细胞凋亡的分子机制——调节细胞凋亡的相关基因
摘要：细胞死亡是生命过程中的一个组成部分， 它有两种不同的方式， 即坏死(necro sis) 和细胞凋亡(apop to sis) 。近年来， 随着分子生物学研究的进展，生物学家逐渐认识到细胞凋亡具有特殊的生物学意义，由此形成了新的研究热点。本文介绍了细胞凋亡的分子机制，即细胞凋亡的基因调控， 着重就细胞凋亡的相关基因及其作用作了综述。
关键词：基因 细胞凋亡 基因调节
中图分类号：G632 文献标识码： C文章编号：1672-1578（2012)05-0162-02
1细胞凋亡的基本问题
1972 年，Kerr等首先用“细胞凋亡”这一术语描述了一种不同于坏死的“生理性细胞”死亡的方式，他们强调指出，细胞凋亡不是一种随机的过程，它具有严格的形态学特征。细胞凋亡又称程序性细胞死亡(programmed cell death，PCD)，但目前普遍认为，二者在概念上是有区别的，前者是形态学上的概念，后者是功能上的概念。
1.1细胞凋亡的形态学变化
细胞凋亡的形态学是，细胞核浓缩，染色质密度增高并凝聚在核膜周边；细胞胞浆浓缩，细胞体积变小，内质网膨胀，形成膨胀小泡，线粒体和溶酶体等细胞器聚积，但结构无明显变化;随后，浓缩的细胞核内的染色质片断化，细胞膜逐渐内陷，将细胞分割为多个具有膜包裹的、可迅速被临近的实质细胞或巨噬细胞所吞噬的细胞凋亡小体。细胞凋亡通常存在于单个细胞，巨噬细胞对它的吞噬以及凋亡细胞的迁移并不引起炎症反应，这是它区别于坏死的最重要的特征。
1.2细胞凋亡的生化改变
细胞凋亡与细胞坏死在形态学上的区别是由于发生过程中分子机制不同而决定的。实际上，细胞凋亡就是某些基因调控下的一系列生化活动，包括以下几个方面。
1.2.1核酸内切酶活化
1980年，W yllie以糖皮质激素诱导新生大鼠胸腺细胞凋亡的体外实验模型，研究了细胞凋亡过程中内源性核酸内切酶活性的变化。发现当细胞凋亡时，细胞核内的核酸内切酶活化，并将核内的DNA链切成缺口，使核内的DNA片断化，片断化后的DNA片在琼脂糖凝胶电泳上呈现特殊的梯状电泳图谱。该图谱成为目前判断细胞凋亡的一项重要生化指标。
1.2.2 转谷氨酰酶活化
有人发现以糖皮质激素诱导大鼠肝细胞凋亡时，肝组织匀浆中转谷氨酰酶活性升高，并可引起胞浆内多种蛋白的交联，该变化也成为目前判断细胞凋亡的一项重要生化指标。
1.2.3 胞浆内Ca2+浓度升高
1989 年，O rrenius等证明，在多种细胞的凋亡早期，细胞胞浆中潜在的酶，包括Ca2+依赖性核酸内切酶、转谷氨酰酶、钙蛋白酶，这些酶最后导致细胞凋亡时的结构的破坏。
2调节细胞凋亡的相关基因
2.1 bc1-2癌基因和同源基因及其蛋白
bc1-2癌基因是Tsujimoro 等人1984年最先从滤泡性B 细胞淋巴瘤中分离出来的。随后，Vanx 等人发现将bc1-2基因导入骨髓原始细胞，可使这些细胞的生存期明显延长。McDonnel等也发现将bc1-2与Ig重链基因串联形成的融合蛋白，导入小鼠受精卵中，可使转基因小鼠的B细胞数积累，而发生免疫母细胞性淋巴瘤。研究者因此怀疑bc1-2的高表达，是阻断细胞程序化死亡，导致淋巴瘤发生的直接原因。现已证实bc1-2表达的蛋白质结合于线粒体内膜、核膜和内质网，当bc1-2表达时，它不影响细胞的增殖，而是起细胞凋亡的潜在性抑制作用，从而防止多种细胞系发生凋亡，包括淋巴细胞系统和非淋巴细胞系统。bc1-2可防止早期造血细胞系缺乏1L-3、GM-CSF 和1L-4引起的细胞凋亡，而对1L-2 和1L-6依赖的细胞系的存活无促进作用。有人认为这种有选择地促进细胞存活作用是因bc1-2表达的蛋白产物能阻断内源性内切核酸酶的DNA切割活性，从而阻断细胞的程序化死亡过程。
目前发现另一些基因也有调节细胞凋亡的作用，和bc1-2 基因为同一家族，具有不同程序的同源性。主要有Bc1-xL、Bax、Bad和线虫的Ced-9等，它们共同具有两个保守区域:Bc1-2同源区1和2 (BH1和BH2)。研究发现Bc1-2和Bax各自可形成同源二聚体，也可相互结合形成异源二聚体。Bax 的过度表达能促进细胞因子缺失所诱导的细胞凋亡。Bc1-2与Bax所形成的异源二聚体中两者的比例决定细胞到底该向存活还是死亡的方向发展，这表明Bc1-2抑制凋亡的作用必须通过与Bax形成异源二聚体来实现。
最近又发现一种蛋白分子， 其作用与Bc1-2作用相似，称为Bag-1。Bag-1和Bc1-2共同作用可抑制Fas抗体或细胞毒性T细胞介导的凋亡，而这是Bc1-2单独无法抑制的，这也许就是存在依赖Bc1-2和不依赖Bc1-2两种凋亡抑制机制的原因。
2.2 Ced-3/ICE家族与细胞凋亡
白细胞介素-1β-转换酶(interleukin-1β-converting enzyme，ICE) 是1989年Kos2 turn等在单核细胞中分离到的一种具有转换1L-1β酶活性的蛋白质，它能将人白细胞内的1L-1β前体在Asp-116与Ala-117之间切开，使其转变为具有活性的IL- 1β。哺乳动物ICE 基因编码的蛋白质为半胱氨酸蛋白水解酶，它和线虫发现的死亡基因ced-3编码蛋白在氨基酸序列上具有很大的同源性。
研究发现将ICE 注入大鼠的成纤维细胞中会引起细胞的死亡，另外把ICE基因转染到大鼠的成纤维细胞中可以使细胞出现“自杀”现象。而将几种只能编码而无活性的突变型ICE基因转染到大鼠细胞，则不能发生细胞死亡，这提示ICE可能参与细胞凋亡的调节。有人发现ICE的这种作用受Bc1-2调控，当Bc1-2活化时，可直接或间接抑制ICE 的功能，此时细胞存活;当Bc1-2失活时，它对ICE的抑制解除，使ICE 活化，细胞进入凋亡过程。
到目前为止，已知的Ced-3/ ICE基因家族成员有:Ced-3、ICE、ICErel2Ⅱ、ICErel2Ⅲ、Ich-1、Nedd-2、Cpp32。这个家族的基因产物因能促进细胞死亡而被称为死亡基因，它们对细胞凋亡的调节一般认为都是通过蛋白水解激活或失活底物蛋白实现的。
2.3 c-myc、c-fos、c-jun 癌基因与细胞凋亡
在多数人类肿瘤细胞中发现c-myc的扩增和高表达能促进细胞增殖和恶性变并抑制细胞分化，有利于肿瘤的生成。c-myc 癌基因的持续高表达又可促进细胞凋亡。c-myc 基因所表达的Myc蛋白不仅参与细胞的转录调控，而且影响细胞凋亡速度及其对诱导因素的敏感性。阻断c-myc 基因表达则可防止细胞凋亡和使瘤细胞的存活期延长。
最近Kumar等报道，信号转导物与转录激活物(signal t ransducers and activators of transcription，STAT)与TNF诱导的细胞凋亡有密切联系。细胞因子与其对应受体结合后，通过JAK(J anus protein tyrosine ki2 nase) 激活STAT并与DNA结合调节转录，此条途径称为JAK-STAT 信号通路。Ku2mar等发现细胞缺乏STAT1时，可以防止TNF2α诱导的细胞凋亡。在含有突变体STAT1的细胞中不出现程序化细胞死亡，可能与ICE家族蛋白的缺陷有关。此外，激活STAT的蛋白抑制剂也可阻断STAT与DNA的结合活性抑制基因转录。
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