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1、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探讨进展生物技术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、限制细胞苍老、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，具有独特而困难的信号系统。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，各通路间相互联系，共同调整细胞凋亡。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
2、，我们特别有必要探讨促使细胞凋亡的因子，现在，让我们看下内质网是如何调整细胞凋亡的。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确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确定的程序性调控，所以也经常被称为细胞编程性死亡。在生物的生长发育过程中，细胞凋亡是不行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挡外界各种因素的干扰方面都起着特别关键的作用。通过细胞凋亡，有机体得以清除不再须要的细胞，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逝等，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
3、更新，被病原体感染细胞的清除也是通过PCD来完成的。凋亡是全部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改变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特别重要的意义。现已证明细胞凋亡功能的丢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变更，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CD95FasApo1受体等可激活细胞外源通路，活化半胱氨酸水解蛋白酶810引起凋亡；而细胞内部稳态变更，如钙浓度或线粒体功能变更，可以激活内源通路，通过S
4、macDIABLO、细胞色素C、Apaf-1等活化Caspase-9引发凋亡。已证明凋亡早期，在各细胞器的超微形态结构仍保持完整的状况下，大部分细胞器的生物化学物质改变已经发生，特殊是蛋白的水解和细胞膜结构通透性的变更等。由于功能特点的差异， 同的细胞器对不同的改变因素敏感，从而单独或协同参加凋亡发生。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觉以前，人们所相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180200bp的整数倍。到目前为止，梯状条带仍旧是鉴定细胞
5、凋亡的最牢靠方法。催化DNA降解的是依靠于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短暂的完整性，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是依靠于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
6、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，较温柔的温度刺激等。(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，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、生化变更。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整级联反应。内质网是细胞内完成蛋白质折叠修饰的主要场所，目前探讨报道主要集中在UPR过程。UPR是真核细胞对于各种缘由引发的内质网未折叠蛋白质积累的生存适应
7、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的启动在早期是爱护作用，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BipGrp78，钙联接蛋白，GRP94等帮助蛋白质折叠；发生内质网相关降解，清除不能正确折叠的蛋白质等，从而主动重建细胞内稳态。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，困难存亡限制的关键因素。内质网伴侣主要包括Calnexin、钙网蛋白、Bip、Grp94、CHOP等。生理状况下，内质网伴侣分子主要有以下功能：参加并监控蛋
8、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；反馈性地调整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，起到爱护作用；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。当损伤超过修复实力时，内质网应激将引发细胞凋亡。内质网有其特异的凋亡机制，在鼠类的探讨结果显示，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
9、，以前体形式存在，仅特异性地被内质网信号通路水解活化，内质网的钙离子异样可干脆激活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。但在人类的探讨中发觉人缺少有功能的Caspase-12。人Caspase-45与Caspase-12分别有48 、45的同源性，而且具有相像的切割位点。最近发觉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
10、乳动物内质网上有3种跨膜蛋白质参加UPR过程。正常状况下，Ire-l与PERK和BipGrp78复合体结合。积累的未折叠蛋白质竞争性与BipGrp78复合体结合，从而使Ire-1和PERK解离。Ire-1和PERK均是一种跨膜的丝苏氨酸激酶。解离的Ire-1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CHOPGADD152的表达；Ire-1还可通过形成Ire-1TRAF2复合体激活JNK通路，活化Caspase-l2，引发凋亡。此外，探讨表明Ire-1过表达也可以激活Caspase-12。PERK在与BipGro78解离后，磷酸化真核细
11、胞翻译起始因子2，使之不能重新进入蛋白质翻译复合体循环利用，从而抑制全部蛋白质的翻译过程。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CHOPGADD152的大量表达，CHOPGADD152作为转录因子，可以抑制Bcl-2的表达，减弱抗凋亡实力，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改变参加细胞内绝大多数信号传导，调整大部分的细胞功能。内质网是细胞内巨大的钙库，探讨证明多种刺激因素可以引起内质网内钙离子的动态改变，继而引发快速或长久的变更，确定细胞的命运。内质网钙流淌的机制主要有：钙诱
12、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试验中被视察到。内质网的钙释放参加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干脆相关。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，
13、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。试验证明这些蛋白质中的大部分功能与钙离子的动态改变亲密相关。所以，内质网内钙离子稳态的变更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家族参加细胞凋亡。Bcl-2家族成员参加内质网凋亡与抗凋亡过程，依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也在内质网上被发觉。全部的BCL-2家组成员都可影响跨膜离子流淌，主要通过调整内质
14、网内钙离子浓度，参加凋亡通路；也有报道其可以通过在内质网内局部形成复合体，相互作用调整凋亡信号传导，影响内质网相关的Caspase-2812的活性。内质网上存在重要凋亡分子底物Caspase家族参加凋亡的多个环节，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，固醇调整元件结合蛋白，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整转录，变更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B
15、cl-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加凋亡调整外，还在多个环节上与其他细胞器形胜利能耦联，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-93前体，须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，膜通透性的变更。目前认为内质网上的Bcl-2家族成员可能参加此过程。钙离子是联系内质网
16、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，可以增加线粒体的敏感性，导致线粒体膜通透性变更和去极化。而内质网上的Bcl-2则抑制钙离子外流，起到爱护作用。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、生化活动参加凋亡调控。内质网引发的胞浆钙离子浓度上升，可以进而影响核内钙离子浓度。细胞核的许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
17、子还参加基因转录调控，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困难而多层次的。内质网功能的探讨对于深化、完善细胞损伤和凋亡理论，明确细胞器的交互调整作用，有深远意义；为临床疾病探讨和治疗供应新的理论依据，有助于进一步相识疾病的本质。可以针对内质网特异性的靶点设计新药，提高药效。内质网很简单受到药物毒性损害，所以药物研发中也应更加关注药物对内质网的毒副作用。目前的探讨表明内质网在很多重要生理、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，对于它的详尽探讨将有力地推动生命科学领域科研的发展。参考文献1杨田.浅析内质网与
18、细胞凋亡.高等函授学报.20232FB Johnson.DA Sinclair and L Guarente.Molecular biology of aging.Cell.1999.3HR Stennicke and S Salvesen.Properties of the caspases.Biochimica et Biophysica Acta.1998.4李卉丽,刘爽,韩济生,于常海.内质网在细胞凋亡中的作用.中华医学杂志,2023.5Danial NN,Korsmeyer SJ.Cell death:critical control pointsCell,2023.6Joza N,Susin SA,Daugas E,et a1.Essential role of the mitochondrial apo ptosis-inducing factor in programmed cell death.Nature,2023.7Ferri KF.Kroemer G.Organelle-specific initiation of cell death pathways.Nat Cell Biol,2023.