1、 诺 贝 尔 奖 工 作 回 顾 细 胞 凋 亡 的 分 子 机 制 及 其 在 当 前 医 学 中 的 应 用 2002年 诺 贝 尔 生 理 学 或 医 学 奖 工 作 介 绍 及 研 究 进 展宋 伟 3 宋 德 懋 3 3(北 京 大 学 医 学 部 生 理 学 与 病 理 生 理 学 系 ,北 京 100083)细 胞 凋 亡 ( apop tosis)或 程 序 性 细 胞 死 亡 ( p ro2grammed cell death, PCD)是 指 在 一 定 的 条 件 下 ,细 胞遵 循 固 定 的 程 序 ,自 己 结 束 生 命 的 过 程 1 。 从 细 胞功 能 上
2、看 ,一 个 多 细 胞 生 物 体 中 ,在 正 常 条 件 下 ,某些 细 胞 的 死 亡 是 细 胞 个 体 发 育 的 一 个 阶 段 (最 后 阶段 )。 这 种 死 亡 是 一 种 预 定 的 、 并 受 到 严 格 程 序 控 制的 正 常 个 体 发 育 过 程 ,称 之 为 程 序 性 死 亡 ( PCD )。从 形 态 上 看 ,上 述 细 胞 死 亡 有 其 特 定 的 形 态 学 变 化 ,例 如 细 胞 产 生 膜 泡 、 染 色 质 浓 缩 和 DNA降 解 等 等 ;具 有 上 述 形 态 学 特 点 的 细 胞 死 亡 称 之 为 凋 亡 。 由 于在 绝 大
3、多 数 情 况 下 ,程 序 性 死 亡 具 有 与 凋 亡 相 同 的形 态 学 变 化 ,因 此 ,这 两 个 概 念 或 名 词 可 以 看 成 是 从不 同 角 度 描 述 的 同 一 过 程 ,可 以 混 用 。从 形 态 学 上 看 (图 1) 2 ,细 胞 凋 亡 是 一 变 化 的过 程 。 首 先 细 胞 变 圆 ,随 即 与 周 围 细 胞 脱 离 ;细 胞 失去 微 绒 毛 ,胞 浆 浓 缩 ,内 质 网 扩 张 呈 泡 状 并 与 细 胞 膜融 合 ,核 染 色 质 密 度 增 高 ,凝 聚 在 核 膜 周 边 ;然 后 核染 色 质 断 裂 为 大 小 不 等 的 片
4、 段 ,与 某 些 细 胞 器 如 线粒 体 聚 集 在 一 起 ,被 反 折 的 细 胞 膜 包 围 。 从 外 观 上看 ,细 胞 表 面 产 生 了 许 多 泡 状 或 芽 状 突 起 ;接 着 这 些突 起 逐 渐 分 隔 , 形 成 单 个 的 凋 亡 小 体 ( apop toticbody) ;最 后 凋 亡 小 体 被 邻 近 的 正 常 细 胞 吞 噬 并 消化 。 细 胞 凋 亡 过 程 中 有 一 些 标 志 性 的 生 物 化 学 变化 3 :细 胞 膜 上 的 磷 脂 酰 丝 氨 酸 ( PS)由 膜 内 侧 面 翻到 外 侧 面 ;胞 质 内 蛋 白 酶 活 化 ,
5、发 生 级 联 反 应 ( cas2cade) ,同 时 有 能 量 消 耗 、 新 基 因 转 录 或 蛋 白 质 合 成等 变 化 ;细 胞 核 内 染 色 质 DNA被 核 酸 酶 酶 切 成 以 核小 体 180 200bp为 重 复 单 位 的 片 段 ,如 果 将 从 凋 亡细 胞 中 提 取 的 DNA进 行 琼 脂 糖 凝 胶 电 泳 ,会 形 成 梯状 的 DNA条 带 (DNA ladder)。从 细 胞 功 能 上 看 ,细 胞 凋 亡 对 多 细 胞 生 物 体 具有 重 要 的 意 义 4 。 一 方 面 在 生 物 发 育 过 程 中 细 胞 凋亡 可 以 清 除
6、没 有 功 能 的 、 不 需 要 的 、 不 正 常 的 和 有 害的 细 胞 ,优 化 组 织 器 官 的 结 构 和 细 胞 数 目 ,确 保 正 常个 体 发 育 。 另 一 方 面 在 生 物 体 整 个 生 命 过 程 中 ,每天 都 会 产 生 许 多 功 能 异 常 的 细 胞 ,如 癌 变 细 胞 、 衰 老细 胞 、 被 微 生 物 侵 袭 的 细 胞 等 。 细 胞 凋 亡 可 以 将 这些 细 胞 清 除 ,并 且 由 新 诞 生 的 功 能 正 常 的 细 胞 替 换 。因 此 ,体 内 细 胞 的 诞 生 和 死 亡 处 于 动 态 平 衡 ,从 而 维持 机 体
7、组 织 器 官 中 细 胞 数 量 稳 定 和 功 能 正 常 。图 1 在 发 育 中 的 大 鼠 小 脑 的 一 个 早 期 凋 亡 细 胞三 角 形 标 记 为 被 吞 噬 的 凋 亡 细 胞 碎 片早 在 1896年 科 学 家 就 已 经 在 鱼 类 神 经 元 的 发育 过 程 中 观 察 到 细 胞 凋 亡 的 现 象 ,细 胞 凋 亡 的 概 念最 早 是 由 英 国 阿 伯 丁 (Aberdeen)大 学 的 病 理 学 家 科尔 ( Kerr)提 出 的 1 ,同 时 他 还 详 尽 描 述 了 死 亡 过 程中 细 胞 的 形 态 学 变 化 。 进 入 20世 纪 60
8、年 代 后 ,细胞 凋 亡 的 研 究 进 入 到 基 因 水 平 ,先 后 有 三 位 科 学 家 ,即 美 国 加 州 伯 克 莱 科 学 研 究 所 的 Sydney B renner(1927年 出 生 )、 英 国 剑 桥 桑 格 ( Sanger)研 究 中 心 的John E. Sulston (1942年 出 生 )和 美 国 麻 省 理 工 学 院的 H. Robert Horvitz ( 1947年 出 生 ) (图 2) ,他 们 用秀 丽 隐 杆 线 虫 (Caenorhabditis elegans, C. elegans)作为 动 物 模 型 做 了 开 创 性 的
9、 工 作 ,为 此 共 同 获 得 了2002年 诺 贝 尔 生 理 学 或 医 学 奖 。 公 报 称 ,由 于 他 们发 现 了 器 官 发 育 的 基 因 调 控 和 细 胞 的 程 序 性 死 亡3 北 京 大 学 医 学 部 八 年 制 临 床 医 学 专 业 04级 学 生3 3 通 讯 作 者581生 理 科 学 进 展 2008年 第 39卷 第 2期( genetic regulation of organ development and p ro2grammed cell death)而 获 奖 。图 2 2002年 诺 贝 尔 生 理 学 或 医 学 奖 获 得 者一 、
10、 凋 亡 基 本 的 分 子 机 制 及 其 发 现(一 ) C. elegans细 胞 凋 亡 的 分 子 机 制 C. ele2gans的 细 胞 凋 亡 过 程 比 较 简 单 ,现 已 鉴 定 并 得 到 确认 的 是 共 有 四 个 基 因 编 码 的 蛋 白 质 参 与 了 凋 亡 过程 ,它 们 分 别 具 有 抑 制 、 启 动 或 产 生 效 应 的 作 用 ,包括 egl21、 ced23, ced24和 ced29 5 。 ced29 ( cell deathabnormal)与 哺 乳 动 物 Bcl22蛋 白 家 族 中 的 Bcl22蛋白 (见 后 述 )在 结 构
11、 和 功 能 上 同 源 ,具 有 抑 制 凋 亡 启动 的 作 用 。 egl21 ( egg laying defective)与 Bcl22蛋 白家 族 中 的 唯 BH3 域 蛋 白 (BH32only p roteins)同 源(见 后 述 ) ,具 有 启 动 凋 亡 的 作 用 。 ced24与 哺 乳 动 物的 衔 接 蛋 白 apaf21 (见 后 述 )同 源 ,具 有 推 动 凋 亡 进程 的 作 用 。 而 ced23则 与 哺 乳 动 物 胱 天 蛋 白 酶 蛋 白家 族 ( caspases)同 源 (见 后 述 ) ,具 有 执 行 凋 亡 的 作用 ,使 细 胞
12、 表 现 出 典 型 的 凋 亡 形 态 变 化 。C. elegans的 凋 亡 信 号 通 路 如 图 3所 示 。 在 正常 细 胞 中 , ced29结 合 在 线 粒 体 膜 上 ,并 且 与 ced24牢固 结 合 形 成 复 合 体 而 抑 制 ced24的 功 能 。 当 细 胞 接收 到 凋 亡 信 号 后 , egl21蛋 白 开 始 高 表 达 ,它 直 接 与ced29结 合 ,而 使 ced24与 ced29脱 离 进 入 胞 浆 ;而 后ced24与 ced23结 合 形 成 ced23 /ced24蛋 白 复 合 体 并移 向 核 膜 ,同 时 ced24与 ce
13、d23的 结 合 使 得 ced23在局 部 的 浓 度 升 高 ,有 助 于 ced23聚 合 和 自 我 活 化 ;最后 被 活 化 的 ced23催 化 水 解 细 胞 中 的 各 种 底 物 ,使细 胞 表 现 出 典 型 的 凋 亡 形 态 变 化 。图 3 C. elegans细 胞 凋 亡 信 号 通 路C. elegans的 凋 亡 信 号 通 路 看 似 简 单 ,然 而 它 的发 现 却 是 由 三 位 科 学 家 前 后 30年 承 前 启 后 的 艰 辛工 作 才 得 以 完 成 ,以 下 就 三 位 科 学 家 30年 来 的 研 究历 程 作 一 简 要 回 顾 。
14、(二 ) Sydney B renner将 C. elegans作 为 模 型 动 物为 凋 亡 研 究 提 供 绝 好 材 料 1953年 ,美 国 科 学 家W atson和 英 国 科 学 家 Crick在 英 国 剑 桥 大 学 卡 文 迪许 实 验 室 完 成 了 遗 传 物 质 DNA双 螺 旋 结 构 的 确 定 ,分 子 生 物 学 从 此 诞 生 。 之 后 的 数 十 年 中 ,分 子 生 物学 家 们 将 主 要 精 力 放 在 了 基 因 控 制 生 物 性 状 的 分 子机 制 的 研 究 上 。 到 了 上 世 纪 70年 代 ,分 子 生 物 学 有了 很 大 的
15、 发 展 ,基 本 阐 明 了 单 细 胞 原 核 生 物 基 因 表达 和 对 性 状 控 制 的 分 子 机 制 ,于 是 同 样 的 问 题 转 到了 多 细 胞 的 高 等 生 物 ,尤 其 是 基 因 如 何 控 制 细 胞 分化 和 器 官 发 育 ,进 而 将 这 些 不 同 种 类 的 细 胞 构 建 在一 起 组 成 一 个 完 整 有 序 的 生 物 体 6 。基 于 上 述 背 景 ,从 1966年 B renner进 入 这 一 研究 领 域 起 ,他 就 希 望 通 过 考 察 基 因 对 神 经 系 统 的 分化 发 育 以 及 对 生 物 行 为 的 控 制 来
16、研 究 上 述 问 题 ,而选 择 合 适 的 模 型 动 物 作 为 研 究 材 料 即 成 为 当 时 亟 待解 决 的 问 题 。 这 种 模 型 动 物 不 仅 要 适 合 实 验 室 进 行分 子 生 物 学 的 研 究 ,而 且 可 以 对 其 神 经 系 统 作 充 分的 考 察 ,包 括 神 经 系 统 从 受 精 卵 到 成 体 的 整 个 发 育过 程 ,以 及 容 易 观 察 成 熟 个 体 神 经 系 统 的 构 成 要 件及 各 神 经 细 胞 之 间 的 联 系 ,这 就 需 要 备 选 动 物 个 体很 小 且 神 经 系 统 只 有 很 少 的 细 胞 组 成
17、,这 样 就 可 以用 显 微 镜 对 动 物 进 行 动 态 观 察 。 1974年 , B renner发表 了 他 学 术 生 涯 中 第 一 篇 重 要 论 文 “ The genetics ofCaenorhabditis elegans” 7 ,在 这 篇 文 章 中 ,他 报 道 了用 C. elegans作 为 模 型 动 物 考 察 基 因 对 神 经 系 统 的分 化 发 育 以 及 对 生 物 行 为 调 控 的 分 子 机 制 。 B renner指 出 C. elegans作 为 模 型 动 物 有 诸 多 的 优 点 : ( 1)自然 存 在 的 C. elegan
18、s有 自 我 受 精 的 雌 雄 共 体 ( her2maphrodite)和 雄 性 体 (male)两 种 形 态 ,其 中 雌 雄 共体 细 胞 核 内 有 5对 常 染 色 体 和 一 对 性 染 色 体 XX,雄性 体 有 5对 常 染 色 体 和 一 条 性 染 色 体 X,这 对 于 杂交 实 验 进 行 基 因 定 位 很 有 利 ; ( 2) C. elegans成 虫 体长 1毫 米 ,便 于 显 微 镜 观 察 ; (3) C. elegans在 20 条件 下 生 活 周 期 为 3. 5天 ,从 受 精 卵 发 育 为 成 虫 经 历L1 4共 四 个 阶 段 ,在
19、琼 脂 糖 培 养 基 上 以 大 肠 杆 菌( E. coli)喂 养 可 以 使 其 大 量 生 长 繁 殖 ,这 样 就 可 以在 较 短 时 间 里 获 得 大 量 不 同 表 型 的 动 物 以 供 研 究 。B renner用 乙 基 甲 烷 磺 酸 盐 ( Ethyl methanesulpho2nate, EMS)做 突 变 剂 筛 检 出 了 约 300种 与 C. elegans681 生 理 科 学 进 展 2008年 第 39卷 第 2期形 态 和 行 为 有 关 的 突 变 体 ,涉 及 约 100个 不 同 的 基因 。 同 年 B renner还 与 John E
20、. Sulston合 作 对 C. el2egans的 DNA做 了 测 定 8 。B renner早 年 在 英 国 剑 桥 大 学 医 学 研 究 委 员 会分 子 生 物 学 实 验 室 (Medical Research Council Labo2ratory of Molecular B iology,MRC)所 作 的 工 作 为 之 后的 两 位 科 学 家 以 C. elegans为 模 型 动 物 研 究 细 胞 凋亡 的 分 子 机 制 提 供 了 绝 好 的 材 料 ,也 为 他 赢 得 2002年 诺 贝 尔 生 理 学 或 医 学 奖 奠 定 了 基 础 。 从 上
21、述 介 绍中 读 者 不 难 发 现 一 个 有 意 思 的 现 象 , B renner选 取C. elegans作 为 模 型 动 物 的 初 衷 并 非 为 了 研 究 细 胞凋 亡 ,然 而 “ 无 心 插 柳 柳 成 荫 ” ,正 是 这 一 明 智 的 选择 为 多 细 胞 生 物 细 胞 凋 亡 的 研 究 拉 开 了 序 幕 ,也 奠定 了 他 在 分 子 生 物 学 发 展 历 程 中 的 重 要 地 位 。(三 ) John E. Sulston完 成 C. elegans细 胞 谱 系绘 制 ,使 研 究 凋 亡 分 子 机 制 成 为 可 能 英 国 科 学 家John
22、 E. Sulston于 1969年 加 入 到 B renner在 剑 桥 的实 验 室 ,初 期 帮 助 B renner进 行 C. elegans神 经 系 统方 面 的 研 究 ,并 于 1974年 与 其 合 作 完 成 了 C. elegansDNA的 测 定 8 。此 后 , Sulston将 主 要 的 研 究 精 力 转 到 对 C. ele2gans细 胞 谱 系 的 研 究 上 。 他 利 用 当 时 B renner实 验室 现 有 的 微 分 干 涉 差 显 微 镜 ( differential interferencecontrast m icroscope)观
23、察 幼 虫 的 发 育 ,绘 制 胚 后 发 育的 细 胞 图 谱 。 由 于 需 要 观 察 幼 虫 的 动 态 变 化 过 程 ,不 能 将 其 处 死 做 成 压 片 ,而 应 保 证 其 活 力 状 态 ,然 而活 动 的 幼 虫 势 必 到 处 游 走 ,给 观 察 带 来 了 巨 大 的 麻烦 。 于 是 Sulston改 进 制 片 的 方 法 9 ,他 先 在 载 玻 片涂 上 一 层 极 薄 而 又 平 整 的 琼 脂 糖 ,将 幼 虫 置 于 其 上 ,再 在 盖 玻 片 的 下 面 抹 上 大 肠 杆 菌 后 盖 在 琼 脂 糖 层上 ,这 样 幼 虫 就 可 以 在 琼
24、 脂 糖 层 与 盖 玻 片 之 间 的 狭小 空 间 里 自 由 蠕 动 ,既 保 持 了 其 活 性 状 态 ,又 便 于 显微 镜 下 的 观 察 及 作 图 。 由 于 观 察 方 法 的 改 进 ,加 之Sulston极 其 耐 心 和 严 谨 的 科 学 态 度 ,使 得 研 究 的 进程 大 大 加 快 。1977年 Sulston与 后 来 加 入 B renner实 验 室 的H. Robert Horvitz合 作 完 成 C. elegans胚 后 发 育 阶 段细 胞 谱 系 9 的 绘 制 ,紧 接 着 在 1983年 又 完 成 了 胚 胎发 育 阶 段 的 细 胞
25、 谱 系 10 绘 制 。 Sulston通 过 耐 心 严谨 的 镜 下 观 察 发 现 , C. elegans的 雌 雄 共 体 从 一 个 受精 卵 到 发 育 成 熟 ,共 产 生 1090个 细 胞 ,其 中 的 131个 在 发 育 的 不 同 阶 段 发 生 程 序 性 死 亡 而 被 清 除 ,最终 成 体 共 有 959个 细 胞 ;产 生 的 这 1090个 细 胞 以 及程 序 性 死 亡 的 131个 细 胞 都 是 完 全 固 定 的 ,即 每 个细 胞 的 命 运 在 发 育 开 始 之 前 都 已 被 确 定 ,每 个 细 胞的 来 源 及 去 处 都 有 章
26、可 循 ,整 个 发 育 过 程 完 全 按 照设 计 好 的 程 序 有 条 不 紊 地 进 行 。 例 如 , C. elegans雌雄 共 体 发 育 进 入 L1中 期 时 在 腹 部 神 经 索 的 位 置 上共 产 生 12个 前 体 细 胞 P1 P12,在 之 后 的 胚 后 发 育过 程 中 ,这 12个 细 胞 将 发 育 为 腹 部 神 经 索 及 相 关 的神 经 节 。 在 L1期 , 12个 细 胞 每 个 都 按 相 同 的 模 式分 裂 产 生 5个 神 经 元 和 1个 皮 下 细 胞 ,接 近 分 裂 完成 时 有 9个 固 定 的 细 胞 发 生 程 序
27、性 死 亡 。 进 入 发 育的 L3期 后 ,由 P3 P8分 裂 而 来 的 皮 下 细 胞 互 相 靠拢 发 育 为 雌 雄 共 体 的 性 腺 ,其 中 由 P5、 6、 7分 裂 而 来的 三 个 皮 下 细 胞 经 过 一 系 列 的 细 胞 分 裂 最 终 产 生22个 细 胞 构 成 阴 门 ,而 由 P3、 4、 8分 裂 而 来 的 三 个皮 下 细 胞 的 子 代 细 胞 则 成 为 神 经 皮 下 细 胞 ,在 成 虫这 些 细 胞 位 于 皮 下 合 胞 体 内 (图 4)。 Sulston在 他 的研 究 论 文 中 10 还 详 细 描 述 了 发 生 凋 亡 细
28、 胞 的 形 态学 改 变 :细 胞 发 生 凋 亡 的 最 早 表 现 是 其 折 光 性 略 有增 加 ,接 着 胞 核 的 折 光 性 增 加 直 至 成 为 类 似 扁 平 纽扣 样 的 形 态 ,最 后 胞 核 折 光 性 减 弱 ,皱 缩 并 最 终 消失 ,整 个 过 程 在 1小 时 内 完 成 。图 4 C. elegans雌 雄 共 体 腹 部 神 经 索 胚 后 发 育 细 胞 谱 系Sulston在 进 行 上 述 工 作 过 程 中 还 检 测 到 了 一 个参 与 细 胞 凋 亡 的 突 变 基 因 nuc21 ( nuclease abnor2mal) 11 ,
29、nuc21的 功 能 缺 失 突 变 会 使 得 凋 亡 细 胞 皱缩 的 核 中 DNA持 续 存 在 ,提 示 了 这 个 基 因 与 死 亡 细胞 DNA的 降 解 有 关 ,而 不 是 启 动 凋 亡 。Sulston早 年 在 英 国 剑 桥 大 学 医 学 研 究 委 员 会 分子 生 物 学 实 验 室 完 成 的 C. elegans细 胞 谱 系 的 绘 制工 作 ,尤 其 是 131个 凋 亡 细 胞 的 确 认 为 研 究 凋 亡 的分 子 机 制 奠 定 了 坚 实 的 基 础 ,也 使 他 赢 得 了 2002年诺 贝 尔 生 理 学 或 医 学 奖 。(四 ) H.
30、 RobertHorvitz对 凋 亡 分 子 机 制 的 阐明 美 国 科 学 家 H. Robert Horvitz在 获 得 哈 佛 大 学博 士 学 位 后 于 1974年 加 入 到 B renner在 剑 桥 的 实 验室 ,并 于 1977年 与 Sulston合 作 完 成 了 C. elegans胚781生 理 科 学 进 展 2008年 第 39卷 第 2期后 发 育 的 细 胞 谱 系 的 绘 制 工 作 。 1978年 他 离 开 英国 到 美 国 麻 省 理 工 学 院 (M IT)继 续 C. elegans细 胞谱 系 及 其 他 相 关 的 研 究 工 作 ,并
31、 渐 渐 地 将 精 力 转 到以 C. elegans发 育 过 程 中 程 序 性 死 亡 的 131个 细 胞作 为 对 象 研 究 凋 亡 发 生 的 机 制 上 12 。 在 此 期 间 ,另一 位 科 学 家 Hedgecock发 现 了 C. elegans另 外 两 个与 凋 亡 相 关 的 突 变 基 因 ced21和 ced22 13 。 在 正 常情 况 下 ,凋 亡 的 细 胞 会 被 周 围 正 常 的 细 胞 吞 噬 清 除 ,显 微 镜 下 很 难 及 时 观 察 并 记 录 到 ;而 有 ced21或 ced22基 因 功 能 缺 失 突 变 的 凋 亡 细 胞
32、 则 可 以 长 时 间 存 在而 不 被 吞 噬 清 除 ,如 此 就 可 以 作 精 确 的 凋 亡 细 胞 部位 和 数 目 的 纪 录 。有 了 上 述 这 一 重 大 发 现 作 为 基 础 , Horvitz等 便以 ced21和 ced22的 突 变 体 作 为 对 象 ,开 始 筛 检 与 凋亡 启 动 或 调 解 有 关 的 基 因 ,并 于 1986年 首 次 报 道 发现 了 两 个 与 凋 亡 有 关 的 突 变 基 因 ced23和 ced24 14 。实 验 结 果 显 示 , ced23或 ced24的 功 能 缺 失 突 变 会 使得 C. elegans在 胚
33、 胎 和 胚 后 发 育 过 程 中 多 处 部 位 原本 应 正 常 凋 亡 的 细 胞 不 发 生 凋 亡 而 存 活 下 来 ,例 如在 其 腹 部 神 经 索 部 正 常 情 况 下 应 该 有 9个 细 胞 发 生凋 亡 ,而 ced23或 ced24的 功 能 缺 失 突 变 体 中 这 些 细胞 均 未 凋 亡 ,由 此 提 示 了 这 两 个 基 因 可 能 与 启 动 或推 动 凋 亡 有 关 。 1992年 Horvitz等 再 次 报 道 发 现 了另 一 个 与 调 节 C. elegans细 胞 凋 亡 有 关 的 突 变 基 因ced29 15 。 实 验 结 果
34、显 示 , ced29的 功 能 增 强 ( gain offunction)突 变 会 使 得 C. elegans在 胚 胎 和 胚 后 发 育过 程 中 多 处 部 位 中 原 本 应 正 常 凋 亡 的 细 胞 不 发 生 凋亡 而 存 活 下 来 ,例 如 在 其 前 1 /2咽 喉 部 正 常 情 况 下应 该 有 49个 细 胞 发 生 凋 亡 ,而 ced29的 功 能 增 强 突变 体 中 只 有 约 13 个 细 胞 发 生 凋 亡 ;与 此 相 反 ,若ced29的 功 能 缺 失 突 变 则 使 得 一 些 原 本 应 正 常 存 活行 使 功 能 的 细 胞 发 生
35、不 正 常 的 凋 亡 ,例 如 与 C. ele2gans雌 雄 共 体 产 卵 有 关 的 两 个 雌 雄 共 体 特 异 性 神 经元 ( hermaphrodite2specific neurons, HSN s)发 生 凋 亡 ,雌 雄 共 体 产 卵 发 生 障 碍 ,由 此 提 示 了 ced29可 能 与抑 制 凋 亡 的 启 动 有 关 。继 上 述 有 关 C. elegans凋 亡 分 子 机 制 的 开 创 性工 作 之 后 , Horvitz又 进 一 步 着 手 筛 检 人 体 内 与 上 述三 个 基 因 具 有 同 源 性 的 基 因 。 1993年 Horvi
36、tz研 究室 报 道 发 现 了 人 类 及 鼠 类 基 因 组 中 的 白 细 胞 介 素 21 2转 化 酶 ( interleukin21 2converting enzyme)基 因 与ced23基 因 有 高 度 的 同 源 性 16 ,而 白 细 胞 介 素 21 2转化 酶 就 是 后 来 在 哺 乳 动 物 中 发 现 的 著 名 的 凋 亡 执 行蛋 白 家 族 胱 天 蛋 白 酶 ( caspase ) 的 一 号 成 员caspase21。 紧 接 着 第 二 年 , Horvitz等 再 次 报 道 发 现了 人 类 基 因 组 中 的 原 癌 基 因 bcl22与 c
37、ed29基 因 有高 度 的 同 源 性 ,二 者 发 挥 同 样 的 功 能 17 ,而 bcl22蛋白 则 是 后 来 在 哺 乳 动 物 中 发 现 的 著 名 的 凋 亡 调 节 蛋白 质 家 族 Bcl22蛋 白 质 超 家 族 的 重 要 成 员 。 另外 , ced24的 同 源 基 因 apaf21基 因 由 其 他 科 学 家 于1997年 报 道 发 现 18 。Horvitz在 M IT所 作 的 关 于 C. elegans细 胞 凋 亡的 分 子 机 制 的 研 究 工 作 ,使 得 全 世 界 有 关 细 胞 凋 亡的 机 制 及 应 用 研 究 进 入 了 一 个
38、 全 面 发 展 的 阶 段 ,同时 也 成 为 他 荣 获 诺 贝 尔 奖 的 重 要 原 因 。二 、 凋 亡 的 研 究 进 展继 Sydney B renner、 John E. Sulston和 H. RobertHorvitz三 位 科 学 家 以 C. elegans作 为 模 型 动 物 阐 明细 胞 凋 亡 的 分 子 机 制 以 后 ,科 学 家 们 又 选 用 了 黑 腹果 蝇 (D rosophila melanogaster)和 小 鼠 (m ice)作 为 模型 动 物 进 一 步 研 究 细 胞 凋 亡 尤 其 是 哺 乳 动 物 细 胞 凋亡 的 分 子 机 制
39、 ,并 取 得 了 许 多 重 要 的 研 究 成 果 ,以 下简 要 介 绍 哺 乳 动 物 细 胞 凋 亡 分 子 机 制 的 研 究 进 展 。在 哺 乳 动 物 中 主 要 有 两 条 经 典 的 凋 亡 通 路 即 由死 亡 受 体 ( death recep tor, DR)介 导 的 凋 亡 途 径 和 由线 粒 体 介 导 的 凋 亡 途 径 。 在 介 绍 这 两 种 凋 亡 途 径 之前 有 必 要 先 介 绍 与 凋 亡 密 切 相 关 的 两 个 蛋 白 质家 族 。(一 )胱 天 蛋 白 酶 家 族 和 凋 亡 抑 制 因 子 家族 胱 天 蛋 白 酶 ( cyste
40、inyl aspartate2specific p rotea2ses, caspases)蛋 白 质 家 族 是 细 胞 凋 亡 中 核 心 的 启 动者 和 执 行 者 。 在 哺 乳 动 物 中 已 发 现 14种 同 源 分 子caspase 1214,其 中 的 caspase 8、 9等 为 细 胞 凋 亡 中 的起 始 胱 天 蛋 白 酶 ( initiator caspase) ,是 细 胞 凋 亡 的 启动 者 ;而 caspase 3, 6和 7则 是 细 胞 凋 亡 中 的 效 应 胱天 蛋 白 酶 ( effector caspase) ,是 细 胞 凋 亡 的 主 要
41、 执 行者 19 。通 常 在 正 常 细 胞 caspase以 单 链 酶 原 的 形 式p rocaspase存 在 并 与 凋 亡 抑 制 因 子 ( inhibitor of apop2tosis, IAPs)结 合 ,其 酶 切 功 能 被 抑 制 。 p rocaspase都由 一 个 N 端 的 前 导 肽 结 构 域 ( p rodomain)、 一 个 约20kD的 大 亚 单 位 (p20)和 一 个 约 10kD的 小 亚 单 位(p10)构 成 (图 5)。IAPs是 细 胞 内 天 然 存 在 的 一 类 抑 制 细 胞 凋 亡 的蛋 白 家 族 ,最 早 在 杆 状
42、 病 毒 ( baculoviruses)中 被 发现 ,在 哺 乳 动 物 有 c2IAP1、 c2IAP2等 成 员 ,这 些 蛋 白分 子 中 均 含 有 一 个 由 约 70个 氨 基 酸 残 基 围 绕 一 个Zn2 +构 成 的 特 征 结 构 域 B IR ( baculoviral IAP re2881 生 理 科 学 进 展 2008年 第 39卷 第 2期peat)结 构 域 。 现 已 证 实 c2IAP1、 c2IAP2可 以 通 过 结合 caspase 3、 7和 9,占 领 它 们 的 催 化 位 点 ,抑 制 其 酶切 功 能 ,从 而 抑 制 凋 亡 的 发
43、生 20 。图 5 胱 天 蛋 白 酶 的 结 构当 细 胞 发 生 凋 亡 时 , p rocaspase经 两 种 途 径 活 化成 为 四 聚 体 p2022p102: ( 1)有 少 量 蛋 白 水 解 酶活 性 的 p rocaspase局 部 寡 聚 形 成 蛋 白 复 合 体 并 互 相降 解 和 活 化 ,该 活 化 途 径 称 为 同 源 活 化 ( homo2acti2vation) ,起 始 胱 天 蛋 白 酶 较 多 采 用 此 种 方 式 活 化 ;(2)活 化 的 胱 天 蛋 白 酶 催 化 水 解 同 一 家 族 中 其 它p rocaspase成 员 ,该 活
44、化 途 径 称 为 异 源 活 化 ( hetero2activation) ,效 应 胱 天 蛋 白 酶 多 采 用 这 种 活 化 形 式 。活 化 后 的 效 应 胱 天 蛋 白 酶 开 始 执 行 凋 亡 的 过 程 :一方 面 它 们 直 接 酶 切 细 胞 内 的 结 构 蛋 白 和 功 能 蛋 白 ,破 坏 细 胞 结 构 和 功 能 ,例 如 caspase 6可 以 裂 解 核 纤层 ,使 核 纤 层 蛋 白 质 崩 解 ,导 致 细 胞 染 色 质 的 固 缩 ,形 成 凋 亡 小 体 ;另 一 方 面 ,它 们 激 活 其 它 参 与 凋 亡 信号 传 导 、 调 节 或
45、 执 行 的 蛋 白 质 ,推 动 凋 亡 进 程 ,间 接破 坏 细 胞 结 构 和 功 能 ,例 如 胱 天 蛋 白 酶 3和 7可 以激 活 一 种 DNA 酶 复 合 体 DFF (DNA fragmenta2tion factor)将 核 内 高 分 子 量 DNA分 子 酶 切 成 以 核 小体 (180 200bp)为 重 复 单 位 的 片 断 。 通 过 效 应 胱 天蛋 白 酶 的 复 杂 作 用 ,最 终 使 细 胞 表 现 出 典 型 的 凋 亡细 胞 的 形 态 学 变 化 。(二 )死 亡 受 体 介 导 的 细 胞 凋 亡 途 径 由 死 亡受 体 ( death
46、 recep tor, DR)介 导 的 细 胞 凋 亡 途 径 又 被称 为 细 胞 凋 亡 的 外 部 途 径 ( extinct pathway)。 死 亡受 体 与 相 应 配 体 结 合 而 被 激 活 ,经 过 下 游 系 列 信 号级 联 反 应 ,逐 级 激 活 起 始 胱 天 蛋 白 酶 (如 caspase 8)和 效 应 胱 天 蛋 白 酶 (如 caspase 3、 6、 7等 ) ,最 终 导 致细 胞 发 生 凋 亡 21 。 根 据 下 游 级 联 反 应 的 不 同 又 可以 将 其 分 为 两 类 22 。第 一 类 (图 6a)的 凋 亡 级 联 反 应 以
47、 死 亡 受 体 Fas为 代 表 介 导 启 动 ,死 亡 信 号 诱 导 复 合 体 ( death2indu2cing signal comp lex, D ISC)的 形 成 是 级 联 反 应 的 关 键步 骤 。 当 Fas的 配 体 FasL与 Fas结 合 后 ,使 Fas分子 发 生 局 部 寡 聚 化 (通 常 为 三 聚 化 )而 被 活 化 , Fas通 过 其 胞 浆 区 的 死 亡 结 构 域 ( death domain, DD )与Fas衔 接 蛋 白 FADD ( Fas2associated death domain p ro2tein) C 端 的 DD
48、结 构 域 结 合 而 招 募 FADD ,接 着FADD通 过 其 分 子 中 N端 的 死 亡 效 应 结 构 域 ( deatheffecter domain, DED )与 起 始 胱 天 蛋 白 酶 p rocaspase8 N 端 的 DED 作 用 ,招 募 p rocaspase 8。 由 受 体 2FADD2p rocaspase 8组 成 的 死 亡 信 号 诱 导 复 合 体 使p rocaspase 8在 D ISC局 部 的 浓 度 升 高 ,有 助 于 p ro2caspase 8的 同 源 活 化 。 被 活 化 的 caspase 8在 细 胞中 可 以 进 一
49、 步 激 活 下 游 的 效 应 胱 天 蛋 白 酶 caspase3、 6和 7,使 细 胞 走 向 凋 亡 ;也 可 以 酶 切 Bcl22蛋 白 家族 中 的 唯 BH3域 蛋 白 B id成 为 tB id ( truncatedB id) , tB id可 以 插 入 到 线 粒 体 外 膜 ,激 活 Bax/Bak,启动 线 粒 体 介 导 的 凋 亡 途 径 (见 后 述 ) ,这 也 使 得 细 胞凋 亡 外 部 途 径 与 线 粒 体 途 径 在 此 有 所 联 系 。第 二 类 (图 6b)的 凋 亡 级 联 反 应 以 死 亡 受 体 肿瘤 坏 死 因 子 受 体 1 ( tumor necrosis factor recep tor 1,TNFR1)为 代 表 介 导 启 动 。 当 配 体 TNF与 TNFR1结合 并 激 活 TNFR1后 , TNFR1在 质 膜 表 面 局 部 寡 聚 并招 募 同 样 有 DD的 衔 接 蛋 白 TRADD ( TNFR1
