国外医学临床生物化学与检验学分册1999年第20卷第2期

重庆医科大学临床生化教研室(400016) 曾小莉^* （综述）涂植光（审校）

摘要近年来，某些基因在细胞凋亡发生发展过程中的作用得到普遍重视。它们既具有单一的调节作用，又具有复杂的协同效应。研究这些基因在细胞凋亡中的调控机制，对利用基因治疗技术治疗恶性肿瘤和退变性疾病具有重要意义。本文论述了调控细胞凋亡的基因及其在细胞凋亡中的作用机制。

关键词:细胞凋亡 基因 调控机制

细胞凋亡(apoptosis)，也称程序性细胞死亡(programmed cell death，PCD)，是细胞在一定生理和病理条件下，由基因调控的主动而有序的自我消亡过程，它是指一连串连续性的不伴有炎症反应的细胞变化，最终导致细胞死亡。但是严格来说，细胞凋亡与PCD间是有区别的，凋亡是一形态学概念，是对多种方式引起的一种特征性形态和生化改变的概括；PCD侧重于功能，揭示了发育中的细胞正常死亡在内的“时间机制”^[1]。自1972年Kerr等提出细胞凋亡概念以来，已经发现从低等生物如线虫到哺乳动物乃至人体细胞存在细胞凋亡。细胞凋亡可自发产生，但多数情况下需特殊介导物或条件诱导其产生。细胞凋亡调控机制一直是研究热点，兹将近年来这一方面的进介绍如下。

1Bcl-2(B cell lymphoma/leuklemia-2，B细胞淋巴瘤/白血病-2)基因家族

已发现系列Bcl-2家族成员，包括抑制细胞凋亡的Bcl-2、Bcl-X₂、BHRF₁和Bak及参与细胞存活调节的Mcl-1、A1和LMW5-HL等^[2]。

人Bcl-2基因是从与滤泡性淋巴瘤相关的t(14∶18)染色体易位的断裂点部位克隆到。在此易位中，Bcl-2从其正常定位(18q-21)移动到位于14q-32的免疫球蛋白重链座位并列的位置。这一易位导致在淋巴瘤细胞中该基因的转录激活以及26kD Bcl-2 蛋白的过度表达^[2]。Bcl-2基因及其表达蛋白可抑制多种组织细胞的凋亡和延长细胞寿命，故将其称为凋亡抑制其因。目前已提出多种模型说明Bcl-2对凋亡的抑制机制：(1)Bcl-2蛋日是一种与细胞器特别是线粒体膜关联的稳定蛋白，它主要位于线粒体外膜、核被膜和内质网膜。其C-末端有一段疏水性氨基酸，对其功能非常重要，改变其中的氨基酸可使蛋白的生物活性大大降低^[3]。(2)高浓度的Bcl-2蛋白可以抑制正在发生凋亡的细胞内质中钙离子的释放，因此认为Bcl-2对细胞的调节可能是通过改变细胞器的Ca²⁺流动而抑制凋亡^[4]。(3)Bcl-2是通过直接或间接地与细胞信号传递蛋白(如P53蛋白)作用而调控细胞凋亡。新近证明，Bcl-2可改变P53和Cdc2及CDK2细胞周期调节蛋白的核-胞桨转运。Bcl-2与编码P53基因的共表达可延缓P53诱导的凋亡，但不影响P53至核的转运，也不影响P53诱导的生长停止。但Bcl-2和myc协同地封闭P53进入核中，从而阻断P53诱导的凋亡和生长停止^[2]。(4)有人提出Bcl-2通过抗氧化作用或抑制氧自由基的产生，抑制细胞凋亡，但仍不清楚Bcl-2是否能抑制由活性氧物质特异地诱导的细胞死亡，以及活性氧中间体是否为凋亡所必需^[3]。

1993年Biose等^[2]发现了另一类与Bcl-2有44％同源并参与调节细胞死亡的蛋白质Bcl-X。Bcl-X分2种：Bcl-X_L，Bcl-X_S。研究证实，Bcl-X_L蛋白可抑制细胞凋亡，其功能相似于Bcl-2蛋白而较弱。Bcl-Xs的作用与Bcl-2、Bcl-X_L相反，系通过抑制后两者的作用而促进细胞编程死亡。近年来认为Bcl-Xs可能是作为Bcl-2的结构抑制子，通过对其下游的细胞凋亡调节子的作用而抑制Bcl-2的功能。

1993年Oltvai等用免疫共沉淀法检测到Bax蛋白，与Bcl-2有21％的同源性。研究发现Bax蛋白有对抗Bcl-2蛋白抑制凋亡的作用。Bcl-2/Bax两蛋白之间的比例是决定对细胞凋亡抑制作用强弱的关键因素，Bcl-2＞Bax，细胞趋于存活；Bax＞Bcl-2，细胞趋于凋亡。因此认为Bax是极重要的促细胞凋亡基因之一^[2]。

Bak是新近发现的基因，对Bcl-2有抑制作用，类似Bak/Bcl-Xs。Bak蛋白对Bcl-2的抑制作用可能是通过其它蛋白质信号传递途径中介。在酵母细胞中，Bak蛋白与Bcl-X_L或E1B19K蛋白形成异源二聚体。大量试验证明，这种异源二聚体的形成可能具有细胞特异性。由于Bak可与E1B19蛋白相互作用，而后者参与核骨架中核纤层作用，因此推测Bak可能通过E1B19蛋白或其它蛋白与核物质作用调控细胞死亡。由于Bcl-X_L的分布不及Bak广泛，在细胞中可能存在与Bak相互作用的至今尚未发现的Bcl-2家族新成员^[5]。

2P53

P53肿瘤抑制基因正常时分为野生型与突变型两种，目前认为只有野生型P53才具有诱导细胞凋亡的作用，而突变型P53则抑制细胞凋亡，突变型P53的作用方式与Bcl-2抑制由Myc介导的凋亡作用方式相似。野生型P53诱导细胞凋亡的机制可能是：(1)P53是一种核内的磷酸蛋白，能对复杂的DNA损伤系统进行调控，起转录因子的作用。DNA损害使P53表达增强，P53产物则激活其下游的WAF/GiP1基因。WAF/GiP1基因编码P21蛋白，P21能抑制细胞周期素依赖性激酶(cyclin dependent kinase，CDK)的活性，从而抑制细胞周期进程。在细胞DNA损伤时，P53转译水平将升高，从而促进P21表达，使细胞停滞在G₁～S期之间，抑制细胞分裂，为细胞赢得修复DNA损伤的时间。不能得到及时修复的损伤细胞在P53中介下进入细胞凋亡途径，以达到清除损伤细胞，抑制肿瘤发生的目的^[2]。细胞凋亡也存在另一种非P53依赖方式。糖皮质激素诱导的胸腺细胞的凋亡就是非P53依赖性的^[6]。生长因子PDGF(血小板衍生性长因子)、FGF(纤维生长因子)、EFG(表皮生长因子)、NFG(神经生长因子)、TGF3(转移生长因子β)等作为细胞外信号刺激P53^-/-的静止期细胞，通过促细胞分裂素激活蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)途径，调节P21的转录，使其在G₁早期表达^[7]。由此可见，P21对细胞内信号(P53)和细胞外信号(生长因子)均能作出反应，参加细胞的多种生物学行为。(2)P53基因降低内源性Bcl-2蛋白表达和抑制其功能。在恶性肿瘤内P53蛋白与Bcl-2蛋白表达呈明显负相关。(3)Miyashita等^[8]克隆并测定了Bax基因约1kb长的5'非翻译区(5'-UTR)，发现在阅读框起始点上游-398bp为TATAA盒，-372bp为转录起始点，60～190bp区段含4个CACGTG序列，可能为几个转录因子包括Myc及同系物Max、Mad、Mxl-1结合位点，在448～486bp区段内有4个部分重叠的P53蛋白结合位点，并具有Bax启动子序列。因此，P53可作为Bax基因转录直接激动剂，提高细胞内Bax蛋白的表达，使Bcl-2/Bax蛋白比例改变而促进细胞凋亡。Bax可作为P53早期反应基因(Primary-response gene)，参与P53诱导的细胞凋亡过程。Drllsnkumsts^[9]则认为Bax和Bcl-2可作为P53的调节基因。(4)P53基因增强CD₉₅、CD₉₅L基因表达，从而激活敏感的CD₉₅信号传递途径。在此途径中，FADD(Fas-Associated Death Domain，Fas相关死亡区)和其同系物FLICE(ICE/CED-3家族的最新成员)结合，形成细胞内CD₉₅相关的诱导死亡信号复合物(DISC)。DISC形成后，通过ICE样蛋白酶传递凋亡信号，催化相应反应导致细胞凋亡^[10]。

3C-Myc

C-Myc原癌基因既有刺激细胞增生，亦有刺激细胞发生凋亡的作用。Myc蛋白与Max蛋白形成二聚体作为转录调节因子，激活介导细胞增殖的基因和诱导凋亡的基因。细胞在C-Myc基因作用下出现哪种结果，取决于细胞接受的外来信号。C-Myc基因的作用机制尚不清楚。目前认为，C-Myc可能直接参与启动凋亡，当Myc诱导细胞凋亡时，细胞并不需要进入增殖周期状态^[11]。

4ICE(interleukin-1-β converting enzyme，白介素1β转换酶)基因家族

目前发现的该家族成员有Ced-3、ICE、Nedd-2/ICH-1、CPP₃₂、TX等。ICE基因家族编码的蛋白酶被认为在凋亡中发挥重要作用的蛋白酶，其作用底物有PARP[poly(ADP-ribose)polymerase，多聚ADP核糖聚合酶]，U₁-70kD、DNA-PK(DNA蛋白激酶)、HH₁(H₁组蛋白)、Lamins(层粘蛋白)、Fodrin(骨架蛋白)、actins(肌动蛋白)、PKC-δ(蛋白激酶C-δ)等。许多证据表明，ICE样蛋白酶是细胞死亡机制的核心成分，凋亡似乎是蛋白酶级联切割底物的过程。到目前为止，已经知道的与凋亡相关的ICE样蛋白酶中至少有3种对底物以这种方式依次切割，即TX→ICE→CPP32→死亡底物PARP→早期凋亡事件。另一些如切割Lamins、Fodrin等的蛋白酶可能是参与晚期凋亡的蛋白酶。近年来发现ICE样蛋白酶不同成员之间形成的异源寡聚体不具有原蛋白酶催化底物的特异性。由此认为，这种异源寡聚化可能是另一种重要的调控细胞凋亡的方式，在蛋白酶特异性、活性和稳定性方面起调节作用^[2,12]。

5细胞周期调控基因

5.1Rb(Retinoblastoma，视网膜母细胞瘤基因)Rb基因位于人13号染色体长臂上，其表达产物为核内磷蛋白。在细胞周期中，Rb蛋白的磷酸化程度呈周期变化，它参与细胞周期调控。Rb基因的抑癌机理与转录因子DRTF1/E2F有关。DRTF1/E2F是一组识别并结合同一DNA位点，在细胞周期中起重要转录激活作用的活性蛋白。它们能激活一系列