內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)的細胞凋亡信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑及關(guān)鍵酶的研究進展

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激介導(dǎo)的細胞凋亡信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑及關(guān)鍵酶的研究進展

細胞死亡，也稱為細胞壞死，通常存在于各種組織中。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激(ERstress,ERS)啟動的凋亡途徑是近年才發(fā)現(xiàn)的一種新的凋亡途徑。它通過激活未折疊蛋白反應(yīng)(unfoldedproteinresponse,UPR)以保護由ERS所引起的細胞損傷,恢復(fù)細胞功能,但是如果損傷太過嚴重,內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定不能及時恢復(fù),ERS則引起細胞凋亡,因此內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與很多因素所致疾病的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān),常見有神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病、糖尿病和病毒感染性疾病以及一些化學(xué)毒物中毒引起的疾病。在凋亡程序的啟動及執(zhí)行過程中,Caspases蛋白酶家族,C/EBPhomologousprotein(CHOP),Bcl-2家族以及凋亡信號調(diào)節(jié)激酶(ASK1)/C-Jun氨苯末端激酶(JNK)是目前證明細胞凋亡過程中起主要作用的生物大分子。以這些生物大分子作為靶點進行藥物研究將為上述疾病的治療開辟新的途徑。筆者將重點介紹這4條信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑以及相關(guān)藥物的研究情況。1perk、atf6、ire-1信號通路誘導(dǎo)細胞凋亡內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能紊亂,包括內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)未折疊蛋白或錯誤折疊蛋白的堆積等,其中由蛋白質(zhì)堆積所引起的一系列后續(xù)反應(yīng)稱為未折疊蛋白反應(yīng)(unfoldedproteinresponse,UPR)。UPR是由1個內(nèi)質(zhì)網(wǎng)分子伴侶GRP78/BIP(glucose-regulatedprotein78/bindingimmunoglobulinprotein)和3個ER應(yīng)激感受蛋白所介導(dǎo)的,分別是PERK(PKR-likeERkinase),ATF6(activatingtranscriptionfactor6)和IRE-1(inositol-requiringenzyme1)。無ERS時,PERK、ATF6、IRE-1分別與分子伴侶GRP78/BIP結(jié)合處于無活性狀態(tài);ERS時,未折疊蛋白在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)堆積使GRP78/BIP從3種跨膜蛋白上解離,轉(zhuǎn)而去結(jié)合未折疊蛋白。解離后的感受蛋白被活化并啟動UPR,降低未折疊或錯誤折疊蛋白在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)的積累,恢復(fù)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的正常功能,是一個促生存響應(yīng)。PERK、ATF6以及IRE-1信號不僅能夠啟動ERS的生存途徑,嚴重或長時間的ERS損傷ER的功能時,這3個信號通路同樣能夠啟動由ERS所介導(dǎo)的凋亡信號通路,誘導(dǎo)細胞凋亡,以去除受損傷的細胞。然而它們并不是直接引起細胞凋亡的,而是通過激活下游的凋亡信號分子,如CHOP/GADD153、JNK、Caspase以及Bcl-2家族等。1.1caspase-12與ers誘導(dǎo)凋亡Caspase-12定位于ER外膜,是介導(dǎo)ERS凋亡的關(guān)鍵分子,在死亡受體或線粒體凋亡途徑中不被活化。Caspase-12缺陷鼠能抵抗ERS引起的凋亡而其他死亡刺激仍可發(fā)生凋亡。表明Caspase-12與ERS介導(dǎo)凋亡機制有關(guān),而與非ERS介導(dǎo)的凋亡無關(guān)。正常生理情況下,Caspase-12與其他的caspases一樣以無活性的酶原形式存在。Caspase-12酶原激活特異地由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)損傷引起,重組Caspase-12切割并激活Caspase-9酶原,活性Caspase-12需與另外內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激分子協(xié)同作用使Caspase-9激活,活化的Caspase-9裂解Caspase-3酶原等效應(yīng)Caspase,效應(yīng)Caspase切割多ADP聚合酶(PAfuP)和多種其他細胞內(nèi)的底物,最終導(dǎo)致細胞凋亡。1.2網(wǎng)應(yīng)激特異性的轉(zhuǎn)錄因子GADD153/CHOP(growtharrestandDNA-damage-induciblegene153或C/EBP-homologousprotein)是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激特異的轉(zhuǎn)錄因子,屬C/EBP轉(zhuǎn)錄因子家族成員。CHOP(C/EBPhomologusprotein)基因也參與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)誘導(dǎo)細胞凋亡。正常情況下,CHOP表達十分低,在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)時,其表達顯著增加。ERS反應(yīng)時,跨膜蛋白IRE1和ATF6活化,其胞漿部份進入核內(nèi),與ERSE(ERstressresponseelement)保守基序CCAAT(N9)GCACG中的GCACG相連,CCAAT被NF-Y(CCAAT-bingingfactor)占據(jù),啟動CHOP轉(zhuǎn)錄與表達,從而誘導(dǎo)細胞凋亡。1.3抗凋亡蛋白bcl-2家族對ers引起細胞凋亡的活性Bcl-2家族在ERS反應(yīng)性凋亡中的作用目前已有報道。Bcl-2家族成員不僅存在于線粒體上,而且也定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上并影響ER的穩(wěn)態(tài)。Bcl-2/Bcl-xl能夠抑制ERS引起的細胞凋亡,Bax和Bak的缺失都可以保護由ERS引起的細胞凋亡,表明Bcl-2家族參與了ERS誘導(dǎo)的細胞凋亡。非應(yīng)激時,位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的促凋亡蛋白Bax和Bak與抗凋亡蛋白Bcl-2結(jié)合而處于無活性狀態(tài)。ER應(yīng)激激活CHOP蛋白和JNK激酶,二者均可以削弱Bcl-2的抗凋亡功能,從而誘導(dǎo)ER膜上Bax和Bak構(gòu)象變化并寡聚化最終導(dǎo)致ER膜完整性的破壞、內(nèi)鈣外流,細胞質(zhì)內(nèi)Ca2+濃度的升高最終可誘發(fā)細胞凋亡。1.4ire-1和traf2-ask1的激活I(lǐng)RE-1介導(dǎo)的XBP1(X-boxbindingprotein-1)的剪接誘導(dǎo)的UPR能夠促進細胞的生存,IRE-1的過表達會促進HEK193(人胚腎細胞)的凋亡。激活的IRE-1,其胞漿的酶結(jié)構(gòu)域招募接頭分子TRAF2(TNF-receptor-associatedfactor2),并與ASK1共同形成IRE-1-TRAF2-ASK1復(fù)合物,既而激活JNK。過表達ASK1會誘導(dǎo)細胞的凋亡,而在ASK1–/–細胞中,ERS則不能誘導(dǎo)JNK的激活以及細胞凋亡,表明ASK1是ERS誘導(dǎo)JNK的激活以及細胞凋亡所必需的。2亡相關(guān)腫瘤、自身免疫疾病細胞凋亡的失衡將導(dǎo)致許多疾病的發(fā)生,如神經(jīng)退行性疾病與神經(jīng)細胞過度凋亡相關(guān),而腫瘤、自身免疫性疾病則與凋亡減弱相關(guān)。由上述可知,Caspases,CHOP等在細胞凋亡機制中發(fā)揮了重要的作用,因此針對它們來進行凋亡保護或促進凋亡以尋找新靶點藥物治療疾病具有重要的理論和實際意義。2.1camp葵抑制劑2.1.1對細胞凋亡的抑制抑制劑細胞因子效應(yīng)調(diào)節(jié)劑A(cytokineresponsemodifierA,CrmA):CrmA是第一個被證實的天然的Caspases抑制劑(Mr38×103),當(dāng)它被水解時,裂解產(chǎn)物緊密結(jié)合在絲氨酸蛋白酶的活性部位上,使酶失活。通過體外實驗證明,它能抑制Caspase-1和Caspase-8(活性抑制常數(shù)分別為Ki=10pmol·L-1和Ki<300pmol·L-1),而對Caspase-3的活性較弱(Ki>100nmol·L-1)。已從哺乳動物中找到CrmA類似物PI9。它通過與Caspase-8和Caspase-10的中間產(chǎn)物的活性形式相互作用而發(fā)揮對細胞凋亡的抑制作用。有研究表明,轉(zhuǎn)染CrmA能夠有效地抑制由Caspase28介導(dǎo)的心肌細胞凋亡,從而提高心肌細胞對缺氧的耐受能力。p35蛋白是桿狀病毒產(chǎn)生的一種(Mr35×103)。它能阻止被感染的細胞進入凋亡。它抑制Caspase活性的作用機制與P1位點被Caspase水解后導(dǎo)致亞單位與Caspase形成穩(wěn)定的復(fù)合體有關(guān)。它能抑制哺乳動物細胞的Caspase-1,-3,-6,-7,-8和-10的活性。有研究發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)染p35基因可以阻止果蠅胚胎發(fā)育過程中的細胞凋亡;在小鼠中,p35的表達使胸腺細胞能夠?qū)追N凋亡誘導(dǎo)劑的刺激產(chǎn)生抵抗作用。凋亡抑制蛋白(IAPs):IAPs是惟一內(nèi)源性的Caspases效應(yīng)酶抑制劑。主要通過抑制Caspase某些成員的活性而抑制凋亡,它們能直接抑制Caspase-3,-7和-9的活化形式以及Caspase-9的前體。目前至少發(fā)現(xiàn)了7種人類的IAPs:NAIP、c-IAPI(HIAP2)、c-lAF2(HP1)、XlAP(hILP)、BRUCE、Sur-vivin和Livin(ML-IAP)等。Survivin和Livin能與Caspase-3和-7直接結(jié)合并抑制其活性,Livin還能抑制Caspase-9的活性。Survivin和Livin在正常細胞中不表達或低表達,但是在胚胎及腫瘤細胞中則異常表達,提示抑制其表達將有可能成為腫瘤治療的新策略。2.1.2caspases抑制劑抑制劑肽類模擬物抑制劑:二肽廣譜Caspases抑制劑MX1013,在腦缺血、Fas介入的肝損傷和急性心肌梗塞的凋亡動物模型中都顯示了明顯的效果,而且對非Caspases的蛋白酶的活性都比較差,在很多細胞模型中,0.5μmol·L-1劑量下就能抑制凋亡。IDN-6556(3-{2-[(2-tert-butyl-phenylaminooxalyl)-amino]-propionylamino}-4-oxo-5-(2,3,5,6-tetrafluoro-phenoxy)-pentanoicacid)是廣譜性的不可逆的Caspases抑制劑,它對Caspase-1,-3,-6,-8的抑制活性都較強。實驗證實,肝損傷的嚙鼠動物在給予3g·L-1的IDN-6556后能夠顯著降低丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶(ALT),細胞凋亡和Caspase的活力。Anilinoquinazolines(AQZs)是一個小分子Caspase-3抑制劑。AQZs抑制人類Caspas-3的Ki值在90~800nmol·L-1內(nèi)。異喹啉-1,3,4-三碘甲狀腺氨酸衍生物是一類新型的Caspase-3抑制劑,能夠在1mg·kg-1的低劑量下顯著減輕大鼠大腦中動脈暫時性栓塞所致的神經(jīng)損傷,這說明此類化合物具有潛在的抗腦缺血作用。2.2內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)劑多柔比星能夠顯著降低由毒胡蘿卜素引起的凋亡。實驗中應(yīng)用毒胡蘿卜素(一種內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)劑,能夠引起未折疊蛋白反應(yīng))和多柔比星來誘發(fā)人乳栗細胞MCF7的凋亡。結(jié)果證實,多柔比星能夠顯著降低毒胡蘿卜素誘導(dǎo)的凋亡,并發(fā)現(xiàn)多柔比星發(fā)揮作用伴隨有UPR-特異的凋亡前體蛋白CHOP的表達減少。2.3氨基酸誘導(dǎo)的dr5表達及肺癌發(fā)展二吲哚基甲烷及其衍生物通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激依賴的DR5增量調(diào)節(jié),提高CHOP的表達,誘導(dǎo)了胰腺癌細胞的凋亡。法呢?；D(zhuǎn)移酶抑制劑lonafarnib誘導(dǎo)了CHOP依賴的DR5的表達,從而導(dǎo)致了人類癌細胞的凋亡。Cephalostatin1增加了CHOP的表達,CHOP的過表達導(dǎo)致了細胞周期的停滯和凋亡。從而為抗癌提供新思路。同時,Cephalostatin1還能激活A(yù)SK1/JNK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑,并能在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激中激活Caspase-12。2.4蛋白酶體抑制劑5,7-dihydroxy-8-nitrochrysin(NOChR)通過激活PPARγ和降低Bcl-2/Bax的比率來誘導(dǎo)人類胃癌SGC-7901細胞系的凋亡。Bortezomib(Velcade,PS341)是一種蛋白酶體抑制劑。它在20S的核內(nèi)通過與糜蛋白酶相似位點可逆的結(jié)合來抑制蛋白酶體。它是第一個應(yīng)用于多發(fā)性骨髓瘤和實體瘤的臨床實驗中的蛋白酶體抑制劑。在MCL(外套細胞淋巴瘤,是一種成熟的B-細胞淋巴瘤)中加入bortezomib后會導(dǎo)致磷脂酰絲氨酸的暴露,線粒體去極化,ROS的增殖,Bax和Bak的構(gòu)像改變,Caspase的激活等,從而誘導(dǎo)淋巴瘤細胞的凋亡。2.5保護6-羥基多肽的作用最近研究顯示,MLK3(mixed-lineageKinase3)和ASK1(apoptosis-inducingKinase1)都與缺血誘導(dǎo)的神經(jīng)細胞死亡有關(guān)。該細胞死亡是由MLK3/JNK3和ASK1/JNK信號途徑介導(dǎo)的。K252a原本只是Trk(酪氨酸激酶原癌基因)的抑制劑,新近研究發(fā)現(xiàn),K252a能夠通過抑制MLK3/JNK和ASK1/JNK3的級聯(lián)放大來保護6-羥基多巴胺損傷。此外,K252a還能經(jīng)由JNK的核途徑和非核途徑,降低6-羥基多巴胺毒素介導(dǎo)的對多巴胺能細胞體和突觸的損傷。因此在帕金森病的治療中,K252a可能具有重要的神經(jīng)保護作用。亞硒酸鹽是一種基本的生物微量元素,已經(jīng)證實對與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)有關(guān)的調(diào)節(jié)蛋白有調(diào)整功能,并且能夠影響細胞的生長,生存和死亡。在大鼠海馬腦缺血早期再灌注模型中,亞硒酸鹽能夠通過激活抗凋亡PI3K/AKT途徑來顯著抑制ASK1/JNK級聯(lián)反應(yīng)的激活。這給我們提供了一個新的暗示,抗氧化劑可能通過激活PI3K/AKT途徑,抑制ASK1/JNK級聯(lián)放大反應(yīng)來降低氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的局部缺血性腦損傷。亞硒酸鹽還能夠通過上調(diào)Bcl-2的表達,線粒體膜電位,ATP增殖來增加細胞增殖。亞硒酸鹽還能夠阻斷過氧化氫誘導(dǎo)的凋亡,這與阻斷ASK1有關(guān)。亞硒酸鹽還能阻斷Caspase-9和-3的活化。這些觀察結(jié)果闡明了亞硒酸鹽是通過激活抗凋亡信號來增加細胞增殖的。3