内质网路径细胞凋亡相关因子朱秋霞.ppt

内质网路径细胞凋亡内质网路径细胞凋亡相关因子相关因子 93K7B 朱秋霞 指导教师：石玉秀 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。内质网相关细胞凋亡是不同于受体介导或线粒体介导DNA 损伤的另一种新的细胞凋亡途径，内质网腔内 未折叠蛋白增多或钙 失衡,引起内质网 应激反应信号。内质网和细胞凋亡内质网和细胞凋亡 (一一 )内质网应激引起的细胞凋亡内质网应激引起的细胞凋亡 (二二 )内质网钙离子信号与细胞凋亡内质网钙离子信号与细胞凋亡 (三三 )内质网上内质网上 BCLBCL-2 2家族参与细胞凋亡家族参与细胞凋亡 一、一、内质网和细胞凋亡内质网和细胞凋亡 (一一 )内质网应激引起的细胞凋亡内质网应激引起的细胞凋亡 当机体细胞受到缺氧、饥饿、钙代谢紊乱、自由基侵袭及药物等应激原的刺激时,内质网腔内未折叠蛋白增多或钙失衡，可引发内质网应激(endoplasmic reticulum stress，ERS)，细胞对内质网应激会产生未叠蛋白反应(unfolded protein response，UPR)和内质网超载反应(ER ovedoad response，EOR)来降低蛋白质的合成，促进蛋白质的正确折叠，但同时过度的应激也激活了相应的凋亡分子。1.11.1未叠蛋白反应未叠蛋白反应(unfolded protein(unfolded protein responseresponse，UPR)UPR)和细胞凋亡和细胞凋亡 UPR是由一个内质网分子伴侣GRP78BIP和3个ER应激感受蛋白所介导的，分别是PERK(PKR-like ER kinase)，ATF6(activating transcription factor 6)和IRE-1(inositol-requiring enzyme 1)。无ERs时，PERK、ATF6、IRE-1分别与分子伴侣GRP78BIP结合，处于无活性状态，ERs存在时，未折叠蛋白在内质网内堆积使GRP78BIP从3种跨膜蛋白上解离，转而去结合未折叠蛋白。解离后的感受蛋白被活化并启动UPR，UPR可以保护由ERs所引起的细胞损伤，恢复细胞功能，包括暂停早期蛋白质合成、内质网分子伴侣和折叠酶的转录激活、内质网相关性降解(ER-associated degmdation)，促进内质网对蓄积在内的错误折叠或未折叠蛋白质的处理，有利于维持细胞的正常功能并使之存活。PERK、ATF6以及IRE-l信号不仅能够启动ERS的生存途径，严重或长时间的ERs损伤了ER的功能时，这3个信号通路同样能够启动由ERs所介导的凋亡信号通路，诱导细胞凋亡，以去除受损伤的细胞目前认为，ERS可能通过下列途径诱导凋亡：CCAAT增强子结合蛋白同源蛋白(CCAATenhancer-binding protein-homologous protein,CHOP)GADD153(growth arrest/DNA damage-inducible protein 153)基因的激活转录；C-Jun氨基酸末端激酶(C-Jun N-terminal kinase，JNK)的激活通路；ER特有的Caspase-12的激活。1.1.1 CHOP1.1.1 CHOPGADD153GADD153基因的激活基因的激活转录转录:CHOPGADD153内质网应激特异的转录因子,CHOP属于转录因子 CCAAT增强子结合蛋白（C/EBP）家族，常与该家族的其他成员形成二聚体，正常情况下，CHOP几乎无表 达。ERS时，IRE1、PERK和 ATF-6的活化均能促进 CHOP的大量产生。内质网应激反应时，跨膜蛋白IRE1 和ATF-6活化，其胞浆部份进入核内，与ERS反应元件(ER stress response element，ERSE)结合，启动 CHOP转录与表达，继而促进凋亡。PERK/elF2下游的转录因子ATF4可与CHOP启动子上的AARE 域结合，也诱导CHOP的表达,而且,PERK/elF2/ATF4是 CHOP表达所必需的。McCullough 等证实CHOP表达的增加下调抗凋亡蛋白Bcl-2的表达,减少细胞内的谷胱甘肽和促进反应性氧中介物(ROIs)的生成,从而引起细胞凋亡。1.1.2 C1.1.2 C-JunJun氨基酸末端激酶的激活氨基酸末端激酶的激活通路通路:应激条件下,活化的IRE1招募C-JUN氨基末端激酶(C-Jun N-terminal kinase,JNK)和肿瘤坏死因子受体相关因子2TRAF2(TNF receptor-associated factor2，TRAF2)，TRAF2 激活细胞凋亡信号激酶1(apoptosis signal regulating kinase1,ASK1),并形IRE-1/TRAF2/ASK1 三聚体,随后激活JNK,诱导细胞凋亡。1.1.3 Caspase 1.1.3 Caspase-1212的激活：的激活：Caspase-12定位于内质网胞质面上,以前体形式存在,仅在ERS刺激下活化,发生自内质网向胞质的移位,对非内质网凋亡刺激均无反应。内质网应激时,caspase-12可以通过下列几种途径被激活:一.IRE1和肿瘤坏死因子受体相关因子2(tumor necrosis factor receptor-associated factor-2,TRAF2)形成复合物,导TRAF2 从其与Caspase-12 前体形成的复合物上解离,激活caspase-12。二.Ca依赖的calpain活化：钙调蛋白分解酶(calpain)是一种Ca2+依赖性的半胱氨酸蛋白酶。当Ca2+从内质网中被释放入细胞质后会激活内质网附近的calpain,它可以作用于caspase-12使之活化并释放入细胞质三.caspase-7 ER转位：ERs引起caspase-7移位至内质网表面，与caspase-12形成复合物并切割procaspase-12，破坏了膜与caspase-12的联系，使之活化并释放于细胞质Caspase-12激活后,caspase-12通过激活其下游的caspase-9,接着激活细胞凋亡的执行分子caspase-3,而导致细胞的凋亡。最近有研究表明caspase-4也参与内质网应激所致的细胞凋亡应,caspase-4与caspase-l2高度同源，主要位于人类内质网中，其作用类似于caspase-l2。1 12 2 内质网超载反应内质网超载反应(ER ovedoad(ER ovedoad responseresponse，EOR)EOR)引起的细胞凋亡引起的细胞凋亡 未叠蛋白反(unfolded protein response，UPR)可以促进蛋白质的正确折叠，正确折叠的蛋白在ER过度蓄积则通过激活核因子(NF)-B而引发EOR。EOR是一个相对独立的转导信号通路，ERS时，大量膜蛋白在ER沉积，B激酶抑制剂(inhibitor ofB kinase,IKK)被激活，引起B抑制剂的降解从而激活NF-B。NF-B是一种转录因子,尽管也有报道认为其激活了超氧化物歧化酶,凋亡抑制剂(inhibitor of apoptosis,IAP)和Bcl-xL 家族从而具有抗凋亡的作用,但却上调了凋亡基因如TRAL-1 和TRAL-2(tumor necrosis factor-related apoptosis ligand-1 and-2)死亡受体,从而导致细胞凋亡。内质网应激机制图内质网应激机制图 (二二 )内质网钙离子信号与细胞内质网钙离子信号与细胞凋亡凋亡 内质网是细胞内蛋白质合成、翻译后修饰、折叠的主要场所,同时也是钙储备和钙信号转导的主要部位,当前研究认为细胞内的钙稳态主要是通过内质网来保持的。内质网钙流动的机制主要有:钙诱导的钙释放主要通过ryanodine(RyR)受体,激活代谢受体通过三磷酸肌醇诱导的钙释放(主要通过三磷酸肌醇受体IP3R)和通过肌浆网钙泵的钙摄取。通过以上调控,共同维持内质网内钙离子的动态平衡。内质网钙流动机制图 2.12.1 CaCa2+2+与内质网应激途径的凋亡与内质网应激途径的凋亡 病毒感染、组织缺氧、缺血和生长因子剥夺等都可能引起内质网上钙离子通道的改变,从而造成内质网腔内钙稳态的改变,出现钙剥夺或钙超载从而影响内质网的功能,破坏蛋白质合成、翻译和折叠,从而产生未叠和错叠蛋白,内质网处理不了过多的未叠和错叠蛋白就会产生内质网应激(ER stress)。内质网应激可以激活凋亡通路。2.22.2 CaCa2+2+与内质网相关的凋亡与内质网相关的凋亡 当Ca2+从内质网中被释放入细胞质后会激活内质网附近的钙调蛋白分解酶(calpain),它可以作用于caspase-12使之活化并释放入细胞质，诱发细胞凋亡。钙离子是联系内质网和线粒体功能的关键环节。当内质网应激发生大量钙离子释放时,线粒体由于其膜电势梯度摄取钙离子,而线粒体的钙超载是已知重要的凋亡因素。此外，从内质网内释放的Ca2+可以通过激活Ca2+/钙联蛋白调节的钙调神经磷酸酶(calcineurin),使得前凋亡蛋白Bad去磷酸化,并使Bad与其抑制蛋白解离,然后转移到线粒体进而激发细胞色素C的释放,从而导致细胞的凋亡。参与Ca2+与内质网有关的凋亡过程的分子还有很多,但最终的结果都是细胞凋亡的产生。(三三 )内质网上内质网上 BCLBCL-2 2家族参与细家族参与细胞凋亡胞凋亡 Bcl-2家族成员参与内质网凋亡与抗凋亡过程,根据结构和功能可分为三类:1)具有抗凋亡作用的Bcl-2,Bcl-XL等;2)感受触发凋亡的BH3单结构域成员主要位于线粒体上,但Bik,Bim和Noxa等单结构域成员在内质网上也存在;3)多结构域成员Bax和Bak也在内质网上被发现。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。非应激时，位于内质网膜上的促凋亡蛋白Bax和Bak与抗凋亡蛋白Bcl-2结合而处于无活性状态ER应激激活CHOP蛋白和JNK激酶二者均可以削弱Bcl-2的抗凋亡功能从而诱导ER膜上Bax和Bak构象变化并寡聚化最终导致ER膜完整性的破坏和Ca的外流。二内质网凋亡与神经系统疾病二内质网凋亡与神经系统疾病 内质网凭借着其庞大的膜结构基础,既可以通过特有的Ire-1、Caspase-12、钙离子等独立引发凋亡,也可以通过与线粒体等细胞器相互交通共同调节细胞凋亡,在多种疾病的发生发展中起作用。文献报道内质网应激与心血管系统疾病如动脉粥样硬化、心力衰竭的发展及糖尿病、肝病等的发生。而在某些神经系统疾病的发生发展中内质网也发挥着总要的作用。2.1 2.1 阿尔茨海默病阿尔茨海默病(Alzheimer(Alzheimers s diseasedisease，AD)AD)阿尔茨海默病(Alzheimers disease，AD)是一种常见的神经系统变性疾病，其标志性病理变化是神经元和突触的丧失，细胞外神经突斑(老年斑)形成其中含有-淀粉样多肽或蛋白、变性的神经元成分。淀粉样-蛋白(A)的聚集被认为是AD发病机制的核心，而内质网固有蛋白早老素控制-淀粉样多肽的合成。早老素基因突变是家族性阿尔茨海默病的重要特征,早老素的异常表达不仅可导致细胞对Ca2+浓度的紊乱、氧化应激、缺氧等凋亡刺激的易感性增加，并且对ER应激的易感性也增加，并下调Grp78,参与早期阿尔茨海默病的发生。2.2 2.2 帕金森病帕金森病(Pakinson(Pakinsons s disease,PD)disease,PD)年龄的老化、遗传和环境因素是发病的主要病因,这些因素导致胞浆内-突触核蛋白-synuclein的错误折叠和聚集,使得内质网应激以帮助未叠和错叠蛋白正确折叠减少不溶的-synuclein 的产生，而过度应激而引起多巴胺能神经元的凋亡，引发帕