Bcl-2家族与细胞凋亡的关系
作者：丛义梅，刘 鹏，金大鹏，关伟军，马月辉
【摘要】 凋亡相关蛋白中的Bcl-2 家族是细胞凋亡的关键调节因子，其抗凋亡和促凋亡成员协同作用，发挥着细胞凋亡开关的作用。抑凋亡蛋白平时被隔离在线粒体等细胞器内抑制促凋亡因子的释放, 具有抑制细胞凋亡的功能，但一旦与激活的促凋亡蛋白发生相互作用后, 便丧失了对细胞凋亡的抑制作用, 造成线粒体等细胞器的功能丧失和细胞器内促凋亡因子的释放, 导致细胞凋亡。现以Bcl-2家族与细胞凋亡的关系为主, 对Bcl-2基因家族蛋白质结构、调控细胞凋亡的分子机制进行综述。
【关键词】 Bcl-2家族；抗凋亡；促凋亡；凋亡
【Abstract】 Bcl-2 family is a critical regulatory factor in response to apoptosis. Anti-apoptotic and pro-apoptotic factors have synergistic effect and play a switch role. Usually, anti-apoptotic protein is insulated in organella, restraining the release of pro-apoptotic factor and controlling cell apoptosis. However, interacting with pro-apoptotic protein, it can not restrain apoptosis, induce the loss of mitochondrial function, accelerate the release of pro-apoptotic factor and result in apoptosis. The review focuses on the relationship of Bcl-2 family and apoptosis, Bcl-2 protein structure and molecular mechanism.
【Key words】 Bcl-2 family; anti-apoptotic protein; pro-apoptotic protein; apoptosis
细胞凋亡是受到严格调节的细胞死亡方式, 与机体发育、组织自稳定、肿瘤、自免疫疾病和神经退行性疾病的发生密切相关，是当前生命研究中最热门的领域之一［1］。Bcl-2 蛋白质家族是控制线粒体致凋亡因子释放的主要调节因子。在无死亡信号刺激时, Bcl-2抗凋亡蛋白一般作为细胞器膜的整合膜蛋白被隔离起来, 而促凋亡蛋白则以非活性的形式定位分布于胞质。当细胞受到死亡信号刺激后,促凋亡蛋白在某些蛋白酶的作用下便发生构象变化,从胞液中易位到细胞器的膜结构上, 尤其是线粒体外膜上, 并与膜上和膜内的抗凋亡蛋白发生相互作用, 使抗凋亡蛋白丧失对细胞凋亡的抑制活性, 引起细胞器功能丧失和各种促凋亡因子的释放, 最终导致细胞凋亡。
1 Bcl-2 蛋白质家族成员
1.1 抗凋亡成员 Bcl-2 和Bcl-xl 主要定位于线粒体外膜、内质网膜和核膜等［2］。但在细胞接受凋亡刺激后, 抗凋亡成员可受到磷酸化和蛋白质水解等修饰的调节。Bcl-2 和Bcl-xl 均可被蛋白激酶磷酸化或经死亡酶(caspase , CASP) 的催化裂解。 一种看法是这类修饰可能是Bcl-2 和Bcl-xl 发挥抗凋亡功能所必需, 但另有报道, Bcl-2 经蛋白酶催化裂解后则转变为促凋亡蛋白质分子, 因而可刺激Cyt c 释放［3］。Bcl-2 和Bcl-xl 定位于内质网膜和核膜, 可能与某些非线粒体依赖的细胞凋亡或是仅与其他细胞功能有关。 此外, 还发现少部分Bcl-2 和Bcl-xl 分布于细胞浆中, 其功能及其在细胞凋亡中的去向, 还不清楚。
1.2 促凋亡成员 促凋亡成员与抗凋亡成员相反, 有损伤线粒体的作用。绝大部分促凋亡成员分布于细胞浆中。Bax 是最早发现的促凋亡成员, 有关其细胞内定位的研究也最多。 Bax 分子结构中含有类似于抗凋亡成员的疏水C 端, 然而亚细胞分级和免疫组织化学实验均表明Bax 在正常细胞中主要定位于细胞浆。虽然在线粒体上也发现有部分Bax 存在, 但Bax 分子并非插入线粒体外膜内而是松散地附着于线粒体表面［4］。对于促凋亡成员中的蛋白质亚族, 如Bad、Bid 和Bim 等均主要存在于细胞浆中。Bak 是迄今发现的仅有的一个定位于线粒体的促凋亡蛋白质成员。但是, Bak 在正常细胞中并不表现促凋亡活性, 推测可能是在线粒体外膜中的Bak 与Bcl-xl 结合而被抑制的结果。 细胞受到凋亡刺激后, Bak 分子N 端暴露并发生构象变化, Bak得以与Bcl-xl 分离，释放出来的Bak 仍继续留在线粒体外膜内, 并与裂解激活的Bid 结合, 结果导致Bak 激活或Bak 寡聚化并形成Cyt c 的输出通道, 从而引起细胞凋亡［5，6］。
2 Bcl-2蛋白结构同源区域
Bcl-2 家族蛋白的一个显著特征是具有Bcl-2 同源结构域(Bcl-2 homology domain，BH)，主要体现在4个保守的区域, 即BH1 、BH2 、BH3 、BH4 结构域［7］。典型的抗凋亡成员如Bcl-2、Bcl-XL、Mcl-1、Bcl-W 等含有4 个短的保守的BH 结构域和一个C 端疏水尾状结构，即跨膜(TM) 结构域，这使得它们定位于线粒体的外膜，偶尔也定位于内质网的表面，其蛋白质的跨膜立体结构则朝向细胞质［8］，这类成员具有抗凋亡活性，可以使细胞免于死亡。BH3 结构域是死亡程序的关键性结构域，有关它如何与促生存相关分子相互作用调控凋亡的详细机理成为近年的研究热点［9，10］。虽然我们把这些成员都归为Bcl-2家族，但各成员在共有的BH3 结构域的氨基酸序列上并没有太多的相似性，一级结构存在较大的差异，但高级结构和功能却基本相仿，即作为一个典型的α螺旋结构发挥促凋亡功能。 BH3 结构域存在于Bcl-2 家族大多数成员的近N 端，缺失实验及用人工合成的BH3 结构域实验证明了BH3 结构域确实是细胞凋亡的关键性结构域，三维结构研究表明，BH3 结构域通常是促凋亡蛋白与抗凋亡蛋白形成二聚体所必需的［11～13］，并且一般是抗凋亡蛋白的BH1、BH2、BH3 结构域形成一个伸长的疏水口袋，而促凋亡蛋白的BH3 结构域作为一个两性螺旋结构与其结合，在此过程中抗凋亡蛋白的BH4 结构域可以稳定这种结合作用，这种结合使得BH3 结构域被覆盖，从而不能发挥其有效的促凋亡活性。
然而, 近来的研究发现, Bcl-2 家族蛋白成员中与Bcl-2 非同源的一些序列, 在细胞凋亡的调控中也具有十分重要的作用。Kataoka 等［14］发现了Bcl-2 家族蛋白的一个新成员--Bcl-rambo , 它和Bcl-xL 一样也具有与Bcl-2 同源的四个保守结构域(BH1 、BH2 、BH3 和BH4) , 但与Bcl-2 和Bcl-xL不同的是, Bcl-rambo 没有抗凋亡活性, 而具有促凋亡活性。此外, BH3 结构域并不是Bcl-rambo 所必需的致死结构域, 它还可以通过C 端的结构域和膜锚定位点来定位到线粒体膜上, 从而引起细胞色素C的释放, 引发细胞凋亡。该结构域是在位于C 端的由250 多个氨基酸残基组成的一段短肽序列, 与C 端的膜锚定结构域相连, 同其他BH 结构域没有任何同源性；而定位于Bcl-rambo N端的与Bcl-2 同源的氨基酸序列, 在凋亡过程中却不起作用。Bcl-2 、Bcl-xL 的过度表达以及死亡受体抑制剂均不能抑制Bcl-rambo 所引发的细胞凋亡,但半胱氨酸抑制剂却可以抑制它的促凋亡活性。
3 Bcl-2 基因蛋白家族作用的分子机制
近年来,有关Bcl-2基因蛋白家族作用机制方面进行了大量研究,对其已有了一定了解,并提出了几种作用模式,但确切的机制尚未确定。许多研究［15，16］认为,细胞色素C 等凋亡前体物质是通过线粒体膜上的膜通透性孔道(permeability transition pore , PT孔) 释放到胞质中的,PT 孔是位于线粒体内外膜之间的由不同蛋白质组成的复合体,主要由位于内膜的腺苷转位因子(adenine nucleotide translocator ,ANT) 和位于外膜的电压依赖性阴离子通道(voltage dependent anion channel ,VDAC) 等蛋白所组成,它是线粒体内外信息交流的枢纽,外界凋亡刺激因素可导致PT孔开放,这样就会引起线粒体跨膜电位下降和细胞色素C 释放。Harris 等［16］指出,Bcl-2 基因蛋白家族对于PT 孔的开放和关闭起关键的调节作用,促凋亡蛋白Bax 等可以通过与ANT或VDAC 的结合介导PT 孔的开放,而抗凋亡类蛋白如Bcl-2、Bcl-xL 等则可通过与Bax 竞争性地与ANT结合,或者直接阻止Bax 与ANT、VDAC 的结合来发挥其抗凋亡效应。有许多研究表明促凋亡蛋白Bax、Bak 等与ANT、VDAC 之间存在着物理相互作用。此外,Kuwana等［17］的研究发现,细胞内还存在以促凋亡蛋白Bax 为核心的不依赖于PT 孔复合体的凋亡调控机制,Bax 能够在人工脂质体膜上形成通道而不需要PT 孔复合体的参与,但需要Bid 蛋白和心肌磷脂的存在,从而介导细胞色素C 等促凋亡因子的释放,Bcl-x l则可抑制此过程。Mayer等［18］同样在研究中显示,线粒体介导的细胞凋亡可有PT 孔依赖的和PT孔非依赖的两种通路,细胞凋亡时究竟启动哪条通路取决于细胞所受的凋亡刺激。相关研究还发现,Bax 只有形成低聚物后才能在线粒体膜上形成孔道和释放细胞色素C。Mikhailov等［19］研究发现,发生膜转位Bax 在线粒体膜上形成了由四聚体到十聚体组成的低聚复合物,从而在线粒体外膜上形成通道介导细胞色素C 的释放,此复合物的形成可被Bcl-2 抑制。由上可见,Bax 对于细胞色素C 的释放起着关键的作用,在凋亡信号的刺激下Bax 可从胞质转位到线粒体膜上,从而启动线粒体介导的细胞凋亡。抗凋亡类Bcl-2 蛋白可以通过阻止促凋亡蛋白在线粒体膜上形成低聚体来发挥其抗凋亡作用［20］。4 展望
目前的研究绝大多数着重揭示的是Bcl-2 家族在线粒体与细胞质中如何发挥功能。对Bcl-2 家族成员的研究发现，Bcl-2 家族蛋白在细胞凋亡过程中由其抗凋亡成员和促凋亡成员之间协同作用，通过线粒体途径共同决定细胞是否进入凋亡程序。 但是，凋亡相关蛋白之间如何发挥作用仍不是很清楚。随着研究的深入，对Bcl-2 家族的应用研究将取得突破性的进展。
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