细胞凋亡的研究进展

细胞凋亡的研究进展

姓名：郝先行

学号：10000821

学院：通达学院

摘要：细胞凋亡(apoptosis)是机体正常细胞在受到生理和病理性刺激后出现的一种自发的死亡过程,是一个主动、高度有序、基因控制及一系列酶参与的过程。细胞凋亡在保证多细胞生物健康生存过程中扮演着关键角色,对个体的正常发育具有重要作用。机体在产生新生细胞的同时,衰老和突变的细胞通过凋亡机制而被清除,使器官和组织得以正常地发育和代谢。细胞凋亡发生异常会导致疾病的发生,如肿瘤、自身免疫性疾病、病毒感染等。本文概述了细胞凋亡的特征、分子机理、2条主要信号途径、检测方法、生物学意义及与疾病的关系。

关键词：细胞凋亡；分子机理；信号通路；检测方法；疾病

参考文献：

1.潘耀谦高丰.细胞凋亡与细胞坏死比较的研究进展[J].动物医学进展，2000，21(4)：5-8.

2.唐兆新高洪.细胞凋亡的生化特征和生物学意义[J].动物医学进展，1998，19(4)：1-

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3.高利波高洪.细胞凋亡与疾病防治[J].动物医学进展，2001，22(2)：37-38.

4.宋建领王金萍等.细胞凋亡的研究近况[J].云南畜牧兽医，2003(1)：5-7.

5.Kerr J FR., Winterford CM, Harmon BV. Apoptosis Its significance in cancer and cancer therapy[J]. Cancer ,1994 ,73 :2013～202

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6.Vaux DL. . Apoptosis timeline[J]. Cell Death Differ ,2002 ,9 :349～354.

7.杨宇泽师如意谷传慧.细胞凋亡的特征、检测方法及生物学意义[J].上海畜牧兽医通讯，2008(5)：67-67.

动物体内的任何细胞或迟或早总会死亡的，但死亡的形式不同，有的是生理死亡，我们称之为凋亡，有的则为病理性死亡，被叫做坏死。细胞凋亡不仅是一种特殊的细胞死亡类型，而且具有重要的生物学意义及其复杂的分子生物学机制。细胞凋亡在生理条件下作为机体细胞群生长消亡平衡的重要方式，与细胞增殖一起共同维持细胞群的自身稳定，对生物体内环境的稳定起着重要的作用[1-3]。近几年，由于各种生化及生物学技术应用到这一研究领域，揭示了细胞凋亡不仅是一种重要的生物学现象，而且对于疾病发生的机制及新的治疗研究都有重要意义，因而成为生物学和医学研究中的一个热门话题。细胞凋亡（apoptosis）是一种主动的由基因决定的细胞自我破坏过程，自动结束其生命。由于细胞凋亡受到严格的由遗传机制决定的程序性调控，又称为细胞编程性死亡（programmed cell death,PCD）。现已发现许多与细胞凋亡相关的调控基因，决定着细胞生死命运[4]。

1. 细胞凋亡的特征

细胞凋亡的发生过程,在形态学上有如下现象:

凋亡细胞在电镜下表现为:细胞核缩小,电子密度增高,核膜皱缩,染色体密集于核膜下,分布不均匀,后来,核被分解成碎片,核碎片在胞质中与细胞器等成分一起被细胞膜包裹,从

外观上看,细胞表面产生了许多泡状或芽泡状突起。以后,逐渐分隔,形成单个的凋亡小体[5]。此后,细胞质密度增高,细胞骨架可被破坏,但细胞器的结构可以保持到细胞凋亡后期。内质网在细胞凋亡后期扩张成泡状,与细胞膜融合成胞质气泡。这时,凋亡小体逐渐脱离细胞体,进入间质。于是凋亡细胞被逐步解体。从细胞凋亡开始,到凋亡小体的出现才数分钟,而整个细胞凋亡过程可能延续数小时[6，7]。

2. 细胞凋亡的分子机理

基因是生物体活动的总指挥，调控细胞的生长与凋亡。细胞凋亡的主动性和程序性以及细胞凋亡时的形态学和生化变化也是一系列基因的激活、表达、调控的结果。细胞凋亡的相关调控基因相互牵制，相互影响，共同影响细胞凋亡[8]。其途径主要有两条,一条是通过细胞膜上的死亡受体激活半胱氨酸蛋白酶Caspase,另一条是通过胞质内的线粒体途径释放细

胞凋亡因子激活半胱氨酸蛋白酶Caspase。这些活化的Caspase可将细胞内的重要蛋白降解,引起细胞凋亡。其中研究较多的有ICE、Apaf -1、Bcl-2、Fas/APO-1、C- myc、p53、ATM 等。本文主要探讨了Bc-2、C-myc、p53、Caspase、Fas/APO-1等的功能。

2.1 Bcl-2基因家族

在细胞凋亡过程中, Bcl-2蛋白家族成员起着至关重要的作用。它们具有较高的同源性,而且还有BH1 (Bcl-2 homology domain 1)、BH2、BH3、BH4等保守结构域。Bc l-2家族可以分为两大类:一是抗凋亡的,主要有Bc l-2、Bcl-XL、Bcl-W、Mcl-1、CED9等;二是促细胞死亡的,主要包括Bax、Bak、Bcl-XS、Bad、Bik、Bid等。Bc l-2、Bcl-XL、Mcl-1等是细胞死亡的负调因子,在许多类型的细胞受到外界刺激时能保护细胞免于凋亡[9]。

线粒体膜上的Bcl-2至少在三个水平上发挥功能来抑制凋亡: ①Bcl-2能改变线粒体巯

基的氧化还原状态来控制其膜电位从而调控细胞凋亡。在细胞凋亡中,线粒体的巯基可能组成了胞内氧化还原电位的传感器,Bc l-2可能是通过抑制谷胱甘肽(GSH)的外泄,降低胞内的

氧化还原电位,来抑制细胞凋亡的。②Bc l-2能调节粒体膜对一些凋亡蛋白前体的通透性。Bcl-2蛋白可能是线粒体PT孔道的组成成份,它在较高pH的条件下能形成离子通道,而Bax则能在较为广泛的pH范围内形成孔道。Bax能允许一些离子和小分子如细胞色素C(cytochrome

C)等穿过线粒体膜,进入细胞质,从而引起细胞凋亡;而Bcl-2的作用正好相反,它能封闭Bax 形成孔道的活性,使一些小分子不能自由通透,从而保护细胞免于凋亡。③Bcl-2能将凋亡蛋白前体Apaf-1等定位至线粒体膜上, 使其不能发挥凋亡作用。

2.2 C-myc与细胞凋亡

C-myc属于原癌基因,对细胞具有两方面的作用,既可参与细胞的增生转化,又可诱导或促进细胞凋亡的发生,是一种早期快反应基因。它的表达可以使细胞从G0期过渡到G1期,细胞周期变短,分裂加速。而在细胞分化时, C-myc表达降低,细胞生长受到抑制。C-myc可以诱导成纤维细胞、杂交瘤T细胞、白血病细胞等发生凋亡,且这种作用可因Bcl-2或突变型p53的表达而被抑制[10]。

2.3 抑癌基因p53

抑癌基因p53编码产物与肿瘤的发生、发展相关,为肿瘤抑制基因。p53可分为两种类型,一种是可诱导细胞发生凋亡的野生型,另一种是具有抑制凋亡能力的突变型。野生型p53是作为细胞周期G1的控制蛋白而发挥作用的,当DNA损伤时,p53编码的转录活化蛋白聚集在DNA 损伤部位,使DNA受损细胞停止在G1期,阻止DNA复制,从而使DNA得到修复,若DNA受损细胞修复失败,则p53介导细胞凋亡。如果DNA受损细胞逃脱了p53的监控,细胞就在遗传物质变异的基础上不断增殖而癌变[11]。

2.4 Caspase蛋白酶家族

Caspase蛋白酶参与Fas诱导的细胞凋亡,与线虫细胞凋亡基因Ced-3同源,能选择性降解蛋白质。Caspase属于半胱氨酸蛋白酶,这些蛋白酶是引起细胞凋亡的关键酶,一旦被信号途径激活,能将细胞内的蛋白质降解,使细胞不可逆地走向死亡。它们均有以下特点: ①酶活性依赖于半胱氨酸残基的亲核性; ②总是在天冬氨酸之后切断底物,所以命名为Caspase (cysteine aspartate-specific protease); ③都是由两大、两小亚基组成的异四聚体,大、小亚基由同一基因编码,前体被切割后产生两个活性亚基[11]。

2.5 Fas与细胞凋亡

Fas(又称APO-1或CD95) ,与Bc l-2基因是凋亡相关基因中作用相反的两个典型代表。其为TNFR家族成员,基因产物为一跨膜糖蛋白。与其配体FasL或Fas抗体结合后,经特殊胞内蛋白介导,直接激活凋亡基因产物,诱导Fas蛋白所在的细胞凋亡[11]。

2.6 抑制分子

迄今为止, 已发现多种凋亡抑制分子, 包括p35、CrmA、IAPs、FLIPs、Bcl-2家族。p35和CrmA是广谱凋亡抑制剂,是由病毒基因所编码的蛋白质。p35来自于杆状病毒, CrmA来自牛痘病毒。体外研究结果表明p35以竞争性结合方式与靶分子形成稳定的具有空间位阻效应的复合体并且抑制Caspase活性。同时被靶Caspase特异切割后的p35与Caspase的结合更强, CrmA (Cytokine response modfer A)是血清蛋白酶抑制剂,能够直接抑制多种蛋白酶的活性,但目前还未发现在哺乳动物中发现p35和CrmA的同源分子[11]。

3. 细胞凋亡的2条主要信号通路

3.1 受体依赖的细胞凋亡的信号传导通路(外部途径)

半胱氨酸蛋白酶(Caspase)家族是一组与细胞因子成熟和细胞凋亡有关的蛋白酶,这个家族的蛋白酶具有特异性地在特定的氨基酸序列中将肽链从天门冬氨酸(Asp)之后切断的活性[12]。Caspase在细胞内是以无活性的酶原形式存在的,凋亡启动后它们是怎么被激活的呢? 首先,死亡受体被触发. 死亡受体被激活后,并不能把凋亡信号直接传递给Caspase,其胞浆区还要与一些信号转导蛋白结合,其中重要的是含有死亡结构域的胞浆蛋白(adaptor)。这种胞浆蛋白的共同特点是分子的C2末端含有死亡结构域,与相关受体胞质内的死亡结构域相互作用,其N2末端含有死亡效应子结构域。同种结构域间有相互结合的倾向(趋向性),这样死