线粒体和细胞凋亡

一前言无论从原始的生物线虫到高级的哺乳动物乃至人类，还是从生物体外周器官到中枢神经系统，细胞凋亡都广泛存在。它作为生命的基本现象之一，可以发生在生理或病理条件下［1］。最初人们仅从形态学表现的特征上加以认识，如胞膜对称性丧失、染色质凝集、细胞皱缩、DNA破碎、线粒体肿胀和凋亡小体形成。随着科学的发展，人们开始发现线粒体在细胞凋亡中的起着重要的作用。随着对细胞凋亡研究的深入，人们对线粒体与体细胞凋亡的关系有了新的认识。二本论2.1细胞凋亡的概念细胞凋亡是细胞程序性死亡(programmedcelldeath,PCD)是一种细胞自身有基因控制的主动性死亡过程，其形态特征为核染色体固缩、DNA片段化、胞质浓缩、胞膜皱缩并形成凋亡小体，生化上表现为DNA梯形条带。而最新研究表明人类许多疾病都与其相关，如爱滋病、神经变性性疾病、骨髓发育不全综合征、酒精中毒性肝病、缺血性损伤，尤其宫内窘迫所致胎儿缺血缺氧性脑损伤。神经细胞的凋亡，更是目前关的焦点，凋亡程度与胎儿乃至新生儿的脑发育、智力发育密切相关［2］。而科学家们发现，用漠化乙锭除去线粒体DNA(mtDNA)诱导一株人成纤维细胞凋亡，表明线粒体在细胞凋亡中起作用［3］。现在认为，细胞凋亡有胞核和胞质两条途径，随着对细胞凋亡研究的深入，人们对线粒与体细胞凋亡的关系有了新的认识。2.2细胞凋亡与细胞坏死区别细胞凋亡是细胞受基因调控的一种自然死亡过程，同细胞生长分化一样是生命活动中重要的细胞学事件。细胞凋亡与坏死不同，是一种细胞遵循自身程序结束其生命的主动的细胞学过程，对机体清除衰老或受损细胞具有重要意义［4］。细胞凋亡与坏死在形态特征上有明显的区别，凋亡细胞表现为染色质固缩，常聚集于核周边，呈境界分明的颗粒块状或新月形小体；细胞浆浓缩，密度增高；细胞核裂解为碎片，而线粒体形态结构保持完整(凋亡细胞细胞膜和线粒体的动态变化)。坏死是一种由多种刺激所引起的非特异性细胞死亡。如补体作用、严重缺氧、高温、某些病毒感染及多种化学毒物损伤都可造成细胞坏死。坏死时，细胞膜、核膜常破损，线粒体肿胀，染色质呈絮状凝集［5］。根据细胞凋亡和坏死的形态特点，一般认为在细胞坏死早期就会出现细胞膜通透性及线粒体跨膜电位的改变，而在细胞凋亡时这些改变的发生则要晚［6］。2.3线粒体介导的细胞凋亡尽管细胞凋亡的特征性结构改变主要在细胞核，但目前已明确线粒体是程序化死亡信号转导途径中起关键调节作用的细胞器。在细胞凋亡的早期，线粒体会发生两个主要变化：一方面，线粒体外膜对蛋白质的通透性增高，以便可溶性的膜间蛋白从线粒体释放出来：另一方面，线粒体内膜的跨膜潜能降低［7］。当线粒体膜内外的电势差减少时，线粒体膜电位降低，可引起线粒体膜内外一系列的生化改变，如释放具有调控能量代谢和细胞凋亡双重功能的caspase活化物细胞色素C，线粒体膜通透性改变、Bcl-2家族及caspase活化等，引起细胞凋亡的级联反应，最终导致细胞凋亡［8］。同时研究也表明，Bc1-2家族蛋白在细胞凋亡过程中起着“主开关”作用，而Bcl-2家族蛋白的主要作用位点就在线粒体膜上，它们与其他凋亡蛋白协同作用，破坏或改变线粒体在结构和功能上的稳定性。Bcl-2通过稳定线粒体内外膜与离子通道或与凋亡蛋白酶激活因子1（Apaf-1）结合而抑制凋亡：Bcl-xL通过形成离子通道，抑制细胞色素C的释放和与VDAC直接结合而阻抑细胞凋亡，Bax与Bak通过与VDAC结合而促进PT孔（通透性转换孔）开放，诱导凋亡。另外，凋亡发生时，线粒体呼吸链受损，使细胞三磷酸腺苷生成减少，加速了细胞凋亡的进程。线粒体作为细胞活性氧如氧反应产物的主要来源之一，凋亡刺激使线粒体产生的氧反应产物增多，也促进了细胞凋亡［9］。2.4线粒体影响细胞凋亡的途径2.4.1线粒体通透性转换孔(MPTP)与细胞凋亡MPTP是由电位依赖性阴离子通道(voltagedependentanionchannel,VDAC)，即孔蛋白(porin)、腺苷酸移位酶(adeninenucleotidetranslocase,ANT)及亲环素D(Cyp-D)复合物在内外膜交接处构成的一种复合结构。线粒体中产生的活性氧种类(ROS),在氧化胁迫下形成过氧化物，产生过氧化氢，羟基自由基等，线粒体对氧的大量消耗，使细胞内氧浓度降低，最大限度地氧化了单电子o2还原剂一一辅酶O，导致线粒体膜结构变化、线粒体膨胀，相邻线粒体在外膜MPTP处相互融合而形成巨型线粒体(megamitochondri)。若线粒体内自由基持续增多，就会使MPTP打开，耗氧量减少，ATP合成降低，释放Ca2+、细胞色素C、AIF、caspase以及膜间隙中的其它凋亡因子，启动凋亡[10,11]。2.4.2线粒体跨膜电位变化与细胞凋亡目前研究表明，线粒体通透性转换孔位于线粒体内外膜间，是一种由蛋白质组成的复合体，此复合体由胞质的己糖激酶、外膜的外周型苯二氮卓受体(peripheralbenzodiazepinereceptor，PBR)、VDAC、外室的肌酸激酶、内膜的腺苷酸转运蛋白(adeninenucleotidetranslocator，ANT)及基质的亲环蛋白D(cydophilinD)组成。当ANT的构象处于c态时，MPTP开放，而处于m态时，MPTP关闭。影响ANT构象改变的因素为：苍术苷与二酰胺使ANT构象处于c态；ANT的配体与含巯基的多肽使ANT构象处于m态。BA及作用于线粒体基质中疏基的CMXRos(chloromethyX-Rosa-mine，一种荧光染料)都可以抑制线粒体的跨膜电位的消失及后续的DNA片段化°PBR的配体如外周型苯二氮卓受体拮抗剂PK11195、氧反应产物、一氧化氮等可以调节PT孔开放的物质就可以调节坏死。CyclosporinA和N-甲基-缬氨酸-cy-closporinA可以通过对PT的调节抑制凋亡前期的线粒体的跨膜电位的消失。生理情况下，MPTP周期性开放，使外室里的质子或正离子进入内室，从而防止外室正离子过度蓄积。细胞凋亡时，MPTP开放，并且促进MPTP开放的物质可诱导细胞凋亡，而抑制MPTP开放的物质可阻抑细胞凋亡［12］。当MPTP开放时，允许相对分子质量<1500x103的分子通过，从而导致内膜两侧离子梯度消失，八中崩溃，m呼吸链与氧化磷酸化失耦联，ATP合成停止，线粒体基质Ca2+外流，还原性谷胱甘肽和NAD(P)H2减少，超氧阴离子增加，凋亡诱导因子(apoptosisinducingfactor，AIF)释放等，导致细胞凋亡；而且，线粒体膜内相对高渗，MPTP开放后导致线粒体基质膨胀，外膜皱劈少，表面积小，易于破裂，释放出膜间促凋亡蛋白，最终引起细胞凋亡［9］。2.4.3线粒体细胞色素C与细胞凋亡大部分凋亡细胞中的细胞器并不溶解，但可以检测到一些成分的外漏，其中重要的是细胞色素C。在人的急性白血病细胞中，细胞色素C释放到胞质可以导致细胞凋亡。用一些凋亡原对细胞进行处理，可以观察到细胞色素C从线粒体中漏出，在Bcl-2过表达的细胞中细胞色素C仍存在于线粒体中。Bcl蛋白家族成员Bax、Bad、Bim和tBid通过线粒体膜通透性增加，导致细胞色素C释放。Bax对凋亡的刺激作用是确定的，而Bcl-2、Bcl-xl则可以使细胞色素C不能通过外膜；可能是通过堵塞MPTP或Bax产生的孔道起作用［11］。三结束语在很早以前人们就开始了对细胞凋亡的研究，从细胞的表面形态变化开始，伴随科技的发展，人们已深入分子水平进行研究。随着人们对细胞凋亡机制越来越深入的研究，线粒体在凋亡中的重要性得到更多的认识［13］。其具体机制会更加清楚，在治疗细胞凋亡引起的疾病中可望取得重大进展，并能为人类克服细胞衰老提供依据［14］。参考文献:徐开屏，孙凤艳.线粒体释放的促凋亡蛋白和细胞凋亡[J].中国神经科学杂志,2002,18(4):732〜735.卢敏,张华漆，洪波.内质网和线粒体在细胞凋亡中的联合作用[J].中华妇幼临床医学杂志,2006,2(3):166〜168.JacobsonMD,BumeJF,KingMP,etal.Bcl-2blocksapoptosiscellslackingmitochondrialDNA.Nature,1993,361:365.ArendsMJ,MorrisRG,WyllieAH.Apolipoptosis:theroleoftheendnuclease.AmJPathol,1990,136:593〜608.DiveC,GregoryCD,PhilippsDG,etal.Analysisanddiscriminationofnecrosisandapoptosis(programmedcelldeath)bymultiparameterflowcytometry.BiochimBiophysActa,1992,1133:275〜285.管增伟，王盛兰，李勇，等.凋亡细胞细胞膜和线粒体的动态变化[J].卫生研究,2000,29(2):83〜86.CastedoM,FerriK,RoumierT,etal.Quantitationofmitochondrialalterationsassociatedwithapoptosis[J].JImmunolMethods,2002,265(122):39〜47.BemardiP,ScorranoL,ColonnaR,etal.Mitochondriaandcelldeath.Mechanisticaspectsandmethodologicalissues[J].EurJBiochem,1999,264(3):687〜701.陈慧莉，李建华,王树庆.线粒体跨膜电位和细胞凋亡相关性的研究[J].医学综述,2007,13(14):1041〜1043.樊廷俊，等.线粒体和细胞凋亡[J].生物化学与生物物理学报,2011,33(1):7〜12.高翠香.线粒体和细胞凋亡[J].卫生职业教育,2002,20(5):94〜95.MarchettiP,HirschT,