细胞生物学论文细胞凋亡与内质网的研究进展_内质网

细胞凋亡与内质网的研究进展

生物技术10-2 李大云

摘要：内质网是细胞凋亡信号传导途径中起重要作用的细胞器;细胞凋亡，是生物体细胞的主动消亡过程，是多细胞有机体调控机体发育、控制细胞衰老、维持内环境稳定的重要机制。细胞凋亡发生过程的启动和进行受到精确调控，具有独特而复杂的信号系统。各种凋亡信号通过信号传导通路传至细胞内，激活靶分子而产生细胞效应，引发细胞凋亡。一般认为，细胞凋亡存在三条主要通路：线粒体通路、内质网通路和死亡受体通路，各通路间互相联系，共同调节细胞凋亡。

关键词：内质网、细胞凋亡

细胞凋亡是细胞的程序性死亡，是生物体生长发育的一个重要环节，我们非常有必要研究促使细胞凋亡的因子，现在，让我们看下内质网是如何调节细胞凋亡的。

细胞凋亡的概念及其生物学意义

细胞凋亡是一个主动的由基因决定的自动结束生命的过程。由于细胞凋亡受到严格的由遗传机制决定的程序性调控，所以也常常被称为细胞编程性死亡。

在生物的生长发育过程中，细胞凋亡是不可或缺的一个重要方面。细胞凋亡对于多细胞生物个体发育的正常进行，自稳平衡的保持以及抵御外界各种因素的干扰方面都起着非常关键的作用。通过细胞凋亡，有机体得以清除不再需要的细胞，而不引起炎症反应。在发育过程中，幼体器官的缩小和退化如蝌蚪尾的消失等，都是通过细胞的清除也是通过细胞凋亡来实现的。在成熟个体的组织中，细胞的自然更新，被病原体感染细胞的清除也是通过PCD来完成的。

凋亡是所有多细胞组织的重要的基本功能。凋亡发生的生物化学和形态变化在从线虫到人类的不同种属问高度保守，对于胚胎发育和正常细胞稳态的维持有非常重要的意义。现已证明细胞凋亡功能的丧失可以促进肿瘤和自身免疫疾病的发生；而凋亡过度又可以引发退行性改变，如免疫缺陷和神经系统退行性疾病等。所以凋亡过程的正确调控对机体具有极其重要的意义。

多种因素可以触发凋亡。细胞膜上的“死亡受体”如肿瘤坏死因子受体l及CD95／Fas／Apo1受体等可激活细胞外源通路，活化半胱氨酸水解蛋白酶8／10引起凋亡；而细胞内部稳态改变，如钙浓度或线粒体功能改变，可以激活内源通路，通过Smac／DIABLO、细胞色素C、Apaf-1等活化Caspase-9引发凋亡。已证实凋亡早期，在各细胞器的超微形态结构仍保持完整的情况下，大部分细胞器的生物化学物质变化已经发生，特别是蛋白的水解和细胞膜结构通透性的改变等。由于功能特点的差异， 同的细胞器对不同的变化因素敏感，从而单独或协同参与凋亡发生。

细胞凋亡的生化特征

在caspase家族半胱氨酸蛋白酶在凋亡中的关键作用发现以前，人们所认识到的细胞凋亡的最主要特征是DNA发生核小体间的断裂，结果产生含有不同数量核小体单位的片段，在进行琼脂糖凝胶电泳时，形成了特征性的梯状条带，其大小为180~200bp的整数倍。到目前为止，梯状条带仍然是鉴定细胞凋亡的最可靠方法。催化DNA降解的是依赖于Ca2+/Mg2+的核酸内切酶，而Zn2+则抑制其活性。

凋亡细胞的另一个重要特征是tTG(组织转谷氨酰胺酶tissue transglutaminase)的积累并达到较高的水平。tTG催化某些蛋白质的翻译后修饰，主要是通过建立谷氨酰胺和赖氨酸之间的交联以及多胺掺入蛋白质而实现的，其结果导致蛋白质聚合。这类蛋白质聚合物不溶于水，不为溶酶体所降解，它们进入凋亡小体，有助于保持凋亡小体暂时的完整性，防止有害物质的逸出。tTG只在不再分裂、已完成分化的细胞中处于活性状态。tTG是依赖于Ca2+的酶，在生活的正常细胞中，由于Ca2+浓度较低，tTG的活性很低；当凋亡起始时，Ca2+浓度上升，从而使tTG活化。

诱导细胞凋亡的因子

诱导细胞凋亡的因子大致可分为两大类：

(1)物理性因子：包括射线，较温和的温度刺激等。

(2)化学及生物因子：包括活性氧基因和分子。DNA和蛋白质合成的抑制剂、正常生理因子的失调，肿瘤坏死因子α，抗Fas/Apo-1/CD95抗体等。

内质网应激引起的细胞凋亡

内质网应激是指由于内质网稳态受到破坏后的一系列分子、生化改变。内质网应激包括：内质网未折叠蛋白质反应、内质网超负荷反

应和固醇调节级联反应。内质网是细胞内完成蛋白质折叠修饰的主要场所，目前研究报道主要集中在UPR过程。UPR是真核细胞对于各种原因引发的内质网未折叠蛋白质积累的生存适应性反应，可通过多种从内质网腔到细胞浆或胞核的信号传导实现。

UPR的启动在早期是保护作用，使大部分蛋白质合成停滞，减轻内质网负荷；加速内质网伴侣基因、蛋白质表达，如Bip／Grp78，钙联接蛋白，GRP94等协助蛋白质折叠；发生内质网相关降解，清除不能正确折叠的蛋白质等，从而积极重建细胞内稳态。当内质网应激过度，稳态重建失败时，UPR则可以导致发生内质网负荷过度的细胞凋亡。各种内质网应激伴侣分子在此过程中发挥了重要调控作用，是内质网应激过程中，复杂存亡控制的关键因素。内质网伴侣主要包括Calnexin、钙网蛋白、Bip、Grp94、CHOP等。生理情况下，内质网伴侣分子主要有以下功能：参与并监控蛋白质折叠，如Bip，Calnexin等；识别降解不能正确折叠的蛋白质，如泛素；通过钙泵贮存细胞内的钙；反馈性地调节内质网伴侣的表达量。应激过程中内质网伴侣分子是一柄双刃剑，具有双重作用。如Bip可以结合内质网上具有酶活性的跨膜蛋白，起到保护作用；CHOP则可以抑制Bip和抗凋亡基因Bcl-2的表达，耗竭谷胱甘肽，诱导氧自由基，促进损伤、凋亡。

当损伤超过修复能力时，内质网应激将引发细胞凋亡。内质网有其特异的凋亡机制，在鼠类的研究结果显示，与其他凋亡机制不同，内质网发出的凋亡信号在进入凋亡的共同通路激活Caspase-3之前，可特异性地激活Caspase-12。Caspase-12位于内质网胞浆面，以前体形式存在，仅特异性地被内质网信号通路水解活化，内质网的钙离子异常可直接激活Caspase-12。激活的Caspase-12进一步激活Caspase-9，Caspase-9激活下游的Caspase-3，进入细胞凋亡的最终通路；Caspase-9还可以正反馈地激活Caspase-12，放大细胞凋亡作用。但在人类的研究中发现人缺少有功能的Caspase-12。人Caspase-4／5与Caspase-12分别有48％ 、45％的同源性，而且具有相似的切割位点。最近发现Caspase-4也位于内质网上，可以被内质网应激激活，所以在人类中Caspase-4可能起到了Caspase-12的替代作用。

在哺乳动物内质网上有3种跨膜蛋白质参与UPR过程。正常情况下，Ire-lα与PERK和Bip／Grp78复合体结合。积累的未折叠蛋白质竞争性与Bip／Grp78复合体结合，从而使Ire-1α和PERK解离。

Ire-1α和PERK均是一种跨膜的丝／苏氨酸激酶。解离的Ire-1α有核酸酶活性，可以剪切28S核糖体RNA，从而阻遏蛋白质翻译；产生bZIP转录因子提高内质网应激分子如CHOP／GADD152的表达；Ire-1α还可通过形成Ire-1α／TRAF2复合体激活JNK通路，活化Caspase-l2，引发凋亡。此外，研究表明Ire-1α过表达也可以激活Caspase-12。PERK在与Bip／Gro78解离后，磷酸化真核细胞翻译起始因子2α，使之不能重新进入蛋白质翻译复合体循环利用，从而抑制所有蛋白质的翻译过程。ATF-6在内质网应激时，其细胞浆bZIP转录因子区进入细胞核，从而加强内质网应激分子的表达。最终过度的UPR将导致CHOP／GADD152的大量表达，CHOP／GADD152作为转录因子，可以抑制Bcl-2的表达，削弱抗凋亡能力，敏化内质网应激反应，进一步促进凋亡。

内质网钙引起的细胞凋亡

细胞内游离钙浓度的变化参与细胞内绝大多数信号传导，调节大部分的细胞功能。内质网是细胞内巨大的钙库，研究证明多种刺激因素可以引起内质网内钙离子的动态变化，继而引发迅速或持久的改变，决定细胞的命运。内质网钙流动的机制主要有：钙诱导的钙释放

[要通过ryanodine(RyR)受体]，激活代谢受体通过三磷酸肌醇诱导的钙释放和通过肌浆网钙泵的钙摄取。通过以上调控，共同维持内质网内钙离了的动态平衡。

内质网钙离子的释放在多种凋亡实验中被观察到。内质网的钙释放参与Bad和Caspase在不同诱因凋亡中的激活；三磷酸肌醇介导的钙离子释放与凋亡直接相关。破坏内质网内钙离子的稳态可以导致内质网应激，包括内质网超负荷反应和前述的UPR反应，激活凋亡通路。其中内质网超负荷反应以激活转录因子NF-KB为主要特点，启动多种前炎性蛋白和细胞粘附分子的转录表达，对凋亡进行调控。

内质网是完成蛋白质四级结构折叠形成的部位．在内质网内存在着多组相关的酶系统，如肽基脯氨酸异构酶、糖基化酶、葡萄糖调控蛋白、蛋白质二硫键异构酶和各种应激分子伴侣。实验证实这些蛋白质中的大部分功能与钙离子的动态变化密切相关。所以，内质网内钙离子稳态的改变可作用于内质网功能的多个环节，引发细胞凋亡。 内质网上BCL-2家族参与细胞凋亡。

Bcl-2家族成员参与内质网凋亡与抗凋亡过程，根据结构和功能可分为三类：1)具有抗凋亡作用的Bcl-2，Bcl-XL等；2)感受触发凋

亡的BH3单结构域成员主要位于线粒体上，但Bik，Bim和Noxa等单结构域成员在内质网上也存在；3)多结构域成员Bax和Bak也在内质网上被发现。所有的BCL-2家组成员都可影响跨膜离子流动，主要通过调节内质网内钙离子浓度，参与凋亡通路；也有报道其可以通过在内质网内局部形成复合体，相互作用调节凋亡信号传导，影响内质网相关的Caspase-2／8／12的活性。

内质网上存在重要凋亡分子底物

Caspase家族参与凋亡的多个环节，内质网上存在着多种可被Caspase切割的底物，包括一些对内质网稳态维持和内质网应激有重要作用的蛋白，如Bap31，固醇调节元件结合蛋白，信号识别颗粒72，三磷酸肌醇受体，Grp94，早老素类和阿尔茨海默氏病的重要致病物质淀粉样前体蛋白等。被切割后的产物可以进入细胞核调节转录，改变凋亡中分泌蛋白的表达，敏化细胞凋亡，也可以形成反馈通路加强对Caspase通路的激活。如Bap31作为Bcl-2家族成员，可以调控Caspase-8L抑制其活化成为Caspase-8，一旦Caspase-8被激活，Bap31就成为其底物，被切割后的产物可进一步激活凋亡通路。 内质网和其他细胞器的功能耦联

内质网除独立参与凋亡调节外，还在多个环节上与其他细胞器形成功能耦联，其中最主要的是线粒体。线粒体是细胞能量工厂，是细胞凋亡调控中最重要的结构之一。内质网可在多个水平和线粒体相关联，共同调控凋亡。线粒体的细胞色素C释放激活下游Caspase-9／3前体，需要有线粒体外因子的转位和激活，开放通透转换孔引起细胞器的水肿，膜通透性的改变。目前认为内质网上的Bcl-2家族成员可能参与此过程。钙离子是联系内质网和线粒体功能的关键环节。当内质网应激发生大量钙离子释放时，线粒体由于其膜电势梯度摄取钙离子，而线粒体的钙超载是已知重要的凋亡因素。内质网通过三磷酸肌醇受体或RyR受体介导的钙离子释放，可以增强线粒体的敏感性，导致线粒体膜通透性改变和去极化。而内质网上的Bcl-2则抑制钙离子外流，起到保护作用。此外，线粒体释放的细胞色素C转位到内质网，与三磷酸肌醇受体作用，形成正反馈，促使细胞凋亡。

内质网也可以通过钙离子影响细胞核内一系列分子、生化活动参与凋亡调控。内质网引发的胞浆钙离子浓度升高，可以进而影响核内钙离子浓度。细胞核的很多重要过程受钙离子调控．如核内蛋白质的切割；凋亡时核酸内切酶的切割等。此外，钙离子还参与基因转录调

控，如各种白细胞介素和神经生长因子等的基因表达，以及磷酸化过程。所以，内质网对凋亡的调控是复杂而多层次的。

内质网功能的研究对于深入、完善细胞损伤和凋亡理论，明确细胞器的交互调节作用，有深远意义；为临床疾病研究和治疗提供新的理论依据，有助于进一步认识疾病的本质。可以针对内质网特异性的靶点设计新药，提高药效。内质网很容易受到药物毒性损害，所以药物研发中也应更加关注药物对内质网的毒副作用。目前的研究表明内质网在许多重要生理、病理调控中极具潜力，内质网作为信号接收、传导整合、处理的枢纽日益引起广泛的关注，对于它的详尽研究将有力地推动生命科学领域科研的发展。

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