细胞凋亡研究热点

交流细胞凋亡细胞凋亡 当前生命科学研究的热点课题当前生命科学研究的热点课题 蒋争几 翟中和 摘要 细胞凋亡是当前生命科学研究中最热门的领域之一，近几年约研全会得了许多重大突破对凋亡中的热点问题，包括细胞接受胞内外信 号的刺激启动凋亡、胞内凋亡特异性蛋白酶阳 9a 肥的话化、阳 9a 肥对细胞结构的降解、线粒体及 Bcl2 蛋白家族对凋亡的调控等方 面的许多令人瞩目的进展做了介绍此外，还专门介绍了非细胞体系对细跑凋亡研究的重要贡献 细胞调亡(叩 optosiB)与细胞编程性死亡(pn3pwImld ceU deatk)本是略有差异的概念，现在已习惯为同义名词它是一种高度有序的细 胞死亡，在这个过程中细胞将自己分割成由膜包被的小体而自杀 细胞凋亡在多细胞动物的发育、形态建成与维持中扮演至关重要的角 色，与细胞增殖、分化和衰老起着互补与平衡的作用几乎所有的哺乳动物细胞都存在凋亡的一整套因子并可被多种胞内外信号所激 活在一般的生物发育中，细胞凋亡的意义不仅在于形态建成，也有利于形成完善的功能，例如免疫系统和中枢神经系统因此细胞凋亡 的缺陷会导致异常发育细胞凋亡在成体中也具有重要作用，如皮肤与消化道中细胞的新陈代谢而消除衰老细胞一般地说，细胞凋亡与 细胞增殖的紧密锅联保证了很多组织能够得到稳定、有控制的新生细胞的供给，而这对成体器官的保持和功能的最好发挥是很重要 的同时，植物细胞与原生生物细胞是否存在凋亡近年已被初步证实，是否与动物细胞凋亡具有相同的调控机理尚待研究作为细胞的 一种基本生命现象，凋亡失控的结果将是可怕的：凋亡不足时，易发生癌变、病毒性疾病和自身免疫疾病，而凋亡过量则可能产生获得 性免疫缺陷综合征(W)、重症肝炎与退行性神经疾病，如老年性痴呆症(A 协 e 血“s d5M)、帕金森氏症(Pa2tiWns d 比 Me)因此研究细 胞凋亡及其机理具有重要的理论和实践意义细胞凋亡是当前生命科学研究中最热门的领域之一，根据美国 15I(MMal50nSclencesh5t5tuIe)对 1D7 年 5CI 收录及引用论文关键词检索发现全球自然科学研究中论文发表最集中的 3 个领域分别是 细胞信号转导、细胞凋亡和基因组研究截止到 1 四 8 年的 5 年内发表了 2 万多篇有关细胞凋亡的文章。L我国在细胞凋亡研究领域 虽然起步较晚，但已有多家单位从事这一方面的研究并取得进展， 目前，对细胞凋亡的研究主要集中在如下几个方面，细胞接受胞内 外信号的刺激启动凋亡、胞内凋亡特异性蛋白酶 cMpge3 的活化、cg9a50 对细胞结构的降解、线粒体及 Bcl2 蛋白家族对凋亡的调控 等下面将分别叙述 1 细胞凋亡信号的转导与调节 凋亡是通过一系列复杂的信号转导通路来实现的细胞外部的生存信号与内部感受细胞完整性的感受器监控着细胞凋亡机制细胞是继 续存话还是进入凋亡是细胞必需首先加以决择的事件细胞依赖于持续的存活信号，即自分泌或旁分泌的生长因子的刺激以维持生 存避免凋亡如果细胞与周围失去联系或受到无法修复的损伤，细胞就会开始凋亡细胞同时收到促进或延缓分裂的矛盾信号时也会 开始凋亡一些环境的胁迫(stM)，如热、LV 辐射以及高渗，也可引发凋亡哺乳动物中存在另种机制可使机体主动引起某个细胞自 我毁灭这种。指令”性凋亡在免疫系统中尤为重要死亡受体是传导特定死亡配体带来的凋亡信号的细胞表面受体，它在“指令”性凋亡 中是很重要的这些受体可在配体结合后几秒钟内活化 cM四 M，使细胞几小时内凋亡21 死亡受体居于肿瘤坏死因子基因家族，其共同特征是都有相似的、富含半腆氨酸的细胞外结构域死亡受体还有一个同源的、称为死亡 结构域的胞内序列死亡结构域一般使死亡受体与胞内凋亡机制相连 L34，但它们有时也会介导与调亡无关或抑制凋亡的过程 (i) 通过 F9 的信号转导FM 和 FML 在 3 种生理性凋亡中起重要作用： (1)免疫应答结束后对外周活化的成熟 T 细胞的去除； (2)通过 细胞毒性 T 细胞和自然杀伤细胞杀伤靶体如病毒感染细胞或癌细胞； (3)在免疫特免位置如眼睛处对炎症细胞的杀伤 与其他 INF 家族成员一样，FML 也是一个同源三聚体分子，每个 FML 三聚体与 3 个 FM 分子结合因为死亡结构域有彼此结合的趋势， Fs 的靠近会使受体的死亡结构域聚集；一种叫做 P 入 DD(胁 g9c 比 eddeath do 晌 n)的接头蛋白质5j，通过自身死亡结构域与聚集的受 体死亡结构域结合FADD 还含有一个死亡效应结构域(DED)可与酶原形式的Dpe8 中类似的回文重复的 D 四结构域结合“n。哪 e 8 的寡聚化导致其通过自身切割使酶活化最近的研究表明，细胞内可能存在两条 Fa5 信号转导通路活化 casP5M8I在 FM I 型细胞中， 有相当数量的。哪 e8 被活化，活化的 cM9aM8 通过切割。即 Me3，M9as*6 和 cMpMe7 直接激活这些下游的。Mpes，DJ 并引发线粒体的损伤在 FM n 型细胞中，只有少量的 Mpx8 活化”5P5e8 主要通过诱导细胞色素 c 从线粒体释放活化 tpd1，再使 c“阴 69 活化，2Z (H)通过 1N 四 1 的信号传导1N 厂主要是由因感染而活化的巨噬细胞和 T 细胞产生的通过 INFRl，1NF 激活转录因子 NFB 和 JyKv1 诱导与炎症反应和免疫调控相关的基因的表达在一些类型的细胞中，W 也可通过 1w 四 1 诱导凋亡与 FM 不同的是， W 诱导的凋亡必须有蛋白合成的抑制，表明细胞内存在一些可抑制 W 诱导凋亡的因子而这些抑制性蛋白的表达可能是通过 yFMB 和 JNKAP1 控制的，因为这两条途径中任何一条被抑制都会使细胞对 W 引发的调亡变得敏感，31因此，IN 四1 活化的结果可能 导致凋亡途径的激活、JNK 活化以及 NFKB 的活化14而 1N 取信号传导的结果取决于细胞对所有信号传导的整合 FADD 将。 Mpe8 与 1NFRl冗 L4DD 复合体锅联并将其活化，从而引发凋亡剔除 POD 基因的细胞无法发生 1NF 诱导的凋亡，表明 POD 在 此反应中是必需的除 F4DD 外川四 1 还 pJ 与一个称作 KAmD 或 cRADD 的接头分子结合：，5IK41DD 通过死亡结构域与 NP 的 死亡结构域结合，通过一个 CAI(C 哪 tecMi 咖 foMin)序列与死亡效应分子 Mpb2 结合。从而诱导凋亡 此外，细胞还通过 DB3，DR4 和 DR5 的信号转导对细胞的凋亡进行调控复杂在此不再细述2 则 pa 肥蛋白酶的活化及其在凋亡通路中 的主导作用由于其机理较为 L，J明 mM 则 5erV 勺待 oL”5P5es 足一突半恍氨酸(Cys)蛋白酶，根据同源性高低将其分为 3 类(类 ICK、类 CP 四 2、类 bhl)，它们无论在氨基酸序列、结构与底物特异性方面都有相似性 L16J 目前已发现 13 种。哪 es，它们在凋亡 与炎症反应中发挥截然不同的作用在凋亡过程中，c“pMes 不仅是细胞解体的效应器，而且在接受信号后启动凋亡中发挥重要的启动 子作用 。MpMes 均以酶原的形式存在，含有 3 个结构域，一个 y 隘端结构域，一个大的亚单位(*20ku)和一个小的亚单位(10ku)， 其活化过程包括结构域间的解离及 2 个亚单位形成一个异源二聚体2 个异源二聚体相连形成四聚体及 2 个催化垃点，它们独立行使功 能：，7I酶对底物有特异性，佃 9a 汾 1(ICE)的底物残基识别序列为 Y1f4 刀，船 5P 朋3 为 DEVD，哪侧6 为 VEID不同州 es 底物特异性序列的差别导致了其广泛的生物学功能，81不仅如此，并非所有含有其特异性序列的蛋白质会被对应的。哪降解，表明 在底物识别过程中三级结构具有重要作用 (II)“9aM 的话化最近的研究“，金明。叫 mM 的话化主要通过两种不同的机制进行其中一种是利用在凋亡过程中起伴侣作用的蛋白 分子来使无活性的酶原聚集在一起，以提高其局部浓度，有利于无活性的前体形成活性构象另一方面，由于所有 c“Pges 的降解有相 似的专一性，因而活化。哪 es 前体(Ro)最简单的方式是将其直接传递给已经活化的 Q6px 分子、在细胞内作为下游效应物的 c 叼 M5M(加：cMpM，3，“9a6 及 c“PMe7)的活化广泛采用这种 c“pMes 级联反应机制此外，c6Pg 也可通过被其他种类蛋白酶的水解 而激活，如 MpB，3、可被 Ck 细胞杀伤作用的重要因子 se6ne 类蛋白酶 GrMzPne B 直接水解激活“” “诱导靠近的方式这种机制 首先在 cM 帅 8 的话化过程中发现FM 受体分子在配体结合后聚集成复合体这种信号复合体通过 NDD 招算数个 ca5pMe8 前体，从 而使”sP5e8 前体的局部浓度升高在这种情况下，cgpMs 前体固有的很低的蛋白酶活性足以驱动与受体相联系的 cMpMe8 前体相互水 解而活化”i (m)cg9aA9 对细胞结构的降解c”阴的一个功能是使抑制凋亡的蛋白失活，如使产。失活从而消除其对 CAD(哪 pxact51ateddMK6Lonucle 踢 e)的抑制作用，CAD 恢复其核酸酶的活性，特异性降解 DK42J此外，Bbt2 也在凋亡活化过程中被 c“P3es 降解，而且降解后形成的片段还可促进凋亡 LDi cgpxs 可直接作用于细胞结构并使之解离如对核纤层蛋白(比 n1M)的降解 Lx同时，cM 哪通过降解一些与细胞骨架调控相关的蛋白质来重组细胞结构如对 ge 切比xJ，F4K(fMaldhesion kiHa5e)xJ 及 P 4 搬(p2l印 nlra 创 kln 踢 e 2)的降解 L27J 另外，cMpMes 一个重要功能是使蛋白的调控区与功能区相互解离通过这种方式进行负 调控主要参与洲 A 修复(如 DNAPItcs)、船 tNA 剪接(如 Ul70K)及 DNA 复制的灭话 Lm79j， 目前已发现的 c 踢 pMo 的底物还包括 SBEBP2川 i，比 16n A，Lanln C，yuMA，DNA IoplsomerMI，蛋白激酶 C 玲 311，MDM2。?21 及 BL 蛋 6L”等 总之，c“pg 在凋亡 的执行过程中以一种很有程序的方式对细胞进行解体它们切断调亡细胞与周围细胞之间的联系、关闭 DNA 的复制与修复、阻断洲 A 的剪接、降解 DNA、破坏核的结构、诱导细胞向外发出信号以便被周围的细胞吞噬、最后将细胞解体并包裹形成凋亡小体随着 c“pg 新底物的不断发现，人们对调亡降解细胞的认识也不断深入 12LJ3 线粒体在凋亡调控中的作用 在脊椎动物细胞的凋亡过程中，线粒 体被认为是处于凋亡调控的中心位置细胞色素 c 从线粒体释放与胞浆中 4pafl(线虫 CED4 的同源物)结合活化 cMpa5e 9，进而激活 c“pMe 3LH，35J，导致细胞凋亡BcL2 通过阻止细胞色素 c 从线粒体的释放来抑制凋亡36，yJ；而 Bax 通过与线粒体上的膜通道结 合促使细胞色素 c 的释放而促进凋亡“i最近的研究表明，FD 途径中 c“P5e8 活化后切割脑浆内的 Bjd(BcL2 家族成员)，使之进入线粒 体，引发细胞色素 c 高效释放Bid 诱导细胞色素 c 释放的效率远高于此 1201di 线粒体释放的另一凋亡诱导因子是 A 赃，其分子量为 57ku，是一种黄素蛋白正常生理状态下，A 赃被封闭于线粒体中，在细胞发生凋亡时被转运人细胞核重组的 AIF 能诱导细胞核中染 色质凝集和 DY4 大规模降解 A 赃还能诱导纯化的线粒体释放细胞色素 c 和 c 踢 P 踢 e941，424Bd2 家族蛋白与凋亡调控 BcL2 是一个大的蛋白家族，许多(但非全部)Bcl2 家族蛋白定位于线粒体外膜由其 C 端疏水区域锚定在膜上，蛋白朝向胞质 6i 目 前已知的 Bcl2 基因有十余种，分为两大类，分别抑制凋亡或促进凋亡其中 BcL2，加和 Bid 的功能在前面已作了介绍不同类的 BcL2 蛋白分别具有不同的 BH(M2hoM)10 趴)结构域包括朋 1，B 股，BH3 和 BN，在抑制凋亡的 BcL2 类蛋白中，这些结构域都起 重要作用16；而在促进凋亡的 BcL2 类蛋白中，肋结构域是必需的在爪瞻卵非细胞体系中，甚至单独的闭记结构域即可引发细胞色 素 c 的释放及 cMpM 的话化 r6jBcl4 通过 BH 结构域形成二聚体或与其他凋亡促进蛋白结合，发挥抑制细胞凋亡的功能细胞内两类蛋 白的含量和功能状态之间的平衡是细胞调控凋亡的重要机制如细胞 DNA 损伤后，p53 诱导 BM 转录，而使细胞走向凋亡 L4r5 利用 非细胞体系研究细胞凋亡 在体内或细胞水平研究凋亡的生化机制非常困难这不仅表现为凋亡细胞的同步性很低，凋亡时间很短，而 且由于细胞内各种因子相互作用，调控机制极其复杂，使分子生物学技术应用于细胞水平的研究存在很大的困难 应用非细胞体系来研究凋亡可弥补上述不足以往的研究表明，利用非细胞体系研究胞内复杂的生化活动具有独特的优越性，在细胞周 期调控、DNA 复制、核小体与染色质构建等的研究中发挥了重要作用非细胞凋亡体系使人们的研究与分子生物学技术容易结合起来， 便于在亚细胞及分子水平对细胞凋亡的各种调控因子进行研究为细胞凋亡的研究起到很大的促进作用 1993 年Idze 比 iL 等人 Lo 最早创建了利用非细胞体系来研究细胞凋亡的模式他们用两次同步化的鸡肝癌细胞 DL，249 制备提取物， 加入外源纯化的细胞核，观察到典型的凋亡现象这对人们后来建立多种非细胞凋亡体系具有开创性的意义 NMeYer 等人 EdI 利用非洲爪婚卵提取物建立了一种非细胞凋亡体系，并发现线粒体组分中的因子对于诱导非细胞体系的凋亡是必需 的这种凋亡体系还存在处，如制备周期长、制备物本身就是凋亡体系，不能用于研究启动凋亡的因子 19N 年，Lu 等人 Ld建立了一种新的非细胞凋亡体系制备方法，使凋亡在非细胞体系的研究迈进了一大步他们用帅诱导 Heb 细胞提取 物发生凋亡，证明细胞色素 c 是凋亡诱导过程的必需因子他们对细胞提取物的大规模制备和分析，使人们分离鉴定哺乳动物细胞内凋 亡关健因子的梦想变为可能 1 卿年，Ym9 等人川和 K1nck 等人n1 同时证明 Bcl2 通过阻止细胞色素 c 从线粒体膜上释放发挥其抑制凋亡的作用加等人：yrDJ 在此基础上，分离纯化得到 tP 办 1，并发现是 Ced4 的同源物，细胞色素 c 与脑浆中 tpdl 结合并活化 cgpue9，进而激活 cMpue 3，导致细胞凋亡的施，另一方面，SMsiM 等人“利用非细胞体系证实了线粒体释放的另一种调亡诱导因子 AIF 及其作用机理，对人们了 解线粒体在凋亡调控网络中的重要作用提供了新的证据 我们实验室从上述的工作得到启发，并结合以往非细胞体系核重建的经验，不失时机地建立了非细胞凋亡体系我们首先按照核重建的 方法制备得到了爪脂卵提取物，通过加入 L4 呼和细胞色素 c，得到了能有效诱导凋亡的非细胞体系被诱导凋亡的小鼠肝细胞核在形态 上表现出明显的阅亡特征。N1这种非细胞凋亡体系来源于正常而非已诱导凋亡的卵细胞，可用于研究凋亡启动的关健因子；在爪聘卵 中储备有大量的物质，对凋亡过程中多种因子的研究极为便利，如揭示凋亡特异的核酸内切酶我们的研究发现，细胞色素 c 可以直接 激活卯提取物中的凋亡特异核酸酶菌分子量约为 27LuLslI2J这些结果表明，细胞色素 c 激活 cglN3 的调亡途径同样存在于爪婚卵 细胞中最近，我们与清华大学细胞生物室应用植物细胞脑浆提取物建立了非细胞凋亡诱导体系，为研究植物细胞凋亡机理提供了方便 的实验模式(见下节)6 植物细胞凋亡 植物细胞中发生的处于特定部位的具有显著生物学意义的细胞死亡，包括坏死、超敏反应、繁殖、 组织分化及自然衰老，它们的遗传学基础及代谢过程都不清楚。5；“j研究植物细胞应答于外界环境的压力而发生死亡的分子生物学基 础，探索与植物抗性基因工程有关的基因及基因产物进而通过改变植物体相关基因的表达来增强植物的抗性，对于人类的生存是很有意 义的 植物体内处于一定发育阶段的细胞 Lg或受到病原体作用的细胞XI 为保持自身的体内平衡可发生死亡现在，越来越多的工作 认为在植物微生物不相容共生体中存在与超敏感有关的细胞死亡刘，其特点与动物细胞的凋亡相类似MiN“等人通过原位检测 DY A 断裂的方法发现在植物木质部分化及抗病基因的表达过程中出现特异性核酸酶对 DKA 在核小体间的切害 g57， wang 等人利用一 种与鞘氨醇(9Ph”卿 m6)相关的真菌毒京矾诱导番茄原生质体及小叶片发生凋亡，发现了典型的凋亡小体与 DNA kdder，最近我们实验 室与清华大学合作的研究表明，VK3 处理的烟草细胞