細胞凋亡與線粒體自噬在間歇低氧神經損傷中的應用

禹江濤 王紅陽 韓廣超 王 袁 張麗麗

(河北聯(lián)合大學附屬醫(yī)院呼吸內科 河北唐山 063000)

細胞凋亡是在基因嚴格控制下主動的細胞“自殺”行為，又稱為細胞程序性死亡。細胞通過信號傳導引起某些基因轉錄和翻譯發(fā)生改變，引起細胞器縮小而不裂解，染色體DNA斷裂，形成凋亡小體最終被巨噬細胞識別并吞噬。近年來有文獻報道，睡眠呼吸暫停導致神經損傷從而影響認識功能［1］。同時研究表明，慢性間歇低氧可誘導神經細胞凋亡引起神經系統(tǒng)損傷［2～4］。我們前期動物實驗已證實慢性間歇低氧條件下神經細胞出現(xiàn)凋亡［2，5］。細胞凋亡有復雜的調控過程，包括信號轉導系統(tǒng)、基因激活與轉錄、酶系統(tǒng)等。

1 細胞凋亡與間歇低氧神經損傷

間歇低氧引起細胞凋亡的機制尚不完全清楚，目前已知調控細胞凋亡的信號轉導通路有:內質網(wǎng)相關性死亡(ERAD)通路、線粒體通路及死亡受體通路。其中ERAD途徑:包含內質網(wǎng)應激誘導轉錄C/EBP的同源蛋白、JNK的活化和caspase－12蛋白水解酶的活化。當內質網(wǎng)發(fā)生應激時，位于內質網(wǎng)的caspase－12酶活性升高并活化，從內質網(wǎng)轉運到胞漿，最終激活caspase－3等，最后引發(fā)細胞凋亡。線粒體通路:線粒體相關的主要凋亡蛋白有:CytC、BCL－2家族蛋白、凋亡蛋白酶激活因子－1(Apaf－1)以及凋亡誘導因子(AIF)等。BCL－2家族蛋白通過對線粒體通透性轉換孔PTP進行調節(jié)，最終引起CytC的釋放，誘導caspase水解導致細胞凋亡。而線粒體內的凋亡蛋白，如AIF等，進入細胞質后作用于細胞核，引起染色體凝集，引起凋亡［6］。死亡受體通路:死亡受體是細胞上的一類跨膜蛋白，屬于腫瘤壞死因子(TNFR)受體基因超家族，目前已知的死亡受體(TNFR －1、Fas、DR3、DR4、DR5)在細胞外均由一段含半胱氨酸的區(qū)域，配體與之結合后誘發(fā)細胞內側具有蛋白質水解功能的“死亡區(qū)域”發(fā)生改變，傳遞凋亡信號，最終誘導細胞凋亡。有研究表明神經細胞損傷與間歇低氧后產生氧化應激有關［7］，這與Row B W等［8］研究CIH導致學習記憶損傷中發(fā)現(xiàn)大鼠體內氧化應激水平比正常對照組高的結果一致。總之，間歇低氧可以引起神經細胞凋亡，從而導致認知、學習及記憶功能障礙，但確切機制尚不明確，有待進一步研究。

2 線粒體自噬與間歇低氧信號轉導途徑

ERK:細胞外信號調節(jié)激酶(Extracelluar signal－regulated kinase)是真核生物細胞內的一類絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，是生物體內最重要的信號通路之一，由國外學者從哺乳動物細胞研究并最早發(fā)現(xiàn)的絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)家族成員。主要包括兩種異構體 ERK1和 ERK2(分別為 p44MAPK和p42MAPK)，二者與同源性高，一般統(tǒng)稱為ERK1/2。ERK信號轉導通路存在于大多數(shù)細胞中，ERK通路被激活后，作用于細胞漿或細胞核的底物，引起相關蛋白的特異性表達，調控細胞的應激、分化、增殖和凋亡等［9］。在腦缺血研究發(fā)現(xiàn)，ERK通路的激活介導細胞死亡［10］，與既往研究 ERK通路抑制神經細胞死亡［11］相比較，ERK通路在神經細胞的存活與凋亡過程中起著雙重角色。

低氧條件下，目前研究表明HIF－1的活性表達受REK的直接修飾調節(jié)，同時REK對HIF－1蛋白的修飾不影響其穩(wěn)定性及DNA結合能力，但抑制胞外信號調節(jié)激酶(ERK)的活性后HIF－1的轉錄活性也被抑制［12］。Sodhi的研究表明，應用ERK抑制劑(PD98059)及保留部分功能的Ras蛋白突變異構體等試驗中證明REK通路信號傳導活化并修飾HIF－1蛋白［13］。其中ERK1/2轉位到細胞核內是信號傳遞的關鍵，且在早期有活性，長期慢性刺激HIF－1的反式激活功能不能活化。

細胞為了適應不同氧氣濃度形成了完整的信號傳導及調控機制。其中低氧誘導因子(HIF)廣泛存在于人體及哺乳動物的一種轉錄因子。HIF由HIF－1α和HIF－1β兩個亞基組成，在低氧條件下激活多種基因的轉錄來適應低氧環(huán)境。研究［14］表明HIF－1β不受氧濃度影響，而HIF－1和HIF－1α受氧濃度調節(jié)，HIF－1α是活性調節(jié)亞基，正常條件下HIF－1α的表達和降解處于動態(tài)平衡狀態(tài)。低氧條件下，HIF－1α的降解受到抑制，從而積聚。HIF－1β存在于胞漿和胞核，其與HIF－1α進入胞核后與HIF－1β形成HIF－1異二聚體，HIF－1與低氧反應元件(HRE)結合并調控下游基因。目前已知受HIF－1調控的眾多下游基因不但參與細胞的增殖分化、而且參與細胞代謝及細胞死亡等多種病理生理過程。其中受HIF－1直接調控的細胞死亡相關蛋白有BNIP3和BNIP3L(BNIP3－like)，均為Bcl－2中只含BH3結構域亞家族中的成員。他們的啟動子中均含有HRE，并在低氧條件下誘導表達。與既往認為 BNIP3和BNIP3L是促凋亡蛋白不同，最近一些研究表明:HIF－1依賴性的BNIP3表達在大鼠心臟細胞線粒體自噬是不可或缺的［15］;Bellot等［16］證實，當正常細胞或癌細胞在低氧條件下發(fā)生線粒體自噬現(xiàn)象防止細胞死亡，而線粒體自噬通過HIF－1介導BNIP3和BNIP3L表達而發(fā)生。Zhang等［17］研究發(fā)現(xiàn)在低氧條件下線粒體發(fā)生自噬現(xiàn)象，其中低氧誘導因子HIF－1誘導的BNIP3表達起著至關重要作用。眾所周知哺乳動物的正常紅細胞內無線粒體，因為網(wǎng)織紅細胞向成熟紅細胞轉化過程中，細胞內線粒體通過自噬而消失［18］。且相關研究［19］表明，線粒體自噬與其外膜上的BNIP3L(類BNIP3蛋白)相關，BNIP3L缺失的小鼠紅細胞仍有線粒體存在。其中Beclin－1與Atg5的表達也參與了自噬過程。Beclin－1是一種與BNIP3和BNIP3L具有相同BH3結構域的蛋白質，被認為在調控自噬體的形成中有重要作用。低氧條件下，BNIP3和BNIP3L表達增多，Beclin－1被競爭性的從與Bcl－2或者Bcl－XL的復合物中游離出來形成PI3K復合體(Ⅲ型磷脂酰肌醇 －3－激酶復合體)，并通過PI3K/Akt途徑激活線粒體自噬的發(fā)生［20］，Atg5是此調節(jié)途徑的關鍵蛋白，起重要的介導作用。研究表明，長期低氧條件下，轉錄因子PERK被激活，誘導Atg5的表達，進而發(fā)生自噬;目前LC3檢測自噬特異性高，當自噬現(xiàn)象發(fā)生時，LC3形成LC3－Ⅱ，且研究表明LC3－Ⅱ與細胞內自噬泡成正比。且免疫組化檢測LC3B－Ⅱ與電鏡觀察自噬現(xiàn)象結果一致程度高，可作為檢測自噬現(xiàn)象的重要指標［21］。同時外源性H2O2同樣能導致線粒體損傷并激活自噬［22］。

3 細胞凋亡與線粒體自噬的關系

線粒體自噬是近年來被發(fā)現(xiàn)的一種在低氧狀態(tài)下保障細胞氧化還原穩(wěn)態(tài)的重要調控途徑［23］。細胞在間歇低氧條件下發(fā)生代謝改變，線粒體通過降解蛋白質及損傷的細胞器來防止凋亡途徑的觸發(fā)，從而保護細胞。另外，在長期或劇烈應激條件下，持續(xù)的線粒體自噬導致細胞凋亡。因此，線粒體自噬在細胞的存活及死亡中起到重要的調節(jié)作用。線粒體通過氧化磷酸化產生ATP的同時，還生成活性氧(ROS)，包括:O2－、H2O2等。機體產生的ROS主要由線粒體代謝過程產生［24］，低氧條件下通過以下途徑參與腦組織損傷:①損傷線粒體膜，線粒體釋放CytC、凋亡誘導因子(AIF)等凋亡相關蛋白進入細胞質，誘導caspase水解，誘導細胞凋亡。②ROS攻擊DNA，發(fā)生氧化反應，導致嘌呤、嘧啶氧化損害，引起DNA的斷裂，導致信號傳導中斷。③通過上調核因子－κB(NF－κB)的表達，使環(huán)氧化酶2、iNOS及多種炎癥因子如TNF－α及IL－8等表達增高［25］。機體處于間歇低氧條件下，機體的抗氧化平衡狀態(tài)被打破，損害脂質、蛋白質、DNA等的生理功能，引起細胞損傷甚至導致細胞凋亡。而線粒體自噬可清除受損的線粒體減少ROS的產生，維持細胞內環(huán)境穩(wěn)定，促進細胞存活。

4 小結

目前研究較多的是氧化應激、炎癥反應及持續(xù)低氧誘導線粒體自噬的相關機制，對于慢性間歇低氧條件下線粒體自噬研究報道較少。睡眠呼吸暫停低通氣綜合征是一種病因復雜且病理機制尚不完全明確的疾病，OSAS造成慢性間歇低氧，使機體處于應激狀態(tài)，誘導脂質、蛋白及DNA損傷，從而造成細胞損傷甚至死亡。間歇低氧應激狀態(tài)下，機體的信號轉導通路被激活，活化相關基因轉錄，促進細胞修復。線粒體是細胞代謝及能量產生的重要場所，對細胞的存活起到至關重要作用，當機體受到間歇低氧應激時，線粒體自噬通過降解受損的線粒體來適應低氧環(huán)境以維持細胞內動態(tài)平衡，防止進一步損傷。然而線粒體自噬是把雙刃劍，在慢性間歇低氧早期，通過降解損傷的線粒體對細胞存活具有重要意義，但長期慢性間歇低氧可能導致線粒體過度自噬誘導細胞凋亡。但與其他間歇低氧相關信號轉導通路如:P38、JNK等之間有無相互作用還待進一步研究。線粒體自噬導致細胞凋亡途徑可能是造成OSAS患者學習、認知等功能障礙的病理機制之一，盡管間歇低氧條件下線粒體自噬機制并不完全明確，但是仍為OSAS的進一步研究提供新的方向。

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