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【细胞凋亡原创系列二】细胞凋亡通路

2019-03-05 15:08阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/2884350032

细胞凋亡通过信号传导通路发生，有序而不失节奏的经历着启动、进行、结束的过程。每条传导通路由于受到重要因子的精准调控，天生兼具复杂而独特的机制与气质。
介导凋亡的信号通路主要可分为3大类，分别是线粒体通路（或内在通路intrinsic pathway）、死亡受体通路（或外在通路extrinsic pathway）以及内质网通路。各通路间相互作用、互相联系，共同调节凋亡过程。每条通路中包含不同的实现途径，下面向大家一一介绍。
线粒体通路
1.Cyt C途径
线粒体是细胞凋亡的调控中心，Cyt C作为关键性分子，是胞核基因编码的蛋白质，其释放介导的凋亡途径与Bcl-2家族成员的调节控制有关。
受到凋亡刺激后（如：DNA的损伤、生长因子缺乏等），引起Bax/Bak形成低聚物复合体，插入到线粒体外膜孔隙，导致线粒体渗透压改变，跨膜电位丢失，促使Cyt C从线粒体释放到细胞质，并与细胞凋亡激活因子1（Apaf-1）结合形成凋亡复合体，活化Caspase-9前体，进而激活Caspase-3和Caspase-7，引发Caspase级联反应，从而诱发细胞凋亡。期间，Smac、Omi和ARTS等其他促凋亡蛋白抑制IAPs，共同促进凋亡反应[2]。
【细胞凋亡原创系列二】细胞凋亡通路

图1 Cyt C介导的凋亡通路[2]


2. PTP通道
蛋白质酪氨酸磷酸酶（protein tyrosine phosphatase，PTP）镶嵌在线粒体内膜和外膜之间，介导形成线粒体通透性转换孔（Mitochondrial Permeability Transition Pore，MPTP），可以无选择性地允许≤1.5 kD分子通过，当线粒体基质内处于高渗透压时，通道开放引起凋亡[1]。Zhang等[3]从远志的根中，分离PTP，作用于人卵巢癌OVCAR-3细胞，实验表明PTP能够介导线粒体通路，引发凋亡反应。
死亡受体通路
死亡受体（DR）包括多种分子，均属肿瘤坏死因子受体TNFR基因超家族。目前已知的死亡受体有5种，TNFR-1、Fas（CD95）、DR3、TRAIL-R1（DR4）和TRAIL-R2（DR5）。
【细胞凋亡原创系列二】细胞凋亡通路
图2 死亡受体通路[4]
1. Fas/FasL和TRAILR/TRAIL途径
作为肿瘤坏死因子TNF家族促凋亡成员，FasL和TRAIL分别与死亡受体Fas（CD95）、TRAIL-R1（DR4）或TRAIL-R2（DR5）结合，形成死亡诱导信号复合体（DISC），DISC包含接头分子FADD和Caspase-8酶原，Caspase-8酶原自我剪切形成活性Caspase-8，启动下游的Caspase级联反应[4]。
其次，活化的Caspase-8能够切割Bcl-2家族促凋亡蛋白Bid，产生的带羧基片段tBid可以转移到线粒体，与线粒体膜结合引起线粒体释放Cyt C等促凋亡物质，引发凋亡反应。
2. TNFR1/TNF途径
在TNFR-1介导的凋亡通路中，三聚化的TNFR-1募集接头蛋白TRADD，TRADD通过自身的DD可汇聚FADD、RIP和TRAF-2。这里分2条通路：（1）当结合的是FADD，便导致Caspase-8前体寡聚化，引发Caspase级联反应和凋亡；（2）当结合的是RIP，便激活TRAF-2，形成TRADD-RIP-TRAF-2复合物，通过磷酸化进一步激活NF-κB诱导激酶（NIK），NIK活化IκB激酶（IKK），IKK磷酸化IκB，导致NF-κB的降解和释放，NF-κB转位至细胞核发挥激活转录的作用，主要激活一些抗凋亡基因如c-IAP1等的转录，继而通过抑制caspase-8的活化等途径发挥抗凋亡作用[1]。
因此，TNFR可能参与凋亡和抗凋亡两种截然相反的信号途径。TNFR通路活化后，细胞的发展方向取决于双方的信号水平强弱等因素。
内质网通路
内质网在细胞中负责蛋白的合成、加工和修饰。在病毒感染、钙稳态失调等的情况下，致使非折叠蛋白的累积和聚集，导致严重的内质网应激反应（ER stress）。越来越多的研究显示，持续的ER stress大多来源于非折叠蛋白反应（unfolded protein response，UPR）状态的改变[5]。
【细胞凋亡原创系列二】细胞凋亡通路

图3 内质网信号通路
（图片来自网络）
1. IRE1信号通路
UPR条件下，IRE1-JNK帮助细胞自救，是重要的信号通路。一方面，IRE1活性运动可切割XBP-1 mRNA，使它成为有效的转录激活因子，诱导蛋白基因转录，编码ER分子伴侣，缓解ER压力。另一方面，IRE1可结合TRAF2，通过激酶活性增加ER stress，在ASK1存在条件下，激活JNK。持续的ER stress使得IRE1募集TRAF2，激活ASK和JNK的蛋白激酶，启动凋亡级联[6]。
2. PERK信号通路
ER stress增加PERK蛋白激酶活性，PERK磷酸化elF2，抑制蛋白翻译和合成，缓解ER压力。同时，elF2的磷酸化能够选择性地启动ATF4翻译，增加其结合配体的合成，影响氨基酸代谢，从而抑制蛋白的翻译和合成[6]。
正常情况下，CHOP在细胞质中维持低水平表达。当ER stress发生时，Bip/GRp78与内质网跨膜蛋白PERK、ATF6等的解离均能激活CHOP[1]。
CHOP诱导凋亡蛋白（如：GADD34、ERO1、DR5）的表达，可直接激活GADD34，促进ER下游蛋白的生物合成。实验显示，氧化酶ERO1a很可能在二硫键形成过程中介导适应性反应失败或持续性压力。因此，CHOP的过度表达能够导致活性氧（ROS）的产生，引发ER stress，介导凋亡[6]。同时，CHOP的大量表达，也可引起Bcl-2表达的下降，导致Bax从细胞质转运至线粒体，启动线粒体凋亡通路[1]。
Ca2＋途径
由于Ca2＋在线粒体和内质网凋亡通路中也扮演着重要的角色，所以我们放到最后一起介绍。
在体内，Ca2＋浓度对维持线粒体膜的通透性起着重要作用，线粒体内钙离子浓度的上升会导致ROS的产生，进而释放Cyt C，诱导凋亡。
Ca2＋也可维持内质网的稳定，并且调控了大量的酶反应。其正常状态的改变可引发ER stress，开启JNK通路，刺激Bax活化。除此之外，Ca2＋能够调节Calpain，Calpain切割Bax N端，产生促凋亡片段，可促进凋亡反应。


除了上述主要信号通路外，还有其他介导凋亡的途径，有些作用机制还不是很清楚。也许正是因为神秘的特质，所以生命科学激发着一代又一代科研工作者的兴趣。这是一片广阔而有趣的微世界，也正等待着我们的积极探索。当它神秘的面纱一点一点被揭开，当我们一步一步地更加了解自己，当人类的疾病和苦痛因为某项发现或某种发明得到了缓解，我们是不是应该迎着朝阳感慨道：且将新火试新茶，科研，趁年华！

本期分享的内容就到这里了，下期我们开始将理论转化成实践，从“细胞凋亡的检测手段”之早期检测入手，给您带来多样的检测方法，精彩内容不容错过，我们下期见。


参考文献
[1] 蒋红，李继昌，王宏军. 细胞凋亡的信号通路和检测方法. 中国饲料，2012（13）：24-29.
[2] Xiong, S.B., et al., 2014. Mitochondria-mediated apoptosis in mammals. Protein & Cell, 5(10), 737-749.
[3] Zhang, F., et al., 2015. Polygala tenuifolia polysaccharide PTP induced apoptosis in ovarian cancer cells via a mitochondrial pathway. Tumour Biol, 36(4), 2913-9.
[4] Obexer, P., and Ausserlechner, M.J., 2014. X-Linked Inhibitor of Apoptosis Protein – A Critical Death Resistance Regulator and Therapeutic Target for Personalized Cancer Therapy. Front Oncol, 4, 197.
[5] Wang, W.A., Groenendyk, J., and Michalak M., 2014. Endoplasmic reticulum stress associated responses in cancer. Biochim Biophys Acta, 1843, 2143–2149.

[6] Liu, K., et al., 2017. Roles of endoplasmic reticulum stress and apoptosis signaling pathways in gynecologic tumor cells: A systematic review. Oncology and Translational Medicine, 3(3), 131-135.


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