国外医学分子生物学分册2000年第22卷第1期

卿 晨 丁健 中国科学院上海药物研究所（上海，200031）

摘要 Bcl-2基因家族包含抑制和促进细胞凋亡两类功能相反的蛋白质，在细胞凋亡中发挥重要的调节作用。本文结合近年来的研究进展，综述了Bcl-2基因家族中两类蛋白质分子的结构特征、亚细胞分布、相互间的作用方式以及与它们发挥功能的关系，为认识细胞凋亡中复杂的分子调控机制，寻找凋亡紊乱相关疾病中可资利用的药物干预靶点提供了重要启示。

关键词：细胞凋亡 基因，Bcl-2 基因表达调控

细胞凋亡是机体在生长、发育和受到外来刺激时清除多余、衰老和受损伤的细胞以保持机体内环境平衡的一种自我调节机制。细胞凋亡过程受到一系列相关基因的调节和控制。这种调节机制发生障碍和紊乱与肿瘤、爱滋病、老年性痴呆和帕金森氏病等的发生密切相关。

Bcl-2是细胞凋亡过程中的一类调节因子，此基因家族包含两类功能相反的基因，一类是抑制细胞凋亡的基因Bcl-2、Bcl-X_L、Bc1-w、Bfl-1、Brag-1、Mcl-1和A1等，另一类是促进细胞凋亡的基因Bax、Bak、Bok、Bcl-Xs,Bad,Bid,Bik,Blk和Hrk等。

本文结合近年来细胞凋亡研究的进展，讨论了Bcl-2相关蛋白的结构、功能以及在调节细胞凋亡中的相互关系。

1 Bcl-2相关蛋白结构、分布和功能的关系

在哺乳细胞至少已鉴定了15个Bcl-2家族成员，在病毒中也发现了几个Bcl-2相关蛋白。Bcl-2基因家族包括促进和抑制细胞凋亡两大类成员，它们具有不同的结构、功能和分布。大多数Bcl-2相关蛋白具有羧基末端的跨膜区域（TM），但少数则没有，如Bid和Bad基因，这种差异决定了它们在细胞内的分布。此外，它们还包含不同数量的Bcl-2保守区域（BH1～BH4）。绝大多数抑制凋亡蛋白BH1和BH2两个保守区域，其中与Bcl-2高度同源的则含有BH11到BH4四个保守区域，如Bcl-2,Bcl-X_L,Bcl-w,Mcl-1和A1具有BH1、BH2、BH3、和BH4四个同源区域，其它两个促进凋亡的亚家族与Bcl-2明显不同，Bax,Bak,Bad和Bok（也称为Mtd)含BH1、BH2和BH3三个同源区域，与Bcl-2相对接近，而Bcl-Xs具有BH3和BH4两个同源区域，其中Bik和Blk同源性较高。BH3区域对凋亡抑制蛋白有拮抗作用，因为线虫C·elegans细胞的凋亡需要EGL-1蛋白的参与，后者通过与ced-9结合发挥作用^[1]，其中的BH3区域对于发挥此功能有重要作用^[1]，其中的BH3区域对于发挥此功能有重要作用^[2]。这些区域功能各异，决定了它们彼此相互作用和与其它蛋白子相互作用的能力。

许多Bcl-2相关蛋白如Bcl-2,Bcl-X_L和Bax主要位于线粒体膜内外侧，Bcl-2还健在于核膜、内质网（ER）。Bcl-2主要剪接变异体Bcl-2α分子在羧基末端有一锚着蛋白将Bcl-2定位于细胞内的生物膜上.除去跨膜区域(TM)的Bcl-2分子(Bcl-2△TM)在不同实验条件下,丧失或减弱了其抑制凋亡的能力^[3]。实验中将Bcl-2定位于ER，则能发挥其功能，说明Bcl-2可在除线粒体外的其他细胞器发挥作用，如中和促进凋亡的蛋白，从而避免它们在线粒体上发挥作用。

Bax是一个可溶性蛋白分子，主要位于细胞浆中，但当凋亡发生时，它从胞浆移到线粒体并与线粒体膜相结合^[4]。实验证明，位于线粒体的Bcl-2确能与Bax相互作用，而后者也必须在线粒上发挥其诱导凋亡的作用^[4]。

将Bcl-2相关蛋白在缺少内源性Bcl-2表达的生物体如酵母（Saccharomyces cerevisiae)中进行表达时，我们则能对其功能进行评价。当除Bax分子中的TM使之不能定位于线粒体时，则Bax在酵母细胞中完全丧失了诱导调亡的能力，提示膜定位对于Bax发挥功能起关键作用。将含有TM的线粒体外膜蛋白Mas-p70与Bax△TM融合，既恢复了Bax在酵母细胞中的线粒体定位功能，也恢复了诱导调亡的功能。此外还发现，只有定位于线粒体的Bcl-X_L,Bcl-2和Mas-p70-Bcl-2融合蛋白能拮抗Bax蛋白和阻止细胞凋亡，Bcl-2△TM则无此功能^[5]。

研究显示：Bcl-2相关蛋白必须定位于线粒体才能发挥其调节凋亡的作用。其中，Bcl-2和Bcl-X_L能决定与之相互作用的其他凋亡调节蛋白的定位：Bcl-2将蛋白激酶Raf-1定位于线位体，Bcl-X_L将线虫(Caenorhabditis elegans)的死亡调节蛋白Ced-4及其同源蛋白定位于细胞浆的生物膜上，从而阻止其进入细胞核诱导凋亡的发生。Bcl-X_L可通过Ced-4与某些Caspases(一类蛋白酶）如Caspases8作用，将其结合于线粒体膜上，使之脱离存在于胞膜和胞浆中的作用位点，后者有诱导凋亡的功能。

2 Bcl-2相关蛋白在细胞凋亡中的调节方式

Bcl-2家族中抑制和促进细胞凋亡两类蛋白的比例决定了细胞在受到凋亡信号刺激时是否发生凋亡。这种比例的变化部分是由于特定的蛋白间竞争性的二聚化作用。尽管Bcl-2相关蛋白的氨基酸序列有很高的同源性，但促使它们形成纯二聚体或杂二聚体的结构存在明显的特征。Bcl-2反向平行形成纯二聚体，首尾相互作用，与BH1和BH2区域有关。研究提示，凋亡抑制蛋白如Bcl-2和Bc1-X_L中BH1和BH2的完整性是否与Bax形成杂二聚体从而抑制凋亡所必需的。即使破坏了Bcl-X_L与Bax或Bak的杂二聚化作用，突变的Bcl-X_L蛋白尚保持绝大部分（70%～80%）的凋亡抑制功能；同样，Bcl-2能抑制超氧化物歧化酶（SOD）缺陷的S·cereuisiae（其中缺少内源性的Bcl-2相关蛋白）凋亡，说明这些分子也能独立发挥作用^[6]。

研究显示，BH1、BH2和BH3区域对于纯二聚体和杂二聚体的形成有重要影响。Bcl-X_L蛋白分子的三维结构提供了一个例证，BH1、BH2和BH3区域的α螺旋结构凝集在一起形成一个延伸的疏水裂隙，成为BH3两性α螺旋结合的位点^[7]，二者的结合相似于配体和受体的结合，这种方式，对Bcl-2家族成员间形成二聚体具有意义。

与早期的观点不同，杂二聚化对于凋亡的抵制作用不是必需的；但对于凋亡的促进作用，BH3的杂二聚化是必需的^[2]。实验显示，凋亡促进蛋白Bak和Bax分子中的BH3是与Bcl-2或Bcl-XL形成杂二聚体促进细胞凋亡所必需的^[8]。将Bax分子中BH3区域的23个氨基酸长度片断置入Bcl-2分子，则后者表现也促进细胞凋亡的活性。Bid是一个仅含有BH3区域的蛋白分子，其中完整的BH3区域的蛋白的分子，其中完整的BH3分子结合所必需，结合区域位于BH1、BH2、和BH3是一个促进细胞凋亡的区域。对于膜结合的受体Bax而言，Bid是引发细胞凋亡的配体，因其无TM区域。

Bcl-2还含有中一个区域-BH4，它亦存在于那此与Bcl-2同源的抗凋亡蛋白中，但除Bcl-Xs外，其它的促凋亡蛋白均无此区域。在体内，BH4不是形成二聚体所必需的区域，但它的缺失或使蛋白质丧失功能，或产生一个促凋亡而不是抗凋亡的突变体^[9]。这说明BH4对于Bcl-2或Bcl-X_L发挥其抗凋亡功能是必需的。

以上表明，在细胞凋亡的调节虽，Bcl-2家族成员间通过相互的纯或杂二聚化作用形成动态平衡。目前尚不能肯定二聚体是凋亡的调节形式，也不能排除一部分二聚体参与形成更高形式的多蛋白复合物参与凋亡的调节。

3 Bcl-2相关蛋白的翻译后修饰

Bcl-2家族中促进和抑制凋亡蛋白的相互表达并不是决定细胞凋亡与否的唯一因数。这些蛋白的翻译后修饰对凋亡的调节亦有重要影响。Bcl-2可能被蛋白酶灭活，因其分子中BH4与BH1（37至85氨基酸残基）间是多变区，与Bcl-XL几乎无同源性，易受到胰蛋白酶和糜蛋白酶等分解。此外，Bcl-2可被HIV蛋白酶切割，这可以解释HIV感染时淋巴细胞的死亡^[10]。目前，内源性分解Bcl-2相关蛋白的蛋白酶的特性尚不明了。

Bcl-2家族蛋白分子的丝氨酸磷酸化也能影响其调节凋亡的能力。作用于微管的抗癌药如紫杉醇、长春花碱和长春新碱诱导Bcl-2蛋白的磷酸化，从而拮抗Bcl-2蛋白的抗凋亡作用，最终导致细胞调亡已成为其发挥抗癌作用的机制之一[11]。与上述结果一致的是：去除Bcl-2分子中富含丝氨酸、苏氨酸磷酸化位点的BH4与BH3间的一段负调节区域，在某些条件下，Bcl-2仍能抑制凋亡维持细胞存活^[12]。最近证实，Bad分子中亦含有丝氨酸磷酸化靶点，在Bcl-2家族中，Bad缺少TM序列，能与膜结合状态的Bcl-X_L或Bcl-2形成杂二聚体，拮抗后者的抗凋亡效应，从而促使细胞凋亡。在存活因子IL-3存在的情况下，磷酸化的Bad结合于14-3-3（一种蛋白质，通过其分子结构中特异性的袋状结合部位，与包括Raf-1在内的多种信号酶分子中的磷酸化丝氨酸作用）蛋白分子共有序列结合位点中的两个丝氨酸残基处。去除IL-3，Bad则去磷酸化，非磷酸化的Bad才能与膜结合的Bcl-X_L形成杂二聚体促进细胞凋亡。相反，磷酸化的Bad由于与14-3-3结合而被封闭的胞浆中。如果Bad分子中的丝氨酸磷酸化位点被取代，则有利于Bad与膜结合Bcl-XL的结合，增强其促进细胞凋亡的活性^[13]。这些发现提示，Bcl-2家族相关蛋白分子中丝氨酸的磷酸化能调节其功能，影响与细胞凋亡调节有关的信号转导级联效应。这些相互作用的复杂性体现在Bcl-2本身亦能调节Bad的磷酸化，如Bcl-2能与线粒体外膜的抑制能去除Bcl-2维持细胞存活的效应，而用酵母线粒体外膜的Mas-p70蛋白作用