细胞凋亡的分子机制是什么
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细胞凋亡的过程及机理
细胞凋亡的过程大致可分为以下几个阶段：
接受凋亡信号→凋亡调控分子间的相互作用→蛋白水解酶的活化（Caspase）→进入连续反应过程
1．凋亡的启动阶段
细胞凋亡的启动是细胞在感受到相应的信号刺激后胞内一系列控制开关的开启或关闭,不同的外界因素启动凋亡的方式不同,所引起的信号转导也不相同,客观上说对细胞凋亡过程中信号传递系统的认识还是不全面的,目前比较清楚的通路主要有：
1）细胞凋亡的膜受体通路：各种外界因素是细胞凋亡的启动剂,它们可以通过不同的信号传递系统传递凋亡信号,引起细胞凋亡,我们以Fas -FasL为例：
Fas是一种跨膜蛋白,属于肿瘤坏死因子受体超家族成员,它与FasL结合可以启动凋亡信号的转导引起细胞凋亡.它的活化包括一系列步骤：首先配体诱导受体三聚体化,然后在细胞膜上形成凋亡诱导复合物,这个复合物中包括带有死亡结构域的Fas相关蛋白FADD. Fas又称CD95,是由325个氨基酸组成的受体分子,Fas一旦和配体FasL结合,可通过Fas分子启动致死性信号转导,最终引起细胞一系列特征性变化,使细胞死亡.Fas作为一种普遍表达的受体分子,可出现于多种细胞表面,但FasL的表达却有其特点,通常只出现于活化的T细胞和NK细胞,因而已被活化的杀伤性免疫细胞,往往能够最有效地以凋亡途径置靶细胞于死地. Fas分子胞内段带有特殊的死亡结构域（DD, death domain）.三聚化的Fas和FasL结合后,使三个Fas分子的死亡结构域相聚成簇,吸引了胞浆中另一种带有相同死亡结构域的蛋白FADD.FADD是死亡信号转录中的一个连接蛋白,它由两部分组成：C端（DD结构域）和N端（DED）部分.DD结构域负责和Fas分子胞内段上的DD结构域结合,该蛋白再以DED连接另一个带有DED的后续成分,由此引起N段DED随即与无活性的半胱氨酸蛋白酶8（caspase8）酶原发生同嗜性交联,聚合多个caspase8的分子,caspase8分子逐由单链酶原转成有活性的双链蛋白,进而引起随后的级联反应,即Caspases,后者作为酶原而被激活,引起下面的级联反应.细胞发生凋亡.因而TNF诱导的细胞凋亡途径与此类似
2）细胞色素C释放和Caspases激活的生物化学途经
线粒体是细胞生命活动控制中心,它不仅是细胞呼吸链和氧化磷酸化的中心,而且是细胞凋亡调控中心.实验表明了细胞色素C从线粒体释放是细胞凋亡的关键步骤.释放到细胞浆的细胞色素C在dATP存在的条件下能与凋亡相关因子1（Apaf-1）结合,使其形成多聚体,并促使caspase-9与其结合形成凋亡小体,caspase-9被激活,被激活的caspase-9能激活其它的caspase如caspase-3等,从而诱导细胞凋亡.此外,线粒体还释放凋亡诱导因子,如AIF,参与激活caspase.可见,细胞凋亡小体的相关组份存在于正常细胞的不同部位.促凋亡因子能诱导细胞色素C释放和凋亡小体的形成.很显然,细胞色素C从线粒体释放的调节是细胞凋亡分子机理研究的关键问题.多数凋亡刺激因子通过线粒体激活细胞凋亡途经.有人认为受体介导的凋亡途经也有细胞色素C从线粒体的释放.如对Fas应答的细胞中,一类细胞（type1）中含有足够的胱解酶8 （caspase8）可被死亡受体活化从而导致细胞凋亡.在这类细胞中高表达Bcl-2并不能抑制Fas诱导的细胞凋亡.在另一类细胞（type2）如肝细胞中,Fas受体介导的胱解酶8活化不能达到很高的水平.因此这类细胞中的凋亡信号需要借助凋亡的线粒体途经来放大,而Bid -- 一种仅含有BH3结构域的Bcl-2家族蛋白是将凋亡信号从胱解酶8向线粒体传递的信使.
2．凋亡的执行
尽管凋亡过程的详细机制尚不完全清楚,但是已经确定Caspase即半胱天冬蛋白酶在凋亡过程中是起着必不可少的作用,细胞凋亡的过程实际上是Caspase不可逆有限水解底物的级联放大反应过程,到目前为止,至少已有14种Caspase被发现,Caspase分子间的同源性很高,结构相似,都是半胱氨酸家族蛋白酶,根据功能可把Caspase基本分为二类：一类参与细胞的加工,如Pro-IL-1β和Pro-IL-1δ,形成有活性的IL-1β和IL-1δ；第二类参与细胞凋亡,包括caspase2,3,6,7,8,9.10.Caspase家族一般具有以下特征：
1）C端同源区存在半胱氨酸激活位点,此激活位点结构域为QACR/QG.
2）通常以酶原的形式存在,相对分子质量29000-49000（29-49KD）,在受到激活后其内部保守的天冬氨酸残基经水解形成大（P20）小（P10）两个亚单位,并进而形成两两组成的有活性的四聚体,其中,每个P20/P10异二聚体可来源于同一前体分子也可来源于两个不同的前体分子.
3）未端具有一个小的或大的原结构域.
参与诱导凋亡的Caspase分成两大类： 启动酶（inititaor）和效应酶（effector）它们分别在死亡信号转导的上游和下游发挥作用.
[编辑本段]Caspase活化机制
Caspase的活化是有顺序的多步水解的过程,Caspase分子各异,但是它们活化的过程相似.首先在caspase前体的N-端前肽和大亚基之间的特定位点被水解去除N-端前肽,然后再在大小亚基之间切割释放大小亚基,由大亚基和小亚基组成异源二聚体,再由两个二聚体形成有活性的四聚体.去除N-端前肽是Caspase的活化的第一步,也是必须的,但是Caspase-9的活化不需要去除N-端前肽,Caspase活化基本有两种机制,即同源活化和异源活化,这两种活化方式密切相关,一般来说后者是前者的结果,发生同源活化的Caspase又被称为启动caspase（initiator caspase）,包括caspase-8,-10,-9,诱导凋亡后,起始Caspase通过adaptor被募集到特定的起始活化复合体,形成同源二聚体构像改变,导致同源分子之间的酶切而自身活化,通常caspase-8, 10, 2介导死亡受体通路的细胞凋亡,分别被募集到Fas和TNFR1死亡受体复合物,而Caspase-9参与线粒体通路的细胞凋亡,则被募集到Cyt c/d ATP/Apaf-1组成的凋亡体（apoptosome）.同源活化是细胞凋亡过程中最早发生的capases水解活化事件,启动Caspase活化后,即开启细胞内的死亡程序,通过异源活化方式水解下游Caspase将凋亡信号放大,同时将死亡信号向下传递.异源活化（hetero-activation）即由一种caspase活化另一种caspase是凋亡蛋白酶的酶原被活化的经典途径.被异源活化的Caspase又称为执行caspase(executioner caspase),包括Caspase-3,-6,-7.执行Caspase不象启动Caspase ,不能被募集到或结合起始活化复合体,它们必须依赖启动Caspase才能活化.
[编辑本段]Caspase的效应机制
凋亡细胞的特征性表现,包括DNA裂解为200bp左右的片段,染色质浓缩,细胞膜活化,细胞皱缩,最后形成由细胞膜包裹的凋亡小体,然后,这些凋亡小体被其他细胞所吞噬,这一过程大约经历30-60分钟,Caspase引起上述细胞凋亡相关变化的全过程尚不完全清楚,但至少包括以下三种机制：
1．凋亡抑制物
正常活细胞因为核酸酶处于无活性状态,而不出现DNA断裂,这是由于核酸酶和抑制物结合在一起,如果抑制物被破坏,核酸酶即可激活,引起DNA片段化（fragmentation）.现知caspase可以裂解这种抑制物而激活核酸酶,因而把这种酶称为Caspase激活的脱氧核糖核酸酶（caspase-activated deoxyribonulease CAD）,而把它的抑制物称为ICAD.因而,在正常情况下,CAD不显示活性是因为CAD-ICAD,以一种无活性的复合物形式存在.ICAD一旦被Caspase水解,即赋予CAD以核酸酶活性,DNA片段化即产生,有意义的是CAD只在ICAD存在时才能合成并显示活性,提示CAD-ICAD以一种其转录方式存在,因而ICAD对CAD的活化与抑制却是必需要的.
2．破坏细胞结构
Caspase可直接破坏细胞结构,如裂解核纤层,核纤层（Lamina）是由核纤层蛋白通过聚合作用而连成头尾相接的多聚体,由此形成核膜的骨架结构,使染色质（chromatin）得以形成并进行正常的排列.在细胞发生凋亡时,核纤层蛋白作为底物被Caspase在一个近中部的固定部位所裂解,从而使核纤层蛋白崩解,导致细胞染色质的固缩.
3．调节蛋白丧失功能
Caspase可作用于几种与细胞骨架调节有关的酶或蛋白,改变细胞结构.其中包括凝胶原蛋白（gelsin）、聚合粘附激酶（focal adhesion kinase ,FAK）、P21活化激酶α（PAKα）等.这些蛋白的裂解导致其活性下降.如Caspase可裂解凝胶原蛋白而产生片段,使之不能通过肌动蛋白（actin）纤维来调节细胞骨架.
除此之外,Caspase还能灭活或下调与DNA修复有关的酶、mRNA剪切蛋白和DNA交联蛋白.由于DNA的作用,这些蛋白功能被抑制,使细胞的增殖与复制受阻并发生凋亡.
所有这些都表明Caspase以一种有条不紊的方式进行"破坏",它们切断细胞与周围的联系,拆散细胞骨架,阻断细胞DNA复制和修复,干扰mRNA剪切,损伤DNA与核结构,诱导细胞表达可被其他的细胞吞噬的信号,并进一步使之降解为凋亡小体.
细胞凋亡的过程大致可分为以下几个阶段：
接受凋亡信号→凋亡调控分子间的相互作用→蛋白水解酶的活化（Caspase）→进入连续反应过程
1．凋亡的启动阶段
细胞凋亡的启动是细胞在感受到相应的信号刺激后胞内一系列控制开关的开启或关闭,不同的外界因素启动凋亡的方式不同,所引起的信号转导也不相同,客观上说对细胞凋亡过程中信号传递系统的认识还是不全面的,目前比较清楚的通路主要有：
1）细胞凋亡的膜受体通路：各种外界因素是细胞凋亡的启动剂,它们可以通过不同的信号传递系统传递凋亡信号,引起细胞凋亡,我们以Fas -FasL为例：
Fas是一种跨膜蛋白,属于肿瘤坏死因子受体超家族成员,它与FasL结合可以启动凋亡信号的转导引起细胞凋亡.它的活化包括一系列步骤：首先配体诱导受体三聚体化,然后在细胞膜上形成凋亡诱导复合物,这个复合物中包括带有死亡结构域的Fas相关蛋白FADD. Fas又称CD95,是由325个氨基酸组成的受体分子,Fas一旦和配体FasL结合,可通过Fas分子启动致死性信号转导,最终引起细胞一系列特征性变化,使细胞死亡.Fas作为一种普遍表达的受体分子,可出现于多种细胞表面,但FasL的表达却有其特点,通常只出现于活化的T细胞和NK细胞,因而已被活化的杀伤性免疫细胞,往往能够最有效地以凋亡途径置靶细胞于死地. Fas分子胞内段带有特殊的死亡结构域（DD, death domain）.三聚化的Fas和FasL结合后,使三个Fas分子的死亡结构域相聚成簇,吸引了胞浆中另一种带有相同死亡结构域的蛋白FADD.FADD是死亡信号转录中的一个连接蛋白,它由两部分组成：C端（DD结构域）和N端（DED）部分.DD结构域负责和Fas分子胞内段上的DD结构域结合,该蛋白再以DED连接另一个带有DED的后续成分,由此引起N段DED随即与无活性的半胱氨酸蛋白酶8（caspase8）酶原发生同嗜性交联,聚合多个caspase8的分子,caspase8分子逐由单链酶原转成有活性的双链蛋白,进而引起随后的级联反应,即Caspases,后者作为酶原而被激活,引起下面的级联反应.细胞发生凋亡.因而TNF诱导的细胞凋亡途径与此类似
2）细胞色素C释放和Caspases激活的生物化学途经
线粒体是细胞生命活动控制中心,它不仅是细胞呼吸链和氧化磷酸化的中心,而且是细胞凋亡调控中心.实验表明了细胞色素C从线粒体释放是细胞凋亡的关键步骤.释放到细胞浆的细胞色素C在dATP存在的条件下能与凋亡相关因子1（Apaf-1）结合,使其形成多聚体,并促使caspase-9与其结合形成凋亡小体,caspase-9被激活,被激活的caspase-9能激活其它的caspase如caspase-3等,从而诱导细胞凋亡.此外,线粒体还释放凋亡诱导因子,如AIF,参与激活caspase.可见,细胞凋亡小体的相关组份存在于正常细胞的不同部位.促凋亡因子能诱导细胞色素C释放和凋亡小体的形成.很显然,细胞色素C从线粒体释放的调节是细胞凋亡分子机理研究的关键问题.多数凋亡刺激因子通过线粒体激活细胞凋亡途经.有人认为受体介导的凋亡途经也有细胞色素C从线粒体的释放.如对Fas应答的细胞中,一类细胞（type1）中含有足够的胱解酶8 （caspase8）可被死亡受体活化从而导致细胞凋亡.在这类细胞中高表达Bcl-2并不能抑制Fas诱导的细胞凋亡.在另一类细胞（type2）如肝细胞中,Fas受体介导的胱解酶8活化不能达到很高的水平.因此这类细胞中的凋亡信号需要借助凋亡的线粒体途经来放大,而Bid -- 一种仅含有BH3结构域的Bcl-2家族蛋白是将凋亡信号从胱解酶8向线粒体传递的信使.
2．凋亡的执行
尽管凋亡过程的详细机制尚不完全清楚,但是已经确定Caspase即半胱天冬蛋白酶在凋亡过程中是起着必不可少的作用,细胞凋亡的过程实际上是Caspase不可逆有限水解底物的级联放大反应过程,到目前为止,至少已有14种Caspase被发现,Caspase分子间的同源性很高,结构相似,都是半胱氨酸家族蛋白酶,根据功能可把Caspase基本分为二类：一类参与细胞的加工,如Pro-IL-1β和Pro-IL-1δ,形成有活性的IL-1β和IL-1δ；第二类参与细胞凋亡,包括caspase2,3,6,7,8,9.10.Caspase家族一般具有以下特征：
1）C端同源区存在半胱氨酸激活位点,此激活位点结构域为QACR/QG.
2）通常以酶原的形式存在,相对分子质量29000-49000（29-49KD）,在受到激活后其内部保守的天冬氨酸残基经水解形成大（P20）小（P10）两个亚单位,并进而形成两两组成的有活性的四聚体,其中,每个P20/P10异二聚体可来源于同一前体分子也可来源于两个不同的前体分子.
3）未端具有一个小的或大的原结构域.
参与诱导凋亡的Caspase分成两大类： 启动酶（inititaor）和效应酶（effector）它们分别在死亡信号转导的上游和下游发挥作用.
[编辑本段]Caspase活化机制
Caspase的活化是有顺序的多步水解的过程,Caspase分子各异,但是它们活化的过程相似.首先在caspase前体的N-端前肽和大亚基之间的特定位点被水解去除N-端前肽,然后再在大小亚基之间切割释放大小亚基,由大亚基和小亚基组成异源二聚体,再由两个二聚体形成有活性的四聚体.去除N-端前肽是Caspase的活化的第一步,也是必须的,但是Caspase-9的活化不需要去除N-端前肽,Caspase活化基本有两种机制,即同源活化和异源活化,这两种活化方式密切相关,一般来说后者是前者的结果,发生同源活化的Caspase又被称为启动caspase（initiator caspase）,包括caspase-8,-10,-9,诱导凋亡后,起始Caspase通过adaptor被募集到特定的起始活化复合体,形成同源二聚体构像改变,导致同源分子之间的酶切而自身活化,通常caspase-8, 10, 2介导死亡受体通路的细胞凋亡,分别被募集到Fas和TNFR1死亡受体复合物,而Caspase-9参与线粒体通路的细胞凋亡,则被募集到Cyt c/d ATP/Apaf-1组成的凋亡体（apoptosome）.同源活化是细胞凋亡过程中最早发生的capases水解活化事件,启动Caspase活化后,即开启细胞内的死亡程序,通过异源活化方式水解下游Caspase将凋亡信号放大,同时将死亡信号向下传递.异源活化（hetero-activation）即由一种caspase活化另一种caspase是凋亡蛋白酶的酶原被活化的经典途径.被异源活化的Caspase又称为执行caspase(executioner caspase),包括Caspase-3,-6,-7.执行Caspase不象启动Caspase ,不能被募集到或结合起始活化复合体,它们必须依赖启动Caspase才能活化.
[编辑本段]Caspase的效应机制
凋亡细胞的特征性表现,包括DNA裂解为200bp左右的片段,染色质浓缩,细胞膜活化,细胞皱缩,最后形成由细胞膜包裹的凋亡小体,然后,这些凋亡小体被其他细胞所吞噬,这一过程大约经历30-60分钟,Caspase引起上述细胞凋亡相关变化的全过程尚不完全清楚,但至少包括以下三种机制：
1．凋亡抑制物
正常活细胞因为核酸酶处于无活性状态,而不出现DNA断裂,这是由于核酸酶和抑制物结合在一起,如果抑制物被破坏,核酸酶即可激活,引起DNA片段化（fragmentation）.现知caspase可以裂解这种抑制物而激活核酸酶,因而把这种酶称为Caspase激活的脱氧核糖核酸酶（caspase-activated deoxyribonulease CAD）,而把它的抑制物称为ICAD.因而,在正常情况下,CAD不显示活性是因为CAD-ICAD,以一种无活性的复合物形式存在.ICAD一旦被Caspase水解,即赋予CAD以核酸酶活性,DNA片段化即产生,有意义的是CAD只在ICAD存在时才能合成并显示活性,提示CAD-ICAD以一种其转录方式存在,因而ICAD对CAD的活化与抑制却是必需要的.
2．破坏细胞结构
Caspase可直接破坏细胞结构,如裂解核纤层,核纤层（Lamina）是由核纤层蛋白通过聚合作用而连成头尾相接的多聚体,由此形成核膜的骨架结构,使染色质（chromatin）得以形成并进行正常的排列.在细胞发生凋亡时,核纤层蛋白作为底物被Caspase在一个近中部的固定部位所裂解,从而使核纤层蛋白崩解,导致细胞染色质的固缩.
3．调节蛋白丧失功能
Caspase可作用于几种与细胞骨架调节有关的酶或蛋白,改变细胞结构.其中包括凝胶原蛋白（gelsin）、聚合粘附激酶（focal adhesion kinase ,FAK）、P21活化激酶α（PAKα）等.这些蛋白的裂解导致其活性下降.如Caspase可裂解凝胶原蛋白而产生片段,使之不能通过肌动蛋白（actin）纤维来调节细胞骨架.
除此之外,Caspase还能灭活或下调与DNA修复有关的酶、mRNA剪切蛋白和DNA交联蛋白.由于DNA的作用,这些蛋白功能被抑制,使细胞的增殖与复制受阻并发生凋亡.
所有这些都表明Caspase以一种有条不紊的方式进行"破坏",它们切断细胞与周围的联系,拆散细胞骨架,阻断细胞DNA复制和修复,干扰mRNA剪切,损伤DNA与核结构,诱导细胞表达可被其他的细胞吞噬的信号,并进一步使之降解为凋亡小体.
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