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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<
/p>
、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/A
PO-1
、
c-myc
、
p53
、
ATM
等。
1
.
Caspas
e
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 protea
se
)
,
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。
< br>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
enzy
me
)基因,因该酶能将白介素前体切割为活性分子,故
名。<
/p>
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]
,<
/p>
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
,
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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
)
p>
或自剪接的方式激活;另一类为启动者(
initiator
)
,如
caspase-8
< br>、
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
p>
。
细胞中还具有
caspase
的抑制因子,称为
IAPs
(
inhibitors of apoptosis proteins
)
,属
于一个庞大的蛋白家族。它们能通过
p>
BIR
结构域(
baculovirus
IAP repeats domain
)
[3]
与
caspase
结合,抑制其活性,如
XIAP
。
图
15-6
:
ICE
家族
成员
A
:
3
类
caspase
:蓝色参与炎症反应
,红色为执行者,绿色为启
动者;
B
:
caspase-3
的结构模型;
C<
/p>
:
caspase-3
的活化过程
引自
Katja C.
Zimmermann
等
2001
<
/p>
2
.
Apaf-1
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Apaf-1
被称为凋亡酶激活因子
-1
(
apoptotic protease activating factor-1
)
,在线虫中
的同源物为
ced-4<
/p>
,在线粒体参与的凋亡途径中具有重要作用,该基因敲除后,小鼠神经细
< br>胞过多,脑畸形发育。
Apaf-1
含有
3
个不同的结构域:①
CARD
(
caspase
recruitment
domain
)结构域,能召集
caspase-9
;②
ced-4
同源结构域,能结合
ATP/dATP
;③
C
端结
构域,
含有色氨酸
/<
/p>
天冬氨酸重复序列,
当细胞色素
c[4]
的结合到这一区域后,
能引起
Apaf
-1
多聚化而激活。
Apaf-1
具有
激活
Caspase-3
的作用,
而这
一过程又需要细胞色素
c
(
Apaf-
2
)
和
caspase-9
(
Apaf-3
)参与。
Apaf-1/
细胞色素
c
复合体与<
/p>
ATP/dATP
结合后,
Apaf-1
就
可以通过其
CARD
结构域召集
caspase-9
,形成凋亡体(
apoptosome
)
,激活
caspase-3
,
启动
caspase
级联反应。
3
.
Bcl-2
家族
Bcl-2[5]
为凋亡抑制基因,是膜的整合蛋白,其功能相
当于线虫中的
ced-9
。现已发现
至
少
19
个同源物,它们在线粒体参与的凋亡途径中起调控作用,
能控制线粒体中细胞色素
c
等凋亡因子的释放。
Bcl-2
家族成员都含有
1-4
个
Bcl-2
同源结构域
(
BH1-4
)
,<
/p>
并且通常有一个羧端跨膜结
构域
(tra
nsmembrane region ,TM)
。其中
BH4
是抗凋亡蛋白所特有的结构域,
BH3
是与促
进凋亡有关的结构域。根据功能和结构可将
Bcl-2<
/p>
基因家族分为两类(图
15-7
)
,一类是抗
凋亡的
(
anti-apoptotic
)
,
如
:
Bcl-2
、
Bcl-xl
、
Bcl-w
、
Mcl
-1
;
一类是促进凋亡的
(
pro-apoptotic
)
,
如:
Bax
、
Bak
、
Bad
、
Bid
p>
、
Bim
,在促凋亡蛋白中还有一类仅含<
/p>
BH3
结构,如
Bid
< br>、
Bad
。
< br>虽然
Bcl-2
蛋白存在于线粒体膜、内质网膜以及外核
膜上,但主要定位于线粒体外膜,
它拮抗促凋亡蛋白的功能。
而
大多数促凋亡蛋白则主要定位于细胞质,
一旦细胞受到凋亡因
子
的诱导,它们可以向线粒体转位,通过寡聚化在线粒体外膜形成跨膜通道
,或者开启线
粒体的
PT
孔
,从而导致线粒体中的凋亡因子释放,激活
caspase
,导
致细胞凋亡。
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胞质中的促凋亡蛋白可通过
不同的方式被激活,包括去磷酸化,如
Bad
;被
caspase
加工为活性分子,如
Bid
;从结合蛋白上释放出来,如
Bim
是与微管蛋
白结合在一起的。
图
15-7
Bcl-2
家族
引自
Katja C.
Zimmermann
等
2001
4
.
Fas
Fas
又称作
APO-1/CD95<
/p>
,属
TNF
受体家族。
< br>Fas
基因编码产物为分子量
45KD
< br>的跨
膜蛋白,分布于胸腺细胞,激活的
T
和
B
淋巴细胞,巨噬细胞,肝、脾、肺、心、脑、肠、
睾丸和卵巢细胞等。
Fas
蛋白与
p>
Fas
配体结合后,会激活
caspase
,导致靶细胞走向凋亡。
5
.
p53
是一种抑癌基因,其生物学功能是在
G
期监视
DNA
的完整性。如有损伤,则抑制细
< br>胞增殖,直到
DNA
修复完成。如果
DNA
不能被修复,则诱导其调亡,研究发现丧失
p53<
/p>
功能的小鼠胸腺细胞对糖皮质激素诱导的调亡反应和正常细胞相同,
而对辐射诱导的调亡不
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敏感。
6
.
myc
在许多人类恶性肿瘤细胞中都发现有
c-myc
的过度表达,它能促进细胞增殖、抑制分
化。
在凋亡细胞中
c-myc
也是高表达,作为转
录调控因子,一方面它能激活那些控制细胞
增殖的基因,另一方面也激活促进细胞凋亡的
基因,给细胞两种选择:
增殖或凋亡。当生长
因子存在,
Bcl-2
基因表达时,促进细胞增殖,反之细胞凋亡。
ATM
(
ataxia
telangiectasia-mutated gene
)
是与
DNA
损伤检验有关的一个重要基因。
最早发现于毛细血管扩张性共济失调症患者,
人类中大约有
1%
的人是
ATM
缺失的杂合子,
p>
表现出对电离辐射敏感和易患癌症。正常细胞经放射处理后,
DNA
损伤会激活修复机制,
如
DNA
不能修复则诱导细胞凋亡。
ATM
是
DNA
损伤检验点的一个重要的蛋白激酶(参见
第十三章第四节)
二、
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
)
、
TNFR1
、
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(
Death domain
,
DD
,图
15-8
)的胞内区。
Fas
的配体
< br>FasL
(
Fas ligand
)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
(
Fasassociat
ed death domain
)的
DD
区结合,而后
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