细胞凋亡的信号传导途径的研究进展

第17卷哈尔滨师范大学自然科学学报V ol.17,N o.62001第6期NAT URA L SCIE NCES JOURNA L OF H AR BI N NORM A L UNI VERSITY细胞凋亡的信号传导途径的研究进展3迟万好　朱睦元 曹明富　 (浙江大学生命科学学院) (杭州师范学院生命科学学院)【摘要】　细胞凋亡是由很多基因参与的细胞死亡的一种形式,细胞凋亡从发生到执行的过程存在着不同的信号途径.本文综述了细胞凋亡的三大信号途径:线粒体途径、死亡受体途径和内质网途径.了解细胞凋亡的信号途径及其相互联系有助于人们全面了解细胞凋亡的机制,从而达到对细胞的生死进行调控的目的.关键词:细胞凋亡;信号传导途径 细胞凋亡(apoptosis)是多细胞有机体为调控机体发育、维护内环境的稳定,由基因控制的细胞主动死亡过程,又称程序性细胞死亡(programmed cell death,PC D),细胞凋亡可以被多种生理性、病理性刺激诱发,是细胞对所处环境中某些特定信息的一种应答反应,涉及信号传递系统的传导.但不同环境、不同细胞或不同刺激的情况下,细胞从凋亡程序的启动到凋亡的发生之间的过程又是不同的,因而细胞凋亡的信号传导途径具有多样性.信号传导途径的多样性是人们认识到凋亡的发生机制非常复杂却被精确调控,对这一机制的深入认识将是人为的调控细胞凋亡过程得以实现的基础.因此,细胞凋亡信号的研究成为目前细胞凋亡研究热点之一.本文就近年来对细胞凋亡信号传导途径的研究内容和调控细胞凋亡的主要途径及其之间的相互关系做一介绍.1　线粒体途径Newmeyer等首先报道了在非细胞凋亡系统中需要线粒体的参与[1].以后人们逐步发现作为细胞能量供应站的线粒体在细胞凋亡中发挥重要作用.在各种刺激所诱导的细胞凋亡的实验中发现,细胞凋亡时线粒体膜的通透性增加,线粒体内的各种蛋白质被释放出来.这些蛋白收稿日期:2001-11-133本项目资助:浙江省自然科学基金资助项目内容之一(398505)1包括细胞色素C 、Smac ΠDiablo 及AIF (apoptosis inducing factor )等.然而到目前为止,似乎只有细胞色素C 在凋亡中发挥重要作用[2].细胞接到凋亡信号时,线粒体释放细胞色素C 到细胞质中,与Apaf -1(CE D -4的同源类似物)及caspase 9前体形成凋亡体(apoptos ome ),在细胞质中存在的dATP 的共同作用下,活化caspase 9前体,启动caspase 级联,最终诱导细胞发生凋亡(图1).图1　线粒体信号途径现已证明在不同细胞的凋亡过程中都有细胞色素C 的释放[3,4].关于细胞色素C 的释放有两个理论:一、线粒体外膜的非特异破裂;二、运输细胞色素C 孔道的形成[5].根据第一个理论,细胞凋亡时水和溶质进入基质,引起线粒体的膨胀,内膜的膨胀导致外膜的破裂,从而释放包括细胞色素C 在内的线粒体蛋白.有两个模型可描述基质膨胀.第一个模型:在一些凋亡系统中,内膜起初的超级化促进了细胞色素C 的释放[6,7].根据Vander Heiden 等的研究认为,这种超级化可能因ATP 与ADP 的交换不能完成引起的[8].另外一个是包含PTP 的模型.PTP (permeabilitytransition pore )是一个高运输性无选择性的孔道,可由内外膜跨膜蛋白相互连接而成[10].凋亡时,PTP 开放,导致线粒体内膜的通透性增加,进而使依赖质子膜电位差瞬间消失,细胞质和线粒体基质之间的化学平衡亦被打破,这又加重了通透性,最终导致线粒体外膜的破裂.根据第二个理论,凋亡时线粒体形成足够大的运输通道.现已发现Bcl -2、Bcl -x L 、Bax 、tcBid [10]在平面脂双层中都有形成孔道的功能.在脂质体中Bax 可发生寡聚化形成具有很高传导性的通道,并且激活细胞色素C 的释放[11].寡聚化可能是促凋亡单体形成孔道的机制.另外Bax 可能降低平面脂双层的稳定性,这说明促凋亡蛋白可能也直接通过线粒体外膜不稳定发挥作用[12].还有一种可能是Bax 与VDAC 协同形成一个大的细胞色素C 传送孔道.因为通过荧光标记发现Bax 允许细胞色素C 通过VDAC ,而Bax 与VDAC 自己不能形成孔道.因为细胞色素C 在线粒体途径介导的凋亡中起到很重要的作用,所以对其释放的调控是很关键的.实际上,Bcl -2蛋白家族成员通过调控细胞色素C 的释放或抑制(Bcl -2,Bcl -x L )或促进(Bak ,Bax ,Bik ,Bid )细胞凋亡[13].Bcl -2通过促使质子的流出维持线粒体的膜电位差从而阻止了细胞色素C 的释放.Bcl -2、Bcl -x L 、Bax 形成的孔道是电压依赖性、多传导性和pH敏感性[10].抗凋亡蛋白和促凋亡蛋白形成孔道的内部性质不同,这可能是它们对细胞色素C 释放具有不同调控作用的原因.此外,Smac ΠDiablo 在细胞凋亡时也被释放出来[14,15].它不能使细胞发生凋亡,却可使细胞对凋亡刺激敏感.实验表明Smac ΠDiablo 是通过与I APs (inhibitor -of -apoptosis proteins )、XI AP 结合发挥其促凋亡作用从而成为线粒体途径的一部分[16].Smac ΠDiablo 比细胞色素C 大,大约100K da ,它从线粒体中的释放途径是否与细胞色素C 相同还有待于证明.Smac ΠDiablo 的N 末端有典型的线粒体靶序列.只有成熟的Smac ΠDiablo 才有活性,因此在其释放之前必须要有个加58第6期细胞凋亡的信号传导途径的研究进展68哈尔滨师范大学自然科学学报2001年工过程,这个过程可能由Bcl-2家族蛋白调控.总之,尽管线粒体的参与和细胞色素C等的释放可能不是凋亡的不变的特征,但它们却总是参与脊椎动物的细胞凋亡,构成了凋亡的一个信号传导途径.2　死亡因子及其受体途径死亡因子(Fas L)是位于细胞表面的细胞因子,它可以感受胞外的死亡信号,并在接受信号后迅速启动细胞内在的凋亡机器,它属于T NF(Tum or Necrosis Factor)家族成员.该家族中含有一些相似的cys丰富的胞外区域.死亡受体在胞内含有死亡结构域(death domain,DD).DD可以使死亡受体启动细胞的凋亡机器,从而导致细胞死亡.该家族中约有9个相关因子,如T NF、淋巴毒素α(LTα)、LTβ、Fas L、C DL、C D30L、C D27L、4-I BBL以及TRAI L-R1(T NF-related apoptosis40-inducing receptor-1).死亡因子受体(Fas)友称APO-1或C D50,属于T NF受体(T NFR)、神经生长因子受体(NG FR)家族成员.下面对它们介导的信号途径分别作一介绍.2.1　Fas信号途径Fas信号途径中主要包括Fas、Fas L和FADD(Fas-ass ociated protein with death domain).Fas 与其他T NFR家族成员一样,属于N末端在胞外的I型膜蛋白.Fas在各种组织中都有表达,尤其在胸腺细胞、激活的T细胞及被HTI V-1或HI V病毒转化的T细胞中大量表达.一般认为Fas表达在细胞表面上,但Bennett等报道Fas存在于人静止的维管束平滑肌细胞的高尔基复合体中,并且以一个依赖p53的方式转移到细胞表面[17].Fas L,Fas的配体是属Ⅱ型膜蛋白, Fas L主要在激活的T淋巴细胞和NK细胞中表达.在一些免疫特赦部位如眼睛和睾丸中也有组成型的表达.最近的报道显示新合成的Fas L贮存在T细胞和NK细胞中专门的分泌型溶酶体中,当这些细胞被激活后,Fas L就被送到细胞表面[18].FADD又称MORT1是一个接头分子,其C末端包含DD并通过DD与Fas相互作用.FADD的N末端区域被称做是死亡效应结构域(death effector domain,DE D)或MORT1结构域.该结构域主要是通过DE D与caspase8结合从而将死亡信号传递下去.当Fas L与Fas结合或Fas与拮抗体交叉连接时,Fas信号途径就会被激活.Fas L是一个同源三聚体分子,它可以与三个Fas分子结合,Fas的DD聚集使Fas被激活. FADD通过自身的DD与Fas作用,而其DE D则与caspase8N末端的DE D作用,这样由于Fas L 使Fas寡聚化导致了DISC(death-inducing signaling com plex)的形成及caspase8的寡聚化.ca2 pase8通过自身剪接作用被激活,激活的caspase8可以使caspase3和caspase7激活,接下去caspase3又激活caspase6,如此启动caspase的级联反应,最终导致细胞的凋亡(如图2—中).2.2　T NFR1信号途径T NF可以激活转录因子NF-κB和AP1,亦可以诱导凋亡.T NF有两种不同的受体T NFR1和T NFR2.尽管T NFR比T NFR1与T NF有更高的亲和性,但T NF诱导的信号主要由T NFR1介导.与Fas介导的凋亡途径相似,三聚化的T NFR1可以汇聚接头蛋白TRADD(T NFR-ass ociat2 ed death domain),TRADD又通过自身的DD使FADD汇聚,然后是caspase8前体的寡聚化,最终导致caspase级联反应.但TRADD还可以与丝氨酸2苏氨酸酶RIP(receptor-interacting protein)结合,而接头分子RAI DDΠCRADD可以通过DD与RIP相互作用.RAI DD分子的N末端氨基酸序列同caspase 2、caspase 9及CE D -3相似,它可以激活caspase 2前体[19],但caspase 2在该途径中的作用却不清楚,因为敲除该基因的小鼠对T NF 或抗Fas 诱导的凋亡没有影响.因此在T NFR1介导的凋亡途径中可能caspase 8是主要的caspase.T NFR1信号途径远比Fas 信号途径复杂.除了汇集结合和激活caspase 的接头分子外,T N 2FR1也汇集那些参与各种信号途径的蛋白,而这些信号途径中有一些是与凋亡反应有关.例如:RIP 也将T NFR 1接受的信号与NF 2κB 的激活联系起来,从而阻止了T NF 诱导的凋亡.T NFR2通过刺激NIK (NF 2κB -inducing kinase )参与NF 2κB 的激活.可是在用RIP 和TRAF 2缺陷细胞研究发现RIP 主要与NF 2κB 的激活有关,而TRAF 2则主要是参与激活c -JUN 的N 末端激酶(JNK )[20].NF 2κB 对c -I AP 2(cellular inhibitor of apoptosis protein 2)基因的转录进行调控,可是c-I AP 2基因产物却结合TRAF 2,并抑制介导的caspase 8的激活和凋亡[21](如图2—左).2.3　DR3信号途径死亡受体3(death receptor 3,DR3)与T NFR1有着高度相似的序列.DR3的过度表达也可激活NF κB 和凋亡两条途径.像T NFR1一样,DR3通过TRADD 、RIP 、TRAF2激活NF 2κB ,并通过TRADD 、FADD 、caspase 8引起凋亡.图2　死亡受体信号途径DR3配体Apo3L 与T NF 有着密切的关系.它对NF 2κB 和凋亡的调控与T NF 相似.然而两者在表达方面却有显著的不同.T NF 的表达主要发生在活化了的巨噬细胞和淋巴细胞中,而Apo3L 却在许多组织中有组成型表达.它们的受体却相反:T NFR1可以普遍表达,而DR3的转录主要存在于脾脏、胸腺等部位并由激活的T 细胞诱导.因此尽管它们的信号途径部分重叠,其生物学作用可能不同.2.4　DR4、DR5信号途径T NF 相关的细胞凋亡诱导受体(T NF -re 2lated apoptosis -inducing ligand ,TRAI L )又称APO -2L ,它的受体称为死亡受体4(DR4)或死亡受体5(DR5),它们在很多组织中表达.该受体作为跨膜蛋白,属于T NFR 超家族.与其它的T NF 受体家族成员相比,无论是在体外还是在体内采用人工三聚化的TRAI L 激活DR4、DR5在选择性杀死肿瘤细胞都有很少或几乎没有副作用[22].然而有关这两条途径的下游信号传递却知道的很少.K uang 等采用FADD +/-和FADD -/-鼠成纤维细胞研究发现FADD 参与DR4-和DR5-介导的细胞凋亡[23].而Y eh 等则给出了相反的结果[24],无论怎样,在用TRAI L 处理的细胞中caspase 8被激活,因此,在DR4、DR5信号途径中肯定有类似的接头分子将DR4、DR5受体与起始caspase 连接起来,这个接头分子有可能是FADD.DcR1ΠTRAI L -R3、DcR2ΠTRAI L -R4是类似于DR4、DR5的糖基脂酸肌醇锚定细胞表面的蛋白.DcR1少了胞内尾,而DcR2有截短的胞内死亡结构域.DcR1、DcR2竞争与TRAI L 结合,从而在DR4、DR5介导的凋亡中起到一定的调控作用(如图2—右).78第6期细胞凋亡的信号传导途径的研究进展图3　内质网信号途径3　内质网信号途径人们对于内质网的合成和加工分泌型蛋白、贮存Ca 2+的功能都很熟悉.最近Y uan 等发现内质网亦参与细胞凋亡[25].这主要表现在两个方面:一、Bcl -2蛋白家族中的促凋亡或抗凋亡的成员定位于核膜、线粒体和内质网中.二、胞内Ca 2+已作为促凋亡的第二信使参与启动凋亡及调控caspase 的作用.Caspase 家族中的caspase12参与因内质网张力引起的细胞凋亡.实验证明内质网功能和破坏Ca2+载体及其稳定性的化合物(brefeldin A ,tunicamycin ,thapsigargin ,A23187)都可以激活caspase12的活性.而在线粒体信号途径和死亡受体途径中却无caspase12的参与.Y uan 等采用免疫印迹和免疫细胞化学方法证明了caspase12存在于内质网中,其功能主要是使因内质网张力引起的细胞凋亡更易进行,但其中的具体路径及机理还不清楚.4　结语人们对细胞凋亡过程中复杂的信号传导途径的认识尚是初步的.已有大量的实验表明,不同诱导细胞凋亡的因素可以通过相同的信号传导系统诱发细胞凋亡;在同一种系统中促细胞凋亡的信号可在另一个体系中抑制细胞凋亡;不同的信号传导系统也不是各自独立的,而是相互联系和相互作用的.整体呈现复杂的调控网状结构.例如:在线粒体信号途径和死亡受体途径中,不同的信号途径内部也是相互作用、相互影响的.例如:在线粒体信号途径和死亡受体信号途径中,死亡受体途径中的caspase 8可以作用于Bid ,经caspase 8作用后产生15kD 的C 末端片段t c Bid ,t c Bid 可以从胞质中转移到线粒体上,促进细胞色素C 的释放[26];另外,最近Wei 等发现在肝细胞中,线粒体在由内部压力诱导的凋亡及死亡受体聚集所诱导的凋亡中都发挥重要的作用[27].再如:最近发现线粒体途径与内质网途径之间也有联系[28].采用BFA (brefedli 2nA )(阻止高尔基与内质网之间的运输)和tunicamycin (阻止内质网腔蛋白质N 糖基化多萜醇途径的第一个反应)作用细胞,在caspase 3激活之前都会导致细胞色素C 的释放.现在只知道这是一个不依赖caspase 的机制,具体的过程还不清楚.BFA 和tunicamycin 诱导细胞色素C 释放及caspase 3激活可被定位于内质网上的Bcl -2抑制.不但如此,每条途径中亦存在许多的检验点,在一个检验点中又有成百上千的基因发挥着作用,细胞最后的命运就是由这成百上千的基因通过许多的检验点共同决定的.弄清细胞凋亡的每条信号途径的目的就在于找出其中的检验点和调控基因,最终实现对细胞的生死进行人工调控的目的.参　考　文　献1　Newmeyer D D et al.Cell ,1994,79:353-3642　Li K et al.Cell ,2000,102:389-3993　R osse T et al.Nature ,1998,391:496-4994　Bossy -W etzel E et al.E M BO J ,1998,17:37-495　Desagher S et al.T rends in Cell Biol.2000,10:369-37788哈尔滨师范大学自然科学学报2001年6　Vander Heiden M G et al.Cell ,1997,91,627-6377　Samali A et al.E M BO J ,1999,18:2040-20488　Vander Heiden M G et al.M ol Cell ,1998,3:159-1679　Crom pton M et al.Biolchem.J.,1999,341:233-24910　Schendel S L et al.J.Biol.Chem.,1999,274,21932-2193611　Antonss on G et al.Biolchem J.,2000,345,271-27812　Basanez G et A ,1999,96,5492-549713　Shim izu S et al.Nature ,1999,399:483-48714　Du C et al.Cell ,2000,43-5315　Verhagen A M et al.Cell ,2000,43-5316　Srinivasula S M et 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and endoplasmic recticulum signal trans 2duction pathway.The com prehending of signal transduction pathway during apoptosis and their links will it easier to insight into the mechanism of apoptosis.All these will pave the step leading to our ultimate g oat ,which is to have cells die on genetic cue when they are not needed ,and to rescue cells from death when they are wanted.K eyw ords :Apoptosis ;Signal transduction pathway 98第6期细胞凋亡的信号传导途径的研究进展。