细胞凋亡信号传导通路的研究进展.pdf
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2007年5月第17卷第5期中国比较医学杂志CHINESEJOURNALOFCOMPARATIVEMEDICINEMay,2007Vol.17No.5综述与专论细胞凋亡信号传导通路的研究进展杨绍杰,孟金萍,屈,刘云波(中国医学科学院中国协和医科大学实验动物研究所,北京100021)【摘要】细胞凋亡(apoptosis),是生物体细胞的主动消亡过程,是多细胞有机体调控机体发育、控制细胞衰老、维持内环境稳定的重要机制。
细胞凋亡发生过程的启动和进行受到精确调控,具有独特而复杂的信号系统。
各种凋亡信号通过信号传导通路传至细胞内,激活靶分子而产生细胞效应,引发细胞凋亡。
一般认为,细胞凋亡存在三条主要通路:
线粒体通路、内质网通路和死亡受体通路,各通路间互相联系,共同调节细胞凋亡。
【关键词】细胞凋亡;信号转导;死亡受体;线粒体;内质网【中图分类号】Q255【文献标识码】A【文章编号】1671-7856(2007)05-0297-05TheProgressontheSignalTransductionPathwaysofApoptosisYANGShao-jie,MENGJin-ping,QUYi,LIUYun-bo(InstituteofLaboratoryAnimalScience,ChineseAcademyofMedicalSciencesandPekingUnionMedicalCollege,Beijing100021,China)【Abstract】Apoptosisisaformofintrinsiccellularsuicideprogram,whichisawidephysiologicalprocessinmulticellularorganismsandcriticalforthedevelopment,thecellsenescenceandthetissuehomeostasis.Theinitialandprogressofapoptosisispreciselyregulated.Thisreviewwillsummarizecurrentknowledgeofthesignaltransductionpathwaysofapoptosis.Broadlyspeaking,therearethreepathwaysinapoptosis:
deathreceptorpathway,mitochondrionpathwayandendoplasmicreticulumpathway.Thesewayscancross-talkandregulateapoptosiscoordinately.【Keywords】Apoptosis;Signaltransductionpathways;Deathreceptor;Mitochondrion;Endoplasmicreticulum基金项目973项目,编号:
2002CB512901。
作者简介杨绍杰(1978-),男,硕士生,环境因子生物学效应。
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ladder210通讯作者刘云波,研究员。
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liu-yunbo从1972年凋亡的概念被提出,到80年代末期凋亡开始成为肿瘤病因学、病理学研究热点,随着人们对凋亡的认识逐渐深入,对凋亡发生的分子机制的了解也越来越透彻,但同时也发现这一过程远非原来想象的那样简单,而是包含了复杂的调控机制。
尽管仍有许多问题迄今尚未阐明,但近几年的研究在凋亡信号转导途径、凋亡的生化反应机制以及凋亡的基因调控等方面都取得了显著的进展。
1凋亡的基本机制多细胞生物在凋亡过程中拥有相似的酶反应机制。
秀丽新小杆线虫(Caenorhabditiselegans)一直是研究凋亡机制的一个良好的模型,研究发现了三个重要的基因:
促进凋亡的CED-3、CED-4和抑制凋亡的CED-91。
剔除或突变CED-3、CED-4任一基因都可使正常本应凋亡的细胞得以存活。
CED-3是一个蛋白酶,激活的CED-3可以水解靶蛋白从而使细胞凋亡;CED-4与CED-3结合并促进CED-3激活,CED-9则与CED-4结合并阻止它激活CED-3。
正常情况下,CED-9与CED-4、CED-3结合,因此CED-3不处于激活状态。
凋亡信号会引起CED-9从上述复合体上解离下来,激活CED-3并最终发生凋亡。
与秀丽新小杆线虫相比脊椎动物则进化了一整套的基因家族:
哺乳动物Caspases与CED-3同源;Apaf-1基因与CED-4同源;哺乳动物Bcl-2基因家族与CED-9在结构和功能上相似,分为促进凋亡和抑制凋亡亚群2。
2凋亡通路2.1线粒体通路此通路由含BH3结构域的Bcl-2家族成员Bid、Bad、Bim、Harikari、Noxa等在接受到胞内的死亡信号后激活。
这些含BH3结构域的Bcl-2家族成员与另外的Bcl-2家族成员(Bax亚家族成员Bax,Bak等,主要松散的结合在线粒体外膜面或存在于胞浆)作用,导致后者的寡聚并插入线粒体膜,引起线粒体膜通透性改变,跨膜电位丢失,释放细胞色素C(Cytc)和其他蛋白3。
Cytc的释放是线粒体凋亡路径的主要步骤,在ATPdATP存在的情况下,Cytc与凋亡蛋白酶活化因子(apoptoticprotease-activatingfactor,Apaf-1)形成多聚复合体,通过Apaf-1氨基端的Caspase募集结构域(caspaserecruitmentdomain,CARD)募集胞质中的Caspase-9前体,并使其自我剪切活化并启动Caspase级联反应,激活下游的Caspase-3和Caspase-7,完成其相应底物的剪切,引起细胞凋亡4。
此外,定位于线粒体上的转录因子p53能与Bak、Bax直接相互作用,这种相互作用解除了Bak与Mcl-1(Bcl-2蛋白家族中的抗凋亡蛋白)的结合,使Bak中的BH3结构域外露,从而处于促凋亡的结构构象5;此外,这种相互作用还引起Bak、Bax多聚化,这一系列的变化导致线粒体通透性的改变,使各种促凋亡因子释放到细胞质中6。
线粒体是细胞能量代谢的中心,细胞凋亡过程中对线粒体损伤的最直接结果是其正常功能的丧失。
线粒体功能障碍除了会导致自由基产生增加、兴奋性氨基酸释放增多、钙离子超载而引起细胞凋亡外,还能直接诱导细胞凋亡。
在这里线粒体的能量储备起决定性的作用,如果损伤程度相对较轻,ATP保留了提供细胞凋亡所需的能量,则发生细胞凋亡;若损伤严重,ATP急剧耗竭,则发生细胞坏死。
有研究表明细胞内ADP与ATP的比值是细胞存活或凋亡的决定因素,比值大于0.2时细胞将发生凋亡,低于此值时细胞则会存活7。
2.2内质网通路内质网是细胞内蛋白质合成的主要场所,同时也是Ca2+的主要储存库。
内质网在维持细胞内钙离子的稳定以及膜蛋白的合成、修饰和折叠等方面都发挥关键性作用8。
内质网在凋亡信号处理过程中发挥重要作用,内质网通路不同于线粒体或死亡受体介导的凋亡通路。
Caspase-12位于内质网膜,内质网钙离子平衡的破坏或者内质网蛋白的过量积累都会诱导Caspase-12表达,同时也导致胞质的Caspase-7转移到内质网表面。
Caspase-7激活Caspase-12,激活的Caspase-12可进一步剪切Caspase-3而引发细胞凋亡9。
此过程由内质网失常引起,而不是由以细胞膜或线粒体为靶点的凋亡信号触发,因为缺乏Caspase-12的小鼠细胞对内质网失常引起的凋亡耐受,但对其他凋亡刺激却仍敏感10。
许多细胞在凋亡早期会出现胞质内Ca2+浓度迅速持续的升高11,这种浓度升高来源于细胞外Ca2+的内流及内质网中Ca2+的释放,相对高浓度的Ca2+可以激活胞质中的钙依赖性蛋白酶,又可以作用于线粒体,影响其通透性并导致其膜电位的改变,从而促进凋亡。
内质网上Bcl-2家族中抑凋亡的蛋白则可以调节网腔中游离Ca2+浓度,使胞质中的Ca2+维持在合适的浓度水平,进而起到抗凋亡的作用12-13。
这提示,Ca2+在凋亡的调节中可能有很重要的作用。
2.3死亡受体通路胞外的死亡信号可通过死亡受体转入胞内。
死亡受体为一类跨膜蛋白,属肿瘤坏死因子受体(TNFR)基因超家族。
其胞外部分都含有一富含半胱氨酸的区域,胞质区有一由同源氨基酸残基构成的结构,有蛋白水解功能,称“死亡区域”(deathdomain)。
“死亡区域”使死亡信号得以进一步传递而启动凋亡。
已知的死亡受体有五种,TNFR-1(又称CD120a或p55),Fas(CD95或Apo1),DR3(死亡受体3,又称Apo3,WSL-1,TRAMP,LARD),DR4和DR5(Apo2,TRAIL-R2,TRICK2,KILLER)。
前三种受体相应的配体分别为TNF,FasL(CD95L),Apo-3L(DR3L),后两种均为Apo-2L(TRAIL)。
Fas介导凋亡先由不同的胞质蛋白与受体(FasL)的死亡域结合,然后连接蛋白即Fas相关死亡域蛋白(Fas-associateddeathdomainprotein,FADD)直接与Fas死亡域结合,FADD激活ced-3相关蛋白298中国比较医学杂志2007年5月第17卷第5期ChinJCompMed,May2007,Vol.17.No.5酶即Caspase-8,引发蛋白水解,导致细胞死亡14。
细胞在接收到经Fas传递的凋亡信号后,主要经两种途径引发细胞程序性死亡,据此将对Fas介导的细胞凋亡敏感的细胞分为两种:
Fas型细胞和Fas型细胞。
型细胞,如胸腺细胞,通过caspase途径转导凋亡信号;而型细胞,如肝细胞,通过线粒体膜电势的消失,粒体膜通透性增高,细胞色素C释放,细胞色素C与Apaf-1、caspase-9前体、ATPdATP形成凋亡体(apoptosome),然后召集并激活caspase-3,进而引发caspases级联反应,导致细胞凋亡15。
TNF主要在激活的巨噬细胞和T淋巴细胞中表达。
TNF与TNFR1结合可激活核转录因子NF-B和激活蛋白AP-1,诱导促炎因子和免疫调节因子的表达。
在一些细胞中,TNF也可以通过与TNFR1结合诱导细胞凋亡。
但是,与FasL不同的是,TNF只有在蛋白合成被阻断的情况下才可以诱导凋亡,表明细胞中预先存在的一些细胞因子,可以抑制TNF产生的凋亡信号。
这些抑制蛋白的表达可能是由NF-B和JNKAP-1调控的16。
TNF与TNFR1结合可诱导受体死亡结构域的聚集,随后,TRADD(TNFR-associateddeathdomain)通过自身的死亡结构域与聚集的TNFR1死亡结构域结合。
TRADD可招募TRAF2、RIP和FADD几种信号分子与激活受体结合而形成受体复合物。
TRAF2(TNFR-associatedfactor)和RIP(receptor-interactingprotein)可以激活NF-B和JNKAP-1,FADD则可以激活细胞凋亡机制2。
在这些蛋白中,只有RIP具有酶活性,但是RIP在NF-B和JNKAP-1的激活过程中的作用还不是很清楚。
TRAF2和RIP激活NIK(NF-Binducingkinase),后者进而激活IKK(I-Bkinase)2。
IKK磷酸化I-B,导致I-B降解,使NF-B进入核内,激活转录。
级联反应MEKK-1,JNKK和JNK参与了从TRAF2和RIP到JNK的信号通路。
FADD连接TRADD-TNFR1复合物,激活Caspase-8,从而诱导细胞凋亡。
FADD基因敲除小鼠的细胞对TNF诱导的细胞凋亡产生完全的抗性,表明FADD在这条信号通路中起着决定性的作用2。
DR3的氨基酸序列与TNFR1高度同源17。
DR3可引起与TNFR1类似的NF-B激活和细胞凋亡反应,与TNFR1类似,DR3通过TRADD、TRAF2和RIP激活NF-B,也可通过TRADD、FADD和Caspase-8诱导细胞凋亡12。
DR3可与TNF高度同源的Apo3L结合。
Apo3L激活NF-B和诱导细胞凋亡的调节机制类似于TNF。
但是,这些配体和受体的表达有明显的不同。
TNF主要在激活的巨噬细胞和淋巴细胞中表达,而Apo3L在许多正常组织中表达17。
相反,TNFR1在各种组织中广泛表达,而DR3主要在脾、胸腺和激活的T淋巴细胞中表达17。
因此,尽管信号传导机制类似,但Apo3L-DR3和TNF-TNFR1可能具有不同的生物学功能。
DR4和DR5的配体是Apo2L。
研究发现FADD缺陷的细胞可耐受由Fas诱导的细胞凋亡,但不能阻断由Apo2L诱导的凋亡,这提示FADD非依赖性凋亡途径可能与Apo2L到Caspase有关18。
死亡配体与死亡受体激活无活性的pro-caspase-8变为有活性的Caspase-8,激活的Caspase-8不仅可激活下游效应Caspase裂解多种蛋白质而最终导致细胞凋亡.同时还可以降低线粒体内膜电位使Bc1-2家族成员裂解,导致Cytc的释放19,后者可与Apaf-1结合,在dATP的存在下活化Caspase-9,Caspase-9能激活下游效应Caspase,如Caspase-320。
在这里,Caspase-8起到效应的放大作用。
3三条通路间的相互联系3.1线粒体通路和内质网通路内质网通路和线粒体通路之间存在着密切的联系。
内质网释放Ca2+是线粒体释放Cytc的一个早期事件,内质网Ca2+释放导致的线粒体内Ca2+浓度的改变是促进Cytc释放的重要信号21。
促凋亡的基因Bak和Bax可快速的清除内质网中的Ca2+,使线粒体对Ca2+的内流和Cytc的释放敏感,从而调节细胞凋亡22。
近年来研究表明,钙激活蛋白酶(calpain)与Caspase-3之间关系密切,两者不仅有共同的底物,而且在细胞凋亡的径路上有相互作用。
Caspase-3可在Caspase级联反应的下游激活calpain,Caspase-3亦能抑制calpain的抑制剂卷曲霉素(calpastatin),使calpain得到持续活化23。
3.2内质网通路和死亡受体通路死亡受体Fas与其配体结合后通过衔接蛋白FADD激活Caspase-8,同时内质网膜上的BAP31也能被Caspase-8特异剪切,进而诱导内质网Ca2+的释放,从而使线粒体分裂,增强线粒体Cytc的释放,诱导产生凋亡24。
未剪切的BAP31与内质网的A4蛋白结合,抑制Fas诱导的Cytc的释放和导致的凋亡25。
299中国比较医学杂志2007年5月第17卷第5期ChinJCompMed,May2007,Vol.17.No.53.3线粒体通路和死亡受体通路有时经死亡受体通路激活的Caspase-8,主要作用于Bid,而不是Caspase-3因为Bid比Caspase-3更适合作Caspase-8的底物。
Caspase-8可切割原本处于胞浆的Bid为活性的tBid,tBid有很强的凋亡活性可以诱发促凋亡家族成员Bax和Bak寡聚化,使线粒体蛋白释放,引起凋亡。
tBid的凋亡活性能被Bc1-X,完全抑制,被Bc1-2部分抑制26。
Bax和Bak可通过对Cytc和SmacDIABLO(secondmitochondrialderivedactivatorofcaspasedirectIAPbindingproteinwithlowpI,同为线粒体蛋白)释放的调节参与Apo2L诱导的线粒体分裂和凋亡;Bcl-2和Bcl-X则通过抑制Cytc和Smac的释放来抑制Fas介导的细胞凋亡27。
与内源性XIAP(X-linkedinhibitorofapoptosisproteins)结合的Caspase-3将不能发生自身剪切而生成有活性Caspase-3,而Smac自身就足以使XIAP失活,从而促进Caspase-3活性,因此可能存在一条死亡受体诱导、Smac依赖的凋亡复合体通路28。
这些表明线粒体通路与死亡受体通路是密切联系的。
三条凋亡通路最后都有Caspase的激活,这说明Caspase是诸多调控通路的关键。
但许多情况下,虽然没有Caspase的参与,凋亡仍然可以发生,这说明还存在不依赖Caspase的凋亡通路。
Caspase基因敲除实验也表明细胞存在凋亡的代偿通路。
研究凋亡可能的通路,调控及相互关系对进一步认识和治疗凋亡相关疾病有重要意义。
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