维普资讯 http://www.cqvip.com Journal of Qiqihar Medical College,2008,Vo1.29,No.13 ・综述・讲座・ Ca2+介导的细胞凋亡通路研究进展 东 方 高世勇 季宇彬 【摘要1细胞凋亡与细胞内Ca 浓度密切相关,不同的刺激信号通过复杂的信息传递途径引起 Ca”的变化,Ca。 是重要的第二信使,钙信号在许多生理功能和细胞活动中都起到十分重要的作用。 本文总结了Ca。 与三条通路之间的关系,阐述了影响Ca 的因素及在ca 发生变化后启动细胞凋亡 程序的机制。 【关键词】细胞凋亡Ca 第二信使 通路 细胞凋亡是指为了维持个体内环境稳定,由基因控制的 细胞自主的有序死亡,清除受损伤或无用的细胞,它在生物进 化、内环境稳定以及多个系统的发育中起着重要作用。自从 1972年John Kerr第一次提出凋亡这一概念后,人们发现它 在多细胞生物的基本生命活动中起着十分重要的作用 ]。它 对于生物发育过程中控制细胞数量平衡必不可少。 人体内含钙总量约1 300克,约占人体无机盐总量的1/ 2。以两种形式在体内存在,即结合状态和离子状态。结合状 态的钙主要作为组成骨骼、牙齿的主要原料,并没有生理活 性,只有Ca 才具有生理活性。Ca 不仅单独作为第二信使 起作用,而且也参与或协调其他第二信使的代谢和对细胞生 理功能的调节,包括降低毛细血管及细胞膜的通透性,参与肌 肉收缩、纤毛运动、阿米巴运动、白细胞吞噬、细胞分裂、受精、 电兴奋、激素分泌和代谢等过程。ca 是重要的第二信使, 在众多的第二信使中处于枢纽地位。ca。 参与真核细胞跨 膜信号转导途径,细胞质内的Ca 对细胞的生存与凋亡有着 重要的作用。 1 Ca。 与三条凋亡通路的关系 近年研究揭示出凋亡是由十分复杂的信号传导通路所调 控的,目前已知有三个主要的信号传导通路 :1)线粒体通 路;2)死亡受体通路;3)内质网通路。这些信号转导通路都与 Ca 有密切关系。 1.1 Ca 与线粒体 在动物细胞中,线粒体通路是最普遍 的凋亡机制和细胞凋亡核心。Ca抖的升高参与了凋亡早期 信号转导和凋亡的执行阶段,而更重要的是在凋亡的早期阶 段[3]。细胞凋亡早期线粒体出现内膜渗透性改变,通透性增 加、Ca。。。的摄入、跨膜电位降低、细胞色素c和凋亡诱导因子 的释放等。 线粒体Ca。 升高的机制包括非特异性漏入和孔道形成。 Ca。 浓度的改变可以触发线粒体通透孔(permeability transi— tion pore,PTP)开放 ,PTP的开放允许相对分子量>1 500 D的分子通过,使离子和呼吸链底物在线粒体基质和胞质之 间达到平衡,导致线粒体电子传递链与氧化磷酸化解偶联、膜 电位降低、ATP合成减少、还原性谷胱甘肽减少、细胞内活性 氧增多,导致线粒体基质膨胀,外膜皱襞少,表面积小,易于破 裂,释放出膜问促凋亡蛋白,最终引起细胞凋亡。 作者单位:哈尔滨商业大学生命科学与环境科学研究中心药物研究所 抗肿瘤天然药物教育部工程研究中心 邮 编150076 收稿日期2008—03—14 线粒体膜通道的类型有两类:外膜通道和内膜通道。一 个高通透性的外膜,一个相对低通透性的内膜,外膜上的孔道 是细胞凋亡的基本要素,并且这一个过程可能与线粒体内膜 孔道的通透性改变有一定的关系,内膜离子通道的新功能不 断被发现,使得这些离子通道在未来的科学研究和药物研发 中有重要地位。内膜通道中的Ca 单向转运通道是线粒体 能量代谢与交换的一个中心环节。该通道的正常功能是沿电 化学梯度将Ca。 从细胞质转运到线粒体基质中,钙调脱氢酶 被激活以增加Krebs循环的还原当量。Ca 单向转运通道的 调控机制尚未完全清楚,但二价离子和核苷酸能调节该通道, 且该通道能被钌红阻断。除刺激呼吸,线粒体钙内流还是增 高的细胞质内钙的缓冲机制,形成线粒体钙库,并有效整和钙 刺激所引起的反应0 。 1.2 Ca2 与内质网 内质网(endoplasmic reticulum,ER)是 细胞内重要的细胞器,是调节蛋白质合成及合成后折叠、聚 集、调节细胞的应激反应及细胞钙水平的场所,也是胆固醇、 类固醇及许多脂质合成的场所,对细胞应激反应起调节作用。 内质网介导细胞凋亡研究较多的有两种机制,为非折叠 蛋白反应(unfolded proteinreaction,UPR)和钙离子起始信号 (caiciumsignallng) 。 钙离子可作为促有丝分裂或促凋亡信使发挥作用,取决 于它的位置、胞浆浓度等,所有非肌肉细胞钙离子的储存、释 放和摄取都受内质网调节。钙离子通过肌浆/内质网钙离子 ATP酶(SERCA)从胞浆中摄入,通过肌醇一1,4,5一三磷酸 受体(InsP3R)/钙离子通道或ryanodine recepter/钙离子通道 释放 。 内质网钙流动的机制为 :钙诱导的钙释放[主要通过 ryanodine(RyR)受体],激活代谢受体通过三磷酸肌醇诱导的 钙释放(主要通过三磷酸肌醇受体)和通过肌浆网钙泵的钙摄 取。通过以上调控,共同维持内质网内钙离子的动态平衡。 破坏内质网内钙离子的稳态可以导致内质网应激,包括 内质网超负荷反应和前述的UPR反应,激活凋亡通路。其中 内质网超负荷反应以激活转录因子NF2KB为主要特点,启 动多种前炎性蛋白和细胞粘附分子的转录表达,对凋亡进行 调控。内质网是完成蛋白质四级结构折叠形成的部位,在内 质网内存在着多组相关的酶系统,如肽基脯氨酸异构酶、糖基 化酶、葡萄糖调控蛋白、蛋白质二硫键异构酶和各种应激分子 伴侣(如钙网蛋白)。实验证实这些蛋白质中的大部分功能与 钙离子的动态变化密切相关。所以,内质网内钙离子稳态的 改变可作用于内质网功能的多个环节,引发细胞凋亡 。。 维普资讯 http://www.cqvip.com 齐齐哈尔医学院学报2008年第29卷第13期 1.3 Ca 与死亡受体 目前研究最多最清楚的是死亡受体 些细胞类型中,它还分布在内质网上。越来越多的研究结果 介导的凋亡。细胞表面死亡受体(DR)是肿瘤坏死因子受体 表明,Bcl一2可以抑制钙离子从内质网的释放,从而抑制钙离 (TNF—R)超家族成员,其特征之一是胞质区内含有细胞死 子的波动和钙离子从内质网到线粒体的重新分布。 亡信号传导过程中所必需的死亡结构域(DD),DD赋予DR Bc1—2能直接抑制Ca 通过IPaR通道从内质网的释 诱导细胞凋亡的功能,DR信号通过与其特异性的配体结合, 放。这种作用不是由于IP3R的表达水平或内质网腔内ca 其可识别外来的死亡信号,并能迅速启动细胞凋亡机制,诱导 的改变而产生,而是由于Bc1—2和IP3R之间的相互作用,抑 多种肿瘤细胞凋亡。死亡受体包括Fas(又称CD95PApo1)、 制IP3激发的离子通道的开放而引起的_1 。同时,Bcl一2可 TRAILR2(DR5)、TRAILR1(DR4)、TNFR1等,都属于肿瘤 以通过降低内质网腔内calreticulin以及钙泵的表达来降低内 坏死因子受体超家族,都是I型跨膜蛋白_】o]。 质网内的钙离子浓度_1 。 在杂交瘤和腹膜渗出物的淋巴细胞中证实,Fas介导的 也有研究指出Bc1—2可以抑制PTP的开放而增加线粒 细胞溶解属Ca 依赖性的。Oshimi在T细胞的研究中,也 体存储钙离子的能力[103。因此,在内质网和线粒体上的 证实Fas抗原可激活细胞中的蛋白酪氨酸激酶(protein tyro- Bcl_2有可能通过降低内质网内游离钙离子的释放和增加线 sine kinase,PTK),使钙库内Ca 释放以及Ca 进入细胞 粒体对高钙水平的耐受而抑制凋亡。 浆,引起核和细胞的损害。他们认为,Fas触发的凋亡机制是 2.2 活性氧调控 活性氧(reactive oxygen species,ROs)是 通过升高Ca 浓度来实现的。凋亡开始时,Ca 、Fas作为 体内一类氧的单电子还原产物,包括氧的超氧阴离子、过氧化 第二信使是相辅相成的。钙结合蛋白对内质网腔内Ca 的 氢(HzOz)、羟基自由基以及一氧化氮等。ROS的产生主要 变化非常敏感,与Fas受体结合后,使其Ca 内流,启动Fas 是线粒体由状态Ⅲ向状态Ⅳ转换中高氧环境和高还原态的呼 受体介导的细胞凋亡_】 。与TRAIL的生物学效应是通过与 吸链使大量电子漏出并还原氧分子而形成的。 细胞膜上的相应受体结合而产生_1 。TRAII 受体与TRAIL ROS与作为多种死亡信号转导的第二信使的Ca2+之间 结合后常形成寡聚体(多为三聚体),这种寡聚体可使胞浆内 有着错综复杂的关系。ROS能破坏细胞器,如内质网、线粒 的死亡功能区彼此靠近、聚集,进而诱使胞浆内的caspases级 体膜以及细胞膜,胞外Ca 内流,引起Ca 水平变化。 联式反应发生。TRAIL受体通过Fas相关死亡结构域(fas 其中线粒体是ROS的主要来源和促凋亡作用靶点,少量 associated death domian,FADD)传递信号。TRAILR2与其 产生的ROS可能作为信号,诱导PT孔开放,同时促进自身 配体结合后能选择性的杀伤多种肿瘤细胞而对正常细胞没有 线粒体及其他线粒体产生ROS,所以ROS升高既是PT孔开 毒性,并通过其受体上的FADD形成死亡诱导复合体和 放的原因也是结果,它们组成了一个扩大环路,导致胞内 caspase--8。然后启动非线粒体依赖途径和线粒体依赖途径 ca抖重新分布_ 】;同时ROS也会影响肌质网ca 泵,通过 来介导细胞的凋亡信号。 抑制Ca 一ATP酶泵而抑制细胞内或者细胞外及内质网 2影响Ca¨释放的因素 Ca 转移。 2.1 Bc1—2家族调控 Bcl一2属于一类新的癌基因家族, 另外,ROS通过影响电压依赖性Ca2 通道、非特异性细 其结构主要由两大结构域构成,即位于羧基端的跨膜结构域 胞膜Ca 通透性变化和Na+/Ca 交换、调节IP3R的产生 (transmembrane region,TM)和数量不等的(1~4个)Bcl一2 从而影响Ca 从内质网释放入线粒体。细胞内Ca 升高可 同源结构域(Bc1—2 homology,BH),根据其所具有的BH结 以激活其他的酶来进一步增加氧自由基的水平,因此ROS可 构域以及在细胞凋亡中发挥的生物学效应的不同可被大致分 以间接地产生更多的氧化物而进一步促进线粒体Ca 水平 为抗凋亡类蛋白、促凋亡类蛋白和只具有BH3结构域的凋亡 升高 l81。 蛋白等3大类,分别以Bcl一2、Bax、Bid为代表。其中Bcl一2 3 Ca¨触发细胞凋亡的方式 可以抑制有多种细胞毒伊苏所引起的细胞死亡。Bc1—2的过 3.1激活钙调蛋白分解酶(calpain)越来越多的实验证明, 度表达能增强细胞对大多数细胞毒因素的抵抗性。 calpain可能作用于细胞质内钙离子的下游来激活凋亡的过 Bc1—2家族对作用于线粒体钙离子的调节表现在对线 程。它作用机制有:1)在一些细胞凋亡中可以切割并激活 粒体通透孔(permeability transition pore,PTP)形成的影响 BaxE州;2)切割并激活Bid[ 。 ;3)激活内质网上的caspase一 上,该复合体由胞质中的己糖激酶、线粒体外膜上的电压依赖 3¨2 ;4)切割X染色体连锁的凋亡抑制蛋白[ ;5)激发calci— 性阴离子通道(VDAC)、线粒体膜间隙的肌酸激酶、线粒体内 neurin以来的通路促进凋亡¨2 。 膜上的腺苷酸转运蛋白(ANT)以及基质中的亲环蛋白D(cy— 3.2激活钙调神经磷酸酶(caocineurin) 体外研究发现活 clophilin D)组成。 化的caocineurin可以使Bad去磷酸化,使其与抑制蛋白14— 目前研究认为,线粒体通透性转变孔(mitochondria per— 3—3解离,然后转移到线粒体激发细胞色素c释放 ,另 meability transition pore,MPTP)的开放是引起细胞凋亡发 外,活化的caocineurin可以引起基因转录的改变。Caoci— 生的直接原因。MPTP开放导致胞质中很多相对分子质 neurin作为钙离子信号的下游可以作用于线粒体上游的早期 量>1 500的分子非选择性地扩散入线粒体内膜,造成了线粒 凋亡阶段 。 体去极化,导致Ca 外流l1 。Bcl一2也可通过钙离子介导 3.3介导或促进DNA损伤 Ca 可能在多个环节上参与 的线粒体途径阻止ca 内流和细胞色素c释放从而抑制细 细胞凋亡时DNA的损伤¨2 :1)Ca 的升高可通过激活 胞凋亡。 Ca /Mg 依赖性核酸内切酶,导致核小体问DNA(180— 虽然多数人认为Bc1—2主要在线粒体上起作用,但在某 200bp)的断裂;2)尽管负责高分子量DNA大片段断裂(5O一 维普资讯 http://www.cqvip.com ・1604・ Journal of Qiqihar Medical College,2008,Vo1.29,No.13 300kb出现于核小体问DNA断裂之前)的核酸酶似乎不依 赖于Ca ,但Ca。 升高可能通过某些机制(如组蛋白1重新 分布和拓朴异构酶Ⅱ活化)而影响染色体的结构,使之出现 解折叠、扭转张力减低和超螺旋构象改变,而使DNA易于被 DNAase降解。 [13] Fas death domain.Regulation by Fas activation[J].J Biol Chem,2004,279(7):5661—5666 Fontaine E,Ichas F,Bernardi P.A ubiquinone—binding site regulates the mitochondrial permeability transition pore[J].J Biol Chem,1 998,273(40):2 5734—2 5740 a I,Zhong F,et a1.Bcl一2 functionallyinteracts [143 Chen R,Valenciwith inositol 1。4,5一trisphosphate receptors to regulate cal— cium release from the ER in response to inositol 1。4.5一t“一 3.4 影响线粒体膜电位 线粒体内膜跨膜电位△ m是反 映线粒体内膜通透性的最佳指标之一。从不同途径流人线粒 体的Ca 聚集到一定程度后会直接破坏线粒体膜电位,使 A ̄l*m崩溃,呼吸链与氧化磷酸化失偶联,ATP合成停止,线 sphosphate[J].J Cell Biol,2004,166(2):193—203 粒体基质C 外流,还原性谷胱甘肽和NAD(P)H2减少,超氧 阴离子增加,凋亡诱导因子(apoptosis inducing factor,MF)及线 粒体膜间质凋亡蛋白释放等,从而导致细胞凋亡I2 。 4结语 信号通路是一个复杂的网络调控系统,各因素之间相互 作用,相互交织。在错综复杂的信号通路中,c 作为人体内 最普遍的信号转导因子,在细胞分裂、生长、死亡过程中起着 重要的作用,而细胞凋亡作为生命的基本现象之一,是调节生 物发育和衰老的重要机制。Ca 作为第二信使处于细胞凋 亡的枢纽地位,不仅与三条通路有密切的联系,而且受多种因 素调控,其浓度的改变会导致一系列生理变化,最终导致细胞 凋亡。 参 考 文 献 [1] Kerr JF,yllie AH,Currie AR.Apoptosis;a basic biological phenomenon with wide ranging implication in tiss Kinetics I-J].Br I Cancer,1972,4(26):239—257 [2] Strasser A,()connor L,Dixit VM.Apoptosis signaling[J]. 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