镉诱导细胞凋亡的研究进展

1、镉诱导细胞凋亡的研究进展扬州环境资源职业技术学院保学系 叶记林 李藏英 赵廷鉴摘要本文简述了镉引起细胞凋亡的研究概况，并分析了镉引起细胞凋亡的儿种可能的分子机制。认 为主要与细胞内钙超载、原癌基因的衣达、氧化应激、mapks引起的级联反应、金属硫蛋白的生成及线粒 体损伤等冇关。一般认为镉是通过多途径引起细胞凋亡的，且对于不同类型的细胞，引起凋亡的机制及具 体过程不完金一致。关键词镉细胞凋广分子机制镉(cadmium, cd)是重要的工业和环境污染物，主耍來源于冶炼厂、电镀、 蓄电池、采矿等工业屮。它作为一种具有潜在毒性的重金属，存在形式有硝酸镉、 硫化镉、氯化镉、乙酸镉、半胱胺酸镉络合物、硫酸

2、镉和碳酸镉等。硝酸镉和氯 化镉易溶于水，故对动物和人体的毒性较高。由于镉在体内的生物半衰期长达 1035年，为已知的最易在体内蓄积的毒物【2,被美国毒理管理委员会(atsdr) 列为第六位危及人体健康的化学污染物。大量的研究表明，镉作为机体生长发育 非必需元素，很少的量进入机体即可通过生物放大和生物积累，对肾、睾丸、肺、 肝、脑、骨等多种器官和组织造成损伤。镉还具有致畸、致突变、致癌作用，其 已被国际癌症研究机构(international agency for research on cancer, iarc)归类 为第一类致癌物。随着现代工业的迅猛发展，镉污染的问题已日益严重化，是环 境和

3、食物链中最常见且不易消除的重金属污染物。因此镉显然存在着对人类潜在 的危害。虽然镉的毒性及毒理学研究已经取得一定的成绩，但迄今为止，对慢性 镉中毒诡无有效的疗法。主要是因为有关镉对人类机体的损伤机制仍未得到阐 明。冇关镉致人类机体损伤的机理，自体内、体外实验研究发现，致细胞凋亡是 镉分了毒性的一个重要原因，镉致细胞凋亡的研究成为镉分了毒理学研究的一个 热点。一、镉引起细胞凋亡的研究概况1. 在体研究对镉引起的在体细胞凋亡的研究主要集中在对肝、肾、睾丸、以及前列腺 组织中。人量的研究工作表明镉能诱导多种组织的细胞凋亡。habeebu等给成年雄性小鼠注射cdcl2 (30 pmol/l)分别在1.

4、5、3、6、9、 14、24、48 h取肝脏进行观察,1.5 h可见肝细胞肿胀,3 h观察到凋亡的出现, 914h凋亡出现高峰，呈现出显著的时间效应关系，此后坏死细胞增多，凋亡细 胞数量开始下降。同时,他还注射了不同浓度的cdc12(5、10、20、30、40、60 pmol/l), 9h后取肝脏进行研究，结果显示镉浓度为20 pmol/l吋凋亡细胞开始 增加，并呈现剂量效应关系。shibutani等发现经口喂饲大鼠含cdcl2 200mg/kg 的饲料4个川后，肾小管上皮细胞出现明显的凋亡和变性，并与肾内镉的水平呈 高度相关性。liu等对mt-null鼠和正常鼠经口慢性染镉，发现mt-nul

5、l鼠较正 常鼠更易发生肾细胞凋亡。hamada等给小猎兔犬长期喂饲含镉饲料8年以上， 发现肾小管上皮细胞出现凋亡。同样，tanimoto等给大鼠皮下注射cdcl28周， 每天0.6mg/kg, 4周后就可见肾小管上皮细胞凋亡，并随着实验时间的延长凋亡 细胞呈增多趋势，而且在凋亡细胞屮含有大量的镉。yan等给雄性wistar大鼠皮 下注射().()3mmol/kg的镉48h后，观察大鼠泌尿生殖器官，发现肾脏、睾丸、前 列腺组织细胞凋亡。xu等对大鼠注射2.5、5、10pmol/kg cdcl2,在48、72 h后 取睾丸和前列腺组织研究发现5、lopmol/kg两剂量组，睾丸组织中出现凋亡细 胞

6、。72 h、10pmol/kg的两组织中，dna片段数量增加显著。2. 离体研究随着近年来分子生物学和细胞生物学的发展而不断深入，开始了镉引起离 体细胞凋亡的机理的研究，尤其对镉诱导细胞凋亡过程屮的信号转导以及在此过 程中涉及到的多种蛋口酶进行了广泛的研究，目前研究的比较多的蛋口酶有： caspases家族、bcl-2家族、mapk蛋白激酶家族、钙离子依赖性的蛋片酶等。 还有许多研究表明镉引起细胞凋亡过程中出现了胞内钙离了浓度的升高、线粒体 膜电位的下降、活性氧屮间体的产生、线粒体凋亡蛋白的释放等多种生物学现象。li等对u937细胞进行不同浓度的镉处理，发现镉引起细胞凋亡呈现时间 效应关系和剂

7、量效应关系。在凋亡的过程中伴随有胞内钙离子浓度的升高和由 此引起的钙依赖性蛋白酶calpain的激活，线粒体膜电位的下降，caspase蛋白 酶的激活。galan等用不同浓度的镉对人类幼单核细胞进行处理，检测到早期的 p38磷酸化，并检测到在此细胞凋亡过程屮涉及到过氧化物、caspase蛋白酶、 热休克蛋白、线粒体膜电位的下降等多种因素的作用。chuang等用镉处理cl3 细胞，发现镉能诱导磷酸化的jnk、p38、erk的表达量的变化，并用p38和 erk的抑制剂证明了这两种mapk在细胞凋亡中的不同作用。然后进一步证明 了处于jnk、p38下游的c-jun-mrna的增加，以及处于jnk、p

8、38上游的mkk4 和mkk7的作用。chrestensen等对jurkat细胞施加不同浓度的镉离子，发现了 在jurkat细胞凋亡过程中谷胱廿肽、硫氧还蛋门、筑醇转移酶、金属硫蛋口的不 同作用，揭示了镉引起细胞凋亡的过程中涉及了细胞内的氧化应激反应。wang 等对大鼠肾小球系膜细胞施加镉，观察到镉能引起细胞内原癌基因cfos mrna 表达量的增加，并发现c-fos mrna表达量的变化屮涉及到钙调蛋白激酶ii的激 活。ishido等发现10pmol/l的镉能诱导llc-pk(l)细胞的凋亡，将质粒转入外 源性的bcl2基i大i后发现，镉引起的凋亡被很大程度的抑制了。lemarie等对人 肝

9、癌hep3b细胞施加镉，观察到镉能引起细胞内线粒体凋亡蛋白核酸内切酶g 和凋亡诱导因了 aif的释放，导致非caspases依赖的细胞凋亡。二、镉引起凋广的可能机制目前对镉引起凋亡的机制观点很多，但主要冇以下几种。1. 细胞内钙超载凋亡细胞屮染色质浓缩、dna的断裂与内源性核酸内切酶的活性有关。有 活性的核酸内切酶能将细胞核的dna在核间小体处断裂成200碱基大小的核甘 酸片断。核酸内切酶的活性对钙冇依赖，钙离子能激活核酸内切酶。研究显示, 胞液内钙离了水平持续增高，则dna片断增多，引起细胞的死亡。目丽认为， 镉一方面能通过钙通道进入细胞内，替代钙发出信号，发挥c/+的作用，激活 胞液的核酸

10、内切酶，因为有研究表明鈣的受体也是镉的靶位点。而另一方面进入 细胞内的镉，能引起细胞内钙的增加，这可能是两价镉离子可刺激细胞内钙的移 动，从而诱导或激活已经存在的核酸内切酶。研究显示，加入锌(c/+依赖的 核酸内切酶的阻断剂)或钙/钾通道阻断剂维拉帕米(verapamil)都可以抑制镉 诱导的细胞凋亡，表明镉引起细胞内钙的增加可能是细胞凋亡的原因之一。2. 诱导原癌基因表达增强一些原癌基因如cjun、c-fos> c-mycn> egrl等及抑癌基因p53,在镉引起 细胞凋亡中起着重要作用。从研究报道可发现，镉诱导cmyc、c-fosc-jun> egr-1 表达的增强，可能

11、是由于其对信号传导通路的多环节发生作用，如作用于受体、 离了通道、第二信使水平、转录水平等而引起原癌基因表达增强，原癌基因表达 增强在细胞凋亡过程屮产生多种作用。evan等证明c-myc基因是大鼠成纤维细 胞发生凋亡的必要条件，认为c-myc基因是凋亡的关键基因。matsuoka等证实 镉能激活肾上皮llc-pk1细胞c-myc基因的转录，认为c-myc基i大i是镉诱导凋 亡必需的成分。然而ishido等研究显示镉诱导凋亡不受c-myc基因表达的调节。 clarke等研究认为镉引起细胞凋亡是通过p53依赖性或非p53依赖性的两种途 径。研究表明，p53的作用是通过编码一种潜在的转录活化因子，使

12、细胞终止增 殖而代z启动细胞进入分化状态，触发细胞凋亡而发展至死亡。p53基因是通过 引入凋亡机制而对肿瘤生长起抑制作用。3. 氧化应激前已述及，镉能引起细胞的氧化应激。氧化应激也是诱导细胞凋亡的重耍因 素。实验表明，活性氧中间产物介导的dna损伤导致了聚adp核糖转移酶的 活化，聚adp核糖转移酶的活化导致了细胞内nad/nadh的快速耗竭，atp 储存消耗，造成细胞死亡。氧化应激可以导致细胞膜脂质过氧化，形成的活性氧 中间产物很容易与细胞膜上的各种不饱和脂肪酸及胆固醇反应，这种发生在细胞 膜上的氧化损伤可能导致凋亡，特别是花生四烯酸的氧化衍生物过氧疑基二 十四碳四烯酸，是很强的细胞凋亡诱导

13、剂。脂质过氧化还可以引起细胞内钙的 显着增加，c右的增加激活了细胞凋亡的信号传导途径。4. mapks引起的级联反应丝裂素活化蛋门激酶(mitogenactivated protein kinases, mapks)是一族在 脊椎动物体内广泛存在的蛋白质/苏氨酸激酶，存在于胞浆。mapks家族包括细 胞外信号调节蛋白激酶(extracellular signal_regulated protein kinase, erk)、应 激活化蛋白激酶(stress_activated protein kinase, sapks)和蛋白激酶 p38 等。 stinson等在研究镉引起llc-pk1细胞凋

14、亡时发现，蛋口激酶p38与llc-pk1 细胞凋亡有关。wang等在研究镉引起肾小球细胞凋亡，同时诱发原癌基« c-fos 高表达吋发现，镉能诱导erk持续激活，且与c-fos的诱导有关，一种特姝的 mapks的抑制剂pd98059,可部分抑制cd"诱导的c-fos的高表达，提示cd2+ 诱导c-fos的高表达部分是由于mapks活力的持续升高。ding等对大鼠疔小球 细胞用1() u mol/l氯化镉染毒8h,可引起c-fosmrna增加和erk活性持续性升 高，sapk的活性也增加。而在相同条件下，其它金属离子（mg2 mn2 co%、 ni2 cu2 zn*与hg2+

15、）却没有相同的效应，说明镉对肾小球细胞cfos基因的 高表达是一种独特的诱导剂。kang等与watters等发现细胞凋亡时，sapk的活 性增高与c-jun表达同时增加，提示sapk可能在细胞凋亡的信号转导过程中起 作用。c-fos与cjun基因乂与细胞凋亡右关，可见镉诱导肾细胞凋亡，可能与 mapks的活化而引起的级联反应有关。5. 诱导金属硫蛋白的生成镉是肝脏、肾脏金属硫蛋白（mt）的诱导剂。诱导合成的mt可以螯合一 定量的镉形成cd-mt复合物以降低细胞内镉的浓度，从而减轻镉对生物体的损 伤。hnniada等发现mt能诱导人类肾脏293细胞的凋亡并有剂量反应的关系。 而且活体研究屮也证明

16、，镉金属硫蛋白（cdmt）复合物能引起dna链的断裂。 作者认为cd-mt能激活核酸内切酶，从而导致dna的断裂。因而mt对镉引 起细胞凋亡起着重要的作用。6. 线粒体损伤线粒体对维持细胞能量代谢和正常功能活动起重要作用。目前对细胞凋亡的 研究已证明，在脊椎动物细胞的凋亡过程中，线粒体是细胞凋亡的调控中心。线 粒体内包含一些与细胞凋匸有密切关系的物质，如细胞色索c （cytc）、凋亡诱 导因子（aif）、核酸内切酶g、ca2+和活性氧tl由基（ros）等。在凋亡信号 的刺激下，线粒体膜通透性増加，由此产生一系列关键性变化，包括线粒体凋亡 蛋白（如cytc、aif和核酸内切酶g等）的释放、线粒体

17、跨膜电位的下降、 细胞内氧化还原状的改变、bel基因家族成员的介入等。不同信号的传导最终集 屮到线粒体上激活或抑制这些事件的发生，再经相应的信号传导通路调控凋广。口前对镉诱导的细胞凋亡机制研究表明，线粒体在镉诱导细胞凋亡的发生、 发展和信号转导中发挥着重要作用。cai等在镉诱导的细胞凋亡中发现，镉首先 造成线粒体跨膜屯位下降，再通过渗透性交换孔释放cyt c, cyt c通过激活 caspase-9启动细胞凋亡。而lemarie等对人肝癌hep3b细胞施加镉，观察到镉 能引起细胞内线粒体凋亡蛋白核酸内切酶g和aif的释放，导致菲caspases依 赖的细胞凋亡。kim等则通过bcl2基因转染试

18、验，证明了线粒体参与了镉诱导 的ratl纤维母细胞凋亡，而且证明这个凋亡过程能够被bcl-2所抑制。我们笔 者近期研究发现镉能够导致hek293细胞bcl-2表达水平和线粒体膜电位水 平降低，使线粒体通透性发生转变，导致cytc和aif释放加剧，从而分别引 发的非caspases与caspases凋亡途径在镉引发的细胞凋亡过程中起重要作用， 而caspase-3、bcl-2起着重要的调控作用。总z,有关镉引起细胞凋亡机制的观点很多，但至今尚未完全弄清楚。从以 上研究來看，有一点是肯定的：镉是通过多途径引起细胞的凋亡，而且在不同的 组织中，引起凋亡的机制及其具体过程，不完全一致。对于镉在机体内诱

19、导细胞 凋亡在其分了毒理学中的作用，还有待进一步研究。advances on research of apoptosis induced by cadmiumji-lin ye, zang-yin li, ting-jian zhaoyangzhou vocational college of environment and resourcesabstract: this paper gives a brief introduction regarding the advances on research of apoptosis induced by cadmium, and discuss

20、es the possible molecular mechanisms in cadmium induced apoptosis. we propose that it mainly associate with the elevation of intracellular free ca2+ concentration, the expression of oncogene, the oxidative stress, the mapks cascade, the production of metallothionein and the disruption of mitochondria 1( is conceivable that cd may in