线粒体相关物质与细胞凋亡

1、线粒体相关物质与细胞凋亡         11-03-28 10:15:00     作者：赵小祺 王小荣 张静    编辑：studa20【关键词】  细胞凋亡;线粒体;细胞色素C;活性氧;凋亡诱导因子“凋亡”一词源于希腊文，意为“花瓣或树叶的枯落”，是1972年由病理学家Kerr等1首先提出的一个不同于坏死的死亡概念，指由体内外因素触发细胞内预存的死亡程序而导致的程序性细胞死亡(programmed cell death，

2、PCD)。凋亡细胞中可出现各种生化改变如内源性核酸内切酶激活、半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶(cysteincontaining aspartatespecific protease，caspase)的激活及DNA的片段化断裂等，其中，caspase被认为是凋亡的主要执行者。目前认为凋亡主要经过两条死亡通路2：一条是外源性通路，即死亡受体介导的凋亡通路，此通路由死亡受体及配体系统激发的凋亡信号下传至启动性caspase8，然后激活效应性caspase蛋白酶而引发细胞凋亡;另一通路称为内源性通路，即线粒体介导的凋亡通路，细胞损伤后线粒体功能障碍，膜通透性改变，凋亡蛋白包括细胞色素C(cytochrome

3、c，Cytc)、凋亡蛋白酶激活因子(apoptosis protease activation factor1，Apaf1)、caspase蛋白酶、细胞凋亡诱导因子(apoptosis induced factor，AIF)等从线粒体释放到胞浆，随之引起caspase瀑布式活化和细胞死亡。可见，凋亡的过程复杂，涉及因素较多，其中线粒体的作用不容忽视，线粒体的结构和功能的改变，能加速核凋亡特征的出现，并是控制细胞凋亡进程的关键。有学者认为线粒体在凋亡中起着中心的调控作用，在某种意义上，可以决定细胞的生存或死亡。本文综述线粒体相关物质：Cytc、活性氧、Bcl2蛋白家族、AIF在细胞凋亡中的作用。

4、1 线粒体释放Cytc与细胞凋亡Cytc由核基因编码的多肽和线粒体编码的亚铁血红素组成，定位于线粒体内膜的外侧，是线粒体呼吸链中传递电子的载体，关于它在氧化磷酸化及ATP形成中的作用早已为人熟悉。1996年，得克萨斯西南医学研究中心的王晓东小组最先提出了Cytc在细胞凋亡中的重要作用3，之后的研究又证实Cytc基因敲除的细胞对凋亡具有明显的耐受性。现在普遍认为Cytc从线粒体到达胞浆是多种细胞凋亡的共同途径4。在细胞凋亡出现特征性的核改变之前，均观察到线粒体跨膜电位(m)的下降。m是由线粒体内膜两侧电子的不对称分布形成的，正常的m是细胞生存所必需的。m下降说明线粒体膜通透性转运孔(mitoch

5、ondrial permeability transition pore，MPTP)开放，线粒体膜通透性升高，此时水和小分子物质可自由通过，水和溶质内流导致线粒体肿胀。由于线粒体内膜向腔内形成嵴，延展性相对较大，内膜面积大于外膜，故水肿后外膜先破裂，位于膜间隙的Cytc便释放入胞浆5。Cytc释放到细胞浆中后其血红素亚铁位点发生亚硝基化修饰，这种修饰有利于Cytc与Apaf1的结合，经亚硝基化修饰后的Cytc与Apaf1的羧基端特定序列结合，同时胞浆中的dATP和(或)ATP与Apaf1的核苷酸结合结构域结合，从而促进Apaf1发生构象变化并暴露出CARD(caspase activation

6、 and recruitment domain)，CARD是Apaf1N末端的一个Caspase募集结构域。随后Apaf1再与procaspase9的CARD结合。至此，Cytc、dATP、Aapf1和procaspase9组成聚合体称为凋亡复合体(apoptosome)。procaspase9与其周围募集的其它procaspase9相互靠近，发生自水解而活化，活化的Caspase9再激活下游的Caspase效应分子procaspase3、procaspase6和procaspase7，这些蛋白酶通过多个途径作用于细胞骨架蛋白、DNA修复调节因子、细胞周期调节蛋白等，引起细胞DNA修复功能丧失

7、、核酸内切酶激活、DNA片段化等，最终导致细胞凋亡6。关于procaspase9的来源，有研究发现，它位于线粒体内膜上，在凋亡刺激信号的作用下才释放入胞液7。2 线粒体产生活性氧与细胞凋亡活性氧(reactive oxygen species，ROS)包括超氧阴离子、过氧化氢和羟自由基等。ROS增多的机制包括黄嘌呤氧化酶增多、线粒体功能受损、中性粒细胞聚集和儿茶酚胺氧化等。在凋亡发生时，线粒体呼吸链电子传递障碍是产生ROS的主要原因。众所周知，Cytc是呼吸链中传递电子的重要载体，能将电子从复合体传给复合体，凋亡初期，Cytc从线粒体释放到胞浆，线粒体内Cytc减少，则电子从Cytc传递给复合

8、体减少，而导致线粒体内电子超载，过量的电子从呼吸链中逃逸出来，并与O2作用产生超氧阴离子。大量的超氧阴离子进一步转变为H2O2和其它ROS。可见Cytc释放导致线粒体内的Cytc缺乏，是促进ROS生成的主要原因8。反之，ROS引起的脂质过氧化破坏线粒体膜，又促进了Cytc的释放，二者形成正反馈，共同参与细胞凋亡的进程。线粒体DNA(mtDNA)与核DNA相比缺乏组蛋白保护，容易受到ROS的损伤，大量产生的ROS使mtDNA编码的呼吸链复合物的结构和功能发生变化，电子传递效率降低，影响氧化磷酸化及ATP生成，出现线粒体功能异常，线粒体膜通透性改变，Apaf1、Cytc等凋亡蛋白释放，caspas

9、e激活，最终细胞经内源性通路走向凋亡9。此外，呼吸链复合物功能异常及电子传递障碍又生成大量ROS，形成恶性循环。除损伤mtDNA引起凋亡外，ROS本身还可使线粒体膜脂质过氧化、膜流动性降低、线粒体内外膜蛋白过氧化，蛋白质交链，造成MPTP开放，线粒体膜通透性升高，m下降，线粒体凋亡相关物质释放，引起细胞凋亡10。2蛋白家族介导的细胞凋亡Bcl2蛋白家族主要位于线粒体和内质网膜上，根据Bcl2家族成员结构和功能的不同分为三大类：促凋亡成员，如Bax和Bak;抗凋亡成员，如Bcl2和BclXL;BH3only死亡蛋白，如Bid等。其中前两种类型在细胞凋亡发生过程中发挥着重要作用。3.1 Bcl2家

10、族促凋亡蛋白的作用Bax通常以非活性单体的形式存在，其C末端的螺旋结构隐藏在其BH13结构域所形成的疏水性裂缝中。当损伤因素刺激后，Bax发生构象的改变，暴露螺旋结构，螺旋结构的C末端插入到线粒体的外膜，随后，线粒体外膜上Bax多聚化，形成膜通道11，通过此通道，Cytc便从线粒体释放出来。还有研究认为12，Bax可能作用于电压依赖性阴离子通道(voltagedependent anion channel，VDAC)，使VDAC结构发生改变。VDAC是MPTP的组成部分，VDAC结构发生改变后，MPTP失去电压依赖性和对离子通透的选择性，从而导致Cytc释放。Bak在受到凋亡信号刺激后也能发生空间构象的改变，但不同于Bax，因