魚類和哺乳類Bcl-2家族蛋白的研究進(jìn)展

齊志濤 閆 冬 熊 凡 昌鳴先

(1. 江蘇科技大學(xué)生物技術(shù)學(xué)院, 鎮(zhèn)江 212003; 2. 鹽城工學(xué)院海洋與生物工程學(xué)院, 江蘇省海洋灘涂生物化學(xué)與生物技術(shù)重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室, 鹽城 224051; 3. 中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所淡水生態(tài)和生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430072)

Tsujimoto等[1]在1984年首次發(fā)現(xiàn)了B細(xì)胞淋巴瘤2(B-cell lymphoma 2, Bcl-2)基因, 該基因位于染色體18q21.33上。在具有染色體t(14; 18)易位的B細(xì)胞型濾泡性淋巴瘤細(xì)胞中, 其轉(zhuǎn)錄受14號(hào)染色體上免疫球蛋白位點(diǎn)增強(qiáng)子的影響而大量表達(dá)[2,3]。與大多數(shù)先前發(fā)現(xiàn)的促進(jìn)細(xì)胞增殖的致癌基因不同,Bcl-2基因的過表達(dá)可以抑制細(xì)胞死亡。隨后Vaux等[4]發(fā)現(xiàn)Bcl-2基因可以延長(zhǎng)小鼠淋巴和骨髓樣細(xì)胞的存活時(shí)間, 之后又進(jìn)一步證實(shí)Bcl-2基因具有抗凋亡的功能。迄今為止, 研究人員已在多種生物中發(fā)現(xiàn)了近20種Bcl-2的同源基因[5]。隨著對(duì)Bcl-2家族蛋白的進(jìn)一步深入研究, 發(fā)現(xiàn)這些蛋白不僅可以調(diào)節(jié)線粒體外膜的通透性, 通過使包括細(xì)胞色素C在內(nèi)的促凋亡蛋白釋放到細(xì)胞質(zhì)中從而引發(fā)細(xì)胞凋亡[6], 還在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中參與對(duì)Ca2+調(diào)控及參與DNA損傷的修復(fù)等眾多生理生化反應(yīng)?？梢哉f,Bcl-2家族蛋白是一類對(duì)細(xì)胞內(nèi)多種生命活動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)干預(yù)的多功能蛋白。然而對(duì)Bcl-2蛋白如何行使這些復(fù)雜的功能, 及這些不同功能之間是否存在關(guān)聯(lián)目前仍缺少全面的機(jī)制認(rèn)識(shí)。

1 Bcl-2家族的分類

Bcl-2基因家族成員是控制真核細(xì)胞存活與凋亡平衡的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。細(xì)胞信號(hào)通路失調(diào)會(huì)導(dǎo)致癌癥、自身免疫性疾病和退行性疾病等多種疾病的發(fā)生[7]。根據(jù)結(jié)構(gòu)和功能的不同, 哺乳類Bcl-2家族可以分為3大類: (1)含有4個(gè)Bcl-2的同源結(jié)構(gòu)域(Bcl-2 Homology, BH)即BH1、BH2、BH3和BH4的多域抗凋亡蛋白亞家族, 包括Bcl-2、BclxL、Mcl-1、A1、Bcl-B和Bcl-w; (2)含有BH1-4四個(gè)結(jié)構(gòu)域的多域促凋亡蛋白亞家族, 包括Bax、Bak和Bok; (3)只含有BH3結(jié)構(gòu)域的促凋亡蛋白, 即BH3-only亞家族, 包括Bid、Bad、Bmf、Bik、Puma、Noxa、Hrk和Bnip3[5](圖 1)。魚類的Bcl-2家族成員與哺乳動(dòng)物的大多數(shù)相應(yīng)成員具有結(jié)構(gòu)同源性, 表明Bcl-2家族成員在進(jìn)化過程中具有保守性。此外, 在魚類中報(bào)道了2個(gè)Bcl-2同源基因, 分別命名為Bcl-2-like-10(Nrz)和Bcl-wav(Bcl-water-living vertebrates), 二者均含有BH1-4結(jié)構(gòu)域, 但Nrz歸為多域抗凋亡蛋白亞家族成員[8], 而Bcl-wav則為多域促凋亡蛋白亞家族成員[9]。

圖1 Bcl-2家族成員的分類Fig. 1 Classification of Bcl-2 family

2 Bcl-2家族蛋白在調(diào)控細(xì)胞凋亡中的作用

2.1 哺乳動(dòng)物Bcl-2家族蛋白的細(xì)胞凋亡調(diào)控

線粒體不僅是細(xì)胞和機(jī)體的“能量工廠”, 同時(shí)還在細(xì)胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)、細(xì)胞周期、細(xì)胞凋亡和固有免疫等過程中均發(fā)揮重要作用[10]。線粒體外膜通透化(Mitochondrial outer membrane permeabilization, MOMP)是細(xì)胞凋亡過程中的關(guān)鍵事件, Bcl-2家族蛋白是MOMP的主要調(diào)節(jié)者?；罨目沟蛲鯞cl-2家族成員(如Bcl-2和Bcl-xL)能夠維持線粒體外膜(Outer mitochondrial membrane, OMM)的完整性[11]; 而活化的促凋亡Bcl-2家族成員(如Bak和Bax)可以在OMM上形成蛋白脂孔[12]。

在正常細(xì)胞中, Bax主要分布在胞質(zhì)溶膠(Cytosol)中。胞質(zhì)溶膠中游離的Bax在受到凋亡信號(hào)刺激后會(huì)轉(zhuǎn)位到OMM上, 通過與OMM的通透性轉(zhuǎn)換孔(Mitochondrial permeability transition pore,MPTP)的相互作用而促進(jìn)Bax和Bak在OMM上的聚集, 進(jìn)而調(diào)節(jié)OMM的通透性, 這是線粒體凋亡途徑的關(guān)鍵步驟[13]。當(dāng)細(xì)胞受到DNA損傷、生長(zhǎng)因子缺陷或其他凋亡刺激時(shí), Bax和Bak發(fā)生寡聚化, 形成寡聚復(fù)合物[14]。Bax和BH3-only蛋白從胞漿中轉(zhuǎn)位到OMM上, 使OMM的通透性發(fā)生改變, 最終導(dǎo)致線粒體外膜通透化[15]。線粒體釋放細(xì)胞色素C(Cytochrome C)、凋亡調(diào)節(jié)因子Smac(Second mitochondria-derived activator of caspases)、絲氨酸蛋白酶HtrA2(High-temperature requirement A2)及凋亡誘導(dǎo)因子(Apoptosis inducing factor, AIF)等促凋亡物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞質(zhì), 解除了凋亡抑制蛋白(Inhibitor of apoptosis proteins, IAPs)對(duì)半胱氨酸蛋白酶(Caspases)的抑制作用[16]。此時(shí)線粒體釋放細(xì)胞色素C促進(jìn)凋亡蛋白酶活化因子(Apoptotic protease activating factor-1, Apaf-1)寡聚化, 進(jìn)而與Caspase-9結(jié)合形成凋亡小體[17]; 活化后的Caspase-9激活下游Caspase級(jí)聯(lián)反應(yīng), 使下游的Caspase-3、-6和-7及核酸酶等裂解和激活; 隨之維持細(xì)胞生存的蛋白質(zhì)和核酸被降解, 最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。

2.2 魚類Bcl-2家族蛋白的細(xì)胞凋亡調(diào)控

目前, 關(guān)于魚類Bcl-2家族蛋白參與細(xì)胞凋亡調(diào)控的研究相對(duì)較少。已有研究發(fā)現(xiàn), 斑馬魚(Dario rerio)肝臟上皮細(xì)胞(Zebrafish liver epithelium, ZLE)感染傳染性胰腺壞死病毒(Infectious pancreatic necrosis virus, IPNV)后, IPNV可以下調(diào)抗凋亡蛋白Mcl-1的表達(dá), 并誘導(dǎo)OMM通透化。其中, IPNV病毒的衣殼蛋白VP3可以上調(diào)斑馬魚促凋亡蛋白Bad的表達(dá); VP3也可改變線粒體功能, 導(dǎo)致線粒體膜電位(Mitochondrial membrane potential,MMP)丟失并激活凋亡起始因子Caspase-9和效應(yīng)因子Caspase-3, 從而引發(fā)細(xì)胞凋亡[18]。過表達(dá)斑馬魚抗凋亡Bcl-xL基因, 可以阻斷IPNV誘導(dǎo)的MMP丟失和線粒體裂解, 阻止了IPNV誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡而提高宿主細(xì)胞的生存能力[19]。此外, 還有研究發(fā)現(xiàn)IPNV感染斑馬魚成纖維細(xì)胞(Zebrafish fibroblast cell line, ZF4 cells)可通過上調(diào)腫瘤壞死因子α(Tumor necrosis factor-alpha, TNF-α)的表達(dá)來調(diào)節(jié)Bad/Bid介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡和RIP1/ROS介導(dǎo)的細(xì)胞壞死途徑[20]。斑馬魚Bcl-2同源物Nrz是一個(gè)線粒體蛋白, 其在斑馬魚體內(nèi)的敲降能誘導(dǎo)凋亡[8]。此外, Nrz能夠抑制斑馬魚Bcl-2相關(guān)蛋白Bcl-wav過表達(dá)所誘導(dǎo)的凋亡反應(yīng)[21]。在石斑魚鰭條細(xì)胞(Grouper fin cells, GF-1)中, 巨型海鱸虹彩病毒(Giant sea perch iridovirus, GSIV)的絲氨酸/蘇氨酸(Serine/threonine, ST)激酶能誘導(dǎo)促凋亡蛋白Bax介導(dǎo)的細(xì)胞死亡; 過表達(dá)抗凋亡蛋白Bcl-2和Bcl-xL能抑制ST激酶誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡、阻止caspase-9和-3的激活。此外, Bcl-2和Bcl-xL可以通過與促凋亡蛋白Bax的相互作用阻止線粒體釋放細(xì)胞色素C, 并能阻止GSIV病毒的ST激酶誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡[22]。上述研究表明Bcl-2家族蛋白在魚類細(xì)胞凋亡中發(fā)揮重要作用, 但確切作用機(jī)制有待更多深入研究。

3 Bcl-2家族蛋白在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+調(diào)控中的作用

3.1 哺乳動(dòng)物Bcl-2家族蛋白在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+調(diào)控中的作用

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(Endoplasmic Reticulum)是細(xì)胞內(nèi)調(diào)節(jié)Ca2+動(dòng)態(tài)平衡的主要細(xì)胞器。在靜息的生理狀態(tài)下, 細(xì)胞內(nèi)Ca2+主要儲(chǔ)存在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)主要是通過藍(lán)尼丁受體(Ryanodine Receptor, RyR)和三磷酸肌醇受體(Inositol 1, 4, 5-trisphosphate receptor,IP3R)通道將內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)的Ca2+釋放入胞質(zhì), 通過鈣泵將胞內(nèi)的Ca2+泵入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中, 從而維持內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+穩(wěn)態(tài)[23]。當(dāng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)受到病原感染、組織缺血、缺氧或生長(zhǎng)因子缺乏等刺激時(shí), 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)的Ca2+穩(wěn)態(tài)被打破, 大量的Ca2+外流進(jìn)入胞質(zhì)和線粒體內(nèi)。一方面影響線粒體和Bcl-2家族蛋白的活性, 使細(xì)胞走向凋亡; 另一方面激活胞內(nèi)的中性半胱氨酸內(nèi)肽酶Calpain, 活化的Calpain可能通過激活Caspase級(jí)聯(lián)反應(yīng)進(jìn)而影響細(xì)胞凋亡。

抗凋亡Bcl-2家族成員可通過與IP3R結(jié)合來調(diào)節(jié)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中鈣離子的濃度[24]。Bcl-2、Bcl-xL和Mcl-1分別與IP3R的第六個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域結(jié)合, 這種相互作用抑制了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的Ca2+的過度釋放[25]。此外, Bcl-2還通過其BH4結(jié)構(gòu)域與IP3R調(diào)節(jié)區(qū)的中部結(jié)合, 從而抑制了由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激引起的Ca2+的大量釋放。肌漿/內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣離子-ATP酶(Sarco/endo plasmic reticulum Ca2+-ATPase, SERCA)泵是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+傳送的主要通道, 又稱之為鈣離子膜通道鈣泵,其主要功能是保持內(nèi)質(zhì)網(wǎng)管腔內(nèi)Ca2+的濃度高于周圍的細(xì)胞質(zhì)中Ca2+的水平[26]。除IP3R外, Bcl-2能結(jié)合并失活SERCA泵。在非應(yīng)激時(shí), Bcl-2與SERCA泵結(jié)合并使其失活, 從而阻斷Ca2+從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)流入胞質(zhì), 進(jìn)而阻止細(xì)胞發(fā)生凋亡, 提示細(xì)胞凋亡與鈣離子從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)流入胞漿這一過程相關(guān)[27]。

促凋亡Bcl-2家族成員也與IP3R介導(dǎo)的鈣調(diào)節(jié)有關(guān)。Bak和Bax缺失會(huì)引起IP3R1的鈣泄漏增加,從而導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中Ca2+濃度降低, 線粒體中鈣吸收量降低[28—30]。Bax和Bak并不直接與IP3R結(jié)合, 而是通過與抗凋亡蛋白的相互作用來競(jìng)爭(zhēng)抗凋亡蛋白與IP3R的結(jié)合, 在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激時(shí)可激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)源性轉(zhuǎn)錄因子CHOP(C/EBP homologous protein)和CJun氨基末端激酶(C-Jun N-terminal kinases, JNKs)[31]。此時(shí)的CHOP和JNK可以發(fā)揮削弱Bcl-2的抗凋亡能力的作用, 從而誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上Bax和Bak構(gòu)象發(fā)生變化并寡聚化, 最終導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的完整性遭到破壞和Ca2+的外流。當(dāng)Ca2+從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中被釋放入胞漿后會(huì)激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)附近的鈣調(diào)蛋白分解酶。鈣調(diào)蛋白分解酶通過作用于caspase-12使其活化并進(jìn)入胞漿, 誘發(fā)caspase的酶聯(lián)反應(yīng); 或是將前凋亡蛋白Bad去磷酸化, 使Bad與其抑制蛋白解離并轉(zhuǎn)移到線粒體上。最終過高的Ca2+濃度會(huì)誘導(dǎo)線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔打開, 細(xì)胞色素C釋放, 從而引發(fā)凋亡(圖 2)。

圖2 哺乳動(dòng)物Bcl-2家族蛋白對(duì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)Fig. 2 The regulation of mammalian Bcl-2 family on the calcium homeostasis of endoplasmic reticulum

3.2 魚類Bcl-2家族蛋白在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)Ca2+調(diào)控中的作用

Bcl-2同源物Nrz蛋白在斑馬魚的發(fā)育中具有一定作用, 該蛋白主要定位于卵黃合胞層(Yolk syncytical layer, YSL), 這是一個(gè)含有大量線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的區(qū)域[32]。研究發(fā)現(xiàn), 敲除Nrz基因可以使卵黃細(xì)胞中游離Ca2+增加, 激活肌球蛋白輕鏈激酶,邊緣肌動(dòng)蛋白肌球蛋白索過早收縮, 卵裂球與卵黃細(xì)胞分離, 導(dǎo)致胚胎在原腸胚形成之前發(fā)育停滯[33]。在YSL中, Nrz通過與IP3R1 Ca2+通道直接相互作用阻止Ca2+從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放[34]。上述研究表明魚類Bcl-2家族成員不僅能夠調(diào)控細(xì)胞凋亡, 還可以通過胚胎內(nèi)的Ca2+作用于細(xì)胞骨架動(dòng)力學(xué)從而參與胚胎的早期發(fā)育。

Roca等[35]在感染海洋分枝桿菌(Mycobacterium marinum)或結(jié)核分枝桿菌(Mycobacterium tuberculosis)的斑馬魚中發(fā)現(xiàn), 過量的TNF通過產(chǎn)生線粒體活性氧(Reactive oxygen species, ROS)和參與組成線粒體通透性轉(zhuǎn)換孔的親環(huán)素D(Cyclophilin D,CypD), 觸發(fā)感染巨噬細(xì)胞的程序性壞死。巨噬細(xì)胞壞死是感染分枝桿菌的一個(gè)標(biāo)志性結(jié)果。線粒體ROS誘導(dǎo)溶酶體神經(jīng)酰胺的產(chǎn)生, 溶酶體神經(jīng)酰胺能激活組織蛋白B(Cathepsin B)或者組織蛋白D,進(jìn)一步活化Bid, 最終激活胞漿蛋白Bax[36]。Bax可以通過RyR促進(jìn)Ca2+從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)流向線粒體, 導(dǎo)致線粒體鈣超載進(jìn)而引發(fā)由CypD介導(dǎo)的細(xì)胞壞死, 即分枝桿菌的感染可以誘導(dǎo)TNF通過線粒體-溶酶體-內(nèi)質(zhì)網(wǎng)回路介導(dǎo)巨噬細(xì)胞的程序性死亡[37]。

4 Bcl-2家族蛋白對(duì)DNA損傷的調(diào)控

4.1 哺乳動(dòng)物Bcl-2家族蛋白對(duì)DNA損傷的調(diào)控

DNA存儲(chǔ)著真核生物賴以生存和繁衍的遺傳信息, 然而DNA分子本身會(huì)發(fā)生一些自發(fā)性的損傷。當(dāng)DNA受到損傷時(shí), 細(xì)胞將激活一個(gè)能夠修復(fù)和延續(xù)其正常生命周期的生存系統(tǒng)。當(dāng)DNA損傷嚴(yán)重到不可修復(fù)時(shí), 細(xì)胞將通過細(xì)胞周期的停滯和細(xì)胞凋亡等一系列反應(yīng)可以避免受損細(xì)胞的大量增殖, 使基因組的穩(wěn)定性得以維持[38]。毛細(xì)血管擴(kuò)張共濟(jì)失調(diào)突變基因(Ataxia-telangiectasia mutated,ATM)是啟動(dòng)細(xì)胞周期調(diào)控點(diǎn)所必須的。當(dāng)ATM感受到DNA損傷信號(hào)時(shí), 由惰性二聚體發(fā)生自磷酸化成為活性單體; 活化的ATM可以使下游底物發(fā)生廣泛磷酸化。這些下游反應(yīng)的底物中就包含有Bid[39]。

一系列研究顯示DNA損傷導(dǎo)致ATM激酶迅速將Bid磷酸化, 而非磷酸化Bid突變體的表達(dá)則使細(xì)胞周期受到阻滯并增加細(xì)胞凋亡。在Bid基因敲除的小鼠中, 造血干細(xì)胞(Haemopoietic stem cell, HSC)細(xì)胞周期提前, 凋亡水平顯著增加, 并進(jìn)一步導(dǎo)致小鼠對(duì)輻射的全身過敏[40]。線粒體載體同源物2(Mitochondrial carrier 2, MTCH2)是造血干細(xì)胞ATM-Bid途徑中線粒體ROS代謝的調(diào)節(jié)劑[41,42]。MTCH2是位于Bid下游的線粒體氧化磷酸化(Oxidative phosphorylation, OXPHOS)的負(fù)調(diào)節(jié)因子, 其缺失會(huì)提高線粒體OXPHOS的水平。此外, 也有研究顯示Bid是造血干細(xì)胞中由DNA損傷誘導(dǎo)的線粒體ROS反應(yīng)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。Bid可通過ATR (Ataxia-telangiectasia mutated-and Rad3-related)激酶應(yīng)對(duì)由復(fù)制過程引起的DNA損傷[43];Bid也可作用于DNA損傷傳感器復(fù)合體(ATR/ATRIP/RPA), 放大細(xì)胞對(duì)由ATR介導(dǎo)的復(fù)制性DNA損傷反應(yīng)[44]。這些研究表明Bid在DNA損傷修復(fù)過程中起著重要作用。

除了Bid外, Bcl-xL和Puma也參與對(duì)DNA損傷的調(diào)控。Bcl-xL在人細(xì)胞中的異位表達(dá)能增強(qiáng)DNA雙鏈斷裂時(shí)同源介導(dǎo)的DNA修復(fù)(Homology direct repair, HDR)[45]。在小鼠受到輻射的相同情況下, 與野生型相比,Puma缺失型小鼠的HSCs能更好地維持在靜息狀態(tài), 并可以進(jìn)行更有效的DNA修復(fù)[46]; 在Puma缺失的誘導(dǎo)多能干細(xì)胞中, 較少出現(xiàn)DNA損傷及染色體不穩(wěn)定的現(xiàn)象[47];Puma基因也是p53誘導(dǎo)成體干細(xì)胞凋亡的關(guān)鍵因子, 并在p53啟動(dòng)的DNA損傷細(xì)胞死亡中起著關(guān)鍵作用[48]。

4.2 魚類Bcl-2家族蛋白對(duì)DNA損傷的調(diào)控

研究發(fā)現(xiàn), 當(dāng)虹鱒(Oncorhynchus mykiss)受精卵中的DNA修復(fù)被抑制后, 胚胎對(duì)遺傳毒性的損傷具有耐受性[49]。魚類胚胎發(fā)育對(duì)父本DNA損傷表現(xiàn)出高度的耐受性, 即使胚胎具有高度的基因組損傷, 也能夠發(fā)育到孵化階段。在DNA修復(fù)能力有缺陷的虹鱒胚胎中, 凋亡活性下調(diào), 這表明魚類對(duì)DNA損傷的耐受機(jī)制可以被激活。在精子受損的斑馬魚胚胎中發(fā)現(xiàn)囊胚中期的DNA修復(fù)活性增強(qiáng),后期恢復(fù)至基礎(chǔ)水平, 孵化出畸形幼魚的比例較高。畸形幼魚中DNA損傷后的修復(fù)被激活、下游促凋亡因子Noxa表達(dá)下調(diào)、抗凋亡基因Bcl-2表達(dá)上調(diào)、觸發(fā)抑制性凋亡, 這使得胚胎不受父系DNA損傷的影響而存活下來[50]。

5 BCL-2家族蛋白在自噬調(diào)控中的作用

5.1 哺乳動(dòng)物Bcl-2家族蛋白在自噬調(diào)控中的作用

細(xì)胞自噬是真核生物對(duì)細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)進(jìn)行循環(huán)周轉(zhuǎn)的重要代謝過程。其中, 巨自噬(以下簡(jiǎn)稱自噬)是指從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中脫落的雙層膜將底物包裹形成自噬小泡并與溶酶體融合, 在一系列水解酶的作用下將底物降解的過程。自噬基因Beclin-1(也稱為ATG6)通過調(diào)節(jié)細(xì)胞自噬從而在腫瘤的發(fā)生和發(fā)展中起著重要作用[51]。Beclin-1具有BH3結(jié)構(gòu)域,因此Bcl-2家族蛋白Bcl-2、Bcl-xL、Bcl-w、Mcl-1均可以與Beclin-1結(jié)合, 阻止Beclin-1形成起始復(fù)合物, 進(jìn)而抑制自噬[52](圖 3a)。此外, 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的營(yíng)養(yǎng)缺乏自噬因子NAF-1(Nutrient-deprivation autophagy factor-1)可以穩(wěn)定Beclin-1/Bcl-2復(fù)合物之間的相互作用[53]。當(dāng)細(xì)胞受到自噬信號(hào)刺激時(shí),JNK1可以將Bcl-2上的三個(gè)殘基Thr69, Ser70和Ser87磷酸化[54], 從而導(dǎo)致Beclin-1從復(fù)合物中解離并引發(fā)自噬(圖 3b)。事實(shí)上, 當(dāng)JNK1磷酸化Bcl-2受到抑制時(shí), Bcl-2對(duì)Beclin-1的親和力增加[55], 并且可以減弱由運(yùn)動(dòng)或饑餓引發(fā)的自噬。BH3-only亞家族蛋白中的Bad、Bik、Bnip3和Noax及BH3類似蛋白(如ABT-737)可以通過競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合抗凋亡蛋白Bcl-2和Bcl-xL等, 使Bcl-2/Bcl-xL從與Beclin-1所形成的復(fù)合物中解聚而促發(fā)自噬(圖 3c)。與大多數(shù)BH3-only亞家族蛋白促自噬機(jī)制不同的是, Bim可以通過直接結(jié)合Beclin-1并將其與動(dòng)力蛋白輕鏈1(Dynein light chain 1, DYNLL1)螯合來抑制自噬[56,57]。由于營(yíng)養(yǎng)缺乏, JNK將Bim磷酸化, 導(dǎo)致Beclin-1與動(dòng)力蛋白輕鏈之間的作用減弱, Beclin-1得以釋放并啟動(dòng)自噬[58](圖 3d)。

圖3 哺乳動(dòng)物Bcl-2家族蛋白在自噬調(diào)控中的作用Fig. 3 The role of mammalian Bcl-2 proteins in autophagy regulation

5.2 魚類Bcl-2家族蛋白在自噬調(diào)控中的作用

腫瘤抑制因子p53可以促進(jìn)細(xì)胞凋亡[59]。斑馬魚p53可以通過直接結(jié)合到p53應(yīng)答元件結(jié)構(gòu)域上招募輔抑制物mSin3a到Bnip3的啟動(dòng)子, 從而抑制Bnip3的表達(dá)。在缺氧條件下,p53突變的斑馬魚胚胎中Bnip3的表達(dá)上調(diào), 導(dǎo)致p53突變胚胎的細(xì)胞死亡率增加; 在Bnip3與p53共轉(zhuǎn)染細(xì)胞后, 細(xì)胞自噬明顯降低。這表明p53通過抑制Bnip3從而對(duì)缺氧誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡具有保護(hù)作用[60]。

6 BCL-2家族蛋白在葡萄糖和脂代謝中的作用

6.1 哺乳動(dòng)物Bcl-2家族蛋白在葡萄糖和脂代謝中的作用

線粒體是細(xì)胞新陳代謝的中心。Bcl-2家族蛋白是線粒體凋亡的關(guān)鍵調(diào)節(jié)分子, 其可通過改變線粒體內(nèi)外膜的通透性對(duì)細(xì)胞凋亡進(jìn)行調(diào)控?？蒲腥藛T推測(cè)Bcl-2家族蛋白也具有調(diào)節(jié)新陳代謝的作用。Danial等[61,62]發(fā)現(xiàn)BH3-only亞家族的Bad蛋白可駐留在一個(gè)含有葡萄糖激酶的復(fù)合物中, 并且該復(fù)合物可以調(diào)節(jié)由葡萄糖所驅(qū)動(dòng)的線粒體的呼吸作用。使用具有靶向葡萄糖激酶的Bad-BH3肽證實(shí)Bad可以促進(jìn)β細(xì)胞的存活并持續(xù)釋放胰島素以應(yīng)對(duì)葡萄糖的刺激。此外, 磷酸化的Bad可改善糖尿病、胰島素抵抗、瘦素抵抗及高脂飲食模型中的血糖水平, 并使糖尿病患者的功能性β細(xì)胞群得以恢復(fù)。Bad的代謝作用也與神經(jīng)系統(tǒng)有關(guān), 對(duì)于調(diào)節(jié)神經(jīng)元興奮和癲癇發(fā)作反應(yīng)至關(guān)重要[63,64]。

除了Bad, Bcl-2家族的其他成員也參與了機(jī)體的代謝反應(yīng)。BH3-only亞家族的Noxa被證明可以刺激葡萄糖的消耗, 并且似乎可以通過戊糖磷酸途徑而不是糖酵解途徑提高葡萄糖的轉(zhuǎn)化率[65]。BH3-only亞家族的Bnip3被證實(shí)參與線粒體自噬和脂質(zhì)代謝。Bnip3基因敲除可以引發(fā)肝臟脂肪合成量的增加、脂肪酸氧化(Fatty acid oxidation, FAO)減少及在禁食期間機(jī)體無(wú)法增加肝臟葡萄糖的產(chǎn)生等[66]。BH3-only亞家族的Bid通過抑制肉堿棕櫚醇轉(zhuǎn)移酶-1(Carnitine palmitoyl transferase-1, CPT-1), 進(jìn)而抑制FAO參與脂代謝。肌肉中缺乏MTCH2(Bid受體)的小鼠, 可以避免由飲食引起的肥胖和高胰島素血癥; 同時(shí)也會(huì)增加肌肉中線粒體的氧化磷酸化, 引發(fā)肌纖維由糖酵解型轉(zhuǎn)化為氧化型, 提高耐力和體力, 并且提升心臟的功能[67,68]。

6.2 魚類Bcl-2家族蛋白在葡萄糖和脂代謝中的作用

棕櫚酸(Palmitic acid, PA)屬于飽和脂肪酸, 在各種組織中能引起炎癥和細(xì)胞損傷。研究發(fā)現(xiàn), 用富含棕櫚酸的飼料喂養(yǎng)斑馬魚會(huì)導(dǎo)致肝臟脂肪變性和肝損傷。PA喂養(yǎng)組的肝臟顯示出與氧化應(yīng)激和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)的基因表達(dá)增加[69], 這些基因包括激活轉(zhuǎn)錄因子4(Activating transcription factor 4, ATF 4)、激活轉(zhuǎn)錄因子6(Activating transcription factor 6, ATF 6)、DNA損傷誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子3(DNA damage-inducible transcript 3, DDIT 3)、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)降解增強(qiáng)子、甘露糖苷酶α樣1(ER degradation enhancer, mannosidase alpha-like 1, EDEM 1)及Bcl-2家族的促凋亡蛋白Bim、Bida和Bax等。魚類Bcl-2家族蛋白在葡萄糖和脂代謝中的直接相關(guān)作用未見相關(guān)報(bào)道。

7 展望

在哺乳動(dòng)物中的研究表明, 大多數(shù)Bcl-2家族蛋白定位于細(xì)胞質(zhì)中, 少部分定位于細(xì)胞核或者線粒體、線粒體內(nèi)膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等細(xì)胞器, 在機(jī)體新陳代謝、細(xì)胞凋亡、自噬和腫瘤發(fā)生等過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。魚類作為最古老的脊椎動(dòng)物, 種類繁多。當(dāng)前, 在魚類中開展Bcl-2家族蛋白功能和作用機(jī)制的研究多參照哺乳類中的相關(guān)工作進(jìn)行。但由于魚類種屬之間差異較大以及有的魚類如鮭科和鯉科魚類出現(xiàn)全基因組復(fù)制現(xiàn)象, 導(dǎo)致不同魚類Bcl-2家族成員組成不盡相同。因此, 揭示不同魚類Bcl-2家族成員的組成、Bcl-2家族不同成員介導(dǎo)的信號(hào)通路及其作用機(jī)制將是今后的研究重點(diǎn)。此外, Bcl-2家族成員在機(jī)體免疫反應(yīng)調(diào)控, 尤其是抵制病原微生物入侵方面的研究較少。我們已有的研究結(jié)果表明, Bcl-2家族成員參與了魚類抗菌和抗病毒免疫調(diào)控。因此, Bcl-2家族成員在病原微生物入侵過程中的作用也是未來研究的重要方向。