線粒體相關物質與細胞凋亡

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

2、PCD)。凋亡細胞中可出現各種生化改變如內源性核酸內切酶激活、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被認為是凋亡的主要執(zhí)行者。目前認為凋亡主要經過兩條死亡通路2：一條是外源性通路，即死亡受體介導的凋亡通路，此通路由死亡受體及配體系統(tǒng)激發(fā)的凋亡信號下傳至啟動性caspase8，然后激活效應性caspase蛋白酶而引發(fā)細胞凋亡;另一通路稱為內源性通路，即線粒體介導的凋亡通路，細胞損傷后線粒體功能障礙，膜通透性改變，凋亡蛋白包括細胞色素C(cytochrome

3、c，Cytc)、凋亡蛋白酶激活因子(apoptosis protease activation factor1，Apaf1)、caspase蛋白酶、細胞凋亡誘導因子(apoptosis induced factor，AIF)等從線粒體釋放到胞漿，隨之引起caspase瀑布式活化和細胞死亡?？梢姡蛲龅倪^程復雜，涉及因素較多，其中線粒體的作用不容忽視，線粒體的結構和功能的改變，能加速核凋亡特征的出現，并是控制細胞凋亡進程的關鍵。有學者認為線粒體在凋亡中起著中心的調控作用，在某種意義上，可以決定細胞的生存或死亡。本文綜述線粒體相關物質：Cytc、活性氧、Bcl2蛋白家族、AIF在細胞凋亡中的作用。

4、1 線粒體釋放Cytc與細胞凋亡Cytc由核基因編碼的多肽和線粒體編碼的亞鐵血紅素組成，定位于線粒體內膜的外側，是線粒體呼吸鏈中傳遞電子的載體，關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)學研究中心的王曉東小組最先提出了Cytc在細胞凋亡中的重要作用3，之后的研究又證實Cytc基因敲除的細胞對凋亡具有明顯的耐受性?，F在普遍認為Cytc從線粒體到達胞漿是多種細胞凋亡的共同途徑4。在細胞凋亡出現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是由線粒體內膜兩側電子的不對稱分布形成的，正常的m是細胞生存所必需的。m下降說明線粒體膜通透性轉運孔(mitoch

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

6、 and recruitment domain)，CARD是Apaf1N末端的一個Caspase募集結構域。隨后Apaf1再與procaspase9的CARD結合。至此，Cytc、dATP、Aapf1和procaspase9組成聚合體稱為凋亡復合體(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效應分子procaspase3、procaspase6和procaspase7，這些蛋白酶通過多個途徑作用于細胞骨架蛋白、DNA修復調節(jié)因子、細胞周期調節(jié)蛋白等，引起細胞DNA修復功能喪失

7、、核酸內切酶激活、DNA片段化等，最終導致細胞凋亡6。關于procaspase9的來源，有研究發(fā)現，它位于線粒體內膜上，在凋亡刺激信號的作用下才釋放入胞液7。2 線粒體產生活性氧與細胞凋亡活性氧(reactive oxygen species，ROS)包括超氧陰離子、過氧化氫和羥自由基等。ROS增多的機制包括黃嘌呤氧化酶增多、線粒體功能受損、中性粒細胞聚集和兒茶酚胺氧化等。在凋亡發(fā)生時，線粒體呼吸鏈電子傳遞障礙是產生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，能將電子從復合體傳給復合體，凋亡初期，Cytc從線粒體釋放到胞漿，線粒體內Cytc減少，則電子從Cytc傳遞給復合

8、體減少，而導致線粒體內電子超載，過量的電子從呼吸鏈中逃逸出來，并與O2作用產生超氧陰離子。大量的超氧陰離子進一步轉變?yōu)镠2O2和其它ROS?？梢奀ytc釋放導致線粒體內的Cytc缺乏，是促進ROS生成的主要原因8。反之，ROS引起的脂質過氧化破壞線粒體膜，又促進了Cytc的釋放，二者形成正反饋，共同參與細胞凋亡的進程。線粒體DNA(mtDNA)與核DNA相比缺乏組蛋白保護，容易受到ROS的損傷，大量產生的ROS使mtDNA編碼的呼吸鏈復合物的結構和功能發(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，最終細胞經內源性通路走向凋亡9。此外，呼吸鏈復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過氧化、膜流動性降低、線粒體內外膜蛋白過氧化，蛋白質交鏈，造成MPTP開放，線粒體膜通透性升高，m下降，線粒體凋亡相關物質釋放，引起細胞凋亡10。2蛋白家族介導的細胞凋亡Bcl2蛋白家族主要位于線粒體和內質網膜上，根據Bcl2家族成員結構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胞凋亡發(fā)生過程中發(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末端的螺旋結構隱藏在其BH13結構域所形成的疏水性裂縫中。當損傷因素刺激后，Bax發(fā)生構象的改變，暴露螺旋結構，螺旋結構的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，通過此通道，Cytc便從線粒體釋放出來。還有研究認為12，Bax可能作用于電壓依賴性陰離子通道(voltagedependent anion channel，VDAC)，使VDAC結構發(fā)生改變。VDAC是MPTP的組成部分，VDAC結構發(fā)生改變后，MPTP失去電壓依賴性和對離子通透的選擇性，從而導致Cytc釋放。Bak在受到凋亡信號刺激后也能發(fā)生空間構象的改變，但不同于Bax，因