細(xì)胞程序性死亡不同信號通路對心臟相關(guān)疾病的影響

辛慶齡，徐偉男，劉聰穎，李 悅，王 莖

（安徽中醫(yī)藥大學(xué)，合肥 230038）

細(xì)胞死亡的方式主要包括壞死和程序性死亡[1]（Programmed cell death，PCD）。區(qū)別于細(xì)胞壞死，PCD為生理性死亡。通過細(xì)胞內(nèi)特定的信號通路而引發(fā)細(xì)胞主動性的死亡。在細(xì)胞程序性死亡時細(xì)胞發(fā)生皺縮、染色質(zhì)凝聚、細(xì)胞膜不會消失、也不會引起炎癥反應(yīng)[2]。其主要特征表現(xiàn)為染色質(zhì)DNA的有控裂解[3]。PCD的概念最早由KEER[4]等人提出，PCD有包括細(xì)胞自噬、細(xì)胞凋亡等多種形式。按照死亡機制與形態(tài)學(xué)的角度分為三類分別為：Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類[5]。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型細(xì)胞程序性死亡又分別被稱為細(xì)胞凋亡、細(xì)胞自噬和副凋亡[6]。研究表明，心臟方面疾病如：心力衰竭、心肌梗死、心率失常等與心肌細(xì)胞程序性死亡過度或不足存在相關(guān)性[7-8]。探究信號通路對程序性死亡的控制作用，可以為治療心臟方面疾病提供臨床治療新思路。

1 細(xì)胞程序性死亡的主要信號通路

1.1 Fas /Fas-L 系統(tǒng)

1.1.1 Fas/Fas-L系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及分布 Fas廣泛分布于各組織細(xì)胞當(dāng)中，包括心臟、腎臟、肝臟等臟腑細(xì)胞當(dāng)中[9]。Fas 基因位于第10號染色體的C24.1區(qū)，互補DNA長度為2 534 bp，相對分子質(zhì)量為36 000的跨膜蛋白。Fas的分子結(jié)構(gòu)包括胞質(zhì)區(qū)、跨膜區(qū)和膜外區(qū)[10]。膜外區(qū)具有膜受體特征，由157個氨基酸殘基組成。跨膜區(qū)處于整個分子結(jié)構(gòu)中部，由17個氨基酸殘基構(gòu)成。在細(xì)胞質(zhì)中有一個片段叫做“死亡域”（death domain，DD），它是由80～100個氨基酸序列組成。這段氨基酸序列直接介導(dǎo)細(xì)胞凋亡，在傳遞細(xì)胞凋亡信號中發(fā)揮重要作用[11]。

Fas-L（Fas的配體）是一種死亡因子，屬于腫瘤壞死因子（TNF）亞家族。具有218個氨基酸，是一種位于細(xì)胞表面的Ⅱ型膜蛋白[12]。人類Fas-L基因相對分子質(zhì)量為29kDa，位于第1染色體中。Fas-L也分為膜外區(qū)、跨膜區(qū)和胞質(zhì)區(qū)。分子的C末端位于細(xì)胞之外，N末端位于細(xì)胞漿中。通過與靶細(xì)胞上受體結(jié)合而控制細(xì)胞。

1.1.2 Fas/Fas-L系統(tǒng)的作用機制 Fas系統(tǒng)介導(dǎo)細(xì)胞程序性死亡，傳導(dǎo)死亡信號并形成通路。在細(xì)胞程序性死亡中，凋亡的信號傳導(dǎo)方式已經(jīng)相對明確。一般認(rèn)為Fas-L細(xì)胞可以和血漿中的sFas和形成三聚體的活化形式。Fas細(xì)胞的死亡域結(jié)合蛋白（FADD）發(fā)生變化，F(xiàn)ADD暴露的氨基酸的死亡區(qū)域與Caspase家族的蛋白酶前體（FLICE）相結(jié)合。Caspase再通過其他方式發(fā)生裂解或者活化，其裂解產(chǎn)物（P10和P20）成為有活性的半胱氨酸蛋白酶，從而刺激了同源家族的其他酶源（如：Caspase21、Caspase23、Caspase26、）。最終促進細(xì)胞降解或DNA片斷化，形成細(xì)胞凋亡[13]。

Fas-L主要表現(xiàn)為激活T淋巴細(xì)胞和B細(xì)胞，T淋巴細(xì)胞受到刺激形成Fas-L。從而當(dāng)Fas-L與靶細(xì)胞表面Fas結(jié)合后，可以向攜帶Fas的靶細(xì)胞傳遞凋亡信號，從而造成細(xì)胞凋亡[14]。

1.2 Bcl-2蛋白

1.2.1 Bcl-2蛋白結(jié)構(gòu)及分布 Bcl-2家族（B-cell lymphoma-2）是癌基因之一，主要分布在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜、核膜和線粒體膜上。其蛋白包含羧基末端跨膜區(qū)域和BH結(jié)構(gòu)域（即BH1、BH2、BH3和BH4）。家族成員分為3大類型，分別是抗凋亡蛋白、促凋亡蛋白、促凋亡蛋白中的特殊成員。其中抗凋亡蛋白又被稱為“效應(yīng)者”，大多數(shù)包含BH結(jié)構(gòu)域（如Bcl-2、Bcl-w）；促凋亡蛋白又被稱為“保護者”，主要分布于細(xì)胞包漿中（如Bax、Bak）。促凋亡蛋白中的特殊成員也被稱為“起始者”，因只含有BH3結(jié)構(gòu)域所以又叫BH3-only[15]。在細(xì)胞凋亡過程中，Bcl-2家族信號通路并非單一發(fā)生作用，而是相互作用控制細(xì)胞凋亡，并與線粒體存在密切聯(lián)系[16-17]。

1.2.2 Bcl-2蛋白作用機制 Bcl-2蛋白家族在促細(xì)胞凋亡中主要表現(xiàn)為兩種方式：1）單一信號通路發(fā)揮作用。2）多個信號通路互相產(chǎn)生作用。前者通過受體途徑，后者則與線粒體有關(guān)，作用機制也更為復(fù)雜[18]。因為線粒體外膜通透（Mitochondrial outer membrane permeabilization，MOMP）可誘導(dǎo)存在于線粒體膜間隙中的促凋亡蛋白發(fā)揮作用。而在信號通路相互作用下Bcl-2蛋白家族直接參與調(diào)控MOMP，所以說MOMP是細(xì)胞凋亡的關(guān)鍵樞紐[19]。

1.3 mTOR信號通路

1.3.1 mTOR結(jié)構(gòu)與分布 哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）屬于PI3K/Akt 下游的一種重要的絲氨酸-蘇氨酸蛋白激酶家族[20]。由于分子組成不同mTOR分為mTOR1和mTOR2 其中mTOR1是由Raptor蛋白、PRAS40所組成，mTOR2是由Rictor蛋白、mSin、protor1/2所組成[20]。兩種mTOR還對雷帕霉素的敏感程度不同。mTOR1可激活p70S6K和抑制真核生物4E-BP1的表達，對雷帕霉素反應(yīng)敏感。mTOR2則通過控制細(xì)胞框架而導(dǎo)致細(xì)胞自噬，對雷帕霉素反應(yīng)不敏感[21]。

1.3.2 mTOR作用機制 ULK1可以形成mTOR的底物復(fù)合物，而mTORC1能通過與ULK1結(jié)合而抑制自噬，在自噬中起到關(guān)鍵的作用[22]。ULK1在激活狀態(tài)下有時也會與PI3K的II類復(fù)合物形成細(xì)胞自噬。PI3K/AKT和Ras/ERK能調(diào)控TSC1/2蛋白的磷酸化水平，從而抑制TSC1/2的表達并激活 mTORC1。然而LKB1可能會在葡萄糖饑餓的情況下被激活從而增加AMPK的磷酸化表達，進而抑制mTORC1的激活，促進哺乳動物細(xì)胞的自噬過程。除此之外，AKT和AMPK也能通過非TSC1/2依賴的相關(guān)途徑參加mTORC1的調(diào)控過程。

1.4 Caspase信號通路

1.4.1 Caspase分布與結(jié)構(gòu) Caspase家族本質(zhì)為蛋白酶的一種，其分子質(zhì)量約為30～50 ku。具有特異酶切天冬氨酸和半胱氨酸蛋白酶的特征，分子由一大一小的亞基在N端組成[23]。Caspase家族分為啟動型（Ⅰ型Caspase）和執(zhí)行型（Ⅱ型Caspase），兩者在功能和所處級聯(lián)反應(yīng)的位置有所不同。Ⅰ型Caspase處于整個Caspase級聯(lián)反應(yīng)的最上端，在其他因素的作用下能發(fā)生自我活化并激活下游活化。Ⅱ型Caspase通過改變細(xì)胞形態(tài)裂解細(xì)胞底物形成細(xì)胞凋亡[24]。此外caspases家族中還有一系列特定的成員負(fù)責(zé)協(xié)助細(xì)胞介導(dǎo)炎癥和細(xì)胞凋亡，這類系列的Caspase主要包括 Caspase-1、Caspase-4、Caspase-5、Caspase-13和Caspase-14[25]。

1.4.2 Caspase作用機制 在一般情況下以無活性的酶存在，當(dāng)與配體結(jié)合后水解而活化。Caspase活化后根據(jù)凋亡信號的刺激不同活化類型分為外源性（死亡受體途徑）與內(nèi)源性（線粒體途徑）[26]。死亡受體途徑形成機制類似于上述Fas系統(tǒng)。線粒體途徑則是收到細(xì)胞凋亡信號刺激后，細(xì)胞色素C由線粒體中被釋放到細(xì)胞包漿中，此時細(xì)胞色素C與激活因子相結(jié)合通過半胱氨酸蛋白酶類的作用活化Caspase最終形成細(xì)胞凋亡。

2 細(xì)胞程序性死亡對心臟相關(guān)疾病的影響

2.1 程序性死亡與慢性心衰 Fas/ Fas-L系統(tǒng)作為影響程序性死亡的信號通路之一在慢性心衰的發(fā)病過程中也起到關(guān)鍵作用。Fas/ Fas-L系統(tǒng)可能通過激活TNF受體介導(dǎo)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，促進炎性因子（如：TNF-α，IL-2，IL-6）的表達，吸引并激活中性粒細(xì)胞產(chǎn)生大量氧自由基，從而加劇心肌局部的炎性反應(yīng)[27]。在血管內(nèi)皮細(xì)胞中，sFas-L是血管內(nèi)皮炎癥反應(yīng)的保護性因子以減輕血管內(nèi)皮的炎性反應(yīng)[28]。研究發(fā)現(xiàn)病人血漿中 sFas的濃度與患者心功能之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此，sFas水平的反應(yīng)對衡量患者慢性心衰的危急程度至關(guān)重要。Fas/ Fas-L系統(tǒng)在慢性心衰中參與免疫炎癥性反應(yīng)、心肌細(xì)胞的肥大增生等過程。從而說明Fas/Fas-L系統(tǒng)與慢性心衰直接的關(guān)系。

2.2 程序性死亡與心肌梗死 細(xì)胞死亡在心肌梗死缺血24 h即發(fā)生大量的心肌細(xì)胞死亡，之前研究對心肌梗死中細(xì)胞死亡的十分有限，但發(fā)現(xiàn)細(xì)胞凋亡在心肌梗死中發(fā)揮著作用，通過實驗已證實，死亡受體通路與線粒體通路介導(dǎo)的細(xì)胞死亡的心肌梗死中起作用。發(fā)現(xiàn)心肌細(xì)胞凋亡的速率和Fas和Bax mRNA在心肌梗死中的表達活性也隨之增加，表明Fas和Bax mRNA的表達在心肌梗死的發(fā)生中起重要作用[29]?，F(xiàn)有的研究表明，心肌細(xì)胞凋亡影響心肌梗死的研究成為極具臨床研究價值的方向，細(xì)胞程序性壞死的發(fā)現(xiàn)將可能為心臟疾病病理途徑的研究和治療提供新的方向，然而在體內(nèi)區(qū)分壞死與細(xì)胞凋亡還是十分困難，這對于細(xì)胞程序性壞死在心臟疾病中的研究帶來了很大挑戰(zhàn)。

2.3 程序性死亡與心律失常 心臟正常的除極化順序是開始于竇房結(jié)，結(jié)束于心室肌。心律失常會發(fā)生在這種除極模式紊亂時。這種紊亂可以由竇房結(jié)直接影響受損的心肌組織間接影響，并導(dǎo)致除極變得或快或慢或不規(guī)則。國外研究[30]心率失常患者的心臟中是否出現(xiàn)自噬現(xiàn)象。篩選符合條件的患者后獲得了右心房附件的樣本。結(jié)果顯示電子顯微照片發(fā)現(xiàn)大量自噬泡和自噬相關(guān)的標(biāo)志性產(chǎn)物，證明心率失常伴隨細(xì)胞自噬現(xiàn)象的發(fā)生。

3 小結(jié)

細(xì)胞程序性死亡近期來是研究的熱點，通過抑制或者激活信號通路可以控制細(xì)胞程序性死亡，而細(xì)胞程序性死亡的不足或過度會引發(fā)心臟相關(guān)疾病。從Fas/Fas-L 系統(tǒng)、Bcl-2等信號通路這個方面入手保護心肌細(xì)胞，預(yù)防和治療如慢性心衰、心肌梗死等疾病。但是其它作用機理還需進一步深入研究，若能準(zhǔn)確進行精準(zhǔn)控制心肌細(xì)胞程序性死亡，那么從靶向治療或者預(yù)防心臟相關(guān)疾病具有深刻的臨床意義。