细胞程序性死亡机制的研究

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈａｎｘｉＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ

细胞程序性死亡机制的研究

苑丽霞１，２，孙毅３，杨艳君１，赵鸿飞４

（１．晋中学院生物科学与技术学院，山西晋中０３０６００；２．山西农业大学，山西太谷０３０８０１；

３．山西省农业生物技术研究中心，山西太原０３００３１；４．中国人民解放军某部队后勤部农林管理处，甘肃兰州７３２７５０）

摘要：细胞程序性死亡是细胞在自身基因编码、多种因子调控的作用下发生的一种正常的生理反应。它是植物和动物生长发育过程中的一种普遍现象，已成为当前生物学的研究热点之一。介绍ＰＣＤ的概念和基本特征，重点说明了ＰＣＤ的作用机制，同时展望了ＰＣＤ研究中有待进一步解决的问题和实际意义。

关键词：细胞程序性死亡；ＰＣＤ；生长；发育；细胞凋亡

中图分类号：Ｑ２５５文献标识码：Ａ文章编号：１００２－２４８１（２００８）０８－００１５－０３

ＴｈｅＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＭｅｃｈａｎｉｓｍｏｆＰｒｏｇｒａｍｍｅｄＣｅｌｌＤｅａｔｈ

ＹＵＡＮＬｉ－ｘｉａ１，２，ＳＵＮＹｉ３，ＹＡＮＧＹａｎ－ｊｕｎ１，ＺＨＡＯＨｏｎｇ－ｆｅｉ４

（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＢｉｏｌｏｇｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＪｉｎｚｈｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＳｈａｎｘｉＪｉｎｚｈｏｎｇ０３０６００，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｈａｎｘｉＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＳｈａｎｘｉＴａｉｇｕ０３０８０１，Ｃｈｉｎａ；３．Ａｇｒｉ．ＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｒｅｏｆＳｈａｎｘｉＰｒｏｖｉｎｃｅ，ＳｈａｎｘｉＴａｉｙｕａｎ０３００３１，Ｃｈｉｎａ；４．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅａｎｄＦｏｒｅｓｔｒｙＭａｎａｇｅｍｅｎｔＬｏｇｉｓｔｉｃｓＤｉｖｉｓｉｏｎ，ＣｈｉｎｅｓｅＰｅｏｐｌｅ＇ｓＬｉｂｅｒａｔｉｏｎＡＡｒｍｙ６３６００

Ｔｒｏｏｐｓ，ＧａｎｓｕＬａｎｚｈｏｕ７３２７５０，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄｃｅｌｌｄｅａｔｈ（ＰＣＤ）ｉｓａｎｏｒｍａｌｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌｒｅｓｐｏｎｓｅｓｔｈａｔｏｃｃｕｒｉｎｃｅｌｌｓｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅｉｒｏｗｎｇｅｎｅｔｉｃｃｏｄｉｎｇａｎｄａｖａｒｉｅｔｙｏｆｆａｃｔｏｒｓ．Ｉｔｉｓａｕｎｉｖｅｒｓａｌｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｇｒｏｗｔｈａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｐｌａｎｔｓａｎｄａｎｉｍａｌｓ，ａｎｄｈａｓｂｅｃｏｍｅｏｎｅｏｆｔｈｅｆｏｃｕｓｏｆｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ．ＴｈｅａｒｔｉｃｌｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔａｎｄｔｈｅｂａｓｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅＰＣＤ，ｈｉｇｈｌｉｇｈｔｓｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆＰＣＤ，ａｎｄｏｕｔｌｏｏｋｓｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓａｎｄｐｒａｃｔｉｃａｌｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｔｈａｔｎｅｅｄｔｏｆｕｒｔｈｅｒｓｔｕｄｙｉｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆＰＣＤ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄｃｅｌｌｄｅａｔｈ；ＰＣＤ；Ｇｒｏｗｔｈ；Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ；Ａｐｏｐｔｏｓｉｓ

细胞的死亡是个体存活的正常现象。细胞中既存在着存活途径，也存在着死亡途径。生物体内健康细胞在特定的细胞外信号的诱导下，死亡途径被激活，在有关基因的调控下发生死亡，细胞的这种死亡方式称为细胞程序性死亡（Ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄｃｅｌｌｄｅａｔｈ，ＰＣＤ）［１］。１细胞编程性死亡的概念

ＰＣＤ的定义最早由Ｇｌｕｃｈｓｍａｎ于１９５１年在研究两栖动物的变态现象时首先提出。它是指生物体生长发育过程中，由自身基因编码的、主动并有序的进程，是生物体新陈代谢过程中正常的生理反应（ＰｅｎｎｅｌａｎｄＬａｍｂ，１９９７）［２］。１９７２年Ｋｅｒｒ，Ｊ．Ｆ等在研究组织变化时又创用了细胞凋亡（ａｐｏｐｔｏｓｉｓ）一词，是指细胞受到生理或病理刺激发生的死亡。ａｐｏｐｔｏｓｉｓ源自古希腊语，原意是指秋天树木落叶之意，用来表示细胞的这种死亡方式比较形象化。然而从生物学意义上来讲，细胞程序性死亡则更要贴切一些，因为细胞的这种死亡并不是因受体外因素的影响而发生枯萎，而是个体发育、存活所必须的正常秩序的一部分。现在，细胞凋亡和细胞程序性死亡作为两个同义词在学术界同时使用［１］。然而，细胞程序性死亡在性质上完全不同于细胞坏死（ｎｅｃｒｏｓｉｓ）。细胞坏死是指细胞受到极端的物理、化学因素的刺激引起的细胞死亡。细胞坏死时质膜和核膜发生断裂，细胞质溢出，影响到周围细胞，发生炎症反应。而细胞编程性死亡过程比较平稳，无炎症反应［１］。

２细胞程序性死亡的主要特征

细胞程序性死亡是一个主动的由基因决定的自动结束生命的过程［３］。细胞程序性死亡对于多细胞生物个体发育的正常进行，自身平衡的保持以及抵御外界各种因素的干扰方面都起着非常关键的作用。在ＰＣＤ发生过程中，一般伴随有特定的形态、生化特征出现。其形态学上分为三个阶段：凋亡的起始，主要表现为细胞表面的特化结构入微绒毛的消失，细胞间接触的消失。凋亡小体的形成，核染色质断裂为大小不等的片段，与某些细胞器聚集，为反折的细胞膜所包围，使细胞表面产生许多泡状或芽状突起，以后逐渐分割，形成单个的凋亡小体。凋亡小体逐渐为邻近的细胞所吞噬并消化。

细胞凋亡的发生过程中，最重要的生化特征是由于核小体间的断裂ＤＮＡ产生含有不同数量核小体单位的片段，在进行琼脂糖凝胶电泳时，形成特征性的梯状条带；同时组织转谷氨酰胺酶（ｔｉｓｓｕｅ

＊收稿日期：２００８－０６－１１

作者简介：苑丽霞（１９８０－），女，山西武乡人，讲师，主要从事分子遗传与基因工程方面的研究工作。

山西农业科学２００８，３６（８）：１５～１７

１５

ｔｒａｎｓｇｌｕｔａｍｉｎａｓｅ，ｔＴＧ）的积累并达到较高的水平。ＰＣＤ与信号传导有关，信号分子可能是蛋白、激素、过氧化物、无机离子等化学成分，发生ＰＣＤ的细胞被诱导产生核酸内切酶。

３细胞程序性死亡的机制

３．１ｃａｓｐａｓｅ家族

ｃａｓｐａｓｅ是天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶（ｃｙｓｔｅｉｎｅ－ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇａｓｐａｒｔａｔｅ－ｓｐｅｃｉｆｉｃｐｒｏｔｅａｓｅｓ，ｃａｓ－ｐａｓｅ），在介导细胞凋亡中扮演着重要的角色［４］。ｃａｓｐａｓｅ是一类蛋白酶家族，成员较多，已经鉴定了１０种不同的ｃａｓｐａｓｅ。各种ｃａｓｐａｓｅ都富含半胱氨酸，它们被激活后能够在靶蛋白的特异天冬氨酸残基部位进行切割。在正常的细胞内，每一种ｃａｓｐａｓｅ都是以非活性状态存在的，这种非活性的ｃａｓｐａｓｅ称作酶原，它是酶的非活性前体，如将多出的部分切除就转变成有活性的ｃａｓｐａｓｅ。有两类ｃａｓｐａｓｅ，一类是起始者，另一类是执行者。起始ｃａｓｐａｓｅ在外来蛋白信号的作用下被切割激活，激活的起始ｃａｓｐａｓｅ对执行者ｃａｓｐａｓｅ进行切割并使之激活，被激活的执行者ｃａｓ－ｐａｓｅ通过对ｃａｓｐａｓｅ靶蛋白的水解，导致程序性细胞死亡。

ＰＣＤ是生物体中普遍存在的一种生理现象。在动物中已经找到两条可能的ＰＣＤ途径：一条是依赖线粒体的死亡途径，首先是各种死亡信号诱导线粒体膜通透性改变孔（ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｐｏｒｅ，ＰＴ孔）开放，引起线粒体外膜断裂，通透性增加，导致向细胞质中释放促进凋亡的物质，包括细胞色素ｃ（Ｃｙｔｃ）、凋亡诱导因子（ａｐｏｐｔｏｓｉｓｉｎｄｕｃｉｎｇｆａｃｔｏｒ，ＡＩＦ），然后这些物质再激活ｃａｓｐａｓｅ，最终使细胞凋亡。ｃａｓｐａｓｅ的激活主要包括ｃａｓｐａｓｅ－８［５］和ｃａｓｐａｓｅ－９酶原的激活途径。其中ｃａｓｐａｓｅ－９的激活比较复杂也比较重要，它需要细胞凋亡蛋白酶活化因子－１（ａｐｏｐｔｏｔｉｃｐｒｏｔｅａｓｅａｃｔｉｖａｔｉｎｇｆａｃｔｏｒｓ－１，Ａｐａｆ－１）、Ｃｙｔｃ、和ｄＡＴＰ。通过Ａｐａｆ－１氨基端上的ｃａｓｐａｓｅ循环结构域（ｃａｓｐａｓｅｒｅｃｒｕｉｔｍｅｎｔｄｏｍａｉｎ，ＣＡＲＤ）与ｃａｓ－ｐａｓｅ－９酶原的ＣＡＲＤ相结合，Ａｐａｆ－１的羧基端１２个ＷＤ－４０重复区可与细胞色素ｃ结合，通过Ａｐａｆ－１的这种桥梁作用，最终形成Ｃｙｔｃ－Ａｐａｆ－１－ｃａｓｐａｓｅ９复合体即形成凋亡体（ａｐｏｐｔｏｓｏｍｅ）。凋亡体再激活一系列的ｃａｓｐａｓｅ，启动ＰＣＤ程序，这是一条最典型的细胞凋亡途径；另一条途径为依赖Ｆａｓ的死亡途径，Ｆａｓ（ｆａｔｔｙａｃｉｄｓｙｎｔｈａｓｅ）又称作ＡＰＯ－１／ＣＤ９５，属ＴＮＦ受体家族。Ｆａｓ基因编码产物为分子量４５ＫＤ的跨膜蛋白，Ｆａｓ具有三个富含半胱氨酸的胞外区和一个称为死亡结构域（Ｄｅａｔｈｄｏｍａｉｎ，ＤＤ）的胞内区。Ｆａｓ与其配体ＦａｓＬ（Ｆａｓｌｉｇａｎｄ）结合后，Ｆａｓ三聚化

使胞内的ＤＤ区构象改变，然后与接头蛋白ＦＡＤＤ（Ｆａｓ－ａｓｓｏｃｉａｔｅｄｄｅａｔｈｄｏｍａｉｎ）的ＤＤ区结合，而后ＦＡＤＤ的Ｎ端ＤＥＤ区（ｄｅａｔｈｅｆｆｅｃｔｏｒｄｏｍａｉｎ）就能与ｃａｓｐａｓｅ－８前体蛋白结合，形成ＤＩＳＣ（ｄｅａｔｈ－ｉｎｄｕｃｉｎｇｓｉｇｎａｌｉｎｇｃｏｍｐｌｅｘ），引起ｃａｓｐａｓｅ－８通过自身剪激活，它们启动ｃａｓｐａｓｅ的级联反应，使ｃａｓｐａｓｅ－３、－６、－７激活，这几种ｃａｓｐａｓｅ可降解胞内结构蛋白和功能蛋白，最终导致细胞凋亡。就目前试验证实，该途径不依赖线粒体的作用，也不需细胞核的参与［６］。

植物的凋亡与动物的凋亡有相似的特征，如细胞膜保持完整，细胞质、染色质固缩，核ＤＮＡ片段化，形成凋亡小体。另外，在植物细胞已经发现的几十个与衰老有关的基因中，ｓｅｇ２和ｓｅｇ１２基因编码半胱氨酸蛋白酶，土豆中的衰老上游调控基因ｓｅｎｕ２与ｓｅｎｅ３也编码半胱氨酸蛋白酶，这可能与动物ＰＣＤ中的ｃａｓｐａｓｅ家族有相似的功能。Ｃｈｒｉｓｔｉｎｅ等在将ＡＯＸ基因的反义基因转入烟草的试验中，发现Ｈ２Ｏ２和ＳＡ诱导的ＰＣＤ中有线粒体Ｃｙｔｃ的释放，而莞菁素诱导的ＰＣＤ中无线粒体参与，由此推测植物中可能也存在两种ＰＣＤ的发生途径，一种依赖于线粒体Ｃｙｔｃ的释放，另一种不依赖线粒体的参与。Ｘｕ等在矮牵牛属植物Ｐｅｔｕｎｉａｉｎｆｌａｔａ花瓣衰老的试验中发现Ｃｙｔｃ的释放在授粉后花瓣衰老中不是必需的，因而认为植物衰老中也可能有一条不依赖Ｃｙｔｃ释放的ＰＣＤ途径。研究表明：植物衰老细胞中存在类ＦＡＳ细胞凋亡途径的可能，类ＦＡＳ蛋白可能就是植物细胞中激活ｃａｓｐａｓｅ的胞质死亡因子。３．２Ｂｃｌ２家族

Ｂｃｌ２家族的发现开辟了新一类癌基因－－凋亡调控基因的新纪元。它不同于一般的癌基因与抑癌基因，它的生物学效应是调控细胞存活期，而不影响细胞增殖。Ｂｃｌ２的作用需要完整的膜结构。其羧基末端作为信号锚（ｓｉｇｎａｌａｎｃｈｏｒ）序列插入线粒体外膜，其胞浆多肽部分对蛋白酶敏感。缺乏信号锚序列的Ｂｃｌ２抗凋亡功能不完全。Ｂｃｌ２功能的发挥依赖于其在亚细胞膜的定位，Ｂｃｌ２氨基末端的大部分暴露于胞浆，借此可与胞浆蛋白或其他同时锚定在线粒体的Ｂｃｌ２分子相互作用。Ｂｃｌ２能抑制氧化剂诱导的调亡。内质网、线粒体外膜及核膜是活性氧（ｒｅａｃｔｉｖｅｏｘｙｇｅｎｓｐｅｃｉｅｓ，ＲＯＳ）的产生部位，而Ｂｃｌ２也正存在于这些部位，探讨过程中发现Ｂｃｌ２能抗Ｈ２Ｏ２、ｔ－丁基或甲萘醌（ｍｅｎａｄｉｏｎｅ）对细胞凋亡的诱导。Ｂｃｌ２影响细胞内钙内流。观察Ｂｃｌ２功能的另一方面是其存在于内质网，与胞内钙自稳的调节有关，Ｃａ２＋影响凋亡，因为某些核小体ＤＮＡ的降解为钙依赖性，且Ｃａ２＋通道激活剂可诱导淋巴细胞凋亡，尽管胞内Ｃａ２＋总量的改变并不与凋亡的诱导一致，但可出现胞内

山西农业科学２００８年第３６卷第８期１６