线粒体与细胞凋亡研究进展

·综述·

线粒体与细胞凋亡研究进展

曾凯星1

1.中山大学药学院，广州，510006

【摘要】线粒体是细胞凋亡的执行者。当线粒体受到内外环境因素的影响时，会造成线粒体通透性转运孔持续开放，细胞色素C的释放、Caspase蛋白的激活以及活性氧的作用。本文阐述了三者变化的多种机制，同时也论述了Bcl-2家族和AIF因子在凋亡过程中的调节作用机制，为寻找肿瘤靶点提供机遇。【关键词】线粒体；细胞凋亡；线粒体通透性转运孔；细胞色素C；Caspase

Study Progress of Mitochondria and Apoptosis

Kai-xing ZENG1

1.School of Pharmaceutical Sciences, Sun Yat-Sen University, Guangzhou, 51006,

China

Abstract: Mitochondria are the executors of apoptosis. When the mitochondria are affected internal and external environmental factors, can cause mitochondrial permeability transition pore remain open, release of cytochrome C and activation of Caspase protein. This paper describes the various mechanisms of the three variations, but also discusses the Bcl-2 family and AIF factor regulating mechanism during apoptosis, these mechanisms provides an opportunity to find tumor targets.

Keywords: Mitochondria; Cell apoptosis; mitochondrion permeability transition pore; Cytochrome C; Caspase

细胞凋亡是集体在生长、发育和受到外来刺激时清除多余、衰老和受损伤的细胞以保持机体内环境平衡和维持正常生理活动过程中的一种基础调节机制。这种调节机制的异常与多种疾病的发生有关，如癌症的发生于细胞凋亡的抑制有关，而老年性痴呆与神经细胞凋亡过度有关。目前对细胞凋亡的研究已经涉及到肿瘤生物学、发育生物学等方面。线粒体是真核细胞赖以生存的产能场所，而近十几年来发现线粒体是调控细胞的重要细胞器。

1 线粒体与细胞凋亡

目前发现细胞凋亡主要经过三条信号转导通路，一条是外源性通路，即由死亡受体及配体系统激发的凋亡信号下传，启动Caspase蛋白酶而引发细胞凋亡[1]; 另一通路称为内源性通路，细胞外的某些信号或细胞内DNA的损伤首先引起促凋亡的Bcl -2 家族成员发生蛋白水解、脱磷酸化等修饰，由无活性状态变为活性状态，从而由胞浆向线粒体膜移位，使PTP打开、∆ψm降低等变化，细胞色素C 等凋亡信号分子进入胞浆，发挥激活Caspase等的作用，从而导致凋亡的特征性改变[2]。；还有一条凋亡通路为内质网通路，其确切机制目前还不十分清楚。前两种通路这两条通路最后都汇集于下游的效应Caspase，即凋亡蛋白酶Casapse的激活。活化Caspase在细胞中能切割400多种，如Laminas、信号分子如蛋白激酶、骨架蛋白、DNA修复酶以及包括调控mRNA剪切、DNA复制的功能蛋白。这些重要蛋白质的降解和核酸酶的激活最终导致细胞凋亡。

2 MPTP和∆ψm对细胞凋亡的作用

线粒体通透性转运孔(mitochondrion permeability transition pore，MPTP)是由位于线粒体外膜的电位依赖性阴离子通道( voltage dependent anion channel，VDAC)、线粒体内膜的腺苷酸移位酶( adenine nucleotide translocate，ANT)、线粒体基质的环孢菌素A结合蛋白D(cyclophilin D，CypD) 及其他分子构成的一种复合结构，∆ψm的稳定有密切关系。MPTP是跨越线粒体外膜和内膜的通道，M PTP周期性开放，以维持线粒体内电化学平衡及稳定状态。多种因素对MPTP具有调节作用，pH下降、环孢菌素A、Mg2 +、磷酸酯酶抑制剂等因素对MPTP的开放具有抑制作用，而pH升高、Ca2 +、无机磷酸盐、过氧化物等因素对MPTP开放具有促进作用。正常情况下MPTP间歇性开放，分子质量小于1.5 ku的物质，如质子、Ca2+、谷胱甘肽等可选择性通过，这些物质对维持线粒体膜电位和Ca2 +平衡具有重要作用。当MPTP持续开放时∆ψm降低甚至完全崩解，而∆ψm的崩解是细胞凋亡的特异性早期指标之一。线粒体基质的三羧酸循环酶系通过底物脱氢氧化生成还原性烟酰胺腺嘌呤二核苷酸( NADH ) 。NADH通过线粒体内膜呼吸链氧化，

生产大量的ATP。与此同时，导致跨膜质子移位形成∆ψm。线粒体内膜上的ATP合成酶利用∆ψm 能量合成ATP。∆ψm的耗散早于核酸酶的激活，也早于磷酯酰丝氨酸暴露于细胞表面。而一旦∆ψm 耗散，线粒体可释放AIF和细胞色素C，细胞就会进入不可逆的凋亡过程。线粒体解开呼吸链会产生大量活性氧，氧化线粒体内膜上的卵磷脂。

线粒体通透性改变( mitochondrial permeability transition , M PT ) 即P T P 的非特异性开放。M P T的作用有自我放大的效应。M PT 诱导∆ψm耗散,而反过来mClCCP 使∆ψm去极化会导致M PT 。一些P T P 的结果例如∆ψm耗散, 活性氧的生成本身也会导致M P T 。这就说明M PT 有正反馈, 从而在细胞凋亡中有自我摧毁的作用。反过来, 如果能防止∆ψm的耗散, 就能避免氧化还原不平衡、磷酯酰丝氨酸的暴露与蛋白酶和核酸酶的激活。然而,某些细胞内细胞色素C的释放可能比∆ψm早, 说明线粒体释放的细胞色素C 可能还依赖于非PT P开放的其他途经，下面会继续讨论细胞色素C的释放途径及作用机理。

线粒体的结构、功能与细胞凋亡关系密切, 其中PT P的作用极其重要, 如果线粒体有大量PTP形成, 细胞ATP浓度很快下降, 则在致凋亡的蛋白酶被活化前细胞就坏死了。而∆ψm耗散产生的超氧阴离子也导致细胞死亡。

3 细胞色素C、Casapse家族以及活性氧对细胞凋亡的作用

3.1 细胞色素C

细胞色素C不仅可作为呼吸链电子传递的物质，也是调控细胞凋亡的一种主要蛋白。在线粒体损伤后，细胞色素C作为应做传感器被释放到细胞质中，从而引发细胞执行凋亡程序。细胞色素C由2个没有促凋亡活性的前体分子血红素和脱辅基细胞色素C在膜间组装而成，具有促凋亡构象[3]。目前细胞色素C释放的机制有很多,主要有三种：一是PTP开放导致外膜破裂，释放细胞色素C；二是Bax和Bak等正常情况下能与抑凋亡蛋白分子Bcl-2/ Bcl-xL/Mcl-1相互结合。而仅含BH3结构域的Bcl-2家族促凋亡蛋白tBid、Bim等能与Bcl-2/ Bel-xL/ Mel-l 相互作用，使Bax / Bak等从抑制凋亡蛋白游离，进而形成多聚体，促使线粒体膜通透，导致细胞色素C释放；三是Bax 或Bak与电压依赖性离子通道VADC结合后，可以调节线粒体的膜电位，并导致细胞色素C从Bax / Bak和VDAC 共同形成的大通道释放。细胞色素C释放到胞质后可使细胞凋亡，其主要是通过Caspase 发挥凋亡作用[4]。

3.2 Casapse家族

Caspase全称为含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(cysteine aspartate specific proteinase)。caspase是一组存在于细胞质中具有类似结构的蛋白酶。根据Caspase在