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。
