董雅潔，王芳芳

(1.承德醫(yī)學(xué)院病理生理學(xué)教研室，河北承德 067000;2.承德醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院)

Bcl-2、Bax在腦缺血再灌注與神經(jīng)細(xì)胞凋亡中的作用*

董雅潔1，王芳芳2

(1.承德醫(yī)學(xué)院病理生理學(xué)教研室，河北承德 067000;2.承德醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院)

Bcl-2;Bax;腦缺血再灌注;細(xì)胞凋亡

腦血管病是神經(jīng)系統(tǒng)的常見病、多發(fā)病之一，因其高發(fā)病率、高致死率及高致殘率，現(xiàn)已成為危害人類生命安全的巨大隱患之一。由于缺血所導(dǎo)致腦組織損傷后，經(jīng)再灌注使可逆性缺血損傷加重，并最終使可逆性損傷轉(zhuǎn)化為不可逆性損傷，因此，再灌注損傷是制約腦缺血再灌注療效的重要因素。近年來，隨著生物技術(shù)進(jìn)展，更多證據(jù)表明，腦缺血再灌注后神經(jīng)元死亡由凋亡和壞死共同引起[1]。細(xì)胞凋亡是程序性細(xì)胞死亡，在腦缺血再灌注損傷的病理過程中起重要作用[2]。目前，在眾多的凋亡調(diào)控基因中，Bcl-2和Bax在腦缺血再灌注與神經(jīng)細(xì)胞凋亡中的作用受到廣泛關(guān)注，因此，本文對腦缺血再灌注損傷與Bcl-2，Bax的關(guān)系作一綜述。

1 Bcl-2、Bax與細(xì)胞凋亡

1.1 Bcl-2與Bax基因及其產(chǎn)物 Bcl-2是細(xì)胞凋亡過程中的一類調(diào)節(jié)因子，是B細(xì)胞淋巴瘤/白血病-2(B-cell lymphoma/leukemia 2,Bcl-2)的縮寫，與秀麗隱桿線蟲的生存基因Ced-9有高度同源性，是細(xì)胞凋亡信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中關(guān)鍵的凋亡調(diào)節(jié)因子。目前已發(fā)現(xiàn)有20余種Bcl-2蛋白家族包括兩類功能相反的基因，一類是抑制細(xì)胞凋亡的基因，如Bcl-2、Bcl-XL、Bcl-W和AI等，另一類是促進(jìn)細(xì)胞凋亡的基因，如Bax、Bak、Bok、Bod、Bid、Bik等。Bcl-2基因正常位于第18號染色體，編碼分子量為25-26KD的蛋白質(zhì)，它是一種親脂性的跨膜蛋白，定位于線粒體內(nèi)膜、核膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上。Bcl-2蛋白結(jié)構(gòu)上無特殊性信號肽，但在氨基酸的C末端具有一個(gè)疏水性的跨膜結(jié)構(gòu)域，故可通過該結(jié)構(gòu)域定位或可轉(zhuǎn)位于線粒體外膜、核膜及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)表面，對Bcl-2蛋白的生化機(jī)能發(fā)揮起重要作用[3]。Bcl-2相關(guān)X蛋白(Bcl-2 Assaciated X protein,Bax)是Bcl-2家 族 中 最 具有促進(jìn)死亡特征的基因，其被表達(dá)并轉(zhuǎn)位于線粒體是對各種細(xì)胞死亡信號的反應(yīng)[4]。1993年，Oltivi等[5]從人和鼠B細(xì)胞發(fā)現(xiàn)與Bcl-2共沉淀(21KD)蛋白，將其命名為Bax。Bax蛋白由192個(gè)氨基酸組成，相對分子量為21KD。Bax基因的轉(zhuǎn)錄物廣泛分布于體內(nèi)各組織,以神經(jīng)元含量尤為豐富。Bax蛋白具有一個(gè)跨膜位點(diǎn)，其編碼區(qū)含有與Bcl-2蛋白高度同源的BH1和BH2結(jié)構(gòu)域，在該區(qū)，Bax自身形成同源二聚體或與Bcl-2形成異源二聚體，是參與細(xì)胞凋亡的主要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

1.2 Bcl-2與Bax的特性及在細(xì)胞凋亡中的作用 Bcl-2家族重要成員Bcl-2、Bax在細(xì)胞凋亡的基因調(diào)控過程中，通過激活一系列下游基因發(fā)揮調(diào)節(jié)凋亡作用。在細(xì)胞凋亡過程中，DNA的消化需要相關(guān)的Ca2+依賴性核酸內(nèi)切酶的參與，而Bcl-2蛋白可阻斷Ca2+從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中釋出，使依賴Ca2+的核酸內(nèi)切酶活性降低，從而阻斷細(xì)胞凋亡。Bcl-2蛋白可能作用于線粒體與核孔復(fù)合體上的信號分子，控制細(xì)胞信號傳導(dǎo)，延長細(xì)胞生存。Bcl-2阻止線粒體釋放細(xì)胞色素C，減少細(xì)胞凋亡發(fā)生[6]。Bax基因的過度表達(dá)，則可對抗Bcl-2對細(xì)胞凋亡的抑制作用，為強(qiáng)有力的促凋亡分子。Bax以非活性的形式分布于胞質(zhì)中或細(xì)胞骨架上，當(dāng)從胞質(zhì)中轉(zhuǎn)位至細(xì)胞器的膜結(jié)構(gòu)上(如線粒體膜)時(shí)，與膜上、膜內(nèi)的抗凋亡蛋白發(fā)生相互作用，引起細(xì)胞器功能的喪失和各種促凋亡因子的釋放，最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[7]。

Bcl-2與Bax競爭結(jié)合，形成異源二聚體，封閉Bax形成孔道的活性，阻斷這種鈣流，從而抑制細(xì)胞凋亡。有研究發(fā)現(xiàn)，Bcl-2既能抑制p53和氧化劑H2O2誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，又能阻斷促凋亡基因信號傳遞，或阻斷促凋亡基因產(chǎn)物的表達(dá)而發(fā)揮抗凋亡作用[8，9]。有報(bào)道，Bcl-2高表達(dá)與抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋Ca2+有關(guān)[10]。Bcl-2蛋白抗凋亡的作用，與其屬跨膜蛋白可抑制Ca2+超載，阻止凋亡基因信號的傳遞或基因產(chǎn)物的誘導(dǎo)及抑制自由基的產(chǎn)生有關(guān)。Hara等[11]研究表明，Bcl-2/Bax比率決定細(xì)胞受到凋亡刺激信號后是生還還是凋亡。Bcl-2對細(xì)胞凋亡的影響與Bcl-2及Bax之間比率大小有關(guān)，當(dāng)Bax高表達(dá)時(shí)，可形成Bax-Bax同源二聚體，促進(jìn)細(xì)胞凋亡;當(dāng)Bcl-2高表達(dá)時(shí)，可形成較Bax-Bax更穩(wěn)定的Bax-Bcl-2異源二聚體，從而中和了Bax-Bax二聚體誘導(dǎo)凋亡的作用，抑制細(xì)胞凋亡，即細(xì)胞內(nèi)Bcl-2與Bax的比例決定了凋亡的發(fā)生。這一模式很可能是Bcl-2家族蛋白作用于凋亡過程的基本模式。

2 腦缺血再灌注與神經(jīng)細(xì)胞凋亡

大量研究發(fā)現(xiàn)[12]，腦缺血再灌注可誘發(fā)細(xì)胞凋亡，腦缺血再灌注后腦組織中凋亡的細(xì)胞大多為神經(jīng)細(xì)胞，少數(shù)為膠質(zhì)細(xì)胞和血管內(nèi)皮細(xì)胞。有實(shí)驗(yàn)表明[13]，大鼠全腦缺血再灌注后海馬區(qū)延遲性神經(jīng)元死亡是不同于壞死的一個(gè)過程，凋亡是其神經(jīng)元丟失的重要原因。全腦缺血再灌注后，兩種功能相反的凋亡相關(guān)基因Bcl-2和Bax的區(qū)域性表達(dá)很可能參與了延遲性神經(jīng)元死亡的發(fā)生[14]。有報(bào)道，大鼠腦組織缺血10min不引起神經(jīng)元凋亡，永久性腦缺血60min，其病理變化為壞死，缺血再灌注后則可造成神經(jīng)元凋亡，細(xì)胞凋亡的數(shù)目隨時(shí)間變化呈曲線波動，表明在腦缺血過程中，決定細(xì)胞凋亡或壞死的主要因素為缺血的嚴(yán)重程度及細(xì)胞的選擇易患性，缺血后細(xì)胞丟失方式可能決定于損傷程度[15]。嚴(yán)重缺血引起能量衰竭，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)鈉、鈣升高，使細(xì)胞溶解、壞死，輕微缺血及再灌注損傷易觸發(fā)細(xì)胞凋亡。研究表明[16]，缺血2h再灌注0.5h，視前區(qū)的缺血區(qū)有較多的凋亡細(xì)胞，隨著再灌注時(shí)間的延長，凋亡細(xì)胞散在分布于視前區(qū)、紋狀體、大腦皮質(zhì);再灌注12h，凋亡細(xì)胞數(shù)量達(dá)高峰;持續(xù)再灌注24h，此時(shí)可見凋亡細(xì)胞的各種形態(tài)。由此反映出神經(jīng)元對缺血再灌注損傷的敏感性不一，也說明了細(xì)胞凋亡是一個(gè)動態(tài)的發(fā)展過程。

3 Bcl-2、Bax與腦缺血再灌注損傷

3.1 Bcl-2與Bax在腦缺血再灌注損傷中的作用 腦缺血后繼發(fā)的病理生理改變對腦細(xì)胞造成的損傷是腦缺血損傷的重要原因之一。一般認(rèn)為壞死與凋亡是受損腦細(xì)胞死亡的兩大主要機(jī)制，當(dāng)損傷達(dá)到一定程度時(shí)引起細(xì)胞壞死，而低程度的損傷則導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[17]。大腦是對缺血缺氧十分敏感的組織。神經(jīng)細(xì)胞凋亡是受各種基因調(diào)控的程序化死亡過程，病理生理機(jī)制非常復(fù)雜，其中線粒體通路為最普遍的凋亡機(jī)制和細(xì)胞凋亡核心[18]。腦缺血再灌注損傷與凋亡相關(guān)基因Bcl-2、Bax密切相關(guān)，其中Bcl-2和Bax是一對功能上相對的凋亡調(diào)控基因，在Bcl-2基因家族主要調(diào)控線粒體通路[19]。Bcl-2是抗凋亡基因，可阻止許多因素所誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡，而Bax是促凋亡基因，二者的比例是決定細(xì)胞是否發(fā)生凋亡的重要調(diào)控因素。Bax蛋白不但拮抗Bcl-2的抑制凋亡作用，而且有直接促進(jìn)細(xì)胞凋亡的功能。Bcl-2/Bax鑲嵌在線粒體膜上，調(diào)控凋亡誘導(dǎo)蛋白的釋放和線粒體功能，兩者間的平衡影響神經(jīng)細(xì)胞凋亡的發(fā)生。

3.2 Bcl-2與Bax在腦缺血再灌注損傷的作用機(jī)制 定位于線粒體外膜的Bcl-2可能是線粒體PT孔道的組成成分，能調(diào)節(jié)線粒體膜對一些凋亡蛋白前體的通透性。線粒體外膜上的Bax能允許一些離子和小分子物質(zhì)(細(xì)胞色素C等)穿過線粒體膜，進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，從而引起細(xì)胞凋亡;而Bcl-2的作用正好相反，它能封閉Bax形成孔道的活性，使一些小分子不能自由通透，從而保護(hù)細(xì)胞免于凋亡。Bcl-2還能將凋亡蛋白前提Apaf-1等定位到線粒體膜上，使其不能發(fā)揮凋亡作用。在細(xì)胞中的Bcl-2和Bax蛋白是以異二聚體的形式存在，組織Bax插入線粒體外膜，保護(hù)線粒體電勢梯度，調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)Ca2+的自我穩(wěn)定狀態(tài)和氧化還原狀態(tài)來抑制凋亡。有研究表明[20]，在離體氧糖剝奪法缺血預(yù)適應(yīng)模型中，下調(diào)促凋亡基因Bax水平，上調(diào)抗凋亡基因Bcl-2水平，提高Bcl-2/Bax比值抗凋亡作用，對腦缺血再灌注后細(xì)胞凋亡起重要作用。

4 結(jié)語

腦缺血再灌注后神經(jīng)細(xì)胞凋亡是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，凋亡的執(zhí)行需要凋亡基因的激活、線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的參與以及一些相關(guān)因子參與。Bcl-2、Bax在腦缺血再灌注損傷的發(fā)病過程具有重要地位，是腦缺血再灌注后神經(jīng)細(xì)胞凋亡發(fā)生的關(guān)鍵凋亡調(diào)控基因。然而Bcl-2、Bax在腦缺血再灌注損傷發(fā)生發(fā)展中所涉及的許多傳導(dǎo)通路、相關(guān)信號分子及其機(jī)制尚未完全闡明，有些問題尚需要進(jìn)一步深入研究目前，有關(guān)Bcl-2、Bax的激動劑和抑制劑的研究也日益受到關(guān)注，這將有助于進(jìn)一步明確二者在細(xì)胞凋亡過程中的作用，揭示細(xì)胞凋亡的復(fù)雜的分子機(jī)制，并可能為腦缺血再灌注損傷的治療提供新的作用靶點(diǎn)，為設(shè)計(jì)出更有效的治療手段提供重要的理論依據(jù)。

[1]Matsushita K,Matsuyama T,Kitagawa K,et al.Alterations of Bcl-2 family proteins precede cytoskeletal proteolysis in the penumbra but not in infarct centre following focal cerebral ischemia in mice[J].Neuroscience,1998,83(2):439-448.

[2]Peng J,Mao XO,Stevenson FF,et al.The herbicideparaquat induces dopaminergic nigral apoptosis through sustained activation of the JNK pathway[J].J Biol Chem,2004,279(31):32625-32632.

[3]Korsmeyer SJ.Bcl-2 initiates a new sategory of oncogenes regulator of cell death[J].Blood, 1992,80(4):879.

[4]Wolter KG,Hsu YT,Smith CL,et al.Movement of Bax from the cytosol to mitochondria during apoptosis[J].J Cell Boil,1999,54(9):1281-1292.

[5]Chestnut RM,Marshall LF,Klauber MR,et al.The role of secondary brain injure in determining outcome from servere head injury[J].J Trauma,1993,34(2):216-222.

[6]Li L,Peng L,Zuo Z.Isoflurane preconditioning increases B-cell lymphoma-2 expression and reduces cytochromec release from the mitochondria in the ischemic penumbra of rat brain[J]. Eur J Pharmacool,2008,586(1-3):106-113.

[7]Luo C,Zhu C,Jiang J,et al.Alterations of bcl-2,bcl-x and bax protein expressions in aera CA-3 of rat hippocampus following fluid percussion brain injury[J].Acta Anaesthesiol Scand 2009,53(9):1184-1191.

[8]Li Y,Chopp M,Zhang ZG, et al.p53-immunoreactive protein and p53mRNA expression after transient middle cerebral artery occlusion in rats[J].Stroke,1994,25(4):849-855.

[9]Jacobson MD.Reactive oxygen species and programmed cell death[J].Trends Biochem Sci,1996, 21(3):83-86.

[10]Krajewski S,Tanaka S,Takayama S,et al.Investigation of the subcellular distribution of bcl-2 on coprotein[J].CancerRes,1993,53(19):4701-4714.

[11]Hara A,Iwai T,Niwa M,et al.Immunohistochemical detection of Bax and Bcl-2 Protein in gerbil hippocampus following transient forebrain ischemia[J].Brain Res,1996,711(1-2):249-253.

[12]Peng J,Mao XO,Stevenson FF,et al.The herbicideparaquat induces dopaminergic nigral apoptosis through sustained activation of the JNK pathway[J].J Biol Chem,2004,279(31):32625-32632.

[13]Kutuk O,Poli G,Basaga H.Resveratrol protectsagainst hydroxynonenal induced apoptosis by blocking JNK and c-JUN PAP21 signaling[J].Toxicol Sci,2006,90(1):120-132.

[14]Gross A.BCL-2 proteins: regulators of the itochondrial apoptotic program[J].Iubmb Life,2001, 52(3-5):231.

[15]Lenczowski JM,Dominguez L,Eder AM,et al.Lack of a role for Jun kinase and AP21 in Fas induced apoptosis[J].Mol Cell Biol,1997,17(1):170-181.

[16]Dong C,Yang DD,Tournier C,et al.JNK isrequired for effector T-cell function but not for T- cell activation[J]. Nature,2000,405(6782):91-94.

[17]Schindler CK,Shinoda S,Simon RP,et al.Subcellular distribution of bcl-2 family proteins and 14-3-3 within the hippo-campus during seizure induced neural death in the rat[J].Neurosci Lett,2004,356(3):163-166.

[18]張亞麗，高維娟，閆鳳霞，等.黃芪注射液抑制缺氧缺糖后復(fù)氧復(fù)糖大鼠海馬神經(jīng)細(xì)胞凋亡的研究[J].中國老年學(xué)雜志,2009,2(7):793-796.

[19]吳有志,徐善水.細(xì)胞凋亡及其基因調(diào)控與腦血管痙攣[J].神經(jīng)疾病與精神衛(wèi)生,2006,6(1):61-64.

[20]焦俊霞,高維娟,李玉明,等.黃芪注射液對缺氧缺糖/復(fù)氧復(fù)糖大鼠海馬神經(jīng)元Bcl-2和Bax表達(dá)的影響[J].中國病理生理雜志,2011,27(5):905-910.

R743

A

1004-6879(2014)03-0246-03

2013-12-19)

*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(81072923);河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究青年基金項(xiàng)目(Q2012002)