细胞凋亡及其信号转导分子

细胞凋亡及其信号转导分子

摘要：细胞信号转导是细胞外因子通过与受体(膜受体或核受体)结合，引发细胞内的一系列生

物化学反应以及蛋白间相互作用，直至细胞生理反应所需基因开始表达、各种生物学效应形成的过程。然而，细胞凋亡是指为维持内环境稳定，由基因控制的细胞自主的有序的死亡。细胞凋亡与细胞坏死不同，细胞凋亡不是一件被动的过程，而是主动过程，它涉及一系列基因的激活、表达以及调控等的作用；它并不是病理条件下，自体损伤的一种现象，而是为更好地适应生存环境而主动争取的一种死亡过程。

关键词：转导、细胞凋亡

一、细胞凋亡的概念及基本特征

①细胞凋亡

自从19世纪中期人们就发现细胞死亡在许多器官的形成，特别是在胚胎形成以及变形过程中发挥重要的功能（Gluecksman,1951）。程序性细胞死亡的概念是在1964年被提出的，它指的是生物体内某些细胞的死亡是个体发育过程中一个预定的，并受到严格程序控制的正常组成部分，它并不是细胞内的一种偶然事件（Lockshin,1964）。随着人们对程序性细胞死亡的认识的深入，Kerr等人于年1972年首次提出细胞凋亡(apoptosis)的概念(Kerr et al.,1972),“apoptosis”这个词来源于希腊文，意思是“离开或落下”，暗指细胞发生凋亡时，就像树叶或花的自然凋落一样，这个比喻强调的是细胞凋亡的发生是生物体正常生命循环过程中重要的组成部分，它是一种主动的过程，并且受到严格的基因控制。细胞凋亡具有广泛的生物学意义，这涉及到机体发育、细胞增殖、细胞分化、免疫系统功能的调节、以及清除多余或有害的细胞等方面，因此细胞凋亡过程的异常经常会伴随着疾病的发生。如果正常的细胞凋亡程序受阻，就会导致某些癌症、自身免疫系统疾病的发生、以及病毒感染的传播但是过量的细胞凋亡也会导致如神经退行性疾病、艾滋病、以及缺血性疾病的发生(Leist and Jaattela,2001)。

自从细胞凋亡的概念提出以来，随着现代分子生物学技术的发展以及人类基因组测序的完成，人们在阐明细胞凋亡发生的分子机制、细胞凋亡与疾病发生的关系、以及如何利用细胞凋亡的特点治疗肿瘤等方面都积累了大量的资料，这些知识使我们对疾病的发生有了更加深入地了解，并且有可能在未来的某一天彻底攻克癌症。由于细胞凋亡在生命活动中所具有的特殊的重要性，2002年的诺贝尔生理及医学奖被授予在细胞凋亡领域做出杰出贡献的三位科学家悉尼·布雷内(Sydney Brenner)、约翰·苏尔斯顿(John E.Sulston)和罗伯特·霍维茨(H.Robert Horvitz)，以表彰他们在研究器宫发育和程序性细胞死亡过程中的基因调控方面所作出的重大贡献。

②细胞凋亡的基本特征

凋亡细胞在形态学上主要表现为细胞收缩、变形，与周围的细胞失去接触，染色质在核膜周围凝缩、边缘化，质膜发生出芽(buding)并形成由质膜包裹着的芽体结构，又称为凋亡小体(apoptotic bodise)，这其中包含细胞质组分、凝缩的染色质、以及细胞器，最后凋亡小体会被巨噬细胞吞噬清除。因为在细胞凋亡发生的整个过程中细胞膜并没有发生破裂，所以并不引起炎症反应。细胞凋亡的所发生的分子及生化事件最典型的是核酸内切酶Ⅰ以及核酸内切酶Ⅱ等的激活最终导致被裂解成各种180-200bp整数倍的[(180-200bp)×n]不同长度的DNA片段，这些片段在琼脂糖凝胶电泳上呈现特有的“梯状”条带(Ladder);另外，许多涉及到细胞或细胞器形态维持方面起重要作用的蛋白质在凋亡过程中会被一些特定的蛋白酶所切割(Saraste and Pulkki,2000)。细胞凋亡作为一种细胞内主动发生的过程，它和细胞死亡的另外一种方式细胞坏死(necrosis)有着很大的区别。细胞坏死是指由于某些外界因素，如局部贫血、高热及物理、化学损伤或生物侵袭等引起的细胞无序的死亡过程。细胞坏死的特征是细胞胀大，胞膜破裂，细胞内容物外溢，核变化较慢，DNA降解不充分，并引起局部严重的炎症反应(Leist and Jaattela,2001)。

二、细胞凋亡信号转导通路

细胞凋亡发生的分子事件分为两个截然不同的时段:

①.起始阶段(an initial commitment phase)，此时细胞接收到凋亡的信号;

②.执行阶段(an execution phase)，在此阶段细胞凋亡的形态及生化特征都显现出来( Takahashi and Earnshaw, 1996).

到目前为止，细胞凋亡的信号转导通路主要包括外在途径(Earnshaw,1996,又称为死亡受体凋途径)、内在途径(intrinsic pathway,又称为线粒体凋亡途径)，有意思的是这两条凋亡通路并不是完全独立的，它们之间通过特定的分子而发生对话(cross talking)。

1.死亡受体介导的外在凋亡通路

外在凋亡信号转导通路是由所谓的死亡受体(death recephtor)介导的，当细胞发生凋亡时，胞外的死亡信号分子或配体通过与死亡受体相结合并活化死亡受体，从而将凋亡信号传到细胞内，进而引发一系列的凋亡步骤，最终导致细胞凋亡(Danial and Korsmeyer,2004).死亡受体是一类跨膜蛋白，含有半肤氨酸富集的胞外区段以及胞内的死亡受体结构域(death domain,DD)，属于肿瘤坏死因子(TNF)受体家族成员，包括TNFR-1(CD120a)，CD95(Fas/APO-1)，DR3(TRAIL-R3，LARD，TRAMP，WSL1)，DR4(TRAIL-R1，APO-2)，以及DR5(TRIAL-R2，KILLER，TRICK2)等(Schulze-Osthoff et al.，1998),其中最典型的死亡受体有CD95，TNFR1，DR4，DR5。

在CD95介导的凋亡通路中，CD95可以和它的配体CD95L相结合从而导致其自身的三聚化而活化，活化了的CD95可以通过它的DD和FADD(FAs-associated death domain，Mort1) C端的DD相互作用，而FADD又通过其N端的DED 与procaspase-8的DED结合，共同形成死亡诱导信号复合物(death inducing signaling complex，DISC)(Medema et al.，1997)，DISC包含了Fase/CD95、FADD和caspassa-8前体(procaspase-8)。DISC形成后，可诱导caspase-8自身激活，产生活性的caspase-8a/b(Muzio et al.，1998)，活化的caspase-8则进一步激活下游的caspase-3和caspase-7。激活的caspase-3又可以激活caspase-6，如此逐渐启动caspase的级联反应，最终活化的caspase-3、caspase-6、以及其它的caspase可以切割特定的凋亡底物，从而引起细胞凋亡的发生。另外，caspase-8的活化也受到FLIP(FLICE(FADD like interleukin-1βconverting enzyme) like inhibitory protein)的调控。FLIP的结构与FADD和caspase-8相似，亦含有死亡结构域，因此可与caspase-8竞争在DISC中的结合位点，进而阻断DISC中caspase-8的激活，从而抑制Fas介导的细胞凋亡(Scaffidi et al.,1999)。

与CD95的活化相类似，三聚体的TNFR1可以和接头蛋白TRADD(TNFR-associated death domain)相互作用，进而招募FADD和procaspase-8(Ashkenazi and Dixit,1998),因此caspase-8在受体介导的凋亡过程中是作为一个顶端的caspase 而发挥功能的。然而TNFR1所介导的凋亡信号转导通路要比CD95的复杂的多，事实上下，除了通过接头蛋白激活caspase之外，它也会招募许多涉及不同信号通路的蛋白质，这其中有些蛋白可以阻断凋亡反应，而有些则可以增强凋亡反应。例如除了招募之外，它也可以结合丝氨酸-苏氨酸激酶RIP(receptor interacting.protein)，最终导致NF-kB 的激活，从而使得细胞对抗TNF诱导的细胞凋亡。TRAF2(TNF receptor-associated factor 2)也可以通过激活NIK ( NF- kB- inducing kinase ) 从而最终导致NF-kB的激活。有意思的是，RIP和TRAF2的敲除实验表明RIP最有可能负责NF-kB 的激活，而TRAF2则激活JNK(c-Jun N-terminal kinzsa) ( Yeh et al.，1999 )。

TRAIL(TNF-related apoptosis-inducing ligand)，也称为Apo-2L，属于TNF家族蛋白成员(Wiley et al.,1995)，它和CD95L 有高度的同源性。进一步的研究发现TRAIL所诱导的细胞凋亡过程中所激活的大部分的caspase和CD95以及TNF 所激活的caspase是相同的（Griffith et al.,1998;MacFarlane et al.,2000a; MacFarlane et al.,2000b）。到目前为止已发现5种TRAIL受体，其中包括: 1两种死亡受体DR4和DR5; 2两种诱骗受体DcRi和DcR2;一种可溶性受体:OPG(osteoprotegerin).DR4和DcR5与TRAIL特异性结合后，可通过胞浆的DD激发并传递凋亡信号。Dcr1和DcR2的胞外区包含与DR4、DR5高度同源的半肤氨酸富集区，能够与TRAIL结合，但是DcR1无胞内区，DcR2的胞内DD 不完整，因此，DcR1和DcR2与TRAIL结合后都不转导凋亡信号。OPG是一种与骨自稳机制有关的TNF受体分泌型同系物，也起诱骗作用。在TRAIL诱导的细胞凋亡过程中，TRAIL通过与细胞膜上的死亡受体DR4或DR5结合而形成配体一受体三聚复合物，诱导死亡受体胞质段的死亡结构域与端的结合。FADD以其N端的死亡效应结构域(DED)与procaspase-8结合，形成DR4 / DR5- FADD - procaspase-8 死亡诱导信号复合物(DISC)，促使其中procaspase-8自身催化成有活性的caspase-8，最终导致细胞凋亡的产生。另一方面，研究表明DR4或DR5可以通过TRADD相互作用(Chaudhary et al.,1997; Schneider et al.,1997),从而和TNF相类似去激活NF-kB或JNK(Hu et al.,1999)。

2.线粒体介导的内在凋亡通路

细胞凋亡的信号转导通路除了由死亡受体介导之外，线粒体也在此过程中发挥了非常关键的作用。大量的凋亡诱导信号都可以打破线粒体跨膜电势(△ψ)，即所谓的渗透性转移(permeadbility tranxition,PT)，最终促使线粒体发生泄漏，从而释放一些线粒体蛋白质(Ferri and Kroemer,2001)，这些凋亡诱导信号包括DNA损伤药物，热休克，缺氧，生长因子移除，以及化疗药物。从线粒体释放的蛋白质包括细胞色素c (Li et al.,1997)、Smac (second mitochondria-derived