细胞凋亡与自噬相互影响的研究新进展

细胞凋亡与自噬相互影响的研究新进展

蒋炀徐晓晗

蒋炀徐晓晗(中国医科大学辽宁沈阳110001)

【摘要】细胞凋亡与自噬都是机体的重要功能，对凋亡与自噬的形态结构及发生的分子机制的研究是当前的一个热点。凋亡可以通过多种途径抑制自噬的发生，自噬亦可以抑制凋亡。在研究二者发生机制的过程中，相关分子（如Beclin-1等）在二者之间的频繁交叉出现预示着凋亡与自噬存在必然的联系。二者相互影响关系，预示着此种理论在治疗恶性肿瘤等疾病中，具有潜在的可行性。

【关键词】凋亡自噬Beclin-1Caspase

【中图分类号】R329.2【文献标识码】A【文章编号】2095-1752（2012）12-0057-02

一前言

细胞凋亡(apoptosis)是指为维持内环境稳定，由基因控制的细胞自主的有序的死亡，又称之为程序性细胞死亡(ProgramCellDeath)。最早是1972年由Kerr教授根据形态学特征首先提出的。细胞凋亡与细胞坏死不同，细胞凋亡不是一个被动的过程，而是主动过程，它涉及一系列基因的激活、表达以及调控等作用。它并不是病理条件下自体损伤的一种现象，而是为了更好地适应生存环境而主动争取的一种死亡过程。

自噬(autophagy)是细胞利用溶酶体降解自身受损的细胞器和大分子物质的过程，是真核细胞特有的生命现象。自噬现象最早是Ashford和Porten于1962年用电子显微镜在人的肝细胞中观察到。但直到最近十几年，随着酵母模型的建立和基因技术的发展，人们对自噬分子机制和形态特点的了解才逐渐深入,并认识到自噬性细胞死亡有别于凋亡(I型程序性死亡),而被称为II型程序性死亡。其实称自噬为自噬性细胞死亡是不准确的，自噬对细胞的影响并不一定局限于损害细胞自身的结构和物质，相反，对细胞具有很好的保护作用，是一种自我保护的主动措施。比如清除衰老、受损的细胞器，清除细胞内感染的病原体，在营养不足条件下重复利用营养物质和节约能量等[1]。

二细胞凋亡分子机制

细胞凋亡是受基因调控的精确过程，其激活途径主要有两条，一条是体外信号刺激，另一是细胞内的信号刺激，两种途径都能诱导激活半胱氨酸蛋白酶Caspase，导致细胞凋亡的发生。

(1)体外信号刺激，是指相关配体通过与细胞膜上的死亡受体，如：Fas，TNFR1等结合，形成死亡诱导信号复合物(Death-inducingsignalingcomplex:DISC)，DISC可催化Caspase8前体裂解，生成具有活性的Caspase8，Caspase8可诱导下游的效应Caspase活化，导致凋亡的发生。

(2)细胞内的信号刺激是指细胞DNA破损，炎症感染等不利于细胞存活的信号刺激，导致线粒体内的细胞色素C等物质释放，Caspase被激活，诱导细胞凋亡。线粒体对细胞色素C的通透性主要是由Bcl-2家族蛋白调控的。Bcl-2家族蛋白可分为三类：第一类是促进细胞凋亡的Bcl-2家族蛋白，如Bax，Bak等，它们可以提高线粒体膜对细胞色素C的通透性，激活Caspase，诱导细胞凋亡；第二类是抑制细胞凋亡的Bcl-2家族蛋白，如Bcl-2，Bcl-X等；第三类是只有一个BH3结构域的Bcl-2家族蛋白，具有促进细胞凋亡的作用，它们通过抑制或直接与抑制细胞凋亡的Bcl-2蛋白结合发挥作用[2]。

三细胞自噬控制基因

与凋亡一样，细胞自噬也是由自噬基因控制的，1993年，在酵母菌中发现了第一个自噬基因Atg1，并于1997年成功克隆。哺乳动物细胞内(包括人类细胞)存在酵母菌自噬基因Atg6的同源基因Beclin-1，它在细胞自噬方面起着十分关键的作用，而且在发挥自噬作用时具有高度的保守性。Beclin-1/Atg6通过与磷脂酰肌醇3激酶(PI3K)发生作用，诱导自噬小体的形成，导致自噬发生。

四细胞凋亡对自噬的影响

(一)Bcl-2家族对Beclin-1的影响

Beclin-1是在哺乳动物细胞内发现的自噬基因。有研究表明，Beclin-1是一种BH3蛋白，Beclin-1可与Bcl-2或Bcl-xl结合形成Beclin-1-Bcl-2复合物，这种复合物的形成阻碍了Beclin-1介导的细胞自噬作用[16]。只有定位于内质网上的Bcl-2才能够与Beclin-1形成稳定的复合物抑制自噬，因为，内质网上存在有一种NAF-1蛋白，它能够维持Beclin-1-Bcl-2复合物的稳定。相反，位于线粒体膜上的Bcl-2家族则不起作用。

在营养物质丰富的条件下，Beclin-1-Bcl-2复合物是稳定的，但在以下四种条件下可诱发Beclin-1-Bcl-2复合物的解离，导致Beclin-1重新获得活性，诱导自噬的发生。

1.当营养物质匮乏，或者存在其它可诱导自噬的信号刺激时，可诱导JNK的生成，它们可以调节Bcl-2的3个残基的磷酸化，干扰Beclin-1-Bcl-2复合物的结合，使Beclin-1-Bcl-2复合物发生解离，Beclin-1重新发挥诱导自噬的作用[3]。

2.此外，一种称之为DAPK的蛋白激酶可以诱导Beclin-1的BH3结构域磷酸化，干扰Beclin-1-Bcl-2复合物的结合，使Beclin-1-Bcl-2复合物解离，Beclin-1重新发挥诱导自噬的作用。

3.另外，一种称之为DAMP的信号分子蛋白HMGB-1可以从细胞核转运至细胞质，HMGB-1通过直接与Beclin-1结合干扰Beclin-1-Bcl-2复合物的结合，使复合物解离，Beclin-1重新发挥诱导自噬的作用。

4.最后，Bcl-2家族中促进细胞凋亡的单BH3蛋白(如Bax等)也可以干扰Beclin-1-Bcl-2复合物的结合，但是它们的作用恰好与上述三者相反，它们虽然可以使Beclin-1-Bcl-2复合物解离，诱导细胞自噬，但是高水平的Bax反而促进细胞凋亡。

(二)凋亡促进自噬相关蛋白的降解

除了Bcl-2家族可与Beclin形成复合物外，效应caspase也具有十分重要的作用，它们可以裂解自噬相关蛋白，裂解的自噬相关蛋白的碎片往往具有促进细胞凋亡的作用，它们可进入线粒体内，促进细胞色素C的释放，进而启动细胞凋亡。有研究表明：Beclin-1可以被caspase裂解，产生C端Beclin-1片段；Atg5可以被calpain-1和calpain-2裂解产生N端片段，它们携带C端片段和N端片段即可进入线粒体内促进细胞色素C的释放，诱发细胞凋亡。由于完整长度的Beclin-1和Atg5可以诱导细胞自噬，因此，此项发现暗示一个可能存在的动态的平衡：即完整长度的Beclin-1数量和携带C端的Beclin-1片段的数量在正常细胞内保持动态平衡，两者数量比值的移动决定着细胞凋亡或者自噬。

(三)凋亡的细胞外途径对自噬的影响

除了caspase和calpain可以调节细胞自噬外，细胞凋亡过程中的上游信号分子依然可以对凋亡进行调控。配体与细胞膜上的死亡受体结合，形成DISC，DISC促进前体caspase8裂解，生成具有活性的caspase8，caspase8一方面可以激活细胞凋亡的下游效应caspase，启动凋亡途径，另一方面可以诱导产生c-FLIP、v-FLIP等物质，它们可以与Atg3结合，从而抑制Atg3和LC3的结合，抑制细胞自噬的发生。

(四)凋亡的抑制可促进自噬的发生

有研究学者曾用caspase8的广谱抑制剂zVAD处理多种种类的细胞系，如：骨髓成纤维细胞L929、小鼠巨噬细胞RAW264.7、人单核细胞U937等，发现zVAD抑制caspase8可导致这些细胞的凋亡途径受到抑制。同时在这些无法进行正常凋亡的细胞中，却出现了一个反常的现象，相比未处理细胞，这些细胞中出现了更多的自噬小体，表明这些细胞激活了自噬途径。有研究者利用RNA干扰机制下调caspase8的表达活性以阻碍凋亡的发生，取得了和使用zVAD类似的效果。这表明，细胞的凋亡受到抑制之后，其自噬途径则被激活[4]。caspase8可能是一个潜在的决定细胞凋亡还是自噬的中枢物质。

五细胞自噬对凋亡的影响

(一)自噬促进凋王相关蛋白的降解

细胞自噬亦可以对细胞的凋亡其调节作用。正如细胞凋亡中的效应caspase、calpain等可以对自噬相关蛋白进行裂解，有研究已经证明，细胞自噬相关蛋白也可以降解促进细胞凋亡的蛋白，比如caspase，Bcl-2家族蛋白等，起到抑制细胞凋亡的作用。

细胞自噬对细胞凋亡的抑制的一个最明显的实例便是TRAIL在治疗肿瘤方面的失效。TRAIL具有诱导细胞凋亡的作用，通过使用TRAIL诱导肿瘤细胞的凋亡来治疗肿瘤曾是很多学者提出治疗肿瘤的一个可行的方法，但是临床试验却证明无效，无法启动肿瘤细胞的凋亡。有研究者认为此种现象归咎于细胞自噬对凋亡的抑制作用，通过细胞自噬对caspase等的降解，导致凋亡途径被破坏，凋亡无法正常进行，因此无法杀伤肿瘤细胞。当然，这也给肿瘤的治疗带来了新的希望：那便是通过抑制细胞的自噬，触发肿瘤细胞对促进凋亡药物敏感或者直接促使其进行凋亡，达到治疗肿瘤的目的。

(二)自噬是凋亡的替代途径。

细胞凋亡具有维持内环境稳定的作用，自噬也具有着类似的作用。在营养物质不足的条件下，自噬可以重复利用营养物质和节约能量以保护细胞不因为凋亡而过早的死亡；同时有研究发现，在凋亡受到抑制的细胞中，自噬可以促进自噬性死亡[5]。因此，在细胞中发现自噬小体，并不能说明是促进细胞存活。

种种研究结果表明，自噬可以抑制凋亡，尽可能地保护细胞，促进存活。但是一旦超过自噬所能调节的极限，自噬则可以诱导细胞进行自噬性死亡。这种观点可以用来解释抗病毒感染：在病毒感染细胞时，病毒可以抑制caspase的激活阻断细胞的凋亡。此时自噬则发挥作用进行自噬性细胞死亡以达到抗病毒感染的目的。

六总结

尽管细胞凋亡和自噬的相互抑制关系已经十分明确，但是对于它们彼此之间发挥作用的具体分子机制和相应途径，还有待于进一步研究和完善。而且，通过利用自噬与凋亡之间关系，也不失为一种人工诱发肿瘤细胞凋亡的措施。因此，针对凋亡与自噬这对关系的进一步认识，最终实现可靠可行的人工控制凋亡或者自噬进程，在治疗因为自噬或者凋亡异常所导致的疾病方面具有十分重大的潜力和前景。

参考文献

[1]KerrJF,WyllieAH,CurrieAR.Apoptosis:abasisbiologicalphenomenonwithwide-rangingimplicationsintissuekinetics.BrJCancer,1972,26:239-257.

[2]NeuzilJ,WangXF,DongLF,et,al.Molecularmechanismof’mitocan’-inducedapoptosisincancercellsepitomizesthemultiplerolesofreactiveoxygenspeciesandBcl-2familyproteins.FEBSLett,2006,580(22):5125-5129.

[3]LiangXH,KleemanLK,JiangHH,et,al.ProtectionagainstfatalSindbisvirusencephalitisbybeclin,anovelBcl-2-interactingprotein.JVirol1998,72,8586–8596.

[4]BehrensTW,MuellerDL.Bcl-xandtheregulationofsurvivalintheimmunesystem.ImmunolRes,1997,16:149～160.

[5]BernardS,EilersM.ControlofcellproliferationandgrowthbyMycproteins.ResultsProblCellDiffer,2006,42:329～342