文章编号 ：1004-0374(2010)03-0224-05
细胞凋亡的结构生物学研究进展
施一公
（清华大学生命科学学院，北京 100084）
摘 要：在多细胞生物体内，细胞会发生编程性死亡(即细胞凋亡)，使得细胞数量得到精确调控。细胞凋亡调控的异常与癌症、自身免疫病、神经退行性疾病等疾病密切相关。在过去的二十年里，人们详细地研究了参与细胞凋亡调控的分子机制。该文综述了近年来利用结构生物学手段，对参与细胞凋亡调控的分子，主要是Ca spa se和与Ca spa se活性调控直接相关的蛋白功能的研究进展。
关键词：细胞凋亡；机制；结构生物学；Cas pas e
中图分类号：Q255; Q617 文献标识码：A
Mechanisms of programmed cell death through structural biology
SHI Yi-gong
(College of Life Sciences, Tsinghua University, Beijing 100084, China)
Ab stra c t: C e lls und e rg o p ro g ra m m e d c e ll d e a th (a p o p o sis) in a ll m ultic e llula r o rg a nism s. Alte rna tio ns in a p o p to tic p a thw a ys ha ve b e e n im p lic a te d in m a ny typ e s of d ise a se s in hum a n, inc lud ing c a nc e rs, a utoim m une d ise a se s,
a nd ne urod e g e ne ra tive d isord e rs. I n the p a st tw o d e c a d e s, the m ole c ula r m e c ha nism s of a p op tosis ha ve
b e e n
e xte nsive ly stud ie d. I n this p a p e r, a utho r re vie w s the p ro g re ss in the stud ie s o
f m ole c ula r func tions of p rote ins
involve d in a p op tosis re g ula tions, m a inly C a sp a se s a nd C a sp a se-re g ula ting p rote ins, using struc tura l b iolog y
a pproa c he s.
K e y word s: apoptosis; mechanism; structural biology; Caspase
1 细胞凋亡调控机制研究背景
在动物体内，细胞数量需要被精确控制。如果细胞增殖过度，则造成癌症；如果细胞凋亡过度，则可引起神经退行性疾病诸如阿尔茨海默氏症。
细胞凋亡的有关知识，了解得最清楚的就是在秀丽隐杆线虫(C a e norha b d itis e le g a ns，C. e le g a ns)中。人们可以精确描述线虫中1 090个细胞的发育命运和其中的凋亡事件，其中有131个细胞在特定的位置和时间发生编程性死亡，留下成体线虫共959个细胞。在20世纪80~90年代，麻省理工的Ho rvitz研究组进行的遗传学研究表明，有4个基因共同严格控制了线虫中的细胞编程性死亡，它们是e g l-1、c e d-9、c e d-4和c e d-3[1]。c e d-3编码一个半胱氨酸蛋白酶C E D-3，特异性针对天冬氨酸残基，称为C a spa se。与所有的C a spa se一样，CE D-3的
这种活性必须受到调控，它被CE D-4激活，发生自身切割。C E D-4的功能又被C E D-9所抑制，而C E D-9又被E GL-1抑制，这样就形成了一个精确的调控系统。
在哺乳动物细胞中，凋亡的机制更为复杂。有两种被详细研究了的细胞凋亡途径：一条是外源性的途径，由胞外“死亡配体”(de a th l i g a nd)触发“死亡受体”(de a th re c e ptor)，进而通过级联反应激活C a sp a se-8——外源性途径的起始C a sp a se；另一方面，许多细胞凋亡由细胞内部事件，如DNA 损伤等压力而触发(内源性途径)，激活C a sp a se-9。在它们被激活后，Ca spa se-8、-9将激活下游效应C a sp a se，如C a sp a se-3、-7等。下游的这些C a sp a se 被激活，进而最终杀死细胞。
本文主要集中讨论另外一条途径——内源性途
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第3期施一公：细胞凋亡的结构生物学研究进展径的机制，这其中的大部分机制研究都是由德州西南医学中心王晓东完成的。内源性途径指由于DNA 损伤等事件触发，细胞内部的凋亡信号传递到线粒体，这时，通过存在于线粒体外膜上的B CL 家族蛋白，将细胞色素C释放出来。一旦被释放到胞质中，细胞色素C就与一个大的蛋白Apa f-1相互作用，使后者发生构象变化，成为激活的形式，再与辅因子AT P(或dAT P)结合，形成凋亡复合体(Ap op tosom e )。这是一个七聚体，Ac e ha n 等[2]通过电镜的方法报道了它的整体结构。
凋亡复合体的主要功能是招募C a sp a se -9的前体Pro -C a sp a se -9，激活其切割自身的一段序列。值得注意的是，被切下的蛋白片段仍然与Ca spa se -9的其他部分相互结合，这些组分一同构成了凋亡全酶(H oloe nzyme )。相比之下，单独的C a spa se -9的催化活性还不到全酶的1%。全酶的结构也用冷冻电镜的方法进行了解析[2]。凋亡全酶随后招募并切割C a sp a se -3和C a sp a se -7，而这两者随后切割细胞中已知超过100种的底物，并导致细胞凋亡。在哺乳动物细胞中都存在着调控这一过程的一些因子，称为凋亡抑制蛋白(inhib itors of a p op tosis pr otei ns, I APs)。I APs 能够结合起始Ca spa se (C a sp a se -9)和效应型C a spa se (C a sp a se -3、-7)，并由此阻止其酶活性的发挥。人类基因组中存在至少
8个I APs，包括X I AP、c I AP-1、c I AP-2、Survivin 等。在癌症中这些基因的功能都受到影响，因此，这些蛋白可能作为抗癌药物的靶点。I APs 都含有Ba c ulo virus I AP Re p e a t(BI R)结构域，每个I AP 通常含有1~3个BI R 结构域，这些BI R 结构域的功能不尽相同。例如，XI AP 中的BI R3结构域(BI R3)抑制C a sp a se -9，而其BI R2结构域则抑制C a sp a se -3。当然，实际上，I AP 的功能更为复杂，不仅限于此处描述的功能。
当细胞接到凋亡的信号指令时，凋亡全酶一开始并不会对细胞造成影响，而必须将I APs的抑制作用解除，这是通过另一种蛋白——Sm a c (又名Dia b lo )完成的。Sma c平时也存在于线粒体中，在细胞凋亡信号的触发下，线粒体释放出Sma c ，以促进完成凋亡过程。这样，凋亡过程的调控存在两条途径：线粒体释放出的细胞色素C ，参与激活C a sp a se 通路，促进凋亡全酶的组装；而同时线粒体也释放出Sma c ，解除I APs 对C a sp a se的抑制，使细胞走向死亡。
对比一些模式生物(线虫、果蝇和哺乳动物)中的凋亡途径(图1)，发现其整体的调控模式较为保守。图中将功能相似的分子以同样的颜色显示。如：哺乳动物Ap a f-1与线虫C E D-4是功能上的同源物，而C a sp a se -9则与C E D-3
功能上地位相似。以
图1 线虫、果蝇和哺乳动物中的凋亡调控途径
