活性氧对细胞凋亡影响的研究现状

报告题目：活性氧对细胞凋亡影响的研究现状

活性氧对细胞凋亡影响的研究现状摘要：近年来，活性氧物质在细胞凋亡方面的研究中越来越受到各领域研究者的关注。新的研究发现活性氧物质可作为第二信使参与细胞凋亡的信号转导过程，对生物大分子有这一定的氧化损伤作用，这已经成为细胞生物学中研究的热点，而且ROS在应用性研究方面如癌症治疗、植物抗胁迫等领域也已取得了一定的成效。因此，本文欲通过相关方面的资料和文献的搜集与查阅，对活性氧物质进行概括性介绍，并进一步阐明其与细胞凋亡的关系及研究近状，在此基础上，对有关ROS对细胞凋亡的影响在医学、植物领域的研究进行阐述。希望通过本文的介绍，能为今后的相关研究提供一定的理论基础。关键词：活性氧；氧化应激反应；细胞凋亡ResearchstatusoftheeffectsofreactiveoxygenspeciesonapoptosisAbstract:Inrecentyears,researchersinvariousfieldshavepaidmoreandmoreattentiontotheresearchofrosincellapoptosis.Newstudyhasfoundthatactiveoxygenmaterialcanbeusedasthesecondmessengerinvolvedinsignaltransductionofapoptosisprocess,hasthecertainoxidativedamageeffectonbiologicalmacromolecules,whichhasbecomeahotresearchincellbiology,suchascancertreatmentandROSinappliedresearch,plantresistancetostress,andotherfieldshaveachievedsomeresults.Therefore,thispaperintendstomakeageneralintroductionofROSthroughthecollectionandreviewofrelevantdataandliterature,andfurtherclarifytherelationshipbetweenROSandcellapoptosisanditscloseresearchstatus.Onthisbasis,theresearchontheinfluenceofROSoncellapoptosisinthefieldsofmedicineandplantsiselaborated.Itishopedthattheintroductionofthispapercanprovideacertaintheoreticalbasisforfutureresearch.Keywords:Reactiveoxygenspecies；Oxidativestressresponse；Apoptosis1前言活性氧（reactiveoxygenspecies，ROS）是生物体有氧代谢产生的一类活性化合物的总称，是非常活泼的氧分子，主要包括超氧阴离子（O-2）、羟基自由基（·OH）、过氧化氢（H2O2）和单线态氧(1O2)等[1]。生理过程中产生的过量的ROS可以作为信号分子，具有很强的氧化能力，可以破坏许多细胞成分：攻击细胞内的DNA、蛋白质和脂质，破坏细胞膜和细胞器，从而威胁细胞的完整性。因此，长期以来，人们都认为ROS是炎症、细胞凋亡和细胞再灌注损伤的重要因子。随着科学技术的进步，近年来对ROS的研究更呈现出新的热潮，而且研究的深度也逐渐的加深：从组织器官病理作用到细胞凋亡机制，从细胞凋亡机制到生物活性大分子的损伤理论，从生物活性大分子的损伤理论又深入小分子化学反应机理。近年来科学家的研究逐步进行，发现相对较低浓度的ROS可以作为信号分子参与细胞的信号转导过程，如通过信号转到有发细胞和植物体对逆境的适应性反应，通过细胞信号通路调控肿瘤细胞等。这一发现意味着，ROS不再是人们眼中的一种仅仅具有毒性的代谢副产物，而是一种具有正面的有益效能的代谢物。它可以作为信号分子参与细胞的增殖、分化和凋亡以及对逆境的适应，并引发交叉抗性。因此，近来关于ROS诱导的细胞凋亡在医疗、农业等领域受到了越来越多的关注。本论文欲通过对这些新的研究成果进行综合性的概述，将这些成果以通俗的方式呈献给更多的科学爱好者，也希望能为相关专业领域的研究提供一定的参考。——————————2ROS概述2.1ROS的来源ROS主要来源于机体内部和外界环境。生理过程中，细胞中的线粒体是产生内源性ROS的主要场所，大多数内源性ROS是在电子传递链的过程中经复合结构传递时发生电子泄漏而产生的。除此之外，内源性ROS生成途径还包括细胞色素P450，黄嘌呤氧化酶，脂加氧酶，环加氧酶，一氧化氮合成酶等。在外源性途径方面，由于环境中的大多数反应都是在大气中的氧气的包围下进行的，在某些激烈的条件下，如雷电、高压等，ROS产生的几率也会增大。此外，环境中许多的化学污染物在暴露的情况下衰老、降解也会产生ROS。2.1.1内源性ROS的产生生物体内能产生ROS的结构主要是细胞内能发生氧化反应的细胞器及细胞组分，如线粒体、叶绿体、过氧化物酶体、细胞壁[2]及脂膜上的NADPH氧化酶等。这一反应由这些组分膜上的氧化酶所催化。研究表明，生物体内超过95%的ROS都来自于线粒体，线粒体是细胞内氧自由基的主要来源，它们是决定细胞衰老的生物钟。而ROS产生的主要原因就是在电子传递链过程中分子氧俘获单电子。线粒体的电子传递链（electrontransportchain，ETC）包括四个复合结构，分别是复合体Ⅰ称NADH-Q还原酶（NADHdehydrogenase）、复合体Ⅱ称琥珀酸脱氢酶（Succinatedehydrogenase，SDH）、复合体Ⅲ称细胞色素c氧化还原酶（cytochromeC-oxidoreductas，Cyt）和复合体Ⅳ称细胞色素氧化酶（cytochromeoxidase，Cox）[3]，这些复合体都是线粒体中可能产生ROS的部位。一般情况下，线粒体传递链中电子经过递氢体、递电子体、分子氧的传递，最后氧离子与质子结合成H2O。然而，在这一过程中，有一些酶的存在会导致这一过程发生障碍，最终导致电子无法按照原来的途径传递给氧化酶，而是直接与氧发生反应产生氧气，这就是线粒体中ROS的主要产生方式。许多研究表明，在这一过程中，复合体Ⅰ、复合体Ⅱ和复合体Ⅲ是ROS的主要产生部位[4]。叶绿体是植物叶肉细胞及部分绿色组织内进行光合作用的细胞器，也是植物ROS产生的主要源泉。在光照条件下，植物基粒膜上的光系统Ⅱ（photosystemⅡ，PSⅡ）吸收可见光的能量，光解H2O，产生O2和电子。然而，当植物处于干旱、高盐、低温或高温等逆境条件下时，ROS就会剧烈增加，光系统Ⅰ（photosystemⅠ，PSⅠ）和光系统Ⅱ是植物叶绿体产生ROS的主要场所[5]。胁迫条件下的光合系统中ETC的NADP供应不足，就会发生ETC超负荷从而导致电子泄漏，进而加剧ROS的产生。据研究表明，在植物体内叶绿体产生的ROS超过线粒体，居于首位[6]。2.1.2外源性ROS的产生有学者早在二十世纪初就从汽车尾气和烟囱中发现了这种十分活跃的氧物质。随后的研究表明，ROS的生成过程是复杂多样的，比如，加热、燃烧、光照、高压电机作业[7]，一种物质与另一种物质的接触或任何一种化学反应都为ROS的产生提供了可能。随着环境污染的日益加重，人们更加陷入了ROS的包围之中。外界环境中的阳光辐射、放射线、紫外线、噪音、磁场、水污染、空气污染、吸烟、农药、酸雨等都会使人体产生ROS的几率增加。尤其是中波紫外线（紫外线的一种）已被证实可激活氧化酶，产生活性氧[5]。不安全的食品生产，如防腐剂、人工色素、芳香剂、清洁剂、除草剂、杀虫剂、冷媒等产生的ROS都会经由饮食或接触侵入人体。这些无处不在的ROS正在不知不觉中侵蚀着人们的健康[8]。3细胞凋亡3.1细胞凋亡的概述细胞作为生命的最基本系统，构成了生命系统并有了完整的生命活动，细胞的一生经过增殖、生长、衰老、凋亡等生命过程，细胞凋亡又称程序性细胞死亡，是当前研究最为深入的细胞死亡方式之一，早在1885年，由Flemming描述过细胞凋亡的形态特征称此现象为“染色质溶解”，直到1972年，J.F.R.Keer和另两位研究者A.H.Wyllie、A.R.Currie一起将这一现象称为细胞凋亡（apoptosis），经过不断对细胞凋亡的研究，解析凋亡的机制也迅速展开。细胞凋亡是指在生命体中能够去除生命体内过多有害受损伤细胞的正常生理过程，它是从正常细胞到核染色质固缩、分离并延核膜分布，细胞发生皱缩形成细胞碎片，碎片分割形成凋亡小体，最后被吞噬[11]。细胞凋亡不同于细胞坏死，它是需要主动的特定的基因控制的死亡过程，形态学变化特征是在凋亡过程中发生染色质凝集，并产生DNA降解的完整倍数大小的片段，目前，对于细胞坏死的研究愈发深入，研究表明细胞可以通过自杀消灭病原体，如果此时细胞凋亡不能正常发生，坏死可以作为凋亡的“替补”方式被细胞采用，由此可见细胞坏死可能是细胞“程序性死亡”的另一种形式，根据二者在琼脂糖凝胶电泳时呈现的不同分布可以区分。但凡生命，最终都会死亡，但细胞凋亡是一种受高度调节在动物发育过程中，细胞凋亡是能够塑造出不同的个体以及器官形态，如蝌蚪尾巴的消失是在动物生长过程中器官的退化或缩小；高等哺乳类动物的器官的不同都需要细胞凋亡的参与。通过细胞凋亡，能够维持生理功能内环境的稳定，对能够使多动物细胞的正常发育、免疫耐受的形成等过程中具有重要意义，但细胞的过度凋亡会使免疫功能受到破坏导致突发炎症危害到机体健康[15]。3.2ROS与细胞凋亡ROS作为体内代谢过程中的还原产物，可以在细胞内破坏其中的生物活性大分子以及膜结构，但在这同时细胞也在正常发育繁殖过程中，通过不断合成代谢分解，能够消除掉受到损伤的细胞，细胞分裂使ROS稀释，维持在能产生破坏作用的最低浓度下，而终末分化的细胞，ROS没有得到稀释，使细胞内的ROS浓度不断升高，组织遭到破坏，得不到修复后启动细胞凋亡。因此，这种理论认为，细胞的凋亡是一种积累效应所引发的后果。其中氧损伤理论和线粒体途径诱导细胞凋亡是比较完备的，是相辅相成的，但仍有待进一步的研究证实。4ROS对生物大分子的氧化损伤4.1ROS对核酸的氧化损伤DNA作为生命信息的载体，对生物体的重要性不言而喻。然而，ROS可能会攻击DNA分子中的化学键、碱基和核糖，导致DNA发生断裂、突变等。ROS可以与胸腺嘧啶的5,6-双键发生加成反应，形成新的自由基[16]。这一改变可导致碱基间的氢键与蛋白质合成遭到破坏。4.2ROS对蛋白质的氧化损伤ROS可对蛋白质造成氧化损伤，与邻近的氨基酸反应，其中以含硫氨基酸与芳香氨基酸最为突出，ROS也可以通过脂类过氧化产物间接作用于蛋白质而产生破坏作用[17]。而且ROS能使蛋白质的多肽链发生断裂、能打开部分蛋白质的三级结构，改变蛋白质的化学构象。更为严重的是，ROS可以导致蛋白质的交联和聚合，从而使酶失活，最终导致细胞的死亡。4.3ROS对脂质的氧化损伤细胞内产生的ROS容易对含有大量不饱和脂肪酸的生物膜和亚细胞器膜造成氧化损伤。生物膜上的脂质遭到ROS的攻击，就会发生过氧化反应，引起膜蛋白发生交联和聚合，酶与受体直接共价结合，从而使膜的完整性被破坏，最终导致细胞病变或死亡[18]。生物体内大部分ROS都来自于线粒体，因此线粒体膜是最容易被ROS攻击的部位，线粒体膜受损最终导致细胞和集体的能量代谢发生障碍。根据以上可知，如果生物膜呗ROS破坏，细胞功能就会发生极大的紊乱。5线粒体与细胞凋亡在细胞凋亡的内源途径中，线粒体被誉为细胞动力工厂。在生物氧化的过程中，线粒体能够产生大量的ROS，消降低了线粒体内的含氧浓度，在正常情况下，ROS可以被线粒体中的Mn2+-SOD（超氧化物歧化酶化）所清除[19]，但在终末分化细胞及退行性变化的细胞中，Mn2+-SOD的活性降低。随细胞代谢的进行，ROS就在线粒体中不断积累。反过来线粒体又成为ROS作用的靶子。ROS的攻击可以导致线粒体内多种结构的破坏，如电子传递链的损伤、膜通透性的改变、线粒体DNA(mtDNA)的破坏等[20]。电子传递链的损伤可导致氧化磷酸化的受阻，从而引起更多ROS的产生。这就更加剧了线粒体膜通透性的破坏，使线粒体的内外门户大开，使ROS、细胞凋亡因子、电解质离子等进入胞质中，启动了细胞凋亡。5.1ROS参与的信号转导在细胞凋亡中的作用近来研究发现，ROS在调控细胞的增殖、分化和凋亡等过程中发挥重要作用，与其过程中的许多生物分子有着复杂的关系。主要的信号转导机制分为两种：一种是对蛋白质进行氧化修饰；另一种是对细胞内氧化还原状态的改变。在蛋白进行氧化修饰方面，通过发生氧化还原反应对改变靶分子的构型来实现信号传递，靶分子与细胞因子受体结合刺激产生更多的ROS，引起级联放大反应。对于内氧化还原状态的改变的方面，ROS可被还原性物质谷胱甘肽（GSH）结合，维持正常的生理活性状态，当这种状态被破坏时，ROS可使细胞内的氧化电势升高，影响线粒体的正常功能的运行，使其释放凋亡因子，诱导细胞的凋亡。其信号转导途径有线粒体途径和膜死亡受体途径。在膜死亡受体Fas、TNFR途径中，是通过相应配体诱导交联后，激活最上游的启动酶（Caspase8和Caspase10），触发级联反应，使细胞凋亡启动并隔断细胞凋亡的信号转导，这一途径中ROS的作用往往被忽视，现有的研究仅限于ROS的产生是由于TNF-α受到刺激；提高ROS水平能够提高敏感性和抗氧化防御性[21]。作为一种新的第二信使，ROS具有很高的生物活性，它们可以与多种细胞因子相互作用，启动其生物活性[22]。然后，这些细胞因子再参与到下游的信号传递过程，或引起级联放大反应，或激活相关基因的表达，从而完成正常的生理过程。5.2ROS影响的线粒体膜通透性与细胞凋亡线粒体作为产生能量的重要细胞器，其内部存在特殊结构，由内外膜和基质构成，在膜间质与基质之间维持着保证线粒体功能正常运行的跨膜电位(△ψm)。实验研究表明，凋亡细胞的线粒体跨膜电位（△ψm）的改变与线粒体膜通透性有关，结构正常的线粒体内膜对一些离子和小分子物质具有高度的选择透过性[22]。在三羧酸循环中，线粒体内膜两侧的跨膜电位。线粒体跨膜电位（△ψm）的改变与内膜透过性的升高有关。线粒体内外膜上存在有一种线粒体通透性转换孔(MPTP)的结构，它是由位于线粒体内外膜间的多种蛋白质所组成的一种非选择性的复合孔道[23]。在氧化磷酸化的过程中，有少量电子会提前还原氧气，形成ROS，会对MPTP中的蛋白造成损伤，失去通透性控制功能。少量的ROS诱导MPTP的开放、基质Ca2+和GSH内流、膜电位降低，可以促进MPTP孔的开放，增加膜的通透性，加速或协调凋亡反应进程[24]。5.3ROS诱导的凋亡因子与细胞凋亡当线粒体受到ROS损害时，由于线粒体膜上的通道蛋白和不饱和脂肪酸等对ROS较为敏感，使通透性首先遭到破坏，线粒体会向基质中释放细胞凋亡因子，其中细胞色素c在细胞凋亡内源途径中起着关键的作用[25]，当接收到凋亡信号后，通过Bcl-2蛋白家族调节外膜透性，使细胞色素c释放到细胞质基质中。细胞色素c与另一个凋亡因子Apaf-1和Caspase-9前体结合形成凋亡复合体(apoptosome)，并活化Caspase-9[26]。活化后的Caspase-9可对下游的Caspase-3和Caspase-7酶原进行切割，使其活化，并进而切割DNA等效应物，从而导致细胞的凋亡。6ROS诱导细胞凋亡的实际应用6.1ROS诱导细胞凋亡在医药方面的应用随着人们对ROS研究的深入，其在实际应用领域的研究也在逐步的开展。ROS作为生命活动的必然产物，对抗炎、抗菌有着积极作用，同时却也时刻在生物体内威胁着生命活动的正常运行。有研究表明，不同浓度的ROS对细胞有着不同的作用，高浓度的ROS能直接导致细胞凋亡或坏死，中浓度的ROS会使细胞出现暂时性或永久性的生长停滞，低浓度的ROS能够加速细胞的有丝分裂与增殖。肿瘤细胞内的ROS长期居高不下，这就导致了肿瘤细胞对于一系列的氧化应激反应比正常细胞敏感。利用这一点，我们可以通过改变ROS的浓度，使肿瘤细胞DNA断裂，从而诱导肿瘤细胞凋亡，达到治疗癌症的目的。近年来有许多科学家对此展开了研究，Harris等在实验过程中提高了实验组老鼠体内的ROS浓度，观察后发现实验组老鼠的肿瘤细胞的数量比正常组老鼠的少，这表明高浓度的ROS能够抑制肿瘤细胞的生成和转移。目前，已经有许多抗肿瘤药物是基于此原理研究出来的，如王立辉等研究的创新抗肿瘤药物－乙烷硒啉、Afzal等研究的抗肿瘤药物5-FU和奥沙利铂等[26]。6.2ROS诱导细胞凋亡在抗逆性植物培育方面的应用ROS在植物细胞内有着双重作用，毒性作用和信号分子。而且这两种作用时刻处于动态平衡之中。当植物机体受到外界环境的胁迫如干旱、高盐或寒冷等而使细胞的生理状态发生变化时，ROS在细胞内的含量就会急剧增加，引起氧化暴发，导致细胞迅速凋亡。这种凋亡对于植物自身来说，有弊也有利；其弊，是加重了有机体的伤亡；其利，则是在有机体对病原体的超敏反应中，被感染的细胞快速凋亡，形成病斑，有利于遏止病原体在组织间的扩散和病情的发展。ROS作为信号分子可诱导植物体抗逆性的提高，甚至引发交叉抗性，即早施的胁迫处理起着锻炼的作用，诱导植物体对胁迫因子或对不同逆境抗性的提高。可引发ROS产生的因子有：干旱，盐渍化，低温和高温，强光照，紫外线照射，重金属，大气污染，机械损伤和病原体感染等。它们均可直接或间接的影响细胞的氧化还原状态，引发ROS的产生[27]。因此，根据这一原理，可利用组织培养手段，对植物的外植体、脱分化的愈伤组织和再分化的幼根幼芽等进行适当的胁迫刺激以引导细胞对该胁迫产生抗性，从而育得抗逆性的优良品种[28]；也可利用基因工程手段，使表达胁迫受体因子或诱导酶的基因组成化或不表达，从而使ROS的产生能迅速响应胁迫刺激，以育得具有抵抗胁迫损伤能力的植物新品种。7结语通过以上ROS与细胞凋亡的介绍，我们知道了ROS的产生分为内源性和外源性，由于ROS在生物体内的特殊性以及其在生命活动过程中的常在性，它必然会在生物体内与有机体组分发生关系，它可以攻击核酸、蛋白质和脂质等生物活性大分子，破坏其结构，使其失去正常的生理功能，从而导致细胞发生病变或死亡，也就是说引发了细胞凋亡程序的启动。细胞凋亡是生命体中能够去除生命体内过多有害受损伤细胞的正常生理过程，是细胞在正常生理机能下应对生长发育的自然反应或无以应对内外环境时的极端解决方式。当有机体内ROS的产生与消除失去了原有的平衡，ROS的积累超过了损伤阈值时，就会使细胞的内环境发生紊乱，端粒算上，线粒体膜通透性发生改变，细胞内外物质与信息发生障碍，从而导致细胞凋亡。但研究表明，ROS并非仅仅具有毒性作用，它还能作为信号分子参与细胞的信号转导，诱发有机体对逆境的适应性和防御性反应——以细胞凋亡的方式应对环境的迫害，减轻逆境对有机体造成的损伤。因此，ROS在疾病治疗、医药以及逆境抗性植物的培育等领域的研究逐年升温。目前，虽然ROS的研究已经初有建树，但还有许多ROS的相关内容仍旧是个未知数，期待在不久的将来攻破ROS的难关，为医疗、农业等领域带来福音。参考文献：[1]钟永亮，庞新跃，张敏，等.大肠杆菌转录调控因子oxyR与抗氧化基因ahpCF、katEG的协同作用[J].食品安全质量检测学报，2018，9（4）：28-33．[2]唐琪.过量表达PtAPX基因对烟草抵御高、低温胁迫的影响[D].山东师范大学，2014．[3]曾德永，崔杰，张萌，等.植物线粒体抗氧化应激效应影响的研究进展[J].江苏农业科学，2018，46(21)：31－37．[4]郭玉双，李翔羽，任学良.植物体内活性氧（ROS）的产生及其作用研究进展[J].黑龙江农业科学，2011，(8)：146－148．[5]张梦如，杨玉梅，成蕴秀，等.植物活性氧的产生及其作用和危害[J].西北植物学报，2014，34(9)：1916－1926．[6]VanBreusegemF,DatJF.Reactiveoxygenspeciesinplantcelldeath[J].PlantPhysiol,2006,141:384-390.[7]李怡歆.自由基与人体健康[J].中国科技信息，2008，(10)：181-182．[8]肖莉，张倩雨，马莹，刘英.氧化应激在肿瘤糖代谢中的作用研究[J].肿瘤,2018,(38):901-906.[9]吴庆余.基础生命科学[M].北京：高等教育出版社，2006:186-188[10]韩贻仁.分子细胞生物学（第二版）[M].北京：科学出版社，2001:658-661[11]翟中和，王喜忠，丁明孝.细胞生物学[M].北京：高等教育出版社，2011:341-352[12]陈惠黎.生物大分子的结构与功能[M].上海：上海医科大学出版社，1999:325-328[13]周海梦，王洪睿.蛋白质化学修饰[M].北京：清华大学出版社，1998:258-261[14]万素英.天然食品抗氧化剂与人的营养与健康[J].河北农业大学学报,1998,21(1):110-114.[15]李超，伏圣博，刘华玲，马欣荣，等.细胞凋亡研究进展[J].世界科技研究与发展，2007，29（3）：45-53.[16]MaureenRedza-Dutordoir,DianaA.Averill-Bates.Activationofapoptosissignallingpathw