细胞凋亡主要途径及其相关蛋白

1、细胞凋亡的主要途径及其相细胞凋亡的主要途径及其相关的主要蛋白关的主要蛋白 细胞凋亡概述 细胞凋亡是指为维持内环境稳定，由基因控制的细胞自主的有序的细胞凋亡是指为维持内环境稳定，由基因控制的细胞自主的有序的死亡。细胞凋亡涉及一系列基因的激活、表达以及调控等的作用，它并死亡。细胞凋亡涉及一系列基因的激活、表达以及调控等的作用，它并不是病理条件下，自体损伤的一种现象，而是为更好地适应生存环境而不是病理条件下，自体损伤的一种现象，而是为更好地适应生存环境而主动争取的一种死亡过程。主动争取的一种死亡过程。 具体表现为：细胞皱缩，出现凋亡小体；死亡的细胞及凋亡小体迅具体表现为：细胞皱缩，出现凋亡小体；死亡

2、的细胞及凋亡小体迅速被巨噬细胞吞噬，无炎性反应；核浓缩，染色质沿核膜凝集，速被巨噬细胞吞噬，无炎性反应；核浓缩，染色质沿核膜凝集，DNA裂裂解为解为180200bp片段，其电泳图象呈梯状。片段，其电泳图象呈梯状。 细胞凋亡是一把双刃剑。一方面是机体发育的正常过程；另一方面细胞凋亡是一把双刃剑。一方面是机体发育的正常过程；另一方面细胞凋亡过速，则会导致慢性退行性病变；相反如果细胞不凋亡就有可细胞凋亡过速，则会导致慢性退行性病变；相反如果细胞不凋亡就有可能导致癌变或对化疗的不敏感。能导致癌变或对化疗的不敏感。细胞凋亡途径概述细胞凋亡受到一系列相关基因严格调控。不同的凋亡信号在细胞中细胞凋亡受到一系

3、列相关基因严格调控。不同的凋亡信号在细胞中引发不同的凋亡信号转导通路。根据凋亡信号的来源可以将细胞凋引发不同的凋亡信号转导通路。根据凋亡信号的来源可以将细胞凋亡信号转导通路分成两条：外源通路亡信号转导通路分成两条：外源通路(死亡受体通路死亡受体通路)和内源通路和内源通路(线线粒体通路粒体通路)。这两条通路最后都汇集于下游的效应。这两条通路最后都汇集于下游的效应Caspase，即凋，即凋亡蛋白酶亡蛋白酶Casapse 的激活。活化的激活。活化Caspase 在细胞中能够切割在细胞中能够切割400 多种底物，如多种底物，如Lamins、信号分子如蛋白激酶、骨架蛋白、信号分子如蛋白激酶、骨架蛋白、D

4、NA修修复酶以及包括调控复酶以及包括调控mRNA剪切、剪切、DNA复制的功能蛋白。这些重要蛋复制的功能蛋白。这些重要蛋白质的降解和核酸酶的激活最终导致细胞凋亡。白质的降解和核酸酶的激活最终导致细胞凋亡。细胞凋亡的过程大致可分为以下几个阶段：细胞凋亡的过程大致可分为以下几个阶段：接受凋亡信号接受凋亡信号凋亡调控分子间的相互作用凋亡调控分子间的相互作用蛋白水解酶的活化（蛋白水解酶的活化（Caspase）进入连续反进入连续反应过程。应过程。细胞凋亡途径死亡受体途径1、内质网途径2、线粒体途径3、 死亡受体途径一些多肽通过激活受体一些多肽通过激活受体(如如Fas，TNFRl，DR3Wsl1)而直接诱导

5、细胞凋亡。这而直接诱导细胞凋亡。这些多肽属于肿瘤坏死因子些多肽属于肿瘤坏死因子(TNF)家族，它们与相应的肿瘤坏死因子受体家族，它们与相应的肿瘤坏死因子受体(TNFR)家家族成员结合，从而在许多的细胞类型中诱导凋亡。其激活途径为：配体与受体结族成员结合，从而在许多的细胞类型中诱导凋亡。其激活途径为：配体与受体结合后，导致受体的三聚体化合后，导致受体的三聚体化(trimerization)。使得受体的胞浆部分与接头蛋白。使得受体的胞浆部分与接头蛋白(adapter protein)Fas相关死亡蛋白相关死亡蛋白(fasassociated protein with death domain，FA

6、DD)和和procaspase8结合，结合，procaspase8本身具有成熟的本身具有成熟的caspase8酶的酶的1-2的活性，聚集后的的活性，聚集后的procaspase8通过自身或相互之间通过自身或相互之间的切割产生成熟的的切割产生成熟的caspase8。caspase8可激活下游的可激活下游的caspases3，后者，后者水解水解ICAD而活化而活化CAD，从而导致细胞凋亡。，从而导致细胞凋亡。caspase8同时也激活同时也激活Bcl2家族家族的促凋亡因子的促凋亡因子Bid(binding interface database)。正常状态下，。正常状态下，Bid以非活性方式以非活性

7、方式存在于胞浆内，当被存在于胞浆内，当被caspase8激活后，形成一种截短的激活后，形成一种截短的Bid(truncated Bid，tBid)，后者转移到线粒体，破坏线粒体膜的稳定性，导致细胞色素，后者转移到线粒体，破坏线粒体膜的稳定性，导致细胞色素C等释放入胞等释放入胞质，激活质，激活caspase9，进一步强化了，进一步强化了caspases级联反应。级联反应。 死亡受体FasFas是一种广泛表达的糖基化的细胞表面分子是一种广泛表达的糖基化的细胞表面分子,含有含有335个氨基酸残基。个氨基酸残基。Fas与其天然配基与其天然配基FasL结合来诱导细胞凋亡。这个过程的发生是因为结合来诱导细

8、胞凋亡。这个过程的发生是因为Fas是一个同源三聚体分子，可诱导是一个同源三聚体分子，可诱导Fas三聚体化，导致三聚体化，导致Fas分子胞质分子胞质区的死亡结构域区的死亡结构域(death domain,DD)与一种具死亡域的与一种具死亡域的Fas相关蛋白相关蛋白FADD(Fas-associat-ed protein with death domain)结合，结合，FADD通过自身的通过自身的DD与与Fas作用，而其死亡结构域作用，而其死亡结构域DED(death effectordomain)则与则与caspase-8或或caspase-10作用，由于作用，由于Fas的寡的寡聚化导致了聚化导

9、致了DISC(death-inducing signaling com-plex)的形成及的形成及caspase-8、10的寡聚化。的寡聚化。Caspase-8、10通过自身剪接作用被激活，通过自身剪接作用被激活，从而又可使从而又可使caspase-3和和caspase-7被激活，接下去被激活，接下去caspase-3又可又可激活激活caspase-6，如此启动，如此启动caspase的级联反应，最终导致细胞凋亡。的级联反应，最终导致细胞凋亡。细胞凋亡途径关系图Caspase家族CAS称凋亡蛋白酶，它是含半胱氨酸的天门冬氨酸特异蛋白酶，是一组对底物称凋亡蛋白酶，它是含半胱氨酸的天门冬氨酸特异蛋

10、白酶，是一组对底物天门冬氨酸部位有特异水解作用、活性中心含半胱氨酸的蛋白酶。目前已发现天门冬氨酸部位有特异水解作用、活性中心含半胱氨酸的蛋白酶。目前已发现该蛋白酶家族共有该蛋白酶家族共有13个个(caspase113)，其中起凋亡启动子作用的有，其中起凋亡启动子作用的有caspase8、9、10，起凋亡效应子作用的有，起凋亡效应子作用的有caspase3、6、7。效应子。效应子caspase能分解细胞能分解细胞蛋白，起凋亡执行器的作用。蛋白，起凋亡执行器的作用。caspases家族在凋亡中起到重要的调控作用，几家族在凋亡中起到重要的调控作用，几乎所有的凋亡都有凋亡酶的参与。现已能确定细胞凋亡的

11、过程实际上是乎所有的凋亡都有凋亡酶的参与。现已能确定细胞凋亡的过程实际上是Caspase不可逆有限水解底物的级联放大反应过程。不可逆有限水解底物的级联放大反应过程。caspases平时以无活性的酶原形式存在，其激活的途经有二条：受体激活途平时以无活性的酶原形式存在，其激活的途经有二条：受体激活途经：即死亡信号经：即死亡信号(如如TNF等等)通过与细胞表面的相应受体结合而激活。线粒体通过与细胞表面的相应受体结合而激活。线粒体激活途径：在死亡信号作用下，线粒体膜受损，释放细胞色素激活途径：在死亡信号作用下，线粒体膜受损，释放细胞色素C进入胞浆与凋进入胞浆与凋亡激活因子、亡激活因子、ATP、casp

12、ase9等形成复合物，最后使等形成复合物，最后使caspase3激活。激活。Caspase的级联反应 Caspase-9处于处于Caspase“瀑布式瀑布式”激活的顶端，激活的顶端，Caspase-9酶原酶原经蛋白酶水解成大小亚单位，在细胞色素经蛋白酶水解成大小亚单位，在细胞色素C、凋亡蛋白酶活化因子、凋亡蛋白酶活化因子-1(Apaf-1)和和dATP的参与下形成有活性的二聚体，直接或间接激活下的参与下形成有活性的二聚体，直接或间接激活下游的游的Caspase效应分子效应分子Caspase-3，6，7，而激活的，而激活的Caspase-3，6，7去分解去分解lamins，PARP(poly A

13、DP-ribose polymeras)等，再激活核等，再激活核酸内切酶，导致酸内切酶，导致DNA片断化。激活的片断化。激活的Caspase-9切割切割Caspase-3酶原，酶原，使使Caspase-3激活，引发激活，引发caspase级联反应，裂解核蛋白、细胞骨架、级联反应，裂解核蛋白、细胞骨架、内质网等，造成凋亡典型的形态学改变，如细胞核染色体固缩和裂解，内质网等，造成凋亡典型的形态学改变，如细胞核染色体固缩和裂解，染色质密度增高，核和胞体分离，形成多个凋亡小体染色质密度增高，核和胞体分离，形成多个凋亡小体。内质网途径内质网是细胞内蛋白质合成的主要场所，同时也是内质网是细胞内蛋白质合成的

14、主要场所，同时也是Ca2+的主要储存的主要储存库。内质网对细胞凋亡的作用表现在两个方面：一是内质网对库。内质网对细胞凋亡的作用表现在两个方面：一是内质网对Ca2+的调控，二是凋亡酶在内质网上的激活。的调控，二是凋亡酶在内质网上的激活。当当Ca2+平衡态受到破坏或在内质网上积累过多的蛋白质时，能够激平衡态受到破坏或在内质网上积累过多的蛋白质时，能够激活凋亡酶引起细胞凋亡。活凋亡酶引起细胞凋亡。研究发现研究发现caspase家族中的家族中的caspase-12定位于内质网。当内质网钙定位于内质网。当内质网钙离子动态平衡破坏或过多蛋白积聚时内质网可激活离子动态平衡破坏或过多蛋白积聚时内质网可激活ca

15、spase-12，活，活化的化的caspase-12可进一步剪切可进一步剪切caspase-3而参与内质网途径引起的细而参与内质网途径引起的细胞凋亡胞凋亡,但在线粒体信号途径和死亡受体途径中都没发现有但在线粒体信号途径和死亡受体途径中都没发现有caspase-12的激活和参与。这些都表明内质网途径在凋亡中有独特的作用。的激活和参与。这些都表明内质网途径在凋亡中有独特的作用。线粒体途径线粒体是细胞生命活动控制中心，它不仅是细胞呼吸链和氧化磷酸化线粒体是细胞生命活动控制中心，它不仅是细胞呼吸链和氧化磷酸化的中心，而且是细胞凋亡调控中心的中心，而且是细胞凋亡调控中心。研究表明细胞色素研究表明细胞色素

16、C从线粒体释放是细胞凋亡的关键步骤。释放到细从线粒体释放是细胞凋亡的关键步骤。释放到细胞质中的细胞色素胞质中的细胞色素C在在dATP存在的条件下能与凋亡蛋白酶活化因存在的条件下能与凋亡蛋白酶活化因 子子1(Apaf一一1)结合，使其形成多聚体，并促使半胱天冬蛋白酶与其结结合，使其形成多聚体，并促使半胱天冬蛋白酶与其结合形成凋亡小合形成凋亡小体体。细胞色素细胞色素C是线粒体呼吸链的重要组成部分。细胞色素是线粒体呼吸链的重要组成部分。细胞色素C缺乏时，电缺乏时，电子传递链被阻断，将导致两方面的后果：子传递链被阻断，将导致两方面的后果：ATP合成减少及不完全氧化合成减少及不完全氧化造成的超氧阴离子造

17、成的超氧阴离子(ROS)过度生成，而过度生成，而ROS是诱导凋亡的重要因素是诱导凋亡的重要因素。在凋亡因子的刺激下，线粒体释放出不同促凋亡因子如细胞色素在凋亡因子的刺激下，线粒体释放出不同促凋亡因子如细胞色素C、Smac（线粒体促凋亡蛋白）等，激活细胞内凋亡蛋白酶（线粒体促凋亡蛋白）等，激活细胞内凋亡蛋白酶Caspase。我们发现，活化后的我们发现，活化后的Caspase 可以反过来作用于线粒体，引发更大可以反过来作用于线粒体，引发更大量线粒体细胞色素量线粒体细胞色素C 的释放，构成细胞色素的释放，构成细胞色素C 释放的正反馈调节机制，释放的正反馈调节机制，从而导致电子传递链的中断、膜电势的丧

18、失、胞内从而导致电子传递链的中断、膜电势的丧失、胞内ROS 的升高以及的升高以及线粒体产生线粒体产生ATP 功能的完全丧失。功能的完全丧失。线粒体途径 一些凋亡刺激因素如射线、化疗药物等，经过一些目前尚未充分了解一些凋亡刺激因素如射线、化疗药物等，经过一些目前尚未充分了解的途径，促使线粒体释放凋亡启动因子的途径，促使线粒体释放凋亡启动因子(CytoC、AIF、Apaf1)、Smac和和pro-caspase3入胞质。上述因子通过下述多种机制导致细胞凋入胞质。上述因子通过下述多种机制导致细胞凋亡：亡：CytoC在在dATP存在的情况下，与存在的情况下，与Apaf1结合，使结合，使Apaf1暴露暴露其上的其上的CARD结构域结构域(caspase activation and recruitment domain)，并，并与与procaspase9的的CARD结合形成凋亡复合体结合形成凋亡复合体(apoptosome)，导致，导致procaspase9激活