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线粒体通透性改变与细胞凋亡

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癌变・畸变・突变 2002年4月第¨卷第2期 CoacinogettesL ̄, IMratogenes ̄and Mutagenesis Vol 14 No 2 Apr.2002 文章编号:1004 616X{2002)02~0127—04 ・综述・ 线粒体通透性改变与细胞凋亡。 李贵昌 综述.吴坤审校 哈尔滨150001) (哈尔滨医科大学公共卫生学院营养与食品卫生学教研室,黑龙江【摘要l细胞凋亡受线粒体的,线粒体通透性改变(MPT)在凋亡中起着关键作用。Bcl一2家族蛋白等许多田子作用于线粒 体,使线粒体膜上的通透性改变孔(PTp)开放,线粒体跨膜电位(△ )降低甚至崩解 线粒体释放出细胞色素c、凋亡诱导因子 (AIF)等凋亡相关圈子.激活c ̄pase缎联反应,导致细胞凋亡。 【关键词】线粒体通透性改变;细胞凋亡;Bcl-2;细胞色索c;凋亡诱导田子 中图舟粪号:Q731 文献标识码:A 细胞凋亡是在基固下进行的细胞主动死亡 △ 的崩解与细胞凋亡关系密切。近年来陆续有报 过程。早期人们一直认为细胞核是凋亡的中心, 道证明 的降低早于核酸酶的激活,也早于磷酯 1994年Newrrtever才第1次发现线粒体在非洲爪蟾 酰丝氨酸暴露于细胞表面。而一旦△ 消失,细胞 卵细胞凋亡中起关键作用。近年研究发现,不同凋亡 就会进入不可逆的拥亡过程,如果能稳定△ 就能 途径都是通过作用于线粒津膜来决定渭亡是否发生, 阻止细胞渭i2 c21。 因此人们对于凋亡的认识已经逐渐由细胞棱为中心 1.2 MPT与PTP复合体 的模式转变为以线粒体为中心的模式…。 目前MPT的机制还不完全清楚,但越来越多证 而线粒体在凋亡中的基本变化是线粒体通透性改变 据显示通透性改变孔复合体(permeability transition (mitochondrial permeability transition,MPT),并由此 pore complex,PTPC)在MPT中起重要作用。PTPC 引起线粒体跨膜电位(△ )降低和促凋亡物质释放 是一种在线粒津内外膜之间连接部位形成的多聚蛋 等一系列变化,最终导致染色质浓集、DNA核小体间 白质复合体结构,主要组成成分之一是腺苷酸移位酶 断裂等典型凋亡表现 J。 1 MPT的机制 (adenine nucleotide trar ̄sloease,ANT)。ANT是位于 内膜上的一种特殊转运载体蛋白,其生理功能是线粒 体内外交换ATP和ADP,但是它也可以形成非特异 1.1 MPT与△ 性通道。PTPC似乎同时控制内外膜通透性和能量 线粒体是细胞氧化供能的动力工厂。由三羧酸 代谢,其中ANT可能在PTPC中起关键作用。琉基 循环产生的能量传递给电子,电子传递过程中释放能 交联剂、氧化剂通过第56半胱氨酸残基的交联使 量.将质子从基质泵入膜间崆,形成△ 。质子在返 ANT形成二聚体,此二聚体形成非特异性通道 J。 回时又将能量传递给ADP和Pi,生成ATP,因此 氧化剂、ANT配体、Bax、ca2 可诱导非特异性通道形 对维持线粒体功能具有重要作用。MPT与 成,Bel一2抑制此作用,但是不能影响巯基交联剂的诱 的稳定有密切关系。MPT是指线粒体内膜非 导凋亡作用l1】。ANT和外膜同样丰富的电压依赖性 特异性大孔道即通透性改变孔(permeability transl— 阴离子通道(vokag ̄dependent anion channel,VDAC) ti。n D。re,PTP)的非特异性开放。PTP由线粒体内 及线粒津基质中可溶性亲环蛋白D(cyclophilin-D. 外膜及基质的多种蛋白质成分组成,PTP周期性开 CyP-13)相互作用.以ANT—vDAc—CyP—D为核 放,以维持线粒体内电化学平衡及稳定状态。当 心L4],同时可能与Bc1—2、Bax、外周苯并二嗪受体 J以 PTp持续开放时则出现△ 降低甚至完全崩解,而 及其他参与能量代谢的酶如己糖激酶和肌酸激酶等 0收穑日期:2001.10-121恪订日期 2001.12-03 作者1晦介:辛贵昌(1969一),男,黑龙江省绥化市人,医师,硬士研究生,研究方向为肿瘤化学预防 维普资讯 http://www.cqvip.com

癌变・畸变・突变 2002年4月第14卷第2期 Carrin ̄enesis,Ters ̄genesis andMutagenems voI14 No 2Ap r-'2002 相互作用,共同构成PTPC。 1.3 MPT的结果 MPT的参与。Finueane等的研究显示Bax诱导的细 胞色素c释放不伴有A',It 的降低、MPT和线粒体肿 PTP有开放与关闭两种构象。PTP开放时可导 胀l9’ 】。Antonsaon认为Bax在线粒体膜上形成相 致多种细胞致死性后果,如呼吸链脱偶联、△ 的消 对分子量96 000和26 000的两种寡聚物,此寡聚物 失、超氧离子产生、基质Ca2 和GSH的外流,同时线 促进凋亡,但其中不含ANT和VDAC,Bc1.2抑制 粒体释放细胞色素 和凋亡诱导因子(apoptosis-in— Bax的寡聚化。因此认为此寡聚物可能是细胞色素c ducing factor,AIF),导致细胞凋亡。当PTP分别与 的通道,它不依赖MPT和A',It 的降低_1 1。Bid是 CyP ̄D和ANT的特异性抑制剂环孢菌素A或米酵 最近研究较多的一种Bcb2家族促凋亡蛋白,仅含有 菌酸结合时PTP被关闭,从而抑制细胞凋亡的发生。 BH3结构域,可以被caspase一8裂解为截短的Bid(t. PTP开放具有自我放大现象,可以在接受死亡信号 Bid)。t Bid转移到线粒体中使细胞色素c释放,激活 以后在同一细胞内形成正反馈,意味着PTP开放一 下游的caspase级联和凋亡。Kim等发现在游离线粒 旦发生就可不再依赖原来的刺激信号,细胞将不可逆 体中加入t-Bid诱导凋亡并不需要MP,r,MPT抑制 地走向死亡_61。 剂也不影响t-Bid促进细胞色素c的释放[ 】。 2.2胞浆中的 2影响MPT的猾亡传导信号 ca2 是一种有效的MPT诱导剂。超过生理剂 现在有越来越多影响MPT的细胞内因子被发 量(》1O pmol/L)Ca 足以引起MPT,在低剂量时它 现,其中最重要的是Bel-2家族相关蛋白,其次细胞 可以促进其他促凋亡因子的效应。增加游离ca2 对 内ca 、活性氧、类脂代谢产物神经酰胺和神经节苷 诱导凋亡十分重要。尽管还不知道(=a 是否直接作 脂、ATP和ADP以及某些ca ase蛋白酶都可能直接 用于线粒体,但已知tM1.2过度表达能提高线粒体对 或间接参与MPT的。 2.1 Bcb2家族 ca2 的耐受力L6 J。Sehild认为细胞色素c是通过线 粒体外膜中游离状态的VDAC释放。在脑细胞中. Bc1.2及其家旗是调节细胞凋亡的主要基因。目 低浓度Ca (4 mo1,L)引起线粒体释放细胞色素c. 前已经发现15个成员,按功能可分为抗凋亡(Bcl-2、 原因可能是低浓度的ca2 使线粒体内外膜连接点 Bcl-XL等)和促凋亡(Bax、Bad、Bid等)两大家族,其 (VDAC ̄ANT)减少,游离VDAC增多的结果。如果 编码的蛋白质作用于线粒体,双向调节细胞凋亡。 胞质中有高浓度c (>100 mol/L)则使PTP开 Bcl一2家族蛋白一般含有4个结构域BHI~BH4,有 放,△ 崩解,线粒体肿胀,使外膜破裂,大量的细胞 些促凋亡成员如Bax、Bad只有BH1~BH3结构域, 色素c释入胞质,使细胞凋亡。如果ATP完全不能 Bid等则只有BH3。Bcl一2的亚细胞定位主要是线粒 产生,细胞就将出现坏死L1 1。此外,胞质中ca2 可 体膜,其C末端是一段疏水序列,可以插入线粒体外 激活ca2 依赖性的内源性核酸内切酶,直接引起染 膜,胞浆部分可与Bcl一2家族成员形成同源或异源二 色质浓集、DNA断裂和细胞凋亡。 聚体。不同的Bcl-2家族蛋白之间相互作用.抑制或 2.3活性氧类 促进细胞凋亡。 活性氧类(reactive oxygen species,ROS)包括超 Bcl一2能够抑制多种因素诱导的MPT和细胞色 氧化物阴离子、组织过氧化物和自由基等。线粒体是 素c的释放,阻止凋亡的发生。其原理有多种假说, ROS产生的主要场所。ROS增多并非总是细胞内损 例如IMI-2抑制线粒体活性氧的产生_7 J、提高线粒体 伤的结果,它也可能是促凋亡的D53基因过度表达或 Ca 容许负荷【 、与Apaf-1和caspas 9结合并固定 是第二信使神经酰胺作用的结果。细胞内氧化还原 于线粒体膜上,阻止caspase级联激活、Bcl—XL与细 电位的改变提高ROS产生,它通过耗竭还原状态 胞色素12直接结合而减少其释放等。Brenner将 GSH或NADPH足可以使PTP开放。NO与超氧阴 ANT与Bax或Bcl-2加入人工脂质双分子层中,通过 离子作用时产生的过氧盐也具有很强的诱导 电生理方法发现Ba】[与ANT相互作用,形成通遭, PTP开放的作用 l。NO和过氧盐通过使ANT 而ANT与Bc1.2结合,抑制Bax通道的形成,从而抑 中的琉基氧化,能够使含有ANT的蛋白脂质体发生 制MPT的发生 J。 128一 通透性改变,并能诱导线粒体MPT和凋亡,环孢菌 141。 近期有不少报道称线粒体释放促凋亡物质不需 素A可以抑制这种作用[一维普资讯 http://www.cqvip.com

癌变‘畸变・突变 2帅2年4月第14卷第2期 Carcinogen ̄is.Teratogen ̄is andMutagene ̄is v。114 N。2 Ap rl_2t1{)2 2 4类脂信使 凋亡成员Bax可以在线粒体外膜上形成特异性通道, 】…。Shimizu发现在缺乏 当细胞受多种凋亡信号刺激时,膜神经鞘磷脂水 介导细胞色素c的外流l解产生磷脂酰胆碱和神经酰胺。神经酰胺可 诱导 VDAC的细胞中,Bax不能诱导线粒体细胞色素c和 MPT,但是它不能使分离的线粒体产生同样变化。 AIF的释放以及△ 的消失,而在ANT缺乏的细胞 原因是它必须在高尔基体中转化为神经节苷脂,再转 中则无此现象 说明Bax和VDAC相互作用促陡细 运至线粒体使PTP开放.其作用机制还有待进一步 胞色素c释放 研究 。 3,2 AIF 2.5其他机制 AIF也是定位于线粒体膜间腔中一仲由核基圈 ADP和ATP是ANT生理底物和PTP的内源 编码的黄素蛋白,相对分子量57 004/,与细菌氧化还 抑制物,它们的耗竭促进PTP的开放。基质的碱性 原酶同源。通常被在线粒体,当受凋亡信号刺激 化和△ 降低也诱使PTP开放。因此抑制或是使 时转运至细胞核,使细胞核染色质浓集和DNA断 呼吸链解偶联使△ 降低时,也能诱导MPT J。在 裂。A[F对胞核的作用不需Apaf一1和caspase等辅 4d)P棱糖基聚台酶或核纤层蛋 Fas/CD95途径中,FaS/∞95与配体结合激活cas— 助囤子,也不通过聚. ,但可以诱发纯化的线粒体释放细胞色 pase-8,caspase一8可以裂解Bid,同样caspase 1裂解 白的裂解-etB XL、caspase.3裂解Bet一2,间接调节MPTl6 J。 3线粒体释放的促凋亡因子 素c和caspase 9。广谱caspase抑制剂(如Z—vAD. fmk)不能抑制AIF的诱凋亡作用[201.Bcl-2抑制 AIF的释放,但不影响已进入胞质中的AIF介导的 F是由线粒体释放的促凋亡困子I J 伴随MPT线粒体会释放膜间腔中的促凋亡因 凋亡。提示AI子,其中最重要的是细胞色素c和AIF。 3 1细胞色素c、caspa,se Susin等用各种诱导凋亡的物质作昭于Apaf- 1一或caspase一细胞,使AIF向细胞核转移,并使 约50 kb),染色质出现第1阶段浓 Zou等研究小组发现并分离出3个凋亡蛋白酶 DNA大尺度断裂(活化固子(apoptosis pmtea ̄一activating factor,Apaf)。 集,而在野生型细胞则出现DNA桉小体间断裂和染 Apaf一1存在于咆质中,氮基端有与较长前体结构域的 色质的第2阶段浓集。如果AIF缺失,则抑制核 F使DNA断裂成大片 caspase如caspase 9的氨基末端相似序列,称为cas— DNA的断裂。囤此推测AIpase活化结合医。通过结构分析确定Apaf 3是CaS— 段,使受caspase激活的酶进一步水解DNA,进而出 2…。 pase-9,而Apaf-2即是细胞色素c。细胞色素c是电 现典型的凋亡表现l子传递链复合体Ⅲ的一个组分,由核基因编码.定位 于线粒体内膜,在呼吸链中起传递电子的作用。当细 4 MPT在凋亡中的作用 胞色素c释放入胞质后与Apaf 1和Caspase 9结合. 以下几点观察说明MPT与细咆嘏亡关系密切; 激活caspa ̄一9,caspa ̄一9再激活caspase 3从而激活 ①MPT通常发生在细胞凋亡或坏死之前:②不断增 caspase级联反应,使细胞谓亡。参与凋亡的caspase- 加的新发现的促凋亡因子都作用在线粒体膜,使其发 9、caspase一2也是从线粒体中释放 。另外,细胞色 生通透陛改变;③抗凋亡的Bcb2成员与线粒体膜蛋 素C释放以后,使线粒体呼吸链受损,抑制了ATP的 白相互作用,通过抑制MPT来抑制凋亡;④抑制 合成,也可以导致凋亡的发生,只是这一过程发生在 MPT的药物如环孢菌素A和米酵菌酸能阻止或延 凋亡晚期。 迟细胞凋亡…:⑤诱发MPT的巷来苷可诱导细咆凋 关于细胞色素c释放的机制,最初认为是由PTP 亡。固此凋亡模式可以分为3个阶段,信号传递级联 直接向细胞外释放。也有人认为是PTP开放后,宙 和损伤通路激活的前线粒体阶段(发动阶段);MP F 于线粒体基质内高浓度的溶质分子造成渗透性肿胀, 阶段(决定/影响囤子阶段);线粒体释放出的凋亡相 内膜因有嵴,其表面积远大于外膜,故内膜仍完整,而 关因子激活蛋白酶和核酶的后线粒体阶段(降解阶 外膜破裂,释放细胞色素c。最近Chiu研究证实,细 段)I¨。 尽管如此,对MPT:i芏凋亡中的作用仍有争议 胞包素c释放早于△ 改变,是一个更早期的凋亡 事件。由于△ 与PTP开放有密切关系,因此对上 晟近Minamikawa等在不同细胞系中用CCCP诱导 述观点提出疑问_1 。另一观点认为Bc1.2家族中促 线粒体出现MPT、△ 消失并伴有肿胀,经72 h仍 一1 29— 维普资讯 http://www.cqvip.com

癌变-畸变突变 如[}2年4月第l4社第2期 CarcinngenesLg-T ̄atogenesis and Mm ̄gencsis Vol 14 No 2 Apt.2002 未出现细胞色素c释放和细胞凋亡l2- ]l。另外, Haleatrap等发现用肿瘤坏死因子诱导鼠纤维肉瘤细 被观察到。由于在体内凋亡细胞会很快被巨噬细胞 所识别和吞噬,因此推测在体内可能不会出现△ 的变化[2 。 re[e ̄'e of c3qochroIIAe c from imlated mltochondria[J】.P rI N'atl Acad Sci USA,1998,95(9):4 997~5 002 11】Ant㈣胞凋亡时,在凋亡变化完全出现之后△ 的降低才 [n B1.k'lonte ̄guit S,Saneh ̄B.“ B is1)… a high molecular weight oligomer/complex in the mitochondrhl membrane of apopva ̄is cells[j J Biol Ch㈨ll 6l5~11 623 21NI1 276f15) [1 2]Kim I'H.Zhao Y,Barber , “Bid.idnced cytnoellrome c re[e0se iv mediated by a b ̄Mlway independent of n】L【。ch【mLIrl per— 5结语 meabi0ty transition pore and B [J] c5O):39 474~39 481 Biol( l Ⅲ,2000.275 线粒体结构和功能的改变是凋亡的关键性环节, 这其中以线粒悼通透性改变最为重要,但是这一过程 [13]及其影响机制尚未完全清楚,很多研究结果相互矛 盾。随着研究的不断深入,人们将最终揭开线粒体参 与细胞凋亡真实面目。 参考文献: [1]LoeIlfor M, 』 Sch ̄d L,Keilhoff G,Augtas ̄ia W。et Distinct Ca thre. sholds determine cytochrome c rele ̄e or pernleabi[ity transition pore opemng in brain nfit ̄hondria:J]FASEBJ,2001,15(2): 565— 567 [14]Vieira HL,gelzacqAS.HcLouzi D, f“ Theedenine…l∞【l nsl xa target nitric oxide,peroxyaitrite,and 4 hyd vnaaenal。]On ̄gene.2001,20(32):4 305--4 316 .G The mltoehondx ̄on m cell death c。n1r : :15]Susin SA,Lorenzo HK,Zamzami , “ MitocBand6al rekas£ certainties andnieognita[J]ExpCellm ,2000.256(1) 19-- of caspases-2 and-9 during The apoptotic proc ̄[J]J Exp 3.1ed, 26 1999 189,381~394 21 z—L N,Su. ̄aSA,M c n P。 E uc M曲cl珏 r ∞n d 【163 Chin SM,O)einlek NL Di ̄cociatin ooj matoebx ̄l1dri4 depolariza— tion from evtochrome c release during apoptosis induced by photo— .nude ̄apoptosis[J].,Exp Med,1996,18314):1 533--1 544 [3]Co. ̄acttini P,Bel ̄eq AS.Vieira HL,et“ Oxidation of a critical thiol Yesidtie of the adenine nueleotide mlnsloc ̄xof e ̄forces Be[-2.in, dynaralc therapy[]]B,‘J C ̄lcer,2001,84(8):1(199--1 1116 [17]Shniuzu S,Shknohaza Y,"l'st ̄imoto Y B and BeI-xL ind…tie— dently regulate apoptotic ch ̄ges。f ven nfitoehor,dria that rr. dependent pem ̄eability transition pore opening and apopt ̄s[J] Oncngene,2000,19(2):307~314 quire VDAC but n。t adenine nudeotide tranNoeator[J]OⅢ¨I_ gene,2000,19(38):4 309~4 318 [4]Crompton M Mitochondrial intermembrnea junetion ̄l complexes andtheir rolein ceil d&nth[J]JPh3 ̄ml,2000,529 Pt1:11~ [18]s n SA,Zamzan ̄i N,L ̄hette N,et“ A cytof[uoronletrir1 21 a 8y of nucle ̄ ̄apopt ̄is induced in a cell-fr ̄sy㈣application [5]Cheili B.Fa0eni A,Salvetti F,“al Periphera[type benzc ̄tia- zepnie ro ̄eptor ligands:mttochondrla]permeability transition indue— to ceraraMeqnduced apoptosis[J]E.rp 397一 403 。R ,1997,236(2) tion in r&t cardiac tissue[J]Biocheln Pharmacol,2001。61(6): 695~705 19]su n SA.Lorenm HK,Zara ̄ami N。 t“ Mole ̄ j…haracteri— zafion of mitochondrbt apoptosis inducing factor[J],N ̄ture。 1999,397(6718):441~446 [6]Cc ̄rantiin P,Jacgtot E,Decaudin D, nz Mitoehondrlon as a novel ̄llrget of amicancer chemotherapy:J]J Natl Cancer rnst, [28]s 2000,92 c13):1 042~1 053 SA,Dangas E.Ravagnan L,ct al I'wo distinct pathways leachngto nuetear apoptosis:J]JExp:' ̄fec1.2001 ̄。19214):571 ~7]Petit PX,Zamzatni N,Vayssiere JL,eL ai.[mp[ication of mito— 579 choadrhin afroptosls[]】Mol CellBi ̄hem.2997,17411~2): [21】 Minami ̄wa r.w JI 285~188 DA,Bowser DN. n2 Mitoelm d i 1 permeabihty tram ̄iifon and swelling∞n occu ̄ ̄versibly witlmut [8]Brenner c,Cadiou H,Viekra HL. “BcJ一2 and Bax regukqte s【。cKtor inducing ee0 deathinintact hunlall ceik ̄ J] Exp('ell& 。1999. 240(1):26~37 the channel ̄rivity o ndtochondria【adenine ttucleotide㈨[J]Oncog ̄e.2000,19(3):329--336 [9】Finucane DM,15o. ̄sy.Wetze[E.Water0o ̄NJ,et 2 Bar,in. vtoc[tollle c release from duced cospase activation and apoptosis via c.[22]Lim ML,Miuanifkawa一1.N删ey P The pmtouophore CCCP in. duces tnt ̄hondriia[permeability tra ̄sition without eytochrome release in huma ̄ost (1).69~74 ㈣1k[J] FEI3S .20U1.503 mitechondria is nihibitable by Be!-X1[J]J Bid Chem,1999,274 .(4】:2 225~2 233 [23]HNestrap AP,Doran E.Gillespie , f u 2 Mitochondria and 0, al Bax direct[y laduees [10]jurgensmeier JM,Xie Z,De celi death[J]Bi ̄-h… f n…,2000.28(2):170~177 

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