细胞凋亡与低氧性肺损伤的研究进展
【摘要】 细胞凋亡普遍存在于真核生物的生理、病理过程中，高原地区低氧性肺损伤进一步促进了细胞的凋亡。低氧诱导因子?1（hypoxia inducible factor?1，HIF?1）为缺氧应答的全局性调控因子，在缺氧诱导的哺乳动物细胞中广泛表达，对缺氧具有特异感受性，参与体内许多缺氧反应性基因的转录调节，在低氧性肺损伤介导的细胞凋亡中有着重要的作用。
【关键词】 高海拔；细胞凋亡；低氧诱导因子?1
高原环境有诸多因素作用于人体，如低氧、寒冷、干燥、高辐射和气候多变等，但最关键的影响因素为低氧(hypoxia)。随着海拔升高，大气压下降，其中氧分压随之下降，由此从吸入气氧分压(Pi O2)到肺泡气氧分压(PA O2)至动脉血氧分压(Pa O2)均逐步下降，这种从大气到机体细胞线粒体的氧传送过程是呈瀑布式逐级递减降低，故也称“氧瀑布”。在3 000 m 以上的海拔高度机体已明显承受到低氧的刺激，使组织细胞处于应激状态，任何轻微的打击都可迅速诱发高原肺水肿(HAPE)，海拔越高，发病率越高，超过24 h 无好转或加重的HAPE可为高原多脏器功能障碍综合征(H?MODS)。
1 细胞凋亡与低氧性肺损伤的关系
细胞凋亡普遍存在于真核生物的生理、病理过程中，高原地区肺损伤进一步促进了细胞的凋亡。低氧激活凝血通路，抑制纤溶酶原活性，促发高凝状态反映了VEC?PVEC损伤和凝血?纤溶系统紊乱中的高原特点，而组织因子(tissue factor，TF)是启动这一病理生理变化的关键。有实验证明缺氧时TFmRNA表达量比常氧组动物高出20倍，转录水平高出15倍。若在致伤前封闭TF，则可使实验动物猩猩的肺损伤明显减轻或幸免[1]。烧伤后微血管通透性增加，体液外渗，有效循环血量降低，导致微循环灌注不足，组织器官及细胞发生缺血、缺氧、能量代谢障碍，成为可能引起细胞凋亡的因素之一。烧伤延迟复苏会促进氧自由基的增加， 氧自由基与一氧化氮(nitricoxide，NO)结合导致后者减少，NO具有保护细胞免于凋亡的作用。
2 低氧性肺损伤细胞凋亡的机制
2．1 缺氧诱导因子(HIF?1) 哺乳动物和人体内细胞存在着一类介导低氧适应性反应的转录因子，能激活许多低氧反应性基因(hypoxia responsive getles，HRG)的表达，它们是在低氧条件下维持氧稳态的关键性物质，称低氧诱导因子?1(hypoxia inducjhle factor?1，HIF?1)。HIF是由α和β亚基组成的异二聚体，α亚基表达受低氧诱导，β亚基则属构建型表达。序列同源性α亚基目前认为有三种，三者均受氧调节，是调节HIF活性的功能亚单位，三者在结构和功能上有许多相似之处。序列同源性α亚基目前认为有三种：HIF?1α，HIF?2α(也称为EPAS?1，MOP2，HLF，HRF)，HIF?3α，三者均受氧调节，是调节HIF活性的功能亚单位；而B亚基属构建型表达，不受p53，p21，Bcl?2蛋白质的基因，这3个基因都参与细胞周期的调节，在缺氧的条件下诱导细胞凋亡。HIF?1与缺氧反应元件结合后能促进Epo，VEGF等的表达，促进氧调节和影响，其功能可能与保持HIF结构稳定性及二聚化引起的活性构象转变有关。
HIF?1为缺氧应答的全局性调控因子，在缺氧诱导的哺乳动物细胞中广泛表达，是由两个蛋白亚基组成的二聚体转录因子，对缺氧具有特异感受性，参与体内许多缺氧反应性基因的转录调节，是机体缺氧应答中的关键作用因子。常氧时，HIF?1α通过泛素—蛋白溶解酶体通路降解而几乎检测不到，因其t1/2很短(约5 min)。但细胞低氧时(如1%氧浓度)其t1/2增加到约30 min。HIF?1调节的基因涉及细胞能量代谢、离子代谢、儿茶酚胺代谢及血管的发生，其介导转录的基因包括：Epo、血管内皮生长因子(VEGF)、葡萄糖转运蛋白1和3、血红素氧化酶l、诱导型一氧化氮合酶、运铁蛋白、转铁蛋白受体基因及编码p53，p21，Bcl?2的基因，其中p53、p21和Bcl?2基因都参与细胞周期的调节，在缺氧的条件下诱导细胞凋亡。HIF?1α在缺氧控制的细胞生长和凋亡中有重要作用，缺氧可能是p53最常见的生理诱导因素。 有人发现体内缺氧诱导的凋亡所必需的p53能抑制HIF?1α转录激活。 抑制HIF?1α的p53水平比p53介导转录激活所需的水平高，p53的转录激活功能与抑制HIF?1α活性无关[2]。缺氧诱导p53需要HIF?1α协同诱导，HIF?1α能与p53结合并使其稳定。低氧诱导的细胞抑制和凋亡中p53，p21上调和Bcl?2下调都依赖HIF?1α。缺氧诱导因子(HIF)是低氧时机体产生的一种重要的蛋白质调节因子，与低氧环境下组织细胞各种细胞因子的表达调控密切相关。
2．2 丝裂原活化蛋白激酶(MAPKs)的作用 丝裂原活化蛋白激酶(MAPKs)是细胞内的一类丝氨酸和（或）苏氨酸蛋白激酶。它的成员由ERK(extracellularsignal regulate dprotein kinasc，ERK1/2)、JNK(c?JunNH2?terminalpro?teinkinase，JNK)和p38MAPK组成。MAPKs信号转导通路存在于大多数细胞内，在将细胞外刺激信号转导至细胞及其核内，并引起细胞生物学反应(如细胞增殖、分化、转化及凋亡等)的过程中具有至关重要的作用。ERK信号通路通常被认为在生长因子介导的细胞增殖和分化过程中发挥重要作用，并可作为阻止细胞凋亡的存活因子。JNK/SAPK及p38MAPK为应激激活的蛋白激酶。这两条通路的激活被认为参与多种应激所介导的细胞凋亡。但是这3种蛋白激酶的激活在细胞凋亡中的作用仍存在争议。例如，在cis?platin介导的细胞凋亡中要求ERK的激活，因此，目前认为丝裂原活化蛋白激酶(MAPKs)家族3个成员在细胞凋亡中是否起保护或损伤作用依赖于细胞类型和介导凋亡的方式。在低氧时，不同的细胞在不同的低氧环境中，MAPK亚类的活性变化以及作用途径有所差别。低氧时诱导线粒体活性氧(ROS)产生增加(以Hep3细胞实验证实)，引起ERK活化；不仅Hep3细胞，其他不同的细胞中(包括JB6、MCI以及鼠内皮细胞)，ERKl和ERK2也可被ROS活化[3]，在中度低氧(6%)时p38MAPK/SAPK途径强烈活化，ERK活化的程度较低，JNK几乎没有活性；当该细胞经受严重缺氧时(1%，6 h)，ERKl活性显著升高。
2．3 Fas?FasL Fas?FasL系统，Fas又称CD95或APO?1，是一种跨膜蛋白，广泛表达在糖基化的细胞表面。Fas属于I型跨膜受体，但它也可以通过转录水平的不同剪接，产生可溶性的分子sCD95(solubleCD95)。FasL在结构上呈球状三聚体，与TNF超分子家族同源[4]，是Ⅱ型跨膜受体。细胞在接收到经Fas传递的凋亡信号后，主要经两种途径引发细胞程序性死亡，据此将对Fas介导的细胞凋亡敏感的细胞分为两种：FasI型细胞和FasⅡ型细胞。国外有学者认为，在高海拔地区低氧条件下FasI型细胞，通过caspase途径转导凋亡信号；而FasⅡ型细胞，通过线粒体膜电势的消失，粒体膜通透性增高，细胞色素c释放，细胞色素c与Apaf?1、caspase?9 前体、ATP/dATP形成凋亡体(apoptosome)，然后召集并激活caspase?3，进而引发caspases级联反应，导致细胞凋亡[5]。
2．4 Bcl?2家族 Bcl?2家族成员具有形成同源或异源二聚体的能力，其成员既可以单独也可共同在细胞凋亡中发挥作用。低氧诱导bcl?2表达下调，缺氧诱导促凋亡蛋白Bax通常在胞质中以单体的形式存在，当对细胞撤除生长因子之后，细胞接受到死亡信号的刺激，此时Bax发生了构象的改变。或者，一些仅含BH3结构域的促凋亡蛋白，如Bad，Bik可以和抗凋亡蛋白Bcl?2结合的同时拮抗了Bcl?2的抗凋亡作用，从而使得Bid和Bim可以直接激活Bax[6]，导致Bax移位到线粒体并形成同源二聚体蛋白通道，这种插入到线粒体外膜的Bax通道足以促进细胞色素c的释放，接着导致caspase的激活和细胞凋亡[7]。这种构象的改变诱导凋亡还表现在pH值对Bax构象、寡聚物的形成和线粒体整合的影响[8]。低氧条件下Bcl?2家族表达发生变化。采用DNA降解、TUNEL染色和Bcl?2mRNA点杂交检测大鼠在慢性缺氧时胸腺细胞的增殖能力，结果表明慢性缺氧可通过降低Bcl?2基因的表达来促进大鼠胸腺细胞凋亡的发生。Bcl?2可抑制导致凋亡或坏死的活性氧形成，还通过调节质子流出而阻断细胞凋亡。应用电镜、流式细胞仪技术研究证实缺氧诱导凋亡和坏死的发生。缺氧诱导的凋亡主要是被抗凋亡蛋白过表达来阻滞的，并且是以剂量依赖性的方式作用。
2．5 p53 细胞凋亡是细胞在自身基因调控下的一种主动死亡过程，p53是与细胞凋亡相关的因子之一。缺氧可能是p53最常见的生理诱导因素。有人发现体内缺氧诱导的凋亡所必需的p53能抑制HIF?1α转录激活。p53蛋白是一种定位于细胞核的鳞蛋白，能够促进细胞的终末分化和细胞凋亡，身体所有组织都有p53表达，但快速的代谢转换使正常细胞的p53蛋白量维持于低水平。除了与凋亡密切相关，p53还被证实是一种转录因子，介导下游基因的转录[9]。相关实验证实，低氧能增加神经细胞、心肌细胞、肿瘤细胞等的凋亡以及凋亡相关因子p53，Bax表达的显著变化。对于肺组织内低氧导致的p53蛋白的变化，目前结论不一致，有低氧导致肺细胞增加凋亡的报道但国内亦有相反报道。李荣等[10]报道低氧时肺动脉平滑肌细胞内凋亡基因减少，凋亡受到抑制，从而参与了低氧时慢性肺血管重建和肺动脉高压的形成。国外有学者认为，低氧环境下产生两种形式的p53即野生型p53和突变型p53，分别在细胞凋亡和血管生长过程中发挥重要作用。在相同的低氧环境下，体外培养细胞与整体动物细胞相比，突变型p53能够更迅速地占据主导作用，促进组织血管的生长。有实验对肺组织细胞内p53蛋白的研究表明，p53在正常时有少量表达，随氧浓度的降低和低氧时间的延长，该蛋白表达逐渐增多。3种不同的氧浓度中p53蛋白表达以5%时达到最多。TUNEL实验证实，慢性低氧肺内凋亡细胞增多，光镜和电镜观察，可见肺部细胞内核染色质边集、产生凋亡小体等凋亡的特征性表现，这表明低氧时肺细胞内p53介导的凋亡明显增强。
2．6 泛素NF?κB激活通路 核因子kappa增强子结合蛋白(nuclear factor kappaerl haricer binding protein，NF?κB)是细胞中重要的转录因子，控制着细胞的免疫应答、炎性反应和凋亡等过程。泛素化调控着NF?κB活化过程当中的许多步骤—NF?κB的抑制子核因子kappaB抑制子(inhibitor of nuclear facto kappa?B，IκB)的降解，I κB激酶(IKK)的活化等[11]。经典的泛素一蛋白酶通路和非经典的泛素通路都参与了NF?κB的活化过程。生理状态下，存在于细胞质内的NF?κB通过与抑制分子IκB?a(inhibitor κB?a)结合处于非活化状态，经过刺激后的IKB?a被磷酸化或弱化，强化异二聚体NF?κB复合物移向核内形成与启动子结合的编码序列激活转录。高海拔地区缺血缺氧后肺组织IKB蛋白表达减弱，启动了TNF?α mRNA的转录，使肺组织内TNF?α蛋白合成增加，引起肺泡毛细血管基底膜损伤。提示NF?κB介导的炎症反应可能是急性缺血缺氧引起新生大鼠肺损伤的重要原因。活性氧(ROS)/缺氧的信号传导途径也是引起胞内抑制基因蛋白kapp?B(IκB)降解，促使NF?κB核内转移，调节基因表达PMN?ICAM?1上调的重要机制，不论有无LPS的参与都可诱发H?ARDS/MODS的发生[12]。
3 低氧性肺损伤细胞凋亡中其他因素
3．1 氧自由基(0FR) 0FR的损伤作用是OFR的产生与灭活失衡的结果。在正常情况下，机体内OFR产生与消除处于动态平衡状态。OFR在机体代谢过程中不断产生，参与机体防御作用及某些生物活性物质的合成。另一方面机体又不断清除过多的自由基，免于其对组织细胞造成损害。在高海拔地区严重烧伤延迟复苏后肺组织中OFR生成增加，其主要途径为黄嘌呤氧化酶系统，此系统是缺血缺氧后再灌注过程中OFR的主要来源。
3.2 线粒体 低氧所致细胞凋亡，均首先发生线粒体跨膜电位崩解，释放物可导致核凋亡的发生，凋亡诱导因子如缺氧、Ca2+、药物使线粒体通透性增高，其内Ca2+等离子释放及质子渗漏，使Ca2+超载，线粒体跨膜电位丧失及呼吸链断裂，ATP下降，活性氧过量生成，且激活凋亡执行的核心元件Caspase酶系等凋亡相关因子，线粒体跨膜电位崩解时释放出凋亡相关蛋白一凋亡诱导因子、细胞色素C诱导凋亡。
3．3 角化细胞生长因子(KGF) KGF又称FGF?7，是介导间质与上皮之间相互作用的一种生长因子。它只在间质细胞中表达，以旁分泌形式作用于上皮细胞，特异性刺激上皮细胞增生，而对间质细胞及其他细胞无此作用。KGF在少数研究近期揭示KGF基于自身促细胞分裂功能介导细胞存活，而且KGF通过Nrf?2通路抑制在ROS诱导的凋亡[13]。Welsh等发现在一个低氧性肺损伤模型中，角化细胞生长因子预处理可减少肺损伤时液体积聚，减轻肺水肿，降低肺干湿比，肺泡腔内蛋白积聚减少[14]。
4 小结
上世纪末，对
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