细胞凋亡途径及其机制.pdf

国际妇产科学杂志 2014 年 4 月第 41 卷第 2 期J Int Obstet Gynecol，April 2014，Vol.41，No.2 综 述 细胞凋亡途径及其机制李敏，林俊【摘要】细胞凋亡存在于多细胞生物的整个生命过程当中，可及时清除机体内多余和受损伤的细胞，维持组织器官的稳定性。真核细胞主要通过死亡受体介导的外部凋亡途径、内部线粒体途径、B 粒酶介导的细胞凋亡途径以及近几年开始关注的内质网应激途径介导细胞凋亡的发生。而参与这些细胞凋亡过程的主要有 4 类蛋白分子，即凋亡蛋白酶（caspases）、衔接蛋白（adapter proteins）、Bcl-2 和凋亡抑制蛋白（IAPs）。细胞凋亡对卵巢储备及一些妇科疾病如子宫内膜异位症、卵巢癌等的发生发展产生影响。【关键词】细胞凋亡；凋亡蛋白酶活化因子 1；衔接蛋白类，信号转导；基因，bcl-2；凋亡抑制蛋白类The Apoptotic Pathways and Their MechanismsLI Min，LIN Jun.Department of Obstetrics and Gynecology，WomensHospital，School of Medicine，Zhejiang University，Hangzhou 310006，China【Abstract】Cell apoptosis exists in the whole life of multicellular organisms，which is capable to maintain homeostasis oftissues and organs through removing unwanted or damaged cells.Eukaryotic cells mediate apoptosis through four mainpathways：the death receptor-mediated extrinsic pathway，the intrinsic mitochondrial pathway，granzyme B-mediated pathwayand endoplasmic reticulum stress-mediated pathway.There are four important protein molecules involved in apoptoticpathways：caspases（the proteases which execute cell death），adapter proteins（caspase activators），Bcl-2 family proteins andInhibitor of apoptosis proteins（IAPs）.Cell apoptosis plays an important role in establishment of ovarian reserve and abnormalapoptosis inducing some diseases，such as endometriosis，ovarian cancer，et al.In this review we will discuss the apoptoticpathways and their mechanisms mentioned above.【Keywords】Apoptosis；Apoptotic protease-activating factor 1；Adaptor proteins，signal transducing；Genes，bcl-2；Inhibitor of apoptosis proteins（J Int Obstet Gynecol，2014,41：103-107）作者单位：310006 杭州，浙江大学医学院附属妇产科医院妇产科审校者细胞的死亡和更新是多细胞生物整个生命过程中不可缺少的环节，可及时清除机体内的多余细胞和受损伤细胞，对各组织器官的发育及免疫系统的建立发挥重要作用1-2。细胞凋亡是机体内细胞死亡的重要途径，目前发现真核细胞主要经死亡受体介导的外部凋亡途径、内部线粒体途径、B 粒酶介导的细胞凋亡途径及近几年开始关注的内质网应激途径介导细胞发生凋亡。主要有 4 种蛋白分子家族参与细 胞 凋 亡 机 制 的 构 成，即 细 胞 凋 亡 蛋 白 酶（caspases）、衔接蛋白（adapter proteins）、Bcl-2 和凋亡抑制蛋白（IAPs）。通常情况下，细胞凋亡过程受机体内严格调控，以维持整个生命过程中各组织器官的稳定性。但当细胞凋亡调控失衡时，可引起细胞过度增殖或过度凋亡，导致相关疾病如卵巢癌、子宫内膜异位症（EMs）等的发生3-4。因此，加深对细胞凋亡机制的认识有利于研究相关疾病的发病机制，对疾病的防治有重要作用。1细胞凋亡途径1.1细胞凋亡的内部线粒体途径当细胞受到内部凋亡刺激因子作用，如癌基因的活化、DNA 损伤、细胞缺氧、细胞生长因子缺失等，可激活细胞内部线粒体凋亡途径，引起细胞凋亡。在该途径中，线粒体外膜的透化（MOMP）引起细胞色素 C 向胞质的释放是一关键环节，此环节主要受 Bcl-2 家族蛋白的调控。在细胞内凋亡刺激因子作用下，Bcl-2 蛋白家族的 Bax、Bak 等受到激活并结合到线粒体外膜，在膜上形成线粒体内部通向胞质的孔道，致使线粒体内部一些蛋白如第二线粒体来源的半胱氨酸天冬氨酸蛋白水解酶激活剂（Smac/DIABLO）、高温需要蛋白（HtrA）家族成员 Omi/HtrA2 以及细胞色素 C 等得以通过线粒体膜进入细胞质5。细胞色素 C 分子上存在衔接蛋白 Apaf-1 的结合位点，在三磷酸腺苷（ATP）作用下，胞质内的 7 个细胞色素 C 分子与 7 个衔接蛋白 Apaf-1 结合，使 Apaf-1 发生别构效应而激活6。Apaf-1 上具有与起始凋亡蛋白酶 caspase-9 同源的caspase 激活与募集结合域（CRAD），因此活化的103国际妇产科学杂志 2014 年 4 月第 41 卷第 2 期J Int Obstet Gynecol，April 2014，Vol.41，No.2Apaf-1 能 够 以 CRAD-CRAD 方 式 聚 集 并 活 化caspase-9，形成由细胞色素 C、Apaf-1、caspase-9 组成的凋亡小体。该凋亡小体具有裂解效应凋亡蛋白酶 caspase-7 的作用，受裂解而激活的 caspase-7 再引起下游与细胞生命相关蛋白的降解，最终引起细胞凋亡。其他进入胞质的蛋白如 Smac/DIABLO、Omi/HtrA2 等可通过促进 caspases 活性，进而促进细胞凋亡5。Bcl-2 家族还有另外 2 组蛋白以其他方式参与MOMP 过程，如第 1 组 Bcl-2、Mcl-1、Bcl-xL 可通过抑制 Bax、Bak 作用，阻碍 MOMP 进程发挥抗凋亡作用；而 BH3-only 蛋白 Bim、Bid、Puma 等则可通过与线粒体外膜及 Bax、Bak 同时结合，介导 Bax、Bak 与线粒体外膜的相互作用，引起 MOMP 过程的发生，促进细胞凋亡的进行7。此外还发现细胞受到具遗传毒性的细胞因子刺激后，可激活起始凋亡蛋白酶caspase-2，后者与具备死亡结构域（death domain，DD）的 P53 诱导蛋白（PIDD）及RAIDD（RIP-associatedICH1/CED3-homologousprotein with death domain）共同形成复合物 PIDDosome，该复合物具有裂解活化 Bid分子及运输 Bax 蛋白的功能，通过激活 Bcl-2 家族促凋亡蛋白，引发该细胞线粒体凋亡机制的激活8。除了以上提及的细胞色素 C 介导的凋亡以外，线粒体途径存在另一种不依赖经典 caspase 的凋亡途径，即由凋亡诱导因子（AIF）蛋白介导的细胞凋亡。AIF 正常情况下位于线粒体内部，当细胞受到内部凋亡刺激因子作用后，AIF 可由线粒体释放到胞质，并最终进入细胞核，引起 DNA 的破坏，导致细胞死亡9。同样的，Bcl-2 介导的 MOMP 也参与 AIF 由线粒体内部向胞质的转运过程。1.2死亡受体介导的外部凋亡途径死亡受体是肿瘤坏死因子（TNF）受体超家族成员的跨膜蛋白受体，通过与相关配体结合发生寡聚化及结构的改变，暴露出能与衔接蛋白结合的 DD，聚集并激活衔接蛋白，引发下游 caspases 的活化导致细胞凋亡的发生。死亡配体包括 TNF-、FasL 及肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体（TRAIL），目前阐述最多的是 Fas/FasL介导的细胞凋亡，即 Fas 与配体 FasL 结合后发生三聚化而激活，活化的 Fas 可通过其 DD 结合并聚集衔接蛋白 Fas 相关死亡结构域（FADD），导致 FADD构象改变，此时的 FADD 可通过其自身的死亡效应结构域（DED）与具备同源结构的 caspase-8 以DED-DED 方式结合进而激活 caspase-8，形成由FasL、Fas、FADD、caspase-8 组成的蛋白复合物，该复合物作用类似于线粒体途径的凋亡小体，具有裂解并激活效应凋亡蛋白酶 caspase-3 的能力，引发细胞凋亡过程的级联反应，最终导致细胞凋亡10。此外，TNF 与其受体 TNFR1 结合后，TNFR1 与衔接蛋白肿瘤坏死因子受体-1 结合蛋白（TRADD）通过各自的DD 结合，形成由 TNF、TNFR1、TRADD 组成的蛋白复合物，该复合物与受体相互作用蛋白 1（RIP1）和肿瘤坏死因子受体相关因子 2（TRAF2）2 种蛋白结合，既可通过激活核因子 B（NF-B）抑制剂激酶（IKK），使 NF-B 抑制剂磷酸化，引起 NF-B 信号途径的活化，促进细胞存活；也能通过结合其他衔接蛋 白 如 FADD、RAIDD，后 者 分 别 聚 集 并 激 活caspases-8 和 caspase-2 促进细胞凋亡的发生11-12。而具备 DD 的 TRAIL 受体与配体 TRAIL 结合后，可通过 FADD/caspase-8 途径诱导细胞凋亡13。此外，研究发现在一些细胞中 caspase-8 不能直接激活 caspase-3，而是需要通过裂解激活 BH3-only蛋白，促发 Bax、Bak 介导的 MOMP 形成及后续级联反应，导致细胞以内部线粒体途径形式发生凋亡14。1.3B 粒酶信号途径介导的细胞凋亡细胞毒性淋巴细胞，如细胞毒性 T 细胞（CTL）、淋巴细胞因子激活的杀伤细胞（LAK）、自然杀伤（NK）细胞，可通过多种机制诱导靶细胞的凋亡。例如这些细胞表面表达的 FasL 可结合靶细胞表面的 Fas,激活靶细胞的外部凋亡途径。此外，细胞毒性淋巴细胞还能向靶细胞传递一些毒性颗粒，其中包含 TNF、B 粒酶及另一种穿孔蛋白。TNF 可介导细胞的外部凋亡途径，而穿孔蛋白通过在靶细胞表面形成膜间通道，利于 B 粒酶向靶细胞内部转移。进入细胞内部的 B 粒酶自身具备蛋白水解作用，可直接裂解并激活 caspases，促进细胞凋亡，还能通过裂解 BH3-only 蛋白间接激活细胞凋亡的线粒体途径15。且有研究显示，B 粒酶通过 BH3-only 蛋白介导的细胞凋亡效应强于其直接激活 caspases 效应14。除了以上 3 种经典的细胞凋亡途径以外，近年来还发现当细胞内环境改变，如缺氧、低血糖、氧化应激及一些肿瘤细胞生长的微环境等可导致内质网上未折叠蛋白质积聚，通过内质网跨膜蛋白肌醇酶1（IRE1）、蛋白激酶样内质网激酶（PERK）、转录激活因子 6（ATF6）使细胞发生未折叠蛋白应答（UPR）。UPR 最初作用是增强内质网对蛋白质的折叠能力、降解积聚的未折叠蛋白，以减轻内质网上的蛋白质负荷，维持内质网稳态，促进细胞存活。但当细胞处于长期持续的内质网应激状态时，内质网跨膜受体，主要是