钙离子在调控细胞凋亡和细胞迁移中的作用综述

钙离子在调控细胞凋亡和细胞迁移中的作

用综述中国农业大学植生071薛永铭0702040118摘要钙离子对生命活动具有重要作用。本文集中讨论钙离子在细胞凋亡与迁移的调控中所扮演的重要角色。亚细胞区室内钙离子分布的微妙变化可以有效地正调控或负调控细胞凋亡，这是钙离子参与四条信号通路来调控细胞凋亡的基础。程和平教授研究组最近发现钙闪烁在细胞定向迁移中的作用，对细胞迁移的研究有重要作用。关键词钙离子信号通路细胞凋亡Caspase（半胱天冬酶）细胞迁移钙闪烁一、钙离子对生命活动具有重要作用。钙离子对多项生命活动具有重要作用。在动物生理的教科书中对其主要生理功能进行了总结：钙离子是凝血因子，参与凝血过程；参与肌肉（包括骨骼肌、平滑肌）收缩过程（内质网内钙库的释放）；参与神经递质合成与释放、激素合成与分泌；是骨骼构成的重要物质。这些重要生理功能已经有了几十年的研究基础，然而近些年的研究却揭示了钙离子在细胞凋亡与迁移的调控中所扮演的重要角色，使人们得以钙离子的生理功能，所以我认为集中笔墨将这两个方面进行介绍也是很有意义的。二、钙离子参与四条主要的凋亡信号通路。长期研究表明，亚细胞区室内钙离子分布的微妙变化可以有效地正调控或负调控细胞凋亡，因此钙离子扮演着细胞生存的捍卫者或是无情的死刑执行者的双重角色。近年来，研究者发现并总结出了引起哺乳动物细胞凋亡的四条信号通路：外部

通路（死亡受体通路）、内部通路（线粒体通路）、依赖Caspase-2的通路、不依赖于Caspase的通路（GrA介导通路）。四条通路图示见图1。Extrinsic(receptor-mediated)Intrinsic(mitochondria-mediated)Caspase-2-dependentCaspase-independent(perforin/GrA-mediated)Deathligandf、、ApoptosomExtrinsic(receptor-mediated)Intrinsic(mitochondria-mediated)Caspase-2-dependentCaspase-independent(perforin/GrA-mediated)Deathligandf、、ApoptosomGMD/NM23-H1——DeathreceptorTypeIIcellsCytochromeGAAD/

NM23-H1DNAfragmentation图1引发哺乳动物细胞凋亡的四条信号通路。（引自StenOrreniusetal.,2003）钙离子与死亡受体通路死亡受体（DR）通路是目前研究最多最清楚的凋亡诱导机制。死亡受体包括Fas、TRAILR2、TRAILR1等，都属于肿瘤坏死因子受体超家族。以Fas为例，Fas触发的凋亡机制是通过升高钙离子浓度来实现的。钙结合蛋白对内质网腔内钙离子变化非常敏感，与Fas结合后使钙离子内流，启动细胞凋亡，激活Caspase-8。在I型细胞中，Caspase-8激活Caspase-3，而Caspase-3是细胞凋亡的直接执行者之一；在II型细胞中，Caspase-8剪切Bid蛋白，而后依赖线粒体通路诱导凋亡。钙离子与线粒体通路线粒体是胞内重要的钙库，内质网与线粒体之间的钙离子交流对细胞命运有深刻地影响。在一些刺激作用下，内质网将其储存的钙离子释放，然后线粒体摄取钙离子，引起钙离子超载，导致线粒体的损伤。线粒体的损伤会导致细胞色素c的释放，引发凋亡体（apoptosome）的形成，apoptosome激活Caspase-9，Caspase-9又激活了细胞凋亡的直接执行者Caspase-3,诱导了细胞凋亡。线粒体通透孔的开放使

得膜电位下降，这是钙离子内流从而启动细胞凋亡的原因。该通路的重要调控子Bcl-2家族成员，就是通过调节钙离子在线粒体与内质网之间的交流，从而起到对线粒体凋亡通路的调控作用。PERSPECTIVESArachidonicacidOxidativestressCeramideacidOxidativestressCeramideCBax-/Bak-+SERCADeathacidOxidativestressCeramideBax-/Bak-+mitoBaxDeath图2钙离子参与细胞凋亡的线粒体与内质网途径的机制。（引自NicolasDemaurexPERSPECTIVESArachidonicacidOxidativestressCeramideacidOxidativestressCeramideCBax-/Bak-+SERCADeathacidOxidativestressCeramideBax-/Bak-+mitoBaxDeath这条通路的发现对比其他3条来说比较晚，它是由丝氨酸蛋白酶GrA介导的。GrA必须依赖钙离子和穿孔素（perforin）才能进入靶细胞的细胞质中，切割内质网膜上的蛋白SET、HMG2和Ape1等，导致了GAAD（一个DNA内切酶）的释放与活化。活化的GAAD转移进入细胞核，引发DNA断裂，诱导凋亡。钙离子与依赖Caspase-2的通路DNA损伤导致Caspase-2的活化。Caspase-2可刺激线粒体细胞色素c的释放和多个效应caspase的活化，而后引发细胞凋亡。这个过程也是需要钙离子参与的。

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stimuliAPOPTOT1CPATHWAYSceramidestaurosporine1P3-generatingStimuli+ceramideReleaseof

caspasecofactors图3钙离子参与细胞凋亡途径的机制小结。(引自RizzutoRetal.,2003)三、钙闪烁是细胞迁移的方向舵。APOPTOT1CPATHWAYSceramidestaurosporine1P3-generatingStimuli+ceramideReleaseof

caspasecofactors细胞迁移(cellmigration)指的是细胞在接收到迁移信号或感受到某些物质的浓度梯度后而产生的移动。过程中细胞不断重复着向前方伸出突足，然后牵拉胞体的循环过程。与鞭毛纤毛运动不同的是，细胞迁移是靠胞体形变进行的定向移动，细胞骨架和其结合蛋白是这一过程的物质基础，另外还有多种物质对之进行精密调节。发育早期，所有细胞都具备迁移能力，进而形成复杂的器官、神经网络乃至生命个体；而成体细胞的迁移活动在机体免疫防卫、创伤修复及器官重塑等过程中发挥重要作用。许多重大疾病过程，如动脉粥样硬化、肿瘤细胞扩散等也与细胞迁移运动的异常密切相关。2008年12月31日北京大学分子医学研究所程和平研究组在Nature上发表论文“Calciumflickerssteercellmigration”，论文报道了钙信号调控细胞迁移运动的新发现和新观点。程和平研究组运用共聚焦显微成像技术，发现处于迁移状态的成纤维细胞头部存在钙含量极高但半衰期很短的微区域，他们形象地将其称为“钙闪烁(Calciumflickers)”现象(见图4)，并证明钙闪烁起着掌控细胞运动的“方向舵”作用。实验条件下，钙闪烁被抑制的细胞可以维持直线运动，但完全丧失了定向和转弯的能力。此前人们发现，迁移细胞内钙信号呈“头部低、尾部高”的梯度，尾部高钙信号与尾部的回缩直接相关，而头部低钙信号如何调节更为复杂的细胞定向及转弯活动，却一直没有合理的解释。本文报道的集中于头部的“钙闪烁”事件为激活细胞定向运动的信号分子提供了动态的局部高钙信号，为上述问题的解决做出了重大贡献。该论文的另一个重要意义在于，提出了“钙闪烁引导细胞定向迁移”的新观点：在外界趋化因子梯度诱导下，钙闪烁发放呈现不对称特性，即趋化因子浓度高的一侧，钙闪烁更为活跃，驱动细胞转向此侧，从而精确地调控细胞的定向迁移。论文作者还探究了钙闪烁产生的分子机制：通过特异性的干扰与膜片钳技术的应用，他们发现钙离子通过伸展激活的离子通道（SACC）的内流引发了钙闪烁；受体蛋白TRPM7感受机械力后激活SACC，导致了力信号向该信号的转换。对此通道蛋白或受体的编码基因进行沉默，可以抑制钙闪烁的产生，进而抑制细胞迁移。这一发现为寻找干预细胞迁移的药理学和生物医学工程学手段提供了新的靶标和思路。值得一提的是，钙闪烁的发现也为“钙火花”家族增添了一名新成员。钙火花代表细胞内最小钙信号单位，正巧也是由程和平等于1993年在心脏肌肉细胞中发现并命名。钙闪烁与钙火花的最大不同之处在于二者分别由不同的通道分子所产生。程和平教授在钙离子作用方面的建树，为人类科学做出了贡献，也为中国争得了荣誉。图4成纤维细胞迁移中的钙闪烁，图中方框里的彩色斑点即为“钙闪烁”，N区域

代表细胞核。(引自Weietal.,2008)四、总结。钙离子对生命活动具有重要作用，我们可以仅从细胞凋亡与迁移两方面来体会这一点。亚细胞区室内钙离子分布的微妙变化可以有效地正调控或负调控细胞凋亡，这是钙离子参与四条信号通路来调控细胞凋亡的基础。程和平教授研究组最近发现钙闪烁在细胞定向迁移中的作用，对细胞迁移的研究有重要作用。可以预见到，还有更多钙离子的作用并未被人们发现，但随着理论与技术手段的进步，总有真理冲破迷雾的那天。参考文献StenOrrenius,BorisZhivotovskyandPierluigiNicotera.REGULATIONOFCELLDEATH:THECALCIUMAPOPTOSISLINK.NatureReviewsMolecularCellBiology,2003,4:552-565.NicolasDemaurexandClarkDistelhorst.Apoptosis--theCalciumConnection.Science2003,300:65-67.RizzutoR,PintonP,FerrariD,etal.Calciumandapoptosis:factsandhypotheses.Oncogene,2003,22:8619-8627.KimBaumann.Calciumflickersatthefront.NatureReviewsMolecularCellBiology,2009,10:ChaoliangWei,XianhuaWang,MinChen,KunfuOuyang,Long-ShengSong&Hepin