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细胞凋亡的线粒体通路

2020-08-15 来源:华拓网
北京大学学报(医学版) JOL1LNAL oF PEKING UNIVE.RSITY(HEALTH SCIENCES)Vol 34 No 1 F*b ̄A)O2 海外学者论坛· 细胞凋亡的线粒体通路 方敏,王晓东 (美国德克萨斯大学西南医学中心生物化学系&Howard HLlg西医学研究所) [美键词]凋亡;细胞/t 谢;细胞/遗传学 [中固分类号]Q255 [文献标识码]A [文章编号]1671 167X(2002)01 0001—10 对细胞死亡的研究可毗追溯到一个多世纪以 色质凝集,从其周围的组织中脱落并被吞噬,机体无 前 但是直到最近一二十年,人们才认识到:细胞死 炎症反应。1972年Kerr等- 在英国癌症杂志发表 亡是一个主动过程,是细胞外界环境因素与细胞自 论文,首次提出细胞凋亡(apoptosis)的概念。apop— 身综台作用的结果;正如细胞有丝分裂一样,该过程 losis一词来源于希腊文,指叶片从树上凋落之意。 的启动和进行受到基因的精确调控;细胞死亡源于 可见apoptosis形象、恰当地定义了这种细胞死亡的 这些基因产物的相互作用。 动态学特征。正是由于在这一点上程序性细胞死亡 根据起源、性质和生物学意义可将细胞死亡分 和凋亡的表现如此一致,所以现在大多数学者对程 为两种不同的类型,即凋亡(apoptosis)或称程序性 序性细胞死亡和凋亡已不加区分。 细胞死亡(prc ̄-rammed cell death)和坏死(necrosis)。 前者是一种受基因调节的自主控制过程,在生物个 1概述 体发育和生毒中起着非常重要的作用;而坏死则是 对细胞凋亡分子机制的早期认识来自于对一种 细胞处于剧烈损伤条件下发生的细胞死亡。在体 线虫类动物Caenohabditic e ̄gans的遗传学研 内,两者最大的区别是前者不能引起机体炎症反应, 究 J。在线虫发育过程中,总共1 032个细胞中的 而后者则可引起炎症反应。因此在生理和绝大多数 131个需要在发育的不同阶段死亡。麻省理工学院 病理条件下的细胞死亡都呈现凋亡或程序性细胞死 的Robert Horvitz领导的研究小组采用体细胞突变 亡的典型特征 的方法发现共有14个基因在C e ̄gans细胞凋亡 其实,从严格的词学意义上来说,程序性细胞死 中起作用,其中在细胞凋亡的实施阶段起作用的主 亡和凋亡是有很大区别的。程序性细胞死亡的概念 要是ced一3、ced-4及ced一9。这3个基因的产物毗线 是1956年提出的,特指在生物机体发育的不同阶段 性方式互相调节,其中ced.4可以结台ced-3并且导 出现的细胞死亡现象。例如,两牺类动l物变态过程 致ced 3活化。而ced-9位于oed一3及ced-4的上游, 中尾部的消失伴随大量细胞的死亡,高等哺乳类动 可以结告ced一4和ced-3并抑制ced一3的活化【3j。 物指间蹼的消失、颚融合、视网膜发育以及免疫系统 1993年,Horvitz实验室的袁均英 发现了ced 下载、外文文献检索下载服务 购买地址: http://wxfw.taobao.com的正常发育都必须有细胞死亡的参与。这些形形色 3在哺乳动物中的同源蛋白白细胞介素一1转换酶 色的在机体发育过程中出现的细胞死亡有一个共同 (ICE)。但是在哺乳动物细胞中情况要复杂得多, 特征,即散在地、逐个逐个地从正常组织中死亡和消 迄今为止已发现14个类似蛋白。现在称为半胱氨 失,机体自身无炎症反应,而且对整体的发育是有利 酸蛋白水解酶(easpase)1—14,简祢胱解酶。总的来 的。因此程序性细胞死亡是一个发育学概念。与此 说,它们有以下几个共同点:首先,它们都是四聚体 相比较,细胞凋亡则是一个病理学概念。 的蛋白水解酶,由两个大亚基(17~22 kI])及两个小 1965年,澳大利亚科学家Kerr发现,结扎鼠肝 亚基(10~12 ko)组成,大、小亚基由同一基因编码, 门静脉后,电镜观察到肝实质组织中有一些散在的 起被转录翻译成分子量较大的前体蛋白,然后都 死亡细胞。这些死亡细胞的溶酶体系统并未破坏, 在其一级结构的Asp—x(x倾向干小型氨基酸)位点 显然不同于细胞坏死。通常这些细胞体积收缩、染 被切割产生两个活性亚基;其次,它们都具有极其相 基盒项目:HowardHuges医学院 NIH及Wdeh基金资助Su0port ̄byHowardHugesMedicalCollege,NIH andWelch △ 砌t0 Memb ̄of JPekingUniv(Ffmtth Sc/),Ⅻ 咖author.Tel,001 214—648 ̄713,口 ,xwang@biod ̄em svaned. 专业提供学术期刊、学位论文北京大学学报(医学版) JOURNAL OF pEKING UNIVERSITY(I ̄ALTH SCIENCES)Vol 34 No.1 Feb 2002 似的活性位点及底物结台位点,利用其天冬氨酸为 活性基团切割底物的Asp—x位点。高等哺乳动物细 胞凋亡的主要可见特征:细胞质出泡、细胞核出泡、 酶9 J。在正常细胞中,eytc是线粒体蛋白,存在于 线粒体内、外膜间.在电子呼吸传递链中起重要作 用。在细胞凋亡过程中,cytc可以从线粒体释放进 入细胞质,与细胞质中其它两个蛋白Apaf_1和胱解 酶9相互作用,导致胱解酶活化_9 J。我们的发现首 次明确了细胞凋亡与线粒体分子水平上的联系。以 后,越来越多的线粒体蛋白被证明在细胞凋亡过程 染色质凝聚、DNA片段化都是由于胱解酶活化的结 果。例如,活化的胱解酶可以降解细胞骨架蛋白 aetin、fordrln等,从而导致细胞质、细胞桉出泡。胱 解酶活化的重要性可以从其对细胞凋亡过程中 DNA片段化的作用碍到典型的证明。1997年我们 实验室纯化了一种舟导胱解酶活化和DNA片段化 的因子,我们将其命名为DFF。DFF为异源二聚体 棱蛋白。它由两个亚基组成:小亚基40 kD,具有由 切棱酸酶活性并与组蛋白H1及HMG有特异的亲 中起了无法替代的作用。从此,确立了线粒体在高 等哺乳动物细胞凋亡中的中心作用。 3线粒体的细胞凋亡分子 3.1细胞色素C(cytc) 台性;大亚基45 kI),为活性调节亚基,正常情况下 与DFF40结台在一起抑制了DFF40的棱酸酶活 性。细胞凋亡过程中一旦胱解酶被活化,将切割 DFF45.这样游离的DFF40将结台到含有组蛋白 H1的染色质破小体“linker”区域,切割DNA,使之 产生 核小体I)NA长度为基数的I)NA片段[5,61。 因此,细胞凋亡过程中胱解酶的活化是非常重要的。 2胱解酶活化的机制——细胞凋亡线粒体通路的 发现和确立 cytc是第一个被鉴定的线粒体的细胞凋亡分 子 在正常细胞中cytc位于缦粒体内、外膜之间, 在电子呼吸传递链中起重要作用。但是当细胞被诱 导凋亡时,cytc却可以从线粒体释放进入细胞质,启 动胱解酶活化l J。活化过程的第一步为cytc与 Apa ̄l结合。Apaf-1是第一个哺乳动物细胞中ced一 4同源物。它含有3个不周的结构域:CARD(cas— pase recruitment domain)结构域、∞d_4同源物结构 域(含有核苷酸结合序列)及12-13个WD-40重复 区l“J。正常情况下,尽管Ap ̄-i含有核苷酸结合 位点,但其结合ATP或dATP的能力很弱。一旦 其实,在发现这个通路之前,已有一些实验证据 表明线粒体可能在细胞凋亡中起作用。虽然bd一2 也分布在细胞质、核膜及内质网,但是哺乳动物细胞 中ced-9的同源物bcl一2主要定位于线粒体膜,另 外,1994年,Newmeyer等L7 J在研究爪蟾卵细胞提取 物的无细胞凋亡体系时发现卵细胞提取物的缦粒体 组分可以诱导游离细胞核的染色质凝集,提示线粒 体在细胞凋亡中起作用。但由于Jackson等 J证明 缺失线粒体DNA的细胞也可正常凋亡,使人们在 这个问题上再度陷入了困惑。 Apaf一1与cyte结台,Apaf-1结台ATP或dATP的亲 和力至少提高10倍,其原因可能是c c与Apaf-1 的结合导致ApM-1构象变化,从而打开了Apaf_1上 的核苷酸结台位点,或者cy[c与Apaf-1的结台进一 步稳定了Apaf-1与ATP或dATP的结台。但是 Apaf一1与eytc的结合本身并不需要ATP或 dATP_I 。Apaf-1 kyte复合物与ArrP&ATP的结 合擞发其乡聚化从而形成凋亡体(apoptosome)【l3 J。 1995年当我 进入细胞凋亡领域时,已经知道 胱解酶活化在诱导细胞凋亡过程中起着非常重要的 作用。因此当时最重要的问题就是要回答胱解酶是 因此凋亡体是乡个Apaf-1 bte复合物的多聚体。 在凋亡体上.Apaf-1的CARD结构域向外暴露,以 吸引同样具有CARD结构域的胱解酶9前体到凋 亡体上来。胱解酶9前体结合到凋亡体上后将引起 自活化(Auto-activation)。只有结合在凋亡体上的 胱解酶9才能有效地切割和活化下游的效应肫解 酶,如胱解酶3lt4]。这些效应胱解酶的活化可以导 致细胞凋亡过程中的一系 形态和生化特征,如染 色质凝聚、DNA片段化、核膜崩解、磷脂酰丝氨酸的 外翻等等 怎样活化的。在工作中我们注意到解决这个问题的 主要障碍是细胞内的各种胱解酶可 互相活化,固 此利用已被诱导凋亡的细胞提取物建立的无细胞胱 解酶活化体系来研究这小问题是行不通的。所以我 们在工作之初就提出能否在正常细胞提取物中外加 诱导因子,体外活化胱解酶的设想。我们发现正常 细胞提取物中加凡1 mmol&kTP可以诱导胱解酶3 活化。利用这个反应作为标准,我们从细胞中提纯 了3个蛋白,它 :的存在是dATP活化胱解酶必需 的。这3个蛋白是细胞色素C(cytc)、Apaf-1和胱解 基因敲除(gene knock—OUt)实验的结果进一步 证实了我们提纯的这些因子在细胞凋亡中的重要作 用。在小鼠中,Apafd、胱解酶9或胱解酶3基因的 缺先导致个体发育过程中应该死亡的神经细胞不正 方敏,等细胞嗣亡的线粒体通路 ·3· 常存活,使小鼠出现畸形露脑(exencephaly)、畸形颅 墁粒体定位序列。当Smac蛋白被转运进入线粒体 裂(cranioschesis)和脊椎裂(spina biifda)的表 后,这段序列被切去以形成成熟的 蛋白。这 型 15 ̄20-。从这些小鼠中分离的胚胎干细胞和成纤 段定位序列的切割使成熟的 蛋白产生一个新 维细胞对多种损伤信号,如紫外线、 射线及化疗药 的N基端,这个N基端的前面4个氨基酸AIa-VaL 物诱导的细胞凋亡具有抗性。另外,cyte基因敲除 Pr Ile(AVPI)可蹦与IAPs(凋亡抑制蛋白)的BIR 的小鼠死于胚胎8.5 d,从这些小鼠胚胎中分离的 结构域结台[26 J。IiPs是一个很大的蛋白家族,其 cytc基国缺失细胞也表现出对各种刺激诱导的细胞 成员都台有一个或多个BIR结构域,BIR结构域可 凋亡的抗性 。这些基因敲除实验的结果同时证 以抑制活化胱解酶的活性。有活性的Smac蛋白N 明了eyte、Apaf一1、胱解酶9及胱解酶3之间的线性 端裸露的Ala氨基酸是Slnac结合lAP所必须 调节关系。在正常细胞受到细胞凋亡刺激时,ApaP 的‰q 。因为只有当Smac进入线粒体后切去信 1会多聚化毗形成凋亡体。但在cytc缺失的细胞 号肽,才会暴露出Ala的残基。因此Smac的线粒体 中,Apaf-1始终 单体形式出现_2 。而Apaf一1或 定位是其发挥功能所必须的[27 J。活化Smac的N 胱解酶9缺失的细胞被诱导凋亡时,eyte可从线粒 端4个氧基酸与活化胱解酶9中负责与X-IAP结 体正常地释放进入细胞质,但却没有胱解酶3的活 合的位点(A1a-Val—Proqle)非常类似 。在胱解酶 化L J。 9前体蛋白中,这个4肽序列不能暴露。但当胱解 我们知道,线虫中ted一3和col一4的缺失突变抑 酶9被活化后,胱解酶9前体被切割成大、小两个亚 制所有发育阶段的细胞死亡。但在高等哺乳动物中 基,这个4肽序列因此暴露,胱解酶9可阻与IAP 情况有很大的不同。这些基因缺失的小鼠尽管没有 结合,这样胱解酶的活化被抑制。Sln ̄c的功能就是 胱解酶活化,但除了神经细胞过多外,大多数的器官 拈抗活化胱解酶9与IAP的结台 。 发育正常。一些基因缺失的小鼠甚至可 存活到成 除了X—IAP的BIR3结构域外,Smac也可以通 年阶段。一个显然的解释是,在哺乳动物中还有其 过X-lAP的BIR2结构域同X-lAP形成稳定的复合 它细胞凋亡通路可以弥补Apaf一1的缺失。但是人 物L30一。Smac/Diablo与BIR2的结台也可以中和x— 类基因组搜索结果表明,Apart是哺乳曲物中唯一 IAP对胱解酶9的抑制。 的与线虫cod一4具有同源性的蛋白。另外,Apaf-1 Smac/Ⅱabl0、活忧胱解酶及其与taps之间的 缺失小鼠的胚胎细胞或成纤维细胞受到凋亡刺激 竞争和拮抗展示了细胞内非常有趣的反馈调节系 (如剥夺血清、紫外线、药物等)后,尽管胱解酶没有 统。一旦cytc从线粒体释放出来,cytc可以 很高 活化,但是细胞仍然会死亡,其死亡的速率较之正常 的亲和性同Apaf-1结合,诱发凋亡体的形成和胱解 野生型细胞要慢L , 。与此观察相一致,在Apaf-1 酶的活化。但是,如果细胞内存在高水平的lAP, 缺失小鼠发育过程中,指间蹼也可正常消失,但比正 lAP可 抑制凋亡体ee活化胱解酶的活性。这种抑 常小鼠推迟1天,而且此过程中的细胞凋亡无胱解 制很可能是不可逆的。因为绝大多数IAP都含有 酶活化,形态上更类似细胞坏死l23 J。 Ring指结构域,它可以得与之结台的胱解酶定位于 现在看来,线虫细胞凋亡与哺乳动物细胞凋亡 蛋白酶小体(proteosome)上降解[31,32J。这种安全保 的主要不同在于线粒体 在前者的细胞凋亡中起作 护系统对细胞来说是十分重要的。因为cytc是很 用,但却在后者的细胞凋亡中起重要作用。在线虫 小的分子,在鳗粒体分裂、细胞分裂中期甚至某些正 中,胱解酶的活化是由于ced一9从ced一3 ked一4复合 常条件下都可能偶尔从线粒体漏出,因此细胞内的 体上解离而导致的。而在哺乳动物细胞中线粒体控 这个体系保证细胞在此情况下仍能渡过“危急”状态 制着细胞凋亡,因为在正常细胞中线粒体将一些细 而不至于凋亡[26一。相反,如果细胞受到严重和持续 胞凋亡分子禁闭在线粒体内,只有在受到细胞凋亡 的损伤, ̄llfC将和cytc一起释放进入细胞质,cytc 刺激后才释放。最近的研究进展表明,除cytc外, 导致胱解酶活化,Smac拮抗IAP的抑制作用,导致 还有其它几种线粒体蛋白可 从线粒体释放出来诱 细胞走向凋亡。 导细胞凋亡。 Sln ̄c和IAP之间的相互作用对细胞凋亡的调 3.2 Smac/D ab10 节并不仅仅局限于细胞凋亡的线粒体途径。细胞表 Smac/Diablo是25 kD的线粒体蛋白,在细胞 面死亡受体及它们的配体(如FAS/FASL和trail 凋亡过程中它可以从线粒体释放进入细胞质 , 。 受体/trail)能够直接启动胱解酶活化_3 。但是由 Slnac是由榱基因编码的,其N端有55个氨基酸的 于这条通路和毁粒体cytc通路在胱解酶3活化这 北京大学学报(医学版) jOURNAL OF PEKING UNIVERSITY(HEALTH SC『FNCES 步骤上是重叠的。因此lAPs也可通过对胱解酶 力的丧失。 3的抑制而关闭受体舟导的细胞死亡通路。细胞如 3.4棱酸内切酶G(EndoG) 何解除lAP对受体介导的细胞凋亡的抑制呢?FAS 已知胱解酶可 活化Bid,Bid C端部分(tBid) 配体和受体在细胞表面的结合可 活化与FAS受 可定位于线粒体上诱导cytc释放。在此过程中,会 体偶联的上游胱解酶胱解酶8(胱解酶8对X—lAP 不会有其它凋亡因子同时被释放呢?最近我们从 不敏感 J,即使在高水平X-LAP存在的情况下仍 Bid预处理的小鼠肝细胞线粒体上清中提纯了一种 保持其活性),切割Bid。Bid是一种只含有BH3结 30 kD的核酸内切酶Endo G。它可以使细胞核 构域的Bcl-2家族蛋白。Bid被切割后其c端可定 DNA产生200 bp为基数的DNA片段【44 J。End0 G 位于线粒体导致cytc和Smac的释放E35-37-。这样 由核基因编码,在细胞质中翻译,然后转运到线粒体 cytc的释放可导致下游胱解酶如胱解酶3的活化. 中L45 J。EndoG优先切割富含GC碱基对的DNA Smac的释放可以拈抗lAP对胱解酶的抑制,从而 序列,而线粒体DNA复制起始区正好有此特性[45]。 保证受体彳卜导的细胞凋亡顺利实施。 因此基于它的定位与底物特异性,原先认为Endo G SiYlaC与lAP仅仅通过几个氨基酸残基相互作 主要在线粒体DNA的复制中起作用,它可以从已 用与拮抗,这一发现解释了一些始终令人困惑的问 经启始复制的线粒体DNA上切去RNA引物[ 。 题。在果蝇中,五六年前就已经知道Reaper、Grim、 但是这种观点受到来自3个方面的实验证据的挑 Hid这3个蛋白可 通过拈抗果蝇lAP、DIAP1和 战。第一,另一种内切核酸酶RNase/ 能以位 DIAF ̄来诱导果蝇细胞凋亡【38--40]。虽然它们功能 点特异的方式切割线粒体DNA复制过程中的RNA 相近,但却没有同源性,仅N端的少数几个氨基酸 引物[46 ;第二,在酵母中发现一种与人EndoG有 残基极其相似,同时在哺乳动物细胞中也没有发现 4I)%相似性的核酸酶,该基目的缺失并没有明显的 它们的同源物。但是如果仅仅比较成熟Smac和 线粒体缺陷[47 ;第三,阿其它线粒体的凋亡分子一 Reaper、Grim、Hid的N端4个氨基酸,其相似性是 样,当细胞受到凋亡因子刺激以后,Endo G可蹦特 显而易见的[27,28 J。使用DIPA1的BIR结构域同 异性地从线粒体双层膜间释放。同样条件下,线粒 Grim、Hid的N端寡肽所进行的结构分析已经证实 体基质蛋白如HSP'/0却仍然滞留在线粒体内 一。 了Smac—IAP之间的相互作用与拮抗至少在从果蝇 因此至少相当数量的Endo G是定位于线粒体膜问 至人类中都是高度保守的【 。 区而不是线粒体DNA进行复制的基质区。 显然Srnac的发现并没有解释这样一个现象. 旦EndoG从线粒体膜间区释放,它可诱导 即npal一1、cytc或c )9基因鱿失细胞为什么在没 DNA片段化。我们知道在细胞凋亡DNA片段化过 有胱解酶活化的情况下仍然死亡?现在看来.线粒 程中起主要作用的核酸酶DFF40/CAD的活化依 体也可以启动一条不依赖于胱解酶的细胞凋亡途 赖于胱解酶3对其调节亚基DFF45/10 D的切割. 径,下面将详细讨论。 而Endo G的活化是不依赖于胱解酶的l5 ·“,删。 3.3凋亡诱导因子(apeptosis inducing factor.AIF) DFF45基因缺失的小鼠成纤维细胞被诱导凋亡时, 凋亡诱导因子AIF是一个57 Id)的黄素蛋白, 90%以上的DNA片段化已被抑制,但仍可观察到 与细菌氧化还原酶相似。它定位于线粒体双层膜问 少量的DNA片段化…,49]。Endo G的释放是产生 区l4 。当凋亡被诱导后,AIF可以从线粒体转位进 这种现象的原因。AIF和Endo G的发现说明,除 入细胞核,直接导致染色质凝集和大片段DNA降 cytc、Apaf-1和胱解酶9之外,线粒体还可启动一条 解(50 kb)” ,AIF的这些效应是不依赖于胱解酶 不依赖于胱解酶的途径。 和其自身的氧化一还原酶活性的 。 EndoG在细胞凋亡之中的作用在生物种间是 AIF基因敲除对动物发育有很大的影响 胚胎 高度保守的。最近Ding Xue领导的研究小组在线 发育过程中,胚胎体沟裂的形成与细胞的凋亡有关 虫中鉴定出一个突变体cps-6(ced一3 protease sup— AIF缺失小鼠的胚胎不能形成这些沟裂。另外缺乏 pressor),该突变导致细胞凋亡延迟,DNA片段化异 AIF的胚胎干细胞对维生素K3和血清饥饿诱导的 常 。cps-6蛋白在序列和生化特性上都与哺乳类 细胞凋亡具有抗性[43 J。因为AIF是一种氧化还原 EndoG极其相似,并且定位于线粒体L50]。用RNA 酶,可能在维持线粒体的正常功能方面有重要作用。 干扰(RNA interference,RNAi)降低线虫Endo G表 因此现在还不清楚这些观察到的表型是由于AIF 达,可产生与 相同的表型。这些结果表明,由 细胞凋亡功能的丧失还是由于AIF氧化还原酶活 Endo G舟导的不依赖于胱解酶的线粒体凋亡途径 方敏,等细胞凋亡的线粒体通路 5 在进化上是十分保守的。 4细胞凋亡的线粒体途径的调节 细胞线粒体cytc及其它凋亡舟子的释放受Be[一 2蛋自家族的调控。Be[一2是一 很大的蛋自家族, 又可分为两个亚族——抗凋亡亚族和促猩亡亚族。 其中促凋亡亚族可以促进或诱导线粒体凋亡因子的 释放,而抗凋亡亚族成员可以抑制该过程 在正常细胞中,Bid位于细胞质中。当细胞表 面的凋亡受体被活化后,活化胱解酶8切割Bid, t d从细胞质转位于线粒体,诱导cyte释放[35,36]。 tBid通过其 螺旋4~6定位于线粒体,它与线粒体 特异的膜)1DL"磷酯(CardioIipin)有特异的结合 J。 Bid基因敲除实验也证明了Bid介导的细胞表 面受体与巍粒体之间凋亡信号传递的重要性。来自 Bid基因缺失小鼠的肝细胞抗INF及Fas诱导的细 elB一2蛋白含有4个Bel 2同源结构域,依次命 名为BH1、BH2、BH3和BH4。所有Bcb2家族成员 均含有1个或多个BH结构域。其ee BH3结构域 是一段具取歧性的 螺旋,可 导Bel一2家族蛋白 间的相互作用[51。在Bel一2蛋白家旅中,有些成员 胞凋亡,而对其它不活化凋亡受体的信号仍具敏感 性]5s,s6]。值得注意的是这些Bid基因缺失的小鼠 没有其它方面的缺陷。因此,可能其它仅含BH3的 Bcl 2家族蛋白(如Bad)也象Bid一样能被胱解酶8 活 .5 71 仅含有BH3结构域。在正常情况下这些蛋白定位 于细孢的非线粒体组份,一旦细胞受到凋亡 子的 诱导,它们可 向线粒体转位,从而导致线粒体中凋 亡因子的释放。 4.1 Bid 能够切割和活化Bid的蛋白酶并不仅仅限于胱 解酶8,其它胱解酶如(胱解酶3)及其它蛋白酶(如 粒酶和一些溶酶体蛋白酶)也可以切割和活化 Bidt36,58 ̄6t J因此,可以说Bid是细胞凋亡信号的 通用放大器。 4.2 Bad磷酸化 细胞表面的凋亡受体是属于肿瘤坏死因子受体 超家族的跨膜蛋白,它们包括Fas/Apo一1/CD95、 TNFR1、DP,3、DR4/ FRAIL R1卸DR5/ FRAI【, R2: J另一个仅含有BH3的Bcl一2家族蛋白Bad受磷 这些受体的膜外区由3~6个半胱氨酸富含 酸化、去磷酸化的调节 。在生长因子不存在的情 况下,ad以去磷酸化形式存在,这时BBad的BH3 结构域可与Bel一2家族蛋白其它抗凋亡家族成员结 台,通过拈抗Bel一2的抗凋亡功能促进细胞凋亡。 区组成,膜内区含有介导细胞凋亡所必颁的“凋亡” 斌。这些凋亡受体的配 也是一类结构相似的蛋 白,属于 FNF基因超家族。其中Fas/CD95配体结 合Fas,TNF结合 FNFR1,Apo3配体结合DP,3、 Apo2配体结台I)R4和I)R5 相反,在生长因子存在的情况下,PKB和锚定于线 粒体的PKA可以磷酸化Bad,磷酸化Bad可与另一 种细胞质蛋白14—3—3结合,维持其细胞质定 位 J。敏Bad的磷酸化可使与之结合的Be[一2解 Bad关键的磷酸化位点是位于BH3的155位 丝氨酸L J。但是ser一112和136的磷酸化又是ser_ 现在已比较清楚的是Fas/CD95受体介导的细 胞凋亡途径 其活化包括一系列步骤:首先配体诱 导受体三聚体化,然后在细胞膜上形成凋亡诱导复 合物(death—inducing signalig complnex,DISC),这个 离,使Bc1.2发挥抗凋亡功能。 复合物中包括ee 蛋白FADD(具有凋亡域的Fas 相关蛋白,Fas associating protein with death do 155磷酸化所必须的。set一112和一136位点的磷酸 化可使l4—3—3结合到Bad/Be[一X(L)复合物 上l ~ J。14—3—3的结合有效地增加Bad—ser一155激 main);细胞质中游离的胱解酶8可聚集到这个复合 物上自活化_3 。活化的胱解酶8可通过切割活化 其下游的其它胱解酶 在对Iv'as应答的细胞中,一 酶对该位点的磷酸化能力。set一155的磷酸化永久 性抑制Bad与Be[一x(L)的结合.因而抑制Bad介导 的细胞凋亡 J。 类细胞(type1)阿含有足够的胱解酶8可被死亡受 体活化,从而导致细胞凋亡【53。在这娄细胞中高表 达Bel一2不能抑制Fas诱导的细胞凋亡而胱解酶抑 体外实验表明几种磷酸酶如钙调神经磷酸酶、 蛋白磷酸酶1 a和蛋白水解酶2A可导致Bad去磷 酸化- ~ J。但是在体内这些磷酸酶怎样被细胞凋 亡信号所调节还不清楚。 4.3 Bim 箭剂则可抑制。在另一类细胞(type2)如肝细胞中, Fas受体介导的胱解酶8活化不能达到很高的水 平。 此这类细胞中的凋亡信号需要借助凋亡的线 粒体通路来放大,而Bid——一种仅仅含BH3结构 域的Bcl 2家族蛋自是将凋亡信号从胱解酶8向线 粒体传递的信使。 另一个含BH3的Bel 2家族蛋白Bim在正常细 胞中通过与微管动蛋白轻链LC8的结合而与微营 复合物相联。在细胞凋亡过程中,Bim/LC8可从微 北京大学学报(医学版) JOURNA1 OFPEKINGU l 删TY(Ⅷ THSCIENCES)Vol 34 No I Feb 2002 管复合物中解离出来转位于鳗粒l体诱导cytc释放。 Bak之间发生瞬问作用,诱导Bax和Bak的构象变 与tB.d相似,重组Bim蛋白可在体外系统中诱导线 化,这样Bax和Bak可多聚化形成孔复合物[77,81 J。 粒体cytc和Endo G的释放 。缺失Bim基因小 而线粒体双层膜间的凋亡蛋白因子可通过这种孔复 鼠的免疫系统对凋亡刺激的反应缺陷l6 。但是在 合物进入细胞质。 细胞凋亡过程中,Bim与微管复合物的解离是怎样 5.2 Bcl一2及抗凋亡的Bcl一2家族蛋白 被调节的还不清楚。缺乏Bi,n基因的淋巴细胞便 仅含Bm的Bcl一2家族蛋白(如Bid、Bim、Bad) 对生长因子剥夺、外钙内流和微管损伤刺激诱导的 和其它促凋亡Bcl一2家族蛋白(如Bax和Bak)的活 细胞凋亡具有抗性,因而这些刺激可激发Bim从微 性可被抗凋亡蛋白Bd-2和Bd—x(L)中和。Bd-2和 管解离。另外在细胞凋亡中,Bim的表达水平也受 BcLx(L)似乎并不影响Bid、Bim、Bad向线粒体的转 到转录水平的调节。 位,而是抑制Bax和Bak的多聚化[79,81,82]。 4.4含BH3结构域的Bd 2家族蛋白的转录水平 5.3 VDAC和ANT 调节 Ⅵ)AC和ANT是线粒体外膜上最为丰富的两 众所周知,细胞凋亡一般需要新蛋白的合成。 种蛋白。最近有一些研究工作表明,VI)AC和ANT 固此台BH3结构域的Bcl一2家族蛋白的转录调控可 可与Bcl一2家族蛋白相互作用,在细胞凋亡过程中 能是很重要的。例如,在体外培养的神经细胞中剥 舟导对缦粒体的损伤【 ,84]。VDAC本身是一种通 夺细胞因子可显著提高Bim mRNA和蛋白的水 道蛋白,它与Bax的结合可使其通道性能发生某种 平 ∞ 。转录因子FKHR-L可增加Bim的转 变化,这样一些凋亡蛋白(如cytc)就可通过L铂j。另 录LV0j。另外,C-Jun显性负(dominant negative)突变 外.ANT和Bax也可形成粪似的孔复合物 J。此 则可抑制NGF剥夺后神经细胞中Bim表达水平的 外因为这两种蛋白在跨越线粒体膜的核苷酸和小分 升高,提示C-Jun可能参与了Bim的转录调节 73 J 子转运中起作用,所以它们与Bax的结合可能与细 含BH3结构域的蛋白的转录调节可能在DNA 胞凋亡过程中鳗粗体ATP/ADP转化和磷酸肌酸外 损伤诱导的细胞凋亡过程中扮演重要角色。最近发 运的抑制有关 J 现了两个促凋亡基因产物Noxa和Puma,它们也都 属于含BH3结构域的Bcl一2家族蛋白 当细胞受到 6 细胞凋亡过程中线粒体的正常功能丧失 射线刺激凋亡时,Naxa和Puma以P53依赖的方 线粒体是真核细胞能量代谢的中心,因此细胞 式被诱导表达,并定位于线粒体【 ~76_,诱导cytc释 凋亡过程中对线粒体损伤的最直接结果是其正常功 放 能的丧失。例如,因为cytc是唯一具水溶性的电子 5细胞凋亡过程中线粒体的自身变化 传递链组份,cytc的释放显然可使电子传递中断, ATP产生受阻,同时鼓粒体也不能维持其正常的膜 5.1 l 和Bak 电位。在电子传递链中,cytc负责将电子由cytc还 旦含BH3的蛋白转位于线粒体,它们需要阿 原酶(复合物Ⅲ)传向cytc氧化酶(复合物vI)。在 鳗粒体膜上的其它蛋白相互作用以释放线粒体双层 复合物Ⅳ上,氧原子可接受电子,生成H2o。因此 膜问的凋亡固子。Bcl一2促凋亡亚族成员(例如Bax cytc的释放可使线粒体产生更多活性氧自由基和过 和Bak)很可能是含BH3蛋自在线粒体上的靶 氧化脂:86,87-。 点l77]。Bcl-2促凋亡亚族成员一般台BH1一BIB结 在凋亡细胞中,线粒体ATP的合成下降,细胞 构域而不具有BH4结构域,如Bax和Bak,这类蛋 质中ATP含量下降,而ADP含量上升,线粒体膜间 白的重要性已从基固敲除买验中得到了证实。Bax 隙磷酸肌酸浓度上升。这些现象都可以被Bcl—x(L) 和Bak基因双缺失小鼠大多数死于胚胎期,极少数 高表达逆转- J。固此,似乎Bcl-2抗凋亡的重要机 成活个体指间蹼不能正常消失、神经系统和免疫细 制之一是维持线粒体的稳态。例如Bcl—x(L)可维持 胞生成体系异常l78J。另外,缺失Bax和Bak的小鼠 线粒体外膜两倒的代谢转换,因此促进细胞存 成纤维细胞对多种刺激诱导的细胞凋亡具有抗性, 活. 。 如紫外线、 射线、抗癌药物或高表达Bid、Bim、Bad 总之,毁粒体至少在3个不周层次上参与对细 等:79·脚]。 胞凋亡的调控。第一,如图1所示,线粒体可通过释 虽然没有确切的实验证明,但现在一般认为,仅 放凋亡蛋白因子诱导细胞凋亡,如释放cytc诱导胱 含BH3的Bel 2粪蛋白转位于鳗粒体后,与Bax和 解酶活化,释放Smac拮抗IAP对活化胱解酶的抻 方敏,等细胞凋亡的线粒体通路 ·7· 制,释放EndoG和AIF诱导DNA片段化及染色质 凝集。第二,这条通路可通过反馈效应来进一步得 到放大,因为胱解酶可活化Bcl一2家族蛋白如Bid、 Bim、Bad等,而这些因子反过来又造成更多的线粒 体损伤。第三,即使在胱解酶依赖或不依赖的凋亡 功能丧失(如线粒体基质碱化、氧化磷酸化解偶联、 ATPADP转换缺陷等)之间又有什么关系? 与细胞凋亡的缦粒体途径的实施阶段相比,我 们对于线粒体上游的细胞凋亡信号的调节还知道得 很少 细胞凋亡信号是怎样转导和整合到线粒体上 的呢?仅具BIB结构域的t3c1.2家族蛋白是主要的 途径都不能正常运作的情况下,线粒体正常功能的 丧失也会最终导致细胞的死亡。因而,最有效的抑 制线粒体介导的细胞凋亡的方法应该是抑制在线粒 体损伤上游产生的凋亡信号。这个上游信号是什 么?什么信号决定细胞生还是死?遗憾的是现在还 不十分清楚。 Apoploti ̄SlimMi 凋亡信号转导者吗?或者它们只是一个更加复杂的 蛋白网络系统的一小部分?要回答这些问题,我们 必须使用生物化学或遗传学方法,发展更加精细的 研究手段。细胞在决定生或者死时会发生什么呢? 这将是一幅复杂而吸引人的画面!我们有理由相 信, 不久的将来,这幅生动的图画将会完整、清晰地 展现在我们面前。 (本文的写作参考了王晓东教授发表于C, ̄De&Devebpmem的 综述,部分段落由原文翻译。) Bad Bid.Bim.Hrk,Puma. 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receptors:slgtMig nand moduLation J]Scienc ̄,】998,281:tNI5—1308 53 Scaffidi C,Ftdds S Sriniva ̄n A, al Two CD95(AP[)-l/Fas)  ̄asis.and to preclude autoi ̄mnlty J]Science,1999,286: l735—1738 signaling pathways ̄J EMBO J,l998.L7:】675 1687 54 Latter M.Fang M.LlJf)X.et al Cardiotipin pm ̄qdes speciifcity 70 Dijkers PF.Medema RH.【丑一ers JW, 口f.Expression of the pr ̄apoptodc Bcl-2 family member Bim is ll ̄lated by the rkhead for诅rgeting of tl31d to mitocuntbh ̄a[J]Nat ce儿 。】,20o0.2: 754—761 transcription factor FKHR.L1。J]gurr Bid,2I】o0.10:1201 l2o4 55 Yin XM,Warn K.Gross A.et al Bid-deficieut mice resis'ont 71 Shinjyo T,Kuribara R.Inukai T. a/Down regulation of Birn, a proapoptofie relative of Bcl 2 is a pivotal step in cgokine-intiiated to Fa ̄induced hepatoce[iuiar atmptosai J J Nature.1999,400: 886—89I survival sigmalig nin murine henmtoponitic progenitors[Jj Mol Cell ,Activation of pro-dmth Bcl-2 m— ol,2001 21:854—864 72 PutchaGV,MoulderKLGolden JP. 56 Zhao Y,1.i S,Childs EE. ilv protdns 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is regulated by the Bcl-2 famiN moK[1ib ̄.s bid and Itax[J]J Exp Med.2000.292:l391 1402 60 irnonti JB,Shi L,13aijaI PK, al Gremz. ̄me B induc昭BIn tossi edoreeral c曲c茁cetls[J]Mol Cell,2001.7:673—682 76 Nakam ̄K,Vou. ̄den KH PU]ⅥA,a novel mp0pⅫ gene.is in- mediated rvtochmme e rdee ̄e and mitcchondral ipermeability n∞ ducd eby p53[J]Mol Cell,2001,7:683 694 77 Knrs【【1e T sJ,WdMC,SaitoM, a/Pro-aFopt ̄tic cascade犯 tivates BID,which oligon*rizes BAK or BAX into tuere ̄that result sitic ̄[J] J Biol Chem,200l,276:6974 6982 6l St&a V,Turk B Schende[SL,el al Lv dn pmtease path ways to apopt ̄is CIeavage of bid.m【pro-cas!eases.is the n t iH the rel ̄e 0f cytoch ̄me c[J]Cell Death Differ,2000.7:1166 l173 likely route J J Biol Chom,2001.276;3149—3157 62 Zha J,I-lara ̄H,Y ̄atgE gcnlast badin responseto aZ Scrine phespburylation of death v f ̄ctor r ̄sultsin bindig【n014 3 3 78 Lindsten TA,Ross J_King A,el aL ne mmblned ur ̄tions of pl ̄apoptotic 13cl一2 f枷 m mbe ba1【and bax a essential for/2o1" riot BCL.xt[J]【 _【_1996,87:619 628 83 Datta SR DndckH,Teo X, Akt phc,spherylation of BAD rn developmen【of mu[tiple tissum[J]Mol Cell,20tn,6:1i389 1399 eoupia ̄sum'ival ̄ignals to the cel1 intrinsic death mac n rv『J: 79 WeiMC,ZongWX,Cheng EH,el al P士oa 删k BAX and B K:a rquiesite gateway【。mltcehondmd dysfuncri ̄n and death 1997.9l:231 241 64 1-Nrada H.Becknell B W;Im M,et al Phesphorylation and i ̄cti- J Sci ̄nce,20O1 292:727—730 ratin of B D boy mitoeh Cell,1999 3:413—422 proteni kinase[J]Mol 80 z 埘WX,Lindsten T,Ross~.el al BI-B-only proteinsthat bind pro-survlval Bel-2 family members tail to induce ap ̄0tmls in 北京大学学报(医学版) IOLR ̄d,gALOF PEKINGUNIVERSrrY(HEALTH SCIENCES)Vol 34 No.1 Feb 2002 the absence oJ B andBak[J 1486 Dev 2001.15:1481—  Cel1.1999.3 ing mitcehondrial ATP/ADP exc ̄&Dg ̄[J] Mol159—167 81 Neehushmn A.Snnth CL,Lamen ̄orf I,et Bax andBak eoa 86 Hockenbery DM,Okvai ZN,Yin XM. al Bd-2fLmetionsln Bn e halo floral mitocha ̄Jdxia—a& ̄velated dusters during apopmsis I.I9 .75:24l antioxi&mt pathway TO pre ̄t ap ‰ 【J] Cel[J JCell Bio],2001.153:1265—1276 82 Stmderarnj ̄lR.whlteE E1b19k blocks hax ollgomefizadon and 251 87( J,Wallace Dc,Zhivo ̄ovsky B,et al Se阻Ⅲ ofcytcchr ̄ze tLErmr ̄ecmsia n alpha.med ̄ed ap。p ¨s【J]j 75:7506—7516 83 1 S,MatsuokaY,Sl1inoharaY, ,20(1l,  ̄endem caspa ̄ ̄ctlvation from thiol—disoltide d。x e in cells lacking mitoehondr ̄DNA[J].Free R 出c&d Med,2000, EssentlaIroteof 29:354—342 gedependentn channd in ̄ious fo ̄ns of apoptosis in rrmm— 88 VandertteidenMG,U xx.Gott[elbE.以a1 Bd-xL 咖咄 T/I ̄Rrl。d 【J]J ceuB ,1999,152:237—250 吕4 M彻I.Brenner C."Zan ̄zanfi N, al队and adenine nu- eleodde trar ̄locator cooperate in the mitoe]xmdrlal control of apop一 sthe op即。。【IfigLIrat哪of d1e vd g de d即t ar on channel and metabol[te passage through the outer mitoehondrid melnbrane[J:J ol Chum.2001.276:19414—19419 [J].Science,1998.281:2027—2031 den MG.Chandd NS.Schumacker PT.et al Bcl-xL (2001.12—25收稿) 85 Vaster (本文编辑:景霞周传敬) prevenm celt death follo ̄ng g-mwth/actor withdrawal by fa ̄ilitat— The mitochondrial pathways of apoptosis FANGMAn.WANG Xiao-Dong (Howard} Medi Institute and ̄mela.t 0f Biochemistry Univetsity of Tex ̄s Scmthwestera Medical Center,Dallas,USA) KEY w0R0s Apoptosis;Celt/metab;(二ell/色enet SUMMARy Mitochondria are the b[oenergetlcs and metabolic center of eucaryotic cells that carry out many im— portant functions to sustain 1ife.Recent biochenfical studies revealed allother aspect of mitochondEat function: inducing apoptosis by triggering specific biochemical reactions that lead to rapid disposal of damaged cells.In re— sponse to a variety of apoptotie stimuli,mitoehondria elrease many apoptoge*ife proteir ̄s that normally reside in the intermembrane space of mitochondria Thege studies suggest that roJtochondria aye dynamic responsive strnc— ttlres engaged incessantly in controllig metnabolic and genetic interaction with other cellular organdies.Conse— quenfly,when cellular milieu is no longer conducive to aimntaining homeostasis.either due to injury or develop— mental cu∞.mitochondria initiate apoptotic progrm' ̄that efficiently demise the cel1. [JPekingUniv(Health Sci),2002,34:1—10 J 匕京大学学报(医学版)》 2002年第2期至2003年第1期报道重点 2002年第34卷 第2期第5期2003年第35卷 第1期欢迎投稿,欢迎订阗 口腔医学研究, 病理学研究 第3期儿科学研究, 骨肿瘤学研究 北医90周年庆典专辑,第6期专业提供学术期刊、学位论文下载、外文文献检索下载服务 购买地址: http://wxfw.taobao.com★资源介绍★【中文资源】

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