细胞凋亡信号传导通路的研究进展.pdf

2007 年5 月第 17 卷第 5期中国比较医学杂志CHINESE JOURNAL OF COMPARATIVE MEDICINEMay,2007Vol.17 No.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)05-0297-05The Progress on the Signal Transduction Pathways of ApoptosisYANG Shao-jie,MENG Jin-ping,QU Yi,LIU Yun-bo(Institute of Laboratory Animal Science,Chinese Academy of Medical Sciencesand Peking Union Medical College,Beijing 100021,China)【Abstract】Apoptosis is a form of intrinsic cellular suicide program,which is a wide physiological process inmulticellularorganisms and critical for the development,the cell senescence andthe tissue homeostasis.The initial and progress of apoptosis isprecisely regulated.This review will summarize current knowledge of the signal transduction pathways of apoptosis.Broadlyspeaking,there are three pathways in apoptosis:death receptor pathway,mitochondrion pathway and endoplasmic reticulumpathway.These ways can cross-talk and regulate apoptosis coordinately.【Key words】Apoptosis;Signal transduction pathways;Death receptor;Mitochondrion;Endoplasmic reticulum 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。E-mail:ladder210 通讯作者 刘云波,研究员。E-mail: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(Caenorhabditis elegans)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-9 1。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 ATP dATP 存在的情况下,Cytc 与凋亡蛋白酶活化因子(apoptotic protease-activating factor,Apaf-1)形成多聚复合体,通过Apaf-1氨基端的 Caspase 募集结构域(caspase recruitment domain,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-associated death domain protein,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 Chin J Comp Med,May 2007,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、ATP dATP 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 JNK AP-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-associated death domain)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-interacting protein)可以激活NF-B 和 JNK AP-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 JNK AP-1 的激活过程中的作用还不是 很 清楚。TRAF2 和 RIP 激 活 NIK(NF-Binducing kinase),后者进而激活 IKK(I-B kinase)2。IKK磷酸