细胞色素C与细胞凋亡.pdf

作者单位 524023湛江 广东医学院儿科血液研究所 综述 细胞色素C与细胞凋亡 方希敏 综述 陈铭珍 陈日玲 审校 摘要 细胞凋亡是一种由基因调控的细胞主动死亡过程 在机体生长发育 细胞分化和病理状 态中起着重要作用 已成为近20年来研究热点 线粒体在细胞凋亡过程中起着重要作用 而细胞色 素C从线粒体释放到胞浆细胞是凋亡程序关键的一步 在凋亡机制中发挥着重大作用 现就从细胞 色素C在凋亡中的作用 从线粒体释放机制及和Bcl22家族关系等方面进行综述 关键词 细胞色素C 细胞凋亡 线粒体 凋亡又称程序性细胞死亡 它发生于所有的活细 胞 并受到严格的基因调控 其特征是一系列细胞形 态学改变 包括染色体浓缩 核碎裂 细胞皱缩 凋亡 小体形成等 线粒体是细胞凋亡过程中关键的细胞 器之一 是在多种死亡刺激因素作用下 引起细胞死 亡必不可少的 线粒体功能障碍在凋亡中起着突出 的作用 线粒体功能障碍导致细胞色素C cytochrome c cyt2 c 从线粒体膜间隙释放则是多种细胞凋亡的普 遍现象 细胞色素C的结构和功能 细胞色素C是呼吸链中的 个基本成分 它是由 2个无活性的前体分子合成前细胞色素C和血红素 前细胞色素C是一种水溶性蛋白 由核基因编码 相 对分子质量为12 13 103 cyt2c前体从胞浆通过跨 膜转运进入线粒体 并与线粒体膜间隙的血红素结合 为成熟的cyt2c并带上正电荷 松散地结合于线粒体 内膜的外侧 而不能通过外膜 cyt2c是线粒体呼吸链 mitochondrial respiratory chain MRC 中传递电子的载体 电子从还原底物 如 NADH和琥珀酸盐移转运到复合物I NADH脱氢 酶 或复合物 琥珀酸脱氢酶 然后分别传到泛醌 复合物 III 细胞色素C还原酶 细胞色素C 复合物 细胞色素C氧化酶 最终将电子传递给氧 电子 转运经过复合物 的过程中 伴随着质子从基 质被泵到线粒体膜间隙 从而建立线粒体跨膜电位 m 当质子从线粒体膜间隙返流回基质中 使另 一个蛋白复合分子FOFl2ATP酶 或复合物 v 产生 ATP 复合物 V蛋白亚单位被核基因和线 粒体基因编码 所有这些过程必须有序协调地进行 如果cyt2c缺失或其功能障碍将会导致线粒体呼吸链 出现功能异常 结果ATP缺乏 而导致细胞死亡 1 细胞色素C在凋亡过程中的作用 cyt2c在凋亡过程中的作用首先是由王小东等提 出的 他们在研究凋亡时发现的DNA片段 即凋亡片 段 依据于某种细胞器碎片的存在 在细胞浆中提取3 种成分 这3种成分分别被命名为凋亡蛋白激活因子 1 3 Apaf1 3 其中Apaf2为cyt2c 用cyt2c注入 鼠的肾上腺皮质肿瘤中 可导致细胞发生凋亡 2 且 cyt2c本身就能诱导细胞凋亡 当在胞液或细胞核内加 上外源性细胞色素C和A TP后就能引起细胞凋 亡 3 cyt2c对细胞凋亡的作用目前正在被逐步阐明 多数人认为cyt2c主要通过两条途径引起细胞凋亡 1 caspase途径 caspases又称门冬氨酸2半胱氨 酸蛋白酶 是一组与丽前隐杆线虫 C elegans 同源 的 执行哺乳动物细胞凋亡的主要蛋白酶家族 目前 发现至少有15个成员 通常情况下以无活性的酶原 procaspase 形式存在于活细胞中 当受到凋亡刺激 时通过对其内部门冬氨酸残基位点的蛋白水解而被 激活 其中以caspase23最为重要 有人在胞质内找 到一种能将染色质切割的核酸内切酶 该酶首先由 caspase23激活 称caspases活化的DNA酶 能将蛋 白切割成典型的梯状带 4 当凋亡刺激因子引起细 胞色素C从线粒体膜间隙释放到胞浆后 cyt2c首先 与胞浆中的Apaf21结合 在dATP ATP存在下 聚 合成 为 复 合 体 5 这 种 多 聚 复 合 物 充 分 聚 集 caspascs 启动caspase9形成全酶 然后裂解 最后 导致procaspases29自动活化 6 活化的caspases29分 裂 继续使活化下游的caspases 如caspases23和 caspases272细胞凋亡中起主要作用caspases 并且 procaspase29又能促使cyt2c结合Apaf21和dA TP 同时凋亡刺激因子作用后核基因编码前cyt2c增加 并进入线粒体膜间隙增加 合成成熟的cyt2c 成熟 cyt2c增加 使得成熟的cyt2c从线粒体释放增加 然 后形成复合体增加 整个循环过程为一种正反馈 直 到线粒体不再能将前cyt2c变成成熟的cyt2c 而线粒 体中成熟的cyt2c完全释放至胞浆 9 成熟的cyt2c 使得caspases活化 活化后的caspases能特异地切割 开某些与细胞活性相关的蛋白质 7 切割后的底物将 使得 1 细胞周期阻碍 停留于第1期 2 细胞内环 境平衡遭到破环 并损伤其修复机制 3 使细胞从周 34 国外医学临床生物化学与检验学分册2005年1月第26卷第1期 Sect Clin Biochem 4 使维持细胞结构的物质解 体破坏 所有这一系列变化导致细胞出现凋亡形态学 改变 8 2 caspases非依赖途径 该途径目前还不完全清 楚 其机制可能是在某些凋亡因素的刺激下 Bax Bak呈过表达状态 当二者表达增加时 能在线粒体 膜上聚集 形成一些孔道 该孔道能使cyt2c从线粒体 释放到胞浆 线粒体内cyt2c减少 众所诸知 cyt2c是 线粒体呼吸链中传递电子的重要载体 能将电子从 cyt2c还原酶传给细胞色素C氧化酶 同时还具有强 烈抑制H2O2产生的功能 10 当cyt2c从线粒体释放 到胞浆后 则cyt2c传递复合物 细胞色素C氧化 酶 减少 而导致其上游的载体电子超载 尤其是复合 物I和 电子则可能从呼吸链中逃逸出来 逃逸出来 的电子就能和O2作用产生超氧阴离子 O 2 持续 产生的超氧阴离子能转变为H2O2和其他活性氧分 子 活性氧分子具有化学活性和其他潜在的毒性 它 能使脂质发生过氧化 DNA氧化修饰 蛋白质氧化和 酶的失活 这些损害最终导致细胞凋亡或坏死 11 另 外 由于cyt2c的释放导致线粒体功能障碍 而引起能 量代谢异常也可导致细胞凋亡 或者cyt2c的释放导 致线粒体功能障碍 线粒体膜结构遭到破坏 凋亡诱 导因子 apoptosis2inducingfactor AIF 从线粒体释放 而直接导致核凋亡 12 有人用衣原体感染细胞 同时 加入caspase特异抑制剂 发现caspase没有活化 但 是cyt2c依然释放到胞浆 并出现线粒体肿胀 染色质 浓缩和片段化 出现细胞凋亡形态学改变 13 细胞色素C从线粒体释放的机制 cyt2c从线粒体释放的机理尚未完全阐明 有人认 为可分为Ca2 依赖性和Ca2 非依赖性释放 14 Ca2 依赖性释放是指在凋亡刺激因素作用下导致线 粒体Ca2 超载 渗透转运孔开放 线粒体基质扩张 线 粒体外膜破裂 cyt2c释放 Ca2 非依赖性cyt2c释放 原理认为 cyt2c的释放是受到Bcl22家族中不同蛋白 的调控 尤其是促凋亡蛋白Bax寡聚物的形成 刺激 着cyt2c释放 其释放过程在体内可分为二步 即 cyt2c从线粒体膜表面分离 cyt2c通过线粒体外膜 outer mitochondrial membrane OMM 而释放到胞 浆 15 1 cyt2c从线粒体内膜分离 cyt2c是通过带负电 荷的磷脂 主要是心磷脂 结合在线粒体内膜的表面 这种结合分为两种形式 1 通过静电作用的松弛型 结合形式 即通过带正电荷的cyt2c的赖氨酸残基和 带负电荷的磷脂以正负离子结合形式结合 2 紧密 型结合形式 即通过疏水作用 cyt2c的部分插入线粒 体内膜 只有可溶性cyt2c才能从线粒体膜释放出 来 所以cyt2c首先必须转变可溶性cyt2c 松弛型结 合形式主要通过静电的改变而影响细胞色素C从线 粒体的释放 当凋亡刺激因素 如细胞外溶液离子强 度改变时 引起cyt2c和线粒体膜带负电荷的磷脂之 间静电作用 致松弛结合型cyt2c从线粒体内膜分离 紧密型结合形式通过氧化应激等因素刺激引起线粒 体产生活性氧 reactive oxygen species ROS 使磷 脂过氧化而破坏其疏水作用 致cyt2c从线粒体内膜 分离 2 cyt2c释放到线粒体外 现认为cyt2c从线粒体 内膜分离后 游离的cyt2c通过线粒体外膜 目前存 在两种假设 非特殊释放模式和特殊释放模式 非特 殊释放模式指线粒体外膜结构遭到破坏 特殊的释放 模式认为主要是通过在线粒体外膜上的通道或者孔 这些通道或者孔主要由Bcl22家族中的单个成员或者 组合其他蛋白形成的 不像第一种假设 线粒体外膜 出现剧烈的结构改变或体积稳定的改变 1 非特殊 释放模式 根据这一原理 线粒体结构发生极大的改 变 包括线粒体基质膨胀和OMM破裂 这将导致线 粒体膜间隙 the intermembrane space MS 的蛋白释 放到胞浆 同时为了维持线粒体内膜的完整性 那些 基质蛋白仍然在肿胀的线粒体中 这取决于两个机 制 一是通过线粒体渗透转运 mitochondrial permea2 bility transition MPT 它往往伴随着线粒体膜的去 极化 二是其他的电压依从性离子通道 voltage2de2 pendent anion channel VDAC 的关闭 引起线粒体的 超极化 MPT的机制目前还不完全清楚 在MPT的 模式中 细胞凋亡时线粒体功能障碍被认为是由于 PTP的开放引起的 PTP是一种由线粒体内膜和外 膜的跨膜蛋白共同形成的非特异性通道 其分子组成 不完全清楚 许多证据表明 它可能是由腺嘌呤核苷 转 移 酶 adeninenucleofidetranslocator ANT VDAC 己糖激酶 肌酸激酶 环孢霉素A受体D等组 成 生理条件下 PTP只能允许分子量 1 5 103的 小分子物质通过 因此它有维持线粒体基质和胞浆间 物质流动的作用 当在病理条件下 如Ca2 腺苷浓 度降低 氧自由基 p H值的改变都能引起开放的孔径 明显增大 使得分子量大于1 5 103的物质通过 从 而引起线粒体肿胀 跨膜电位丧失 在体外试验时 在分离的线粒体中 线粒体渗透转运被持续诱导将导 致线粒体去极化 基质膨胀 并最终导致cyt2c从线粒 体释放 另外 研究发现Bcl22和Bax作用于VDAC 或ANT也能直接或间接地调整MPT的活性 16 所 有这些说明PTP的开放可能在细胞凋亡过程中对 cyt2c的释放起着重要的作用 尽管许多研究显示凋 亡和MPT信号相关 如线粒体跨膜电位 m 的丧 失 线粒体膜去极化 但是 围绕整个问题仍然存在 许多争论 特别是它到底是引起cyt2c的释放 还是 cyt2c的释放导致线粒体渗透转运 在特殊的模式中 对未损的细胞研究 则更少能确定MPT在cyt2c的线 粒体跨膜转运中起到作用 大量的研究表明cyt2c的 释放发生在 m下降前 17 另外 线粒体释放cyt2c 后仍能进行蛋白运输和氧化磷酸化的作用 所有这些 都和MPT模式相冲突 在这些模式中 MPT可能发 生在线粒体释放cyt2c之后 是电子转运抑制的结果 44 国外医学临床生物化学与检验学分册2005年1月第26卷第1期 Sect Clin Biochem 在凋 亡过程中 它们被激活 Bax被转运到线粒体 然后结 合在OMM上 并引起cyt2c的释放 导致细胞凋亡 在缺乏其他死亡信号时 过表达的Bax也能引起cyt2c 从线粒体的释放 caspase的激活和细胞凋亡 这种 Bax介导的cyt2c释放是caspase非依赖性的 因为用 caspase抑制剂能延迟细胞的凋亡 但不能阻止cyt2c 释放 23 另外 有人将敲除Bax或Bak的老鼠 和将 2个基因同时敲除的小鼠进行比较 发现后者更不易 出现凋亡 说明Bax和Bak具有叠加作用 24 综上所述 细胞色素C具有调节能量代谢和调节 细胞凋亡的作用 细胞色素C对凋亡的影响目前还 不完全清楚 可能存在caspases依赖方式和caspases 非依赖方式 细胞色素C透过线粒体膜的机制目前 存在两种的争论 即非特殊通道模式和特殊通道模 式 Bcl22家族蛋白和细胞色素C在凋亡中的作用关 系密切 但细胞色素C在凋亡中的作用和Bcl22家族 蛋白的关系 及其释放机制有待进一步的研究 参 考 文 献 1Sivakolundu SG Mabrouk PA Structure function rela2 tionship of reduced cytochrome c probed by complete solu2 tion structure determination in 30 acetonitrile water so2 lution J Biol Inorg Chem 2003 8 5 5272539 2Mootha VK Wei MC Buttle KF et al A reversible com2 ponent of mitochondrial respiratory dysfunction in apoptosis can be rescued by exogenous cytochrome c EMBO J 2001 20 4 6612671 3Zhivotovsky B Orrenius S Brustugun OT et al Injected cytochromecinducesapoptosis Nature 1998 391 6666 4492450 4Enari M Sakahira H Yokoyama H et al A caspase2acti2 vated DNase that degrades DNA during apoptosis and its inhibitor ICAD Nature 1998 391 6662 43250 5Hu Y Benedict MA Ding L et al Role of cytochrome c and dATP ATP hydrolysis in Apaf212mediated caspase29 activation and apoptosis EMBO J 1999 18 13 35862 3595 6Hatai T Matsuzawa A Inoshita S et al Execution of ap2 optosis signal2regulating kinase 1 ASK1 2induced apopto2 sis by the mitochondria2dependent caspase activation J Biol Chem 2000 275 34 26576226581 7Eskes R Desagher S Antonsson B et al Bid induces the oligomerization and insertion of Bax into the outer mito2 chondrial membrane Mol Cell Biol 2000 20 3 9292 935 8Pawlowski J Kraft AS Bax2induced apoptotic cell death Proc Natl Acad Sci USA 2000 97 2 5292531 9Chandra D Liu JW Tang DG Early mitochondrial activa2 tion and cytochrome c up2regulation during apoptosis J Bi2 ol Chem 2002 277 52 50842250854 10Korshunov SS Krasnikov BF Pereverzev MO et al The antioxidant functions of cytochrome c FEBS Lett 1999 462 122 1922198 11 Barros MH Netto L E Kowaltowski AJ H 2 O 2 gen2 eration in Saccharomyces cerevisiae respiratory pet mu2 tants effect of cytochrome c Free Radic Biol Med 2003 35 2 1792188 12 Susin SA Daugas E Ravagnan L et al Two distinct pathways leading to nuclear apoptosis J Exp Med 2000 192 4 5712580 13 Perfettini JL Reed JC Israel N et al Role of Bcl22 fami2 lymembersincaspase2independentapoptosisduring Chlamydia infection Infect Immun 2002 70 1 55261 14Gogvadze V Robertson JD Zhivotovsky B et al Cyto2 chrome c release occurs via Ca2 2dependent and Ca2 2inde2 pendent mechanisms that are regulated by Bax J Biol Chem 2001 276 22 19066219071 15 Ott M Robertson JD Gogvadze V et al Cytochrome c release from mitochondria proceeds by a two2step process Proc Natl Acad Sci USA 2002 99 3 125921263 16 Shimizu S Narita M Tsujimoto Y Bcl22 family proteins regulate the release of apoptogenic cytochrome c by the mi2 tochondrial channel VDAC Nature 1999 399 6735 4832487 17 Lim ML Minamikawa T Nagley P The protonophore CCCP induces mitochondrial permeability transition with2 out cytochrome c release in human osteosarcoma cells FEBS Lett 2001 503 1 69274 18 Waterhouse NJ Goldstein JC von2Ahsen O et al Cyto2 chrome c maintains mitochondrial transmembrane potential and ATP generation after outer mitochondrial membrane permeabilization during the apoptotic process J Cell Biol 2001 153 2 3192328 19 Vander2Heiden MG Chandel NS Schumacker PT et al Bcl2xL prevents cell death following growth factor with2 drawal by facilitating mitochondrial ATP ADP exch