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细胞凋亡的分子机理

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・综 述・细胞凋亡的分子机理王小红 【摘要】 目的 研究细胞凋亡现象发生的分子机理。方法 采用文献回顾的方法对细胞凋亡现象发生的分子机理进行综述。结果 影响细胞凋亡的生物学机制十分复杂,有多种因子、基因和蛋白参与细胞凋亡,如神经生长因子(NGF)、热休克蛋白(HSP)和bcl-2家族等等。结论 细胞凋亡受多种生物因子影响和调节。 【关键词】 细胞凋亡;因子;基因;蛋白 【中图分类号】 R34 【文献标识码】 A 【文章编号】 1606-8106(2007)11-0980-06

细胞凋亡(cellapoptosis)是借用古希腊语,表示细胞像秋天的树叶一样凋落的死亡方式,细胞遵循自身的程序,自己结束其生命,最后裂解为若干凋亡小体而被其他细胞吞噬。1972年Kerr最先提出这一概念。细胞凋亡是生命的基本现象,是维持体内细胞数量动态平衡的基本措施。在胚胎发育阶段通过细胞凋亡清除多余的和已完成使命的细胞,保证了胚胎的正常发育;在成年阶段通过细胞凋亡清除衰老和病变的细胞,保证了机体的健康。细胞凋亡是受基因调控的精确过程。细胞凋亡包含着极为复杂的分子生物学机制,现将就凋亡相关分子机制做一个简要总结。1 细胞凋亡途径细胞凋亡的途径主要有两条,一条是细胞表面凋亡受体介导的通过胞外信号激活细胞内的凋亡酶Caspase-8,一条是通过线粒体释放凋亡酶激活因子激活Caspase-9。活化的Caspase-8和Caspase-9均可激活Caspase-3,将细胞内的重要蛋白降解,引起细胞凋亡[1,2],见图1。

Figure1 Majorpathwaysinvolvedintheinitiationofapoptosis.Receptor-mediatedapoptosisinvolvesthebindingoftumornec２rosisfactor(TNF)ortheFasligandtoitsreceptor,resultingintheactivationofcaspase-8and,subsequently,caspase-3.Themi２tochondrialpathwayresultsinthereleaseofcytochromec,whichbindstoapoptoticproteaseactivatingfactor-1(APAF-1)andcaspase-9,formingtheapoptosome.Thiscomplexactivatescaspase-3,resultinginadditionalcaspaseactivation.Thefinalresultisactivationofaproteasecascadethatdismantlesthecell.

作者单位:625000四川雅安,雅安职业技术学院医学系生理教研室

・089・中华中西医杂志 ChineseJournalofTraditional&WesternMedicine 2007年第8卷 第11期1.1 表面凋亡受体Fas介导的细胞凋亡 细胞表面的凋亡受体是属于肿瘤坏死因子受体(TNFR)家族的跨膜蛋白,它们包括Fas(Apo-1/CD95)、TN２FR1、DR3/WSL、DR4/TRAIL-R1和DR5/TRAIL-R2。其配体属于TNF家族,目前已比较清楚的是Fas介导的细胞凋亡途径。Fas具有三个富含半胱氨酸的胞外区和一个称为死亡结构域(Deathdomain,DD)的胞内区。Fas的配体FasL(Fasligand)与Fas结合后,Fas三聚化使胞内的DD区构象改变,然后与接头蛋白FADD(Fasassociateddeathdomain)的DD区结合,而后FADD的N端DED区(deatheffectordomain)就能与Caspase-8(或-10)前体蛋白结合,形成DISC(death-inducingsignalingcomplex),引起Caspase-8、10通过自身剪激活,它们启动Caspase的级联反应,使Caspase-3、-6、-7激活,这几种Caspase可降解胞内结构蛋白和功能蛋白,最终导致细胞凋亡[3]。Caspase可激活名叫CAD(caspase-activatedDnase)的核酸酶,CAD能在核小体的连接区将其切断,形成约为200bp整数倍的核酸片段。正常情况下CAD存在于胞质中,并且与抑制因子ICAD/DFF-45蛋白结合,不能进入细胞核。Caspase活化后可以降解ICAD/DFF-45,释放出CAD,使它进入细胞核降解DNA。Fas介导的细胞凋亡还可能以神经酰胺作为第二信使传递信号,通过激活一系列蛋白激酶和转录因子最终激活共同信号传递通路,引起细胞凋亡,这一过程被称为神经鞘磷脂循环[4]。另外,有丝分裂原蛋白激酶(MAPA)的两个亚类JNK和EPK也可以传递Fas基因的凋亡信号[5]。Fas/FasL系统在免疫系统中具有重要的作用,其一是参与免疫调节,活化成熟的外周T细胞主要通过Fas/FasL系统介导的细胞凋亡清除与自身抗原有交叉反应的克隆和由自身抗原激活的细胞克隆,以限制T细胞克隆的无限增殖,防止对自身组织的损伤,即产生外周免疫耐受。淋巴细胞凋亡异常导致的免疫耐受失控,是自身免疫性疾病的主要病因。其二是细胞毒T细胞(CTL)可以通过FasL诱导靶细胞凋亡,但遗憾的是,某些肿瘤细胞也可以通过这一途径诱导淋巴细胞凋亡,从而逃脱免疫监控。1.2 线粒体介导的细胞凋亡 细胞应激反应或凋亡信号能引起线粒体细胞色素c释放,作为凋亡诱导因子,细胞色素c能与Apaf-1、Caspase-9前体、ATP/dATP形成凋亡体(apoptosome),然后召集并激活Caspase-3,进而引发caspases级联反应,导致细胞凋亡[6]。目前普遍认为细胞色素是通过线粒体PT孔或Bcl-2家族成员形成的线粒体跨膜通道释放到细胞质中的。线粒体PT孔(permeabilitytransitionpore)主要由位于内膜的腺苷转位因子(Adeninenucleotidetranslocator,ANT)和位于外膜的电压依赖性阴离子通道(Voltagedependentanionchannel,VDAC)等蛋白所组成,PT孔开放会引起线粒体跨膜电位驱散[7]

和细胞色素c、凋亡因子AIF等[8]释放。Bcl-2家族蛋白对于PT孔的开放和关闭起关键的调节作用,促凋亡蛋白Bax等可以通过与ANT或VDAC的结合介导PT孔的开放,而抗凋亡类蛋白如Bcl-2、Bcl-xL等则可通过与Bax竞争性地与ANT结合,或者直接阻止Bax与ANT、VDAC的结合来发挥其抗凋亡效应。Bcl-2家族的结构和能形成离子通道的一些毒素(如大肠杆菌毒素)非常相似。插入膜结构中形成较大的通道[9],允许细胞色素c等蛋白质通过,

这可能是细胞色素c释放的另一个途径。在线虫中ced-3和ced-4的缺失突变抑制所有发育阶段的细胞死亡。在哺乳动物中,尽管Apaf-1基因缺失的小鼠没有caspase活化,但除了神经细胞过多外,大多数器官发育是正常的。近年来的研究发现随细胞色素c释放的蛋白还有Smac(sec２ondmitochondria-derivedactivatorofcaspase)、凋亡诱导因子(apoptosisinducingfactor,AIF)和核酸内切酶G(EndoG)。Smac能通过N端的几个氨基酸与IAPs(凋亡抑制蛋白)的BIR结构域结合,从而解除IAP对Caspase的抑制;AIF(一种依赖于黄素的一种氧化还原酶)则引起核固缩和染色质断裂;EndoG可以使DNA片段化。可见即使在Caspase不参与的情况下,由线粒体途径仍可引起细胞凋亡。在对Fas应答的细胞中,一型细胞(typeI),如胸腺细胞,其Caspase-8有足够的活性,被Fas活化后导致细胞凋亡,在这类细胞中高表达Bcl-2不能抑制Fas诱导的细胞凋亡。在二型细胞(typeII),如肝细胞中,Fas介导的Caspase-8活化不能达到足够的水平,因此这类细胞中的凋亡信号需要借助

・189・中华中西医杂志 ChineseJournalofTraditional&WesternMedicine 2007年第8卷 第11期凋亡的线粒体途径来放大。活化的Caspase-8将胞质中的Bid剪切,形成活性分子tBid(truncatedBid),tBid进入线粒体,导致细胞色素c释放,使凋亡信号放大。2 凋亡相关因子2.1 神经生长因子(nervegrowthfactor,NGF) NGF是典型的神经营养因子,能促进中枢神经元的分化、生长及存活。神经元发生凋亡与NGF有密切关系,剥夺细胞生长所需的NGF能激活CPP32(一种诱导凋亡的蛋白水解酶),通过凋亡机制导致神经元死亡[10]。目前研究认为,NGF通过两种受体蛋白起作用。一种是神经生长因子低亲和力受体(LNGFR)或简称P75[11],另一种是神经生长因子高亲和力受体(HNGFR),它是由原癌基因Trk编码的一种酪氨酸蛋白激酶受体,称TrkA[12]。P75,多数报道认为周围神经系统的感觉神经元、运动神经元及交感神经元在胚胎及生长发育时表达P75,成年期不表达;也有报道认为成年基底前脑胆碱能神经元始终有P75表达。P75的胞外部分与肿瘤坏死因子(TNF)受体、人细胞表面抗原(Fas)、B细胞抗原CD40等凋亡相关受体结构相似,其表达能促进细胞凋亡。于是NGF被认为是有促进周围神经损伤修复的功能,其作用机理可能是NGF与P75结合而阻断P75诱导神经元死亡的活性,从而阻止神经元的死亡,促进损伤神经的修复[13]。TrkA被认为是NGF的功能性受体,传导NGF的信号,促进神经再生。在基因及蛋白水平上,有研究表明,c-myc信号传导系统激活后,如有足够的NGF持续作用,细胞可以生长并增殖;否则发生凋亡。在神经元发育过程中,NGF的存在对Bcl-2功能有促进作用,NGF不存在时Bcl-2就失活,因此推测NGF与Bcl-2相耦联是抑制细胞凋亡的途径之一,但GNF与Bcl-2之间的确切关系还有待研究和证实[14]。此外,有实验证明NGF可减少由于缺少葡萄糖所引起的培养鼠海马隔区或皮质神经元中Ca2+的升高,在培养的交感神经元中维持Ca2+的稳定,并可影响细胞内Na+/K+浓度比,改变兴奋性氨基酸(EAA)受体对EAA的反应性,从而保护神经元免受EAA引起的损伤[15]。NGF还可调节细胞内氧化-抗氧化系统平衡。2.2 肿瘤坏死因子(tumornecrosisfactor,TNF) TNF家族成员有:TNF-α、LT-α、LT-β、FasL、CD40L、CD30L、CD27L、4-1BBL、OX40L、TRAIL、TRANCE、TWEAKE等。TNF家族成员都是II型跨膜蛋白,并且在C端胞膜外区有一段同源序列。多数TNF超家族的成员都有可溶性形式,这些可溶性蛋白都是由成熟膜蛋白被蛋白酶消化而形成的,并都有多聚化的倾向。有些分子的功能形式就是可溶性方式。TNF受体家族成员有:TNFR1、TNFR2、Fas、CD40、NGF-R、CD30、TNF-RP、PV-T2、PV-A53R、4-1BB、OX40、CD27、DR3、CAR1、DR4、DR5、DR6、TRID等。除了个别成员外,TNF受体超家族的成员都属I型跨膜糖蛋白,由4个部分组成:信号肽、富含半胱氨酸的胞外区、跨膜区及胞内区。这些受体中TNFR1、Fas、NGFR、DR3、CAR1、DR4包含有死亡结构域(deathdomain,DD)。当TNF家族成员与细胞膜上的相应受体结合,激活受体,可导致受体胞内的死亡区域(DD)三聚化,从而启动细胞内的Caspase信号转导通路,诱导细胞凋亡。2.3 干扰素IFN IFN-γ可单独诱导细胞凋亡,可增强TNF诱导的细胞凋亡,还可增强Fas介导的凋亡[16]。2.4 白细胞介素-1β转化酶(ICE) 白细胞介素-1β转化酶是新一族细胞凋亡蛋白酶,虽然目前对哺乳动物的细胞凋亡机理尚未完全清楚,但是实验表明ICE族蛋白酶为凋亡机构的主要成分,有人将ICE称为细胞凋亡“刽子手”。转染了ice基因的Rat-1成纤维细胞表达的ICE,能够诱发细胞凋亡[17];CrmA蛋白特异地抑制ICE活性,即使在除去

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细胞凋亡在细胞生物学中的作用机制研究

细胞凋亡在细胞生物学中的作用机制研究

细胞凋亡在细胞生物学中的作用机制研究细胞凋亡是一种细胞死亡的现象，指细胞在受到某种刺激（如DNA损伤、缺氧、病毒感染等）后主动启动一系列程序性死亡，从而消除对组织和机体的不良影响，保证生物体的正常运转。

这种细胞死亡方式与坏死不同，它不会导致细胞内部内容物的溢出并引发炎症反应，因此被称为“和平性的死亡”。

在细胞生物学中，研究细胞凋亡的机制具有极其重要的意义。

通过深入了解细胞凋亡的过程和影响，不仅可以理解细胞失调、组织损伤和疾病发生的机理，还可以为新药物的研发和治疗提供重要的思路和基础。

本文将就细胞凋亡的作用机制做简要介绍。

一、细胞凋亡的启动细胞凋亡的启动是由一些刺激因子引起的，这些因子可分为两类：外源性和内源性因子。

1.1 外源性刺激因子细胞外源性刺激因子包括病毒感染、放射线暴露、细胞因子、化学物质、药物等。

这些刺激因子在细胞内部与受体相结合，触发一系列的信号传导途径，导致各种凋亡相关蛋白（如caspase）的活化，并最终导致细胞死亡。

1.2 内源性刺激因子内源性刺激因子包括DNA异常（如断裂、损伤、缺损等）、蛋白酶体质量控制失调、氧化应激等。

这些因子与外源性刺激因子不同，它们在细胞内部产生，引起细胞内部的信号传导，最终导致细胞凋亡。

二、细胞凋亡的生化机制细胞凋亡最明显的特征是细胞膜上的凋亡信号分子的表现，包括磷脂酰丝氨酸（PS）的外露和caspase的激活，其中的过程非常复杂, 但简单来说，它可以分为以下几个阶段：2.1 初级阶段这个阶段的主要特征是，细胞外部会出现明显的凋亡信号。

例如，磷脂酰丝氨酸（PS）开始外露，刺激周围细胞或巨噬细胞吞噬甚至将其清除；2.2 激活阶段在初始阶段后，细胞内部会有许多蛋白开启清除凋亡的路途，并且会协同激发细胞的后续反应。

其中，关键的是凋亡酶卡斯积（caspase）的激活和分解，这个过程是细胞凋亡的必要条件。

另外，还包括调节Bcl-2家族成员、自噬体积增大受损等等。

细胞凋亡机制及其表现

细胞凋亡机制及其表现

细胞凋亡机制及其表现细胞凋亡机制及其在机体中的表现摘要: 细胞凋亡这一概念最早由Kerr等提出的，认为该种细胞死亡像秋天的树叶凋谢一样，故称谓“Apoptosis”，希腊文即凋亡之意.细胞凋亡是维持神经系统正常发育, 维持其免疫系统正常功能所必需过程。

目前, 对细胞凋亡的研究已经成为生命科学领域研究的热点。

细胞凋亡主要通过受体介导的信号途径诱导细胞凋亡因子或刺激因素通过第二信使系统传递信号，信号传递途径决定了细胞的命运。

本文就细胞凋亡的发生机制、及其在机体中的表现等方面作一综述。

关键词: 细胞凋亡; 机制；表现引言：细胞凋亡在形态学和生化改变方面具有特征性。

(1)形态学改变包括细胞皱缩，染色质浓缩，核裂解成碎片，最终细胞膜及内质网膜将完整细胞器及碎片包裹成多个分散的凋亡小体。

(2)生化改变以往认为内源性核酸内切酶活性增加染色质核小体间DNA断裂是引起凋亡的一个启动因子，但有些具有细胞凋亡特征性改变的却没有染色质核小体间DNA断裂，有的甚至缺乏细胞核，看来仅仅以此酶活性增加作为凋亡的启动因子，不能得到满意的解释。

目前许多学者都着重于对细胞内蛋白酶的研究，认为这些蛋白酶可能在细胞凋亡的启动方面起着关键性作用。

研究依据为：（1）在细胞凋亡早期已发现特异的、可复制的细胞内蛋白的降解(2)某些蛋白酶抑制剂可抑制细胞凋亡的发生（3）部分病毒蛋白质作用类似蛋白酶抑制剂，可以抑制细胞凋亡（4）基因删除实验证明某些蛋白酶在细胞凋亡中起着主要作用正文：1 凋亡因子(TRAIL)对癌细胞凋亡的机制研究凋亡因子TRAIL能诱导肿瘤和转化细胞凋亡而不伤害正常细胞．TRAIL与细胞膜上死亡受体结合，引发受体蛋白构象变化，经胞膜内受体死亡域(death domain，DD)募集接头蛋白FADD，再经过FADD 的死亡效应域与凋亡蛋白解酶原一8／10的DED相互结合，形成DISC ，引起凋亡蛋白解酶(caspase)级联反应，促使癌细胞凋亡．目前，可溶性重组人性化TRAIL(rhTRAIL)和抗DR4／5单克隆抗体已进AIl~,床I／Ⅱ期实验阶段．但绝大部分癌细胞对TRAIL有耐受或引起耐受，耐受机制主要是由于lAP，Bcl一2及eFLIP，家族蛋白的过表达而产生．因此，为了克服TRAIL的耐受，已有多种小分子IAP 和Bcl一2拮抗剂在研发并进行临床实验．至今尚无cFLIP拮抗剂的报导．2钙激活蛋白酶与蛋白酶体抑制剂诱导细胞凋亡的机制探讨蛋白酶体抑制剂诱导PC12细胞凋亡的作用通路，为深入研究泛素一蛋白酶体系统(UPS)功能障碍诱发细胞凋亡发病机制提供新线索。

细胞分裂和细胞凋亡的机制和调控

细胞分裂和细胞凋亡的机制和调控

细胞分裂和细胞凋亡的机制和调控细胞是生命的基本单位，在多细胞生物中，细胞通过分裂和凋亡来保持组织稳态和调节组织生长。

细胞分裂和细胞凋亡是两个相对独立的过程，但又密切相关。

正常细胞分裂可以增加体积和数量，维持组织稳态和修复受损组织；而细胞凋亡则可以清除受损和老化的细胞，防止恶性肿瘤的发生。

细胞分裂的机制和调控细胞分裂是细胞周期中的一个重要阶段，由有序的一系列生物化学反应和细胞骨架的重组完成。

细胞分裂可分为有丝分裂和无丝分裂两种方式，其中有丝分裂是多细胞生物中最为普遍的细胞分裂方式。

有丝分裂的过程可分为四个连续的阶段：前期、中期、后期和末期。

前期包括两个亚阶段——G1期和S期，细胞在这个时候进行DNA复制和有丝纤维形成；中期包括纺锤体形成和纺锤体纤维附着到染色体上；后期和末期则是染色体分离后孪生子核形成和细胞质分裂的过程。

这个过程是高度有序的，依赖于多个蛋白复合物在不同时相的形成和解离，包括蛋白酶、激酶、磷酸酶、酰化酶和天然物质，如细胞骨架蛋白、微管蛋白和筏膜结构蛋白等。

细胞分裂的调控涉及到细胞生命周期的不同阶段，包括G1/S 检查点、G2/M检查点和M期的调控。

G1/S检查点是在S期前，细胞需要通过复杂的信号传导和细胞周期蛋白激酶复合物的调节完成G1和S期间的转换。

如果这个检查点发生异常，则会导致DNA复制不完全和细胞突变。

G2/M检查点是在M期前，细胞通过同样的复杂信号传导和蛋白复合物的调控，确保纺锤体形成正常以及染色体的正确分离。

而M期的调控则主要涉及到细胞骨架和细胞质动力学的变化，从而促进孪生子核的形成和细胞质的分裂。

除了这些细胞内部的机制和调控，外部因素如激素、细胞因子和环境因素也对细胞分裂具有重要影响。

例如，糖皮质激素和成长因子能够促进细胞增殖和分化，而环境因素如营养状况、氧气含量和酸碱度则会改变细胞代谢和生长的速度和方式，从而影响细胞分裂。

细胞凋亡的机制和调控细胞凋亡是一种生物学上正常的过程，通过清除受损和老化的细胞，维持组织稳态和防止恶性肿瘤的发生。

凋亡相关的基因和蛋白

凋亡相关的基因和蛋白

细胞凋亡和细胞增殖都是生命的基本现象，是维持体内细胞数量动态平衡的基本措施。

在胚胎发育阶段通过细胞凋亡清除多余的和已完成使命的细胞，保证了胚胎的正常发育；在成年阶段通过细胞凋亡清除衰老和病变的细胞，保证了机体的健康。

和细胞增殖一样细胞凋亡也是受基因调控的精确过程，在这一节我们就细胞凋亡的分子机理作简要的介绍。

细胞凋亡的途径主要有两条，一条是通过胞外信号激活细胞内的凋亡酶caspase、一条是通过线粒体释放凋亡酶激活因子激活caspase。

这些活化的可将细胞内的重要蛋白降解，引起细胞凋亡。

一、凋亡相关的基因和蛋白细胞凋亡的调控涉及许多基因，包括一些与细胞增殖有关的原癌基因和抑癌基因。

其中研究较多的有ICE、Apaf-1、Bcl-2、Fas/APO-1、c-myc、p53、ATM等。

1．Caspase家族Caspase属于半胱氨酸蛋白酶，相当于线虫中的ced-3，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，使细胞不可逆的走向死亡。

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），方便起见本文称之为凋亡酶；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。

最早发现人类中与线虫ced-3同源的基因[1]是ICE，即：白介素-1 β转换酶（Interleukin-1 β-converting enzyme）基因，因该酶能将白介素前体切割为活性分子，故名。

通过cDNA杂交和查找基因组数据库，在人类细胞中已发现11个ICE同源物[2]，分为2个亚族（subgroup）：ICE亚族和CED-3家族（图15-6），前者参与炎症反应，后者参与细胞凋亡，又分为两类：一类为执行者（executioner或effector），如caspase-3、6、7，它们可直接降解胞内的结构蛋白和功能蛋白，引起凋亡，但不能通过自催化（autocatalytic）或自剪接的方式激活；另一类为启动者（initiator），如caspase-8、9，受到信号后，能通过自剪接而激活，然后引起caspase级联反应，如caspase-8可依次激活caspase-3、6、7。