù)雜，涉及因素較多，其中線粒體的作用不容忽視，線粒體的結(jié)構(gòu)和功能的改變，能加速核凋亡特征的出現(xiàn)，并是控制細(xì)胞凋亡進(jìn)程的關(guān)鍵。有學(xué)者認(rèn)為線粒體在凋亡中起著中心的調(diào)控作用，在某種意義上，可以決定細(xì)胞的生存或死亡。本文綜述線粒體相關(guān)物質(zhì)：Cytc、活性氧、Bcl2蛋白家族、AIF在細(xì)胞凋亡中的作用。

4、1 線粒體釋放Cytc與細(xì)胞凋亡Cytc由核基因編碼的多肽和線粒體編碼的亞鐵血紅素組成，定位于線粒體內(nèi)膜的外側(cè)，是線粒體呼吸鏈中傳遞電子的載體，關(guān)于它在氧化磷酸化及ATP形成中的作用早已為人熟悉。1996年，得克薩斯西南醫(yī)學(xué)研究中心的王曉東小組最先提出了Cytc在細(xì)胞凋亡中的重要作用3，之后的研究又證實(shí)Cytc基因敲除的細(xì)胞對(duì)凋亡具有明顯的耐受性?，F(xiàn)在普遍認(rèn)為Cytc從線粒體到達(dá)胞漿是多種細(xì)胞凋亡的共同途徑4。在細(xì)胞凋亡出現(xiàn)特征性的核改變之前，均觀察到線粒體跨膜電位(m)的下降。m是由線粒體內(nèi)膜兩側(cè)電子的不對(duì)稱分布形成的，正常的m是細(xì)胞生存所必需的。m下降說(shuō)明線粒體膜通透性轉(zhuǎn)運(yùn)孔(mitoch

5、ondrial permeability transition pore，MPTP)開放，線粒體膜通透性升高，此時(shí)水和小分子物質(zhì)可自由通過(guò)，水和溶質(zhì)內(nèi)流導(dǎo)致線粒體腫脹。由于線粒體內(nèi)膜向腔內(nèi)形成嵴，延展性相對(duì)較大，內(nèi)膜面積大于外膜，故水腫后外膜先破裂，位于膜間隙的Cytc便釋放入胞漿5。Cytc釋放到細(xì)胞漿中后其血紅素亞鐵位點(diǎn)發(fā)生亞硝基化修飾，這種修飾有利于Cytc與Apaf1的結(jié)合，經(jīng)亞硝基化修飾后的Cytc與Apaf1的羧基端特定序列結(jié)合，同時(shí)胞漿中的dATP和(或)ATP與Apaf1的核苷酸結(jié)合結(jié)構(gòu)域結(jié)合，從而促進(jìn)Apaf1發(fā)生構(gòu)象變化并暴露出CARD(caspase activation

6、 and recruitment domain)，CARD是Apaf1N末端的一個(gè)Caspase募集結(jié)構(gòu)域。隨后Apaf1再與procaspase9的CARD結(jié)合。至此，Cytc、dATP、Aapf1和procaspase9組成聚合體稱為凋亡復(fù)合體(apoptosome)。procaspase9與其周圍募集的其它procaspase9相互靠近，發(fā)生自水解而活化，活化的Caspase9再激活下游的Caspase效應(yīng)分子procaspase3、procaspase6和procaspase7，這些蛋白酶通過(guò)多個(gè)途徑作用于細(xì)胞骨架蛋白、DNA修復(fù)調(diào)節(jié)因子、細(xì)胞周期調(diào)節(jié)蛋白等，引起細(xì)胞DNA修復(fù)功能喪失

7、、核酸內(nèi)切酶激活、DNA片段化等，最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡6。關(guān)于procaspase9的來(lái)源，有研究發(fā)現(xiàn)，它位于線粒體內(nèi)膜上，在凋亡刺激信號(hào)的作用下才釋放入胞液7。2 線粒體產(chǎn)生活性氧與細(xì)胞凋亡活性氧(reactive oxygen species，ROS)包括超氧陰離子、過(guò)氧化氫和羥自由基等。ROS增多的機(jī)制包括黃嘌呤氧化酶增多、線粒體功能受損、中性粒細(xì)胞聚集和兒茶酚胺氧化等。在凋亡發(fā)生時(shí)，線粒體呼吸鏈電子傳遞障礙是產(chǎn)生ROS的主要原因。眾所周知，Cytc是呼吸鏈中傳遞電子的重要載體，能將電子從復(fù)合體傳給復(fù)合體，凋亡初期，Cytc從線粒體釋放到胞漿，線粒體內(nèi)Cytc減少，則電子從Cytc傳遞給復(fù)合

8、體減少，而導(dǎo)致線粒體內(nèi)電子超載，過(guò)量的電子從呼吸鏈中逃逸出來(lái)，并與O2作用產(chǎn)生超氧陰離子。大量的超氧陰離子進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)镠2O2和其它ROS?？梢奀ytc釋放導(dǎo)致線粒體內(nèi)的Cytc缺乏，是促進(jìn)ROS生成的主要原因8。反之，ROS引起的脂質(zhì)過(guò)氧化破壞線粒體膜，又促進(jìn)了Cytc的釋放，二者形成正反饋，共同參與細(xì)胞凋亡的進(jìn)程。線粒體DNA(mtDNA)與核DNA相比缺乏組蛋白保護(hù)，容易受到ROS的損傷，大量產(chǎn)生的ROS使mtDNA編碼的呼吸鏈復(fù)合物的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化，電子傳遞效率降低，影響氧化磷酸化及ATP生成，出現(xiàn)線粒體功能異常，線粒體膜通透性改變，Apaf1、Cytc等凋亡蛋白釋放，caspas

9、e激活，最終細(xì)胞經(jīng)內(nèi)源性通路走向凋亡9。此外，呼吸鏈復(fù)合物功能異常及電子傳遞障礙又生成大量ROS，形成惡性循環(huán)。除損傷mtDNA引起凋亡外，ROS本身還可使線粒體膜脂質(zhì)過(guò)氧化、膜流動(dòng)性降低、線粒體內(nèi)外膜蛋白過(guò)氧化，蛋白質(zhì)交鏈，造成MPTP開放，線粒體膜通透性升高，m下降，線粒體凋亡相關(guān)物質(zhì)釋放，引起細(xì)胞凋亡10。2蛋白家族介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡Bcl2蛋白家族主要位于線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上，根據(jù)Bcl2家族成員結(jié)構(gòu)和功能的不同分為三大類：促凋亡成員，如Bax和Bak;抗凋亡成員，如Bcl2和BclXL;BH3only死亡蛋白，如Bid等。其中前兩種類型在細(xì)胞凋亡發(fā)生過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。3.1 Bcl2家

10、族促凋亡蛋白的作用Bax通常以非活性單體的形式存在，其C末端的螺旋結(jié)構(gòu)隱藏在其BH13結(jié)構(gòu)域所形成的疏水性裂縫中。當(dāng)損傷因素刺激后，Bax發(fā)生構(gòu)象的改變，暴露螺旋結(jié)構(gòu)，螺旋結(jié)構(gòu)的C末端插入到線粒體的外膜，隨后，線粒體外膜上Bax多聚化，形成膜通道11，通過(guò)此通道，Cytc便從線粒體釋放出來(lái)。還有研究認(rèn)為12，Bax可能作用于電壓依賴性陰離子通道(voltagedependent anion channel，VDAC)，使VDAC結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。VDAC是MPTP的組成部分，VDAC結(jié)構(gòu)發(fā)生改變后，MPTP失去電壓依賴性和對(duì)離子通透的選擇性，從而導(dǎo)致Cytc釋放。Bak在受到凋亡信號(hào)刺激后也能發(fā)生空間構(gòu)象的改變，但不同于Bax，因