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我的一篇综述 软骨细胞凋亡的研究进展
刘军 湘雅医院
骨关节炎（osteoarthritis, OA）是遍及世界范围的一种常见疾病，它在三大老年疾病中，患病率及患病人数位于首位，60-70岁的老年人的OA患病率为60%，70岁以上老年人的OA的患病率为70%[1]。OA是在力学因素和生物学因素的共同作用下，软骨细胞、软骨细胞外基质及软骨下骨三者间分解和合成代谢失衡的结果，目前对其病因及发病机制还不是很清楚。引起OA的原因涉及社会和环境等居多因素，近年来国内外更多在生物分子和基因水平研究其发病机制，发现OA的发病与内分泌紊乱、免疫异常、细胞因子的介入等有关，而细胞凋亡与骨关节炎的关系也是最近研究得较多的课题。
一．软骨细胞凋亡及其影响因素
在大多数情况下，生命体内的细胞死亡主要有两种形式，即细胞凋亡(apoptosis)和细胞坏死(necrosis)。“凋亡”一词来源于希腊语，意为秋天树叶枯萎凋谢的过程。细胞凋亡，是细胞自身主动死亡的过程，又称程序性细胞死亡（programmed cell death, PCD），是一个形态学现象，在光学或电子显微镜下主要表现为染色质的浓缩、细胞核的碎裂、凋亡小体(apoptotic bodies)的形成等一系列过程[2]。细胞凋亡是一个正常的生理过程，在这个过程中包括着复杂的生物化学变化，然而，过度凋亡则是病理性的和有害的。人类很多疾病如骨关节炎、癌症、心衰等的发生都与细胞凋亡有关，因此，研究细胞凋亡对探索这些疾病的病因及治疗有很大的指导意义。
1. caspases与细胞凋亡
1.1 caspases家族成员及其特点 1993年Yuan等发现秀丽隐杆线虫的Ced-3基因与哺乳动物ICE（interleukin-1caspasesβconverting enzyme）存在功能和序列上的高度同源性，和Ced-3一样ICE高表达可导致啮齿动物成纤维细胞凋亡。在人类，大约发现了14种ICE/Ced-3蛋白酶家族成员，命名为半胱氨酸天冬氨酸特异性蛋白酶(cysteinylaspartatespe-cificprotesae)，简称caspases,有人谓之“半胱天冬酶”。其家族成员有相似的氨基酸序列、结构和底物特异性，酶的作用物为天门冬氨酸。
caspases在细胞凋亡的过程中有极其关键性的作用，Matsuo M[3]等实验发现，在骨关节炎病人的软骨中，软骨细胞凋亡主要在浅层和深层，并且在同样的位置发现有较高的caspases表达，两者与骨关节炎的严重程度呈正相关。Dennis Lee[4]等发现，应用选择性的caspases-3，7抑制剂能阻止白鼠骨髓中中性粒细胞和人软骨细胞的凋亡，并且能降低体外诱导的骨关节炎的发生，认为caspases在软骨细胞的凋亡中起着关键的作用。根据caspases作用的不同可将其分为启动型（如caspase-2，-8，-10等）和效应型（如caspase-3，6和7）两大类，其特点有如下几个[4][5][6]：（一）与ICE具有同源性；（二）有高度保守的QACXG（X为R、Q或G）五肽序列；（三）通常情况下，caspases以活性很底的酶原形式存在，需要切除氨基端的一段序列才能被激活；（四）它们都为半胱氨酸蛋白酶，半胱氨酸残基是其催化活性所必需的；（五）活化的caspases能特异地水解一套蛋白底物，从而导致细胞凋亡；（六）正常情况下细胞内caspases总是与其抑制剂共存，以免caspases酶原被意外激活而对正常细胞造成损伤。
1.2 caspases的激活 没有生物活性或仅有很弱蛋白水解作用caspases在凋亡诱导信号的作用下，启动型caspases先通过结合特异辅因子而激活，发挥水解蛋白质的作用，从而激活效应型caspases，效应型caspases参与凋亡过程中发生的重要底物的剪切作用[5][6]。
caspases的激活主要有三种途径[5][7][8]。（一）死亡受体（death receptor，DR）途径，它们位于细胞膜上的，属于肿瘤坏死因子受体（TNFR）家族。死亡受体胞外有一个富含半胱氨酸的结构域，胞浆区有一由同源的氨基酸残基构成的结构，有蛋白水解功能，称死亡区域（death domain, DD）。已知的死亡受体包括TNFR-1、Fas（APO-1或CD95）、DR3（APO-3、TRAMP、LARD或wsl-1）、DR4（TRAIL-R1）、DR5（APO-2、TRAIL-R2）等。死亡受体的配体属于TNF 基因家族，当存在于细胞膜表面死亡受体与相应的配体结合后，引发细胞质中复杂的生化反应，诱发一系列细胞凋亡信号，从而激活caspases的活性，在这一途径中，发挥主要作用的是caspases-8。但这其中也有一些介导抗凋亡反应。Fas可通过胞内段的DD募集胞质中的Fas相关死亡结构域(Fas-associated death domain, FADD)。FADD的氨基端含有一个死亡效应结构域（death effector domain, DED），此DED和Caspase-8原域中的DED相互作用，把Caspase-8募集到Fas区域，形成Fas－FADD－Caspase-8的死亡诱导信号复合体(death-inducing singaling complex, DISC)，Caspase-8酶原自我剪切活化成活性Caspase-8，进一步激活下游的Caspase-3，Caspase-6, Caspase-7，引发细胞凋亡。而TNF通过TNFR-1和TNFR-2介导生物学活性，后两者在胞外结构域具有同源性，但TNFR-2缺乏DD,两者都可以介导凋亡。TNFR与TNF结合后，TNFR-1三聚体化，然后募集到衔接蛋白TRADD(TNFR-associated death domain)，TRADD在募集到其他几个衔接分子FADD, TRAF-2(TNRF-associated factor-2)和RIP(Receptor interactive protein)。RIP激活导致NF-kB活化，FADD通过募集和活化caspase激活凋亡通路.（二）线粒体途径：引起其发生的因素很多，如Bcl-2家族的Bax等。线粒体外膜含电压依赖的阴离子通道，膜间隙含细胞色素ｃ(Cytochrome c, Cytc), caspases酶原、腺甘酸激酶和凋亡诱导因子(apoptosis inducing factor, AIF)。线粒体是多种促细胞凋亡信号转导分子的靶点，又是细胞死亡的整合元件。在各种粗细胞凋亡信号作用下，线粒体通透性转变空不可逆的过度开放，导致线粒体跨膜电位崩解，呼吸链解偶联，基质渗透压升高，内膜肿胀，Cytc释放到胞浆，在ATP/Datp存在下，Cytc与凋亡蛋白活化因子(apoptotic protease-activating factor, Apaf-1)形成多聚体复合物，通过Apaf-1氨基端的caspase募集结构域募集细胞中的caspase-9前体，一个活化的Apaf-1可募集多个caspase-9，并使其自我剪切和活化，启动caspase的级联反应，激活下游的caspase-3 和caspase-7，完成对相应底物的切割，引起细胞凋亡。Bcl-2家族（包括bax，bak, bad, bid和bim）,控制线粒体内外膜的通透性。Bcl-2和bcl-xl主要分布于线粒体膜和细胞质中，具有拮抗凋亡的作用；bax和bid等分布与细胞质中，起促进凋亡的作用。（三）内质网途径：内质网在维持细胞内钙离子内环境稳定以及膜蛋白的合成、修饰和折叠等方面发挥关键性作用，在几乎所有肌肉细胞中钙离子的储存、释放和摄取都受到内质网蛋白的调控。大量研究表明，内质网在凋亡信号处理过程中发挥重要作用，导致下游caspases和其他蛋白酶的激活，但机理还不明确。caspase-12位于内质网膜，是内质网应激诱导凋亡所必需的。内质网应激诱导caspase-12表达，同时也导致胞质中的caspase-7转移到内质网表面，caspase-7激活caspase-12而导致细胞死亡。
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作者:admin@医学,生命科学 2010-09-27 12:36
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