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线粒体和凋亡

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线粒体和凋亡
 
    Mitchell于1967年提出了线粒体在氧化磷酸化过程中的作用,据此在1978年获得诺贝尔化学奖。此后线粒体的功能被定性为细胞的“动力工厂”,通过氧化磷酸化为细胞提供能量,因此不再受到重视。直到后来发现凋亡相关基因Bcl-2家族位于线粒体表面后,线粒体在凋亡中的作用又引起了广泛的关注,并且很快发现线粒体与凋亡的关系极其密切。凋亡诱导基因Bcl―2家族的不同家族成员与线粒体表面膜通道蛋白VDAC相结合而调控通道的开放和关闭,对线粒体通透性起调节作用。很多凋亡的关键步骤包括caspase激活物的释放和电离子通道的改变,以及线粒体膜电位差的丢失等都发生于线粒体,因此线粒体 对凋亡的发生或抑制起重要作用。
(一)细胞色素C释放与凋亡复合体的形成
    在研究哺乳细胞凋亡的生物化学反应时,发现某些位于线粒体内膜的蛋白可以直接启动细胞凋亡,并导致细胞色素C释放到细胞质或细胞核。被释放的细胞色素C可以和Apaf―1结合,改变其构象,大大增加后者与dATP/ATP的亲和性,并且使细胞色素C―Apaf―1形成多聚体。与此同时,Apaf―1可以激活原形的caspase―9,形成细胞色素C/Apaf―1/caspase―9复合体,即凋亡复合体(apoptosome)。该复合体水解并激活下游的caspase通路如caspase―3等。
    凋亡复合体的形成是凋亡信号启动的关键步骤。目前发现激活的癌基因可以辅助凋亡复合体的形成,比如腺病毒EIA可以上调Apaf―1和caspase―9,E2F1可以上调Apaf―1的表达。Apaf―1的释放可促进凋亡复合体的形成,对凋亡的启动起促进作用。目前的研究认为,细胞色素C--~Apaf―1一caspase―9一caspase―3是一单向通路。在细胞色素C敲除的细胞中,Apaf―1只能以单体的形式存在。在Apaf―l或caspase―9敲除的细胞中不存在caspase―3的激活,即便有细胞色素C的释放也不行。凋亡过程中细胞色素C释放的同时伴随着Smac/Diablo(second mitochondria―derived activators Of caspase/direct IAP―bindingproteinwithlowisoelectricpoints)的释放。Smac前体在胞质中合成,继而转运到线粒体。成熟型的Smac通过N端的Ala―Val―Pro―Ile(AVPl)序列与细胞内的凋亡抑制蛋白(inhibitorofapoptosis protein,IAP)结合,后者是内源性的caspase抑制剂。1AP与caspase―9或caspase―3结合后将其灭活,从而抑制凋亡的发生。Smac与IAP的结合后,caspase―9和caspase―3释放,然后促发凋亡。
(二)caspase非依赖通路
    尽管caspase是凋亡信号起始和执行中非常重要的分子,但某些蛋白质从线粒体内膜腔释放而诱导的凋亡可以不通过caspase产生,称为caspase非依赖性通路。成熟型的丝氨酸蛋白激酶Omi(iV-名HtrA2),在凋亡发生时和Smac一起从线粒体释放到细胞质,一方面灭活1AP,释放caspase,对凋亡复合体起辅助作用,促进凋亡的发生(caspase依赖性通路);另一方面通过其丝氨酸酶活性来激活凋亡,称为caspase非依赖性通路。此外,凋亡诱导因子(apoptosis inducing factor,AIF)位于线粒体的内膜腔内,在凋亡的过程中从线粒体内释放进入细胞核,导致染色质沉着和大量的DNA片段化。AIF所诱导的凋亡似乎与caspase通路没有直接联系,因为广谱的caspase阻断剂并不能抑制AIF诱导的凋亡。过表达Bcl―2可以使线粒体表面的渗透性穿透孔处于关闭状态,抑制AIF的释放,但不能阻断AIF诱导的凋亡。由此可见,AIF是凋亡的执行因子之一,但其引起染色质沉着和DNA片段化的机制尚未阐明。另外,线粒体通透性的变化还会造成电子传输链的失调和膜电位丢失,使线粒体功能丧失,ATP产生障碍,此时促发的凋亡也是caspase非依赖性的。
    (三)线粒体外膜渗透性变化
    细胞色素C的释放意味着凋亡过程中有线粒体形态学的变化。尽管经典的形态学描述都认为凋亡过程中线粒体保持不变(表5―1),近年来的一些研究还是发现在凋亡早期线粒体会变得比较致密,其分布向核周围靠拢。这一发现进一步引申出一系列的问题:致密的线粒体是否与细胞色素C的释放有关?线粒体向胞核靠拢是否与能量的积聚和凋亡因子的释放有关等等。一般认为,细胞色素C的释放是由于线粒体外膜破裂或细胞色素C释放通道形成。凋亡早期由于水、电解质进入线粒体基质而造成基质稀释,线粒体内膜肿胀,导致外膜破裂。由于内膜并不破裂,因而线粒体的形态仍然完整。线粒体表面有贯穿外膜和内膜的通道“渗透性穿透孔”(permeability transition pore,PTP),主要由VDAC腺嘌吟核苷酸移位酶(adenine Nucleotide translocase,ANT)和亲环蛋白D(cyclophilin D,一种水溶性基质蛋白)组成。多种理化因素可以促进PTP打开。凋亡时Ca2+浓度增高,PTP打开,线粒体内膜渗透性增加,H+进入线粒体内外膜的间隙,膜电位差(Δφ)瞬时降低。Bax表达也可诱导PTP开放,导致进行性线粒体基质渗透性肿胀,最终外膜破裂,细胞色素C释放。
    如前所述,Bcl―2家族与VDAC的打开和关闭有直接关系。Bax和Bak可以促进VDAC开放,促进细胞色素C释放,而Bcl―X:.则可关闭VDAC。然而,关于VDAC通道还有其他各种假说,甚至相互矛盾,它们与凋亡的关系尚有待于进一步阐明。
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