信号通路专题系列六：细胞凋亡信号通路

 

 

细胞凋亡是程序性细胞死亡的过程，其特征在于不同的形态特征和能量依赖性生化机制。细胞凋亡被认为是细胞更新，免疫系统的发育和功能，激素依赖性萎缩，胚胎发育和化学诱导细胞死亡等过程的重要组成部分。

Apoptosis is the process of programmed cell death characterized by distinct morphological characteristics and energy dependent biochemical mechanisms. Apoptosis is considered a vital component of processes including normal cell turnover, proper development and functioning of the immune system, hormone-dependent atrophy, embryonic development and chemical-induced cell death.

 

凋亡细胞经历形态学变化，涉及广泛的质膜起泡，随后是核破裂。凋亡小体是通过在称为“出芽”的过程中分离细胞片段而形成的。凋亡小体由细胞质组成，细胞质具有紧密堆积的细胞器，有或没有核碎片。细胞器完整性保持在完整的质膜内。随后这些体被巨噬细胞，实质细胞或肿瘤细胞吞噬，并在吞噬溶酶体内降解。在细胞凋亡中观察到三种主要的生化变化类型：1.半胱天冬酶caspases的激活；2. DNA和蛋白质的破坏；3.吞噬细胞的膜变化和识别。

Apoptotic cells undergo morphological changes involving extensive plasma membrane blebbing followed by karyorrhexis. Apoptotic bodies are formed by separation of cell fragments during a process called 'budding'. Apoptotic bodies consist of cytoplasm with tightly packed organelles with or without a nuclear fragment. The organelle integrity remains enclosed within an intact plasma membrane. These bodies are subsequently phagocytosed by macrophages, parenchymal cells, or neoplastic cells and degraded within phagolysosomes. There are three main types of biochemical changes observed in apoptosis, activation of caspases, breakdown of DNA and protein and membrane changes and recognition by phagocytic cells.     
 

 

 

两种最广泛表征的凋亡途径是内在和外在途径。外在信号传导途径涉及作为肿瘤坏死因子（TNF）受体基因超家族成员的跨膜死亡受体。特征性配体和相应的死亡受体包括FasL / FasR，TNF-α/ TNFR1，Apo3L / DR3，Apo2L / DR4和Apo2L / DR5。启动细胞凋亡的内在信号传导途径是线粒体引发的事件，涉及多种非受体介导的刺激。这些刺激引起线粒体内膜的变化，导致线粒体通透性转换（MPT）孔的开放，线粒体跨膜电位的丧失和两个主要的正常隔离的促凋亡蛋白从膜间隙释放到胞质溶胶中。这些蛋白质激活caspase依赖性线粒体途径。细胞色素C结合并激活Apaf-1以及procaspase-9，形成“凋亡小体”。这些凋亡线粒体事件的控制和调节通过Bcl-2蛋白家族的成员发生。肿瘤抑制蛋白p53在调节Bcl-2蛋白家族中具有关键作用。

The two most widely characterised apoptotic pathways are the Intrinsic and Extrinsic pathways. The extrinsic signaling pathways involve transmembrane death receptors that are members of the tumor necrosis factor (TNF) receptor gene superfamily. Characterized ligands and corresponding death receptors include FasL/FasR, TNF-α/TNFR1, Apo3L/DR3, Apo2L/ DR4 and Apo2L/DR5. The intrinsic signaling pathways that initiate apoptosis are mitochondrial-initiated events involving a diverse array of non-receptor-mediated stimuli. These stimuli cause changes in the inner mitochondrial membrane that result in an opening of the mitochondrial permeability transition (MPT) pore, loss of the mitochondrial transmembrane potential and release of two main groups of normally sequestered pro-apoptotic proteins from the intermembrane space into the cytosol. These proteins activate the caspase- dependent mitochondrial pathway. Cytochrome C binds and activates Apaf-1 as well as procaspase-9, forming an “apoptosome”. The control and regulation of these apoptotic mitochondrial events occurs through members of the Bcl-2 family of proteins. The tumor suppressor protein p53 has a critical role in regulation of the Bcl-2 family of proteins.

 

 

 

 

那细胞凋亡信号通路中相关的蛋白家族是如何相互作用完成信号传导的呢？以下我们就来对通路中的主要传导途径和激活/机制路径进行详细讲解。

 

1. PI3K/Akt 通路如何参与抑制凋亡发生

细胞生存需要积极的抑制凋亡发生，一方面需要抑制促凋亡因子的表达，另一方面则需要表达一些抗凋亡因子。PI3K 通路被许多生存因子活化，能够激活Akt，Akt是生存信号传导中一个重要的角色。PTEN抑制PI3K通路。活化的Akt抑制促凋亡Bcl-2家族成员Bad，Bax，caspase-9，GSK-3和Fox01。许多生长因子和细胞因子诱导抗凋亡Bcl-2家族成员。激酶Jaks和Src磷酸化并激活Stat3，后者诱导Bcl-xL和Bcl-2的表达。Erk1/2和PKC激活p90RSK，后者激活CREB并诱导Bcl-xL和Bcl-2的表达。这些Bcl-2家族成员保护线粒体的完整性，阻止细胞色素C的释放以及随后的caspase-9的激活。TNF-α可以同时激活促凋亡和抑制凋亡通路：TNF-α活化caspase-8和-10诱导凋亡,同时它又通过NF-κB 抑制凋亡，NF-κB 诱导抗凋亡基因如Bcl-2的表达。cIAP1/2能与TRAF2 结合抑制TNF-α的信号传导。FLIP 抑制caspase-8的激活。

 

 

2. 半胱氨酸蛋白酶的激活路径是怎样的

Caspase家族属于半胱氨酸蛋白酶。起始组Caspase包括caspase-2,-8,-9,-10,-11和-12,与促凋亡信号紧密相连，一旦激活，这些酶会切割并激活下游的效应组Caspase，包括Caspase-3,-6,-7。效应 Caspase通过对细胞内蛋白特定的天冬氨酸残基位置处进行切割实现细胞的凋亡。FasL和 TNF对Fas和 TNFR的结合能够激活caspase-8和-10。DNA损伤诱导PIDD的表达，PIDD与RAIDD 和caspase-2结合并激活caspase-2。受损线粒体中释放的细胞色素C与caspase-9的活化相关。XIAP抑制Caspase-3,-7,-9。线粒体释放多种促凋亡因子,如Smac/Diablo、AIF、HtrA2、EndoG，和细胞色素C。Smac/Diablo与XIAP结合，解除XIAP对凋亡的抑制。Caspase-11被病理的促发炎信号和促凋亡信号诱导表达并激活，它能促进Caspase-1的活化,Caspase-1直接作用于caspase-3以促进凋亡和炎症反应。Caspase-12和-7在内质网应激的情况下被激活。抗凋亡生长因子和细胞因子激活 Akt和 p90RSK。Akt直接磷酸化并抑制Bad蛋白和间接抑制Bim的表达，这是通过磷酸化并抑制Bim所需的转录因子Fox0实现的。Fox0通过上调促凋亡因子如FasL和Bim促进调亡。

 

 

3. 死亡受体激活后如何启动信号传导

死亡受体包括Fas，TNFαR，DR3，DR4和DR5，当配体与之结合后，这些蛋白被激活并起始凋亡。通常死亡配体通过使受体多聚化启动信号传导，受体多聚化后引起相关接头蛋白的结合并激活caspase 级联。FasL结合Fas后形成Fas三聚体，通过接头蛋白FADD召集caspase-8，然后caspase-8形成寡聚体通过自我剪切而活化。caspase-8通过两条平行的通路促进凋亡：它可以直接剪切并激活caspase-3也可以切割Bid，这是一个促凋亡的Bcl-2家族成员。截短的Bid(tBid,truncated Bid) 转移进入线粒体，促进细胞色素C的释放，从而导致caspase-9和3的激活。TNF-a和DR-3L可以同时传递促凋亡和抑凋亡信号。TNFαR 和DR3通过接头蛋白TRADD/FADD活化caspase-8促进凋亡。TNF-α与TNF αR 结合后也能通过NIK/IKK 激活NF-κB通路。活化的NF-κB诱导促生存因子Bcl-2 和FLIP的表达，FLIP 直接抑制caspase-8的激活。FasL和TNF-α还可以通过ASK1/MKK7激活JNK。活化的JNK 可以磷酸化并抑制Bcl-2 。当级联通路未被激活时，死亡受体的活化可以通过形成复合IIb来激活另一个过程—细胞程序性死亡，又名坏死性凋亡。

 

 

4. Bcl-2家族如何调控细胞凋亡

 

Bcl-2家族通过控制线粒体膜的通透性来调控凋亡。抗凋亡蛋白Bcl-2和Bcl-xL定位于线粒体外膜，抑制细胞色素C的释放。促凋亡的Bcl-2 家族成员Bad，Bid，Bax和Bim可能定位于胞浆，在收到凋亡信号后，转移到线粒体中，促进细胞色素C的释放。Bad转移到线粒体后与Bcl-xL形成促凋亡复合体。这个转移过程被生存因子所抑制，生存因子引起Bad的磷酸化而后在胞浆中富集。被Fas活化的caspase-8剪切胞浆Bid，所形成的有效分子tBid 转移到线粒体上。Bax和Bim在受到死亡刺激后转移到线粒体上，包括生存因子的消失。p53受DNA 损伤的活化后能够诱导Bax，Noxa 和Puma的转录。从线粒体中释放后，细胞色素C 与Apaf-1结合并与caspase-9形成活性复合体。虽然在凋亡中线粒体通透性调节和细胞色素C 释放的调节机制并没有完全阐明，但Bcl-xL，Bcl-2和Bax可能影响膜电位依赖的阴离子通道(VDAC, voltage-dependent anion channel)，这可能在调节细胞色素C 中发挥作用。Mule/ARF-BP1是一个DNA损伤激活的E3 泛素连接酶，它针对p53和Mcl-1，Mcl-1是一个Bcl-2家族中的抗凋亡分子。

 

  
 

 

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Catalogue code	Description	Product Type
orb10173	BCL2	Antibody
orb183257	DRAK2	Antibody
orb385613	CD95	Antibody
orb10242	Caspase 9	Antibody
orb80955	Human BCL2	Protein
orb154650	Cisplatin	Small Molecule
orb11024	ASK1/MAPKKK5	Antibody
orb419426	Z-VAD-FMK	Small Molecule
orb50135	Human Survivin	ELISA kit
orb223930	Human TIGAR-TAT	Protein

 

 

 

 

 

参考文献

Ouyang, L. et al. Programmed cell death pathways in cancer: a review of apoptosis, autophagy and programmed necrosis.  Cell Proliferation.  (2012) 45, 487-498 doi: 10.1111/j.1365-2184.2012.00845.x

Ichim, G. and Tait, S. W. G. A fate worse than death: apoptosis as an oncogenic process.  Nature Reviews Cancer.  (2016) 16  539-548 doi:10.1038/nrc.2016.58