细胞凋亡的信号通路.pdf

山东农业大学学报(自然科学版),2015,46(4):514-518VOL.46 N0.4 2015Journal of ShandongAgricultural University(Natural Science Edition)doi:10.3969/j.issn.1000-2324.2015.04.007数字优先出版:2015-06-03 http:/细胞凋亡的信号通路细胞凋亡的信号通路谢 昆,李兴权红河学院生命科学与技术学院,云南 蒙自 661199摘 要:摘 要:细胞凋亡是细胞程序性死亡的一种方式，与自噬和坏死有明显的区别。细胞凋亡的信号途径比较复杂，在凋亡诱导因子的刺激下经历不同的信号途径。本文就细胞凋亡的三条信号通路线粒体途径、内质网途径和死亡受体途径做一综述，以便为人们进一步了解细胞凋亡发生的机制，从而对癌症及其他一些相关疾病的治疗奠定基础。关键词:关键词:细胞凋亡;信号通路;线粒体途径;内质网途径;死亡受体途径中图法分类号:中图法分类号:R329.2+8文献标识码:文献标识码:A文章编号:文章编号:1000-2324(2015)04-0514-05The Signal Pathway of ApoptosisXIE Kun,LI Xing-quanDepartment of Life Science and Technology/Honghe University,Mengzi 661199,ChinaAbstract:Apoptosis is a process of programmed cell death which distinguishes from autophagy and necrosis.The signalpathways of apoptosis are complex and different under apoptosis induced factor stimulating.Three kinds of signal pathwaysof apoptosis including Mitochondrial pathway,Endoplasmic Reticulum pathway and Death Receptor pathway weresummarized in this review in order to make people further comprehend the mechanism of apoptosis，so that it should make abasis for us all to treat cancer and other related diseases.Keywords:Apoptosis;signal pathway;Mitochondrial pathway;Endoplasmic Reticulum pathway;Death Receptor pathway细胞凋亡是细胞程序性死亡（Program cell death，PCD）中特有的一种细胞死亡方式，是细胞在一系列内源性基因调控下发生的自然或生理性死亡过程。Kerr 等 1972 年最早提出了凋亡（apoptosis）和坏死（necrosis）的概念1，随后 Paweletz 等对其进行了详细的描述2,3。在形态学上，凋亡表现为核浓缩、细胞质密度增高、染色质凝聚、核膜破裂、核内 DNA 断裂、细胞集聚成团、形成凋亡小体(Apoptosome)等特征，这些凋亡小体最终被巨噬细胞清除，但不会引起周围细胞的炎症反应，另外，凋亡发生在单个细胞之间4,5。坏死，通常是由相邻的多个细胞之间发生细胞肿胀，细胞核溶解，细胞膜破裂，细胞质流入到细胞间质中，并伴发一系列的炎症反应，从而与凋亡表现为本质性区别6,7。目前认为，凋亡发生的途径分为三种。第一种是线粒体途径，也称为内源性途径，该途径包括两类，第一类需要通过激活 Caspase 通路促进凋亡，在一序列凋亡诱导因素刺激下，线粒体中的 CytC（细胞色素 C）释放至细胞质中，从而与 Apaf-1(Apoptosis protease activating factor 1，凋亡蛋白酶活化因子1)结合形成多聚体，形成的多聚体再进一步与凋亡起始分子Caspase-9 结合形成凋亡小体，凋亡小体激活 Caspase-9，从而激活下游的凋亡执行分子 Caspase-3，Caspase-6 和 Caspase-7 等诱导细胞凋亡的级联反应；第二类是不依赖于 Caspase 途径的，通过线粒体释放 AIF（Apoptosis induce factor，凋亡诱导因子）直接诱导凋亡的发生。但是在细胞内，直接检测 AIF 比较困难，而且 AIF 的变化不一定能代表凋亡发生的程度，因为引起凋亡发生的途径不一。第二种是死亡受体途径（也称为外源性途径），经由死亡受体（如 TNF，Fas 等）与 FADD 的结合而激活 Caspase-8 和 caspase-10，进一步激活凋亡执行者 caspase-3,6,7，从而促进凋亡的发生；第三条途径是内质网途径，内质网应激（蛋白质错误折叠或未折叠、内质网胁迫）会导致细胞内钙超载或钙离子稳态失衡一方面激活 caspase-12，caspase-12 进一步激活 caspase-9 而促进凋亡的发生，另一方面诱导 Bcl-2(B 细胞淋巴瘤蛋白)家族中促凋亡蛋白 Bax 和 Bak 的激活诱导凋亡8。1凋亡的线粒体途径凋亡的线粒体途径在哺乳动物中，由于凋亡的激活需要线粒体中细胞色素 C（CytC）的释放，因此 CytC 由线粒体膜间隙释放到细胞质中的多少可以作为判断凋亡发生强弱的指标之一。有研究认为，CytC 的释放是通过 Bcl-2 家族调控线粒体膜透化（Mitochondrial outer membrane permeabilization，MOMP），科学收稿日期收稿日期:2013-03-07修回日期修回日期:2014-09-11基金项目基金项目:云南省科技厅应用基础研究面上项目(2010ZC151)作者简介作者简介:谢 昆(1975-),男,云南富民人,博士研究生,研究方向为动物生物化学与分子生物学.E-mail:xk_第 4 期谢 昆等:细胞凋亡的信号通路515家们提出了两个主要的模型来揭示Bcl-2蛋白对MOMP的调控9，第一种模型认为Bcl-2蛋白通过调节线粒体膜上线粒体渗透性转换孔（Permeability Transition Pore，PTP）的开闭来调控MOMP，从而调节CytC由线粒体膜间隙到细胞质的释放；另外一种模型认为在Bcl-2家族成员中，一些促凋亡蛋白如Bax、Bad等能促进线粒体外膜通道的打开，从而引起线粒体中CytC的释放。最近科学家又提出了第三种模型，认为在凋亡发生过程中，一些相关蛋白会引起线粒体形状和活性发生改变，从而引起CytC的释放。但是无论是哪一种模型，对Bcl-2家族成员中一些抗凋亡蛋白如Bcl-XL，Bcl-w如何抑制凋亡的发生还未研究清楚10-12。在细胞受到损伤或者胁迫情况下，将诱导线粒体介导的凋亡，线粒体在凋亡中的作用包括：释放半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶(cysteinylasparate specific proteinase，Caspase)激活因子(如CytC)、Bcl-2家族成员中促凋亡蛋白的激活和抗凋亡蛋白的抑制、膜电位的改变等等13-15。MOMP除了可以释放CytC之外，还可以诱导Smac（the second mitochondrial derived activator ofcaspase）的释放，也称为低等电点（PI）的凋亡结合蛋白的直接抑制剂16，Smac/Diablo在细胞凋亡时随CytC一起释放到胞浆，通过与IAPs(inhibitor of apoptosis proteins)、XIAP（X连锁凋亡抑制蛋白，X-linked inhibitor of apoptosis protein）等相互作用，直接抑制下游caspase并可多途径调节细胞凋亡，从而成为线粒体途径的一部分17。因此它本身并不能诱发凋亡，只是解除凋亡抑制的一种方式。研究发现Smac/Diablo比细胞色素C大，并且只有成熟的Smac/Diablo才具有生物活性,因此在其释放前必须有个加工过程。在线粒体途径中，Bcl-2家族蛋白对凋亡的调控异常重要。在哺乳动物中，Bcl-2家族包括促凋亡蛋白和抗凋亡蛋白两类。促凋亡蛋白包括Bax、Bak、Bok、Bad、Bid、Bim、Bmf、Bik、Hrk、Noxa、Puma等，抗凋亡蛋白包括Bcl-2、Bcl-XL、Bcl-w、Mcl-1、Bcl-B等，所有的Bcl-2蛋白都包括14个BH区（Bcl-2 homology，Bcl-2同源区），正常情况下抗凋亡蛋白发挥作用可抑制凋亡的发生，当细胞受到损伤或胁迫时，抗凋亡蛋白功能受到抑制，而促凋亡蛋白发挥作用，从而引起细胞凋亡18。2死亡受体途径死亡受体途径死亡受体途径即为诱导凋亡的外源性途径，死亡受体家族包括8种，分别是肿瘤坏死因子受体1（Tumor necrosis factor receptor 1，TNFR1），CD95（也称为APO-1或Fas）、死亡受体3（Death receptor3，DR3）、死亡受体4（Death receptor 4，DR4也叫TRAILR1）、死亡受体5（Death receptor 5，DR5，也叫TRAILR2）、死亡受体6（Death receptor 6，DR6）、外异蛋白A受体（Ectodysplasin A receptor，EDAR)和神经生长因子受体（Nerve growth factor receptor，NGFR）19,20，它们共同的特征是都具有相似的、富含半胱氨酸的细胞外结构域，并且都具备一个80 KDa大小的胞内死亡区域（Death domain，DD)，DD一般使死亡受体与胞内凋亡机制相连。我们以Fas为例介绍其信号传导通路，FasL（凋亡相关因子配体）和Fas结合后三聚化，激活的受体与FADD（具有死亡功能区的Fas相关蛋白）结合，形成死亡诱导信号复合体（Death inducing signalling complex，DISC），然后募集凋亡起始分子Caspase-8或Caspase-10，从而级联激活下游Caspase-3,6,7，进而诱导凋亡的发生21。在此途径中，FLIP(FLICE抑制蛋白)会抑制Caspase-8的激活22。另外，Caspase-8可催化Bid的切割（Bcl-2家族的促凋亡分子），正常情况下Bid存在于胞液中会诱导自噬，而在Fas或TNFR1诱导情况下，激活的Caspase-8和Caspase-10可切割Bid，使Bid抑制凋亡部位断裂（N-端1-60位），暴露出来的C 端Bid（tBid），tBid可激活其自身的凋亡活性定位至线粒体外膜，在相关的其他Bcl-2家族成员的参与下可诱导线粒体外膜透化(MOMP)，从而促进CytC的释放8,22,23。3内质网途径内质网途径内质网是细胞内重要的细胞器，参与蛋白质翻译后的修饰、折叠和寡聚化，还参与脂质代谢、类固醇激素的合成和钙的储存、信号转导，未折叠或错误折叠蛋白的增多、胞内钙的失衡引起的内质网的应激反应，以及由过强的内质网应激反应诱导的细胞凋亡，这是与死亡受体和线粒体介导的细胞凋亡不同的一条途径24。内质网与细胞凋亡相联系表现在两个方面：一是内质网对Ca2+的调控，二是内质网上Caspase的激活。Ca2+是细胞内重要的信号转导因子，对维持细胞内环境稳定、电子传递、信号传递起重要作用。正常情况下细胞内保持稳定的Ca2+浓度，当凋亡发生时细胞内Ca2+浓度升高，一方面Ca2+激活一系列的钙依赖性蛋白酶(如钙蛋白酶Calpains)，钙蛋白酶在细胞内能切割一系516山东农业大学学报(自然科学版)第 46 卷列自噬相关蛋白（ATG）引发凋