石棉引起肺上皮細胞凋亡機制的研究進展

劉洪波 綜述，宋澤慶 審校

（廣東醫(yī)學院附屬醫(yī)院呼吸內(nèi)科，廣東 湛江 524001）

·綜 述·

石棉引起肺上皮細胞凋亡機制的研究進展

劉洪波 綜述，宋澤慶 審校

（廣東醫(yī)學院附屬醫(yī)院呼吸內(nèi)科，廣東 湛江 524001）

石棉能引起石棉肺、肺纖維化和肺癌等肺部疾病，但其機制尚未完全闡明。越來越多的研究表明，暴露于石棉等傷害性刺激之后，肺上皮細胞凋亡是其引發(fā)肺部疾病并導致病情進一步發(fā)展的重要因素。本文即以石棉引起肺上皮細胞凋亡過程中，活性氧的產(chǎn)生、DNA損傷、線粒體和p53基因等致凋亡機制的研究進展做一綜述。

肺上皮細胞；凋亡；石棉

石棉是自然界一類水合硅酸鹽纖維的總稱，因其獨特的耐熱、耐火、耐酸、耐堿等特性而廣泛應用于建筑和絕緣體制造等領(lǐng)域。石棉分為兩類：（1）蛇紋纖維，是一類卷曲的鏈狀纖維，其中最主要的是溫石棉。（2）閃石纖維，是一類直的桿狀纖維，包括鐵石棉、青石棉、透閃石等。相比而言，閃石纖維由于獨特的生物特性，具有更強的致癌和致纖維化等致病作用。20世紀70年代以來，盡管發(fā)達國家已經(jīng)大大限制石棉的使用，但鑒于石棉已在建筑等領(lǐng)域的大量存在、石棉引起疾病的潛伏期又長達15～40年之久，石棉引起的疾病仍然是重要的問題。

石棉可以誘發(fā)石棉肺、肺纖維化、支氣管肺癌和間皮瘤等疾病，其致病機制未完全闡明[1]。石棉的毒性效應與接觸石棉的時間和劑量密切相關(guān)[1]。石棉纖維除了可以直接導致靶細胞受損還可以誘導靶細胞產(chǎn)生活性氧(ROS)，目前認為氧化應激反應導致細胞DNA損傷和細胞凋亡，是石棉的重要毒性作用機制之一[2]。

1 石棉引起活性氧的產(chǎn)生和細胞DNA的損傷

肺泡上皮細胞（AEC）對石棉的毒性作用非常敏感，其毒性機制與活性氧（ROS）密切相關(guān)[2]，動物體內(nèi)試驗也表明，石棉暴露下可使體內(nèi)活性氧過表達，小鼠氣管內(nèi)滴注溫石棉1周后即可檢測到HO-的異常增高[3]。活性氧中的過氧化氫（H2O2）、超氧化物陰離子（O2-）、和氫氧根離子（HO-）等，是石棉引起細胞毒性導致細胞凋亡的重要的第二信使[4]。石棉通過2個主要的機制產(chǎn)生ROS：(1)纖維的化學特性，電子自旋共振譜學研究顯示在無細胞狀態(tài)下，石棉可以誘導活性氧的產(chǎn)生[5]。其中石棉纖維中的鐵離子成分，是誘導HO-形成的重要物質(zhì)之一，鐵的螯合物可以減少石棉應激所致DNA損傷和細胞凋亡[1]。(2)炎癥細胞的激活能釋ROS，石棉可通過肺泡巨噬細胞的激活，中性粒細胞釋放的炎癥因子引起一系列的炎癥反應，促使活性氧的產(chǎn)生[6]。

在暴露石棉引起肺上皮細胞凋亡過程中，鐵來源的氧自由基占據(jù)了重要的地位[7]。石棉纖維吸入肺以后，在鐵離子的參與下，體內(nèi)產(chǎn)生大量的活性氧，可以導致DNA的損傷[4]。石棉暴露人群支氣管肺泡灌洗液的鐵、轉(zhuǎn)鐵蛋白、轉(zhuǎn)鐵蛋白受體、乳鐵蛋白和鐵蛋白與正常人相比均有明顯增加[6]，體外實驗也證實，鐵的螯合劑能顯著減低石棉引起的HO-的產(chǎn)生。去鐵胺（一種鐵的螯合劑）和抗氧化物酶（AOE）能降低石棉引起的大鼠間皮細胞的毒性效應[7]。石棉還可以引起了肺部靶細胞抗氧化物酶的產(chǎn)生，外源性的抗氧化物酶能減少石棉引起的活性氧的產(chǎn)生[12]。肺部高表達超氧化物歧化酶的小鼠能夠也能降低石棉引起的O2-的產(chǎn)生，減輕石棉所致的小鼠的肺纖維化[8]。

2 石棉引起的線粒體功能障礙

線粒體電子呼吸鏈在生理活動過程中可以產(chǎn)生ROS，在具有高氧化活性的石棉中鐵離子參與下，能促使更多的ROS的產(chǎn)生，ROS能引起的AEC線粒體功能障礙并最終導致細胞凋亡[9]。

ROS是在電子傳給末端氧化酶之前漏出呼吸鏈與氧反應生成的，線粒體DNA裸露于基質(zhì)，位置又靠近電子呼吸鏈，對氧化應激極為敏感，又無結(jié)合蛋白的保護，故線粒體DNA易發(fā)生突變，mt DNA突變使呼吸鏈功能受損，進一步引起活性氧和自由基堆積，如此反復循環(huán)，將造成細胞損傷凋亡并導致疾病和衰老[10]。有學者用剔除了線粒體DNA并僅有一個電子呼吸鏈氧化磷酸化的ρ0-A549細胞進行石棉凋亡機制的研究，結(jié)果石棉引起的細胞凋亡被ρ0-A549細胞阻斷[11]。

線粒體引起的凋亡途徑是石棉引起肺上皮細胞凋亡的主要途徑[12]，Panduri等[13]用人類A549細胞和大鼠原代2型肺泡上皮細胞研究發(fā)現(xiàn)，石棉可引起線粒體膜電位的降低、細胞色素C從線粒體到細胞質(zhì)的釋放、Caspase-9的激活等線粒體損傷的表現(xiàn)，同時也證實，肌醇六磷酸（一種鐵的螯合劑）能阻止石棉引起的線粒體膜電位降低和線粒體Caspase-9的釋放。Panduri等[14]用共聚焦顯微鏡和WESTERN-BLOT技術(shù)分析線粒體膜蛋白，證實石棉可使促凋亡蛋白在線粒體的定位，該效應可以被肌酸六磷酸所阻斷。

線粒體DNA靠近電子傳遞鏈并缺少組蛋白的保護，線粒體DNA的損傷在石棉引起的肺上皮細胞凋亡過程中可能扮演者重要的角色。Shukla等[15]證實在青石棉刺激下，肺間皮細胞線粒體DNA的損傷比核DNA更容易受到損傷，然而，至于線粒體DNA損傷如何進一步引起細胞凋亡，其詳細機制仍待進一步研究。

3 石棉與p53調(diào)節(jié)細胞的凋亡

在正常的環(huán)境下，p53蛋白在G1/S期短暫活化，參與控制進入S期的時間。p53是一個重要的抑癌基因，在DNA受到損傷時，可以整合多重壓力信號和調(diào)整細胞反應,通過一系列的靶基因調(diào)節(jié)使細胞周期的停滯[16]，當細胞在DNA嚴重損害時,p53可以促使使細胞發(fā)生凋亡[17]。

p53與石棉引起的石棉肺、肺纖維化、癌癥（特別是支氣管肺癌）密切相關(guān)[18]。暴露石棉等物質(zhì)引起DNA損傷后，p53通過相應的調(diào)節(jié)機制控制細胞周期，抑制細胞增殖，而對相應的損傷基因進行修復，如果DNA嚴重損傷則啟動相應的調(diào)節(jié)機制來使靶細胞凋亡[19]。在人類特發(fā)性肺纖維化及暴露石棉引起的疾病中，支氣管和肺泡上皮細胞p53蛋白都有明顯的過表達[20]在肺上皮細胞和間皮細胞中過表達p53和p21則能使細胞周期停滯[21]。

p53蛋白調(diào)節(jié)細胞凋亡的機制非常復雜，至今未完全闡明[22]。p53可以通過調(diào)節(jié)促進促凋亡蛋白（例如Bax或者BH3-only蛋白Noxa、PUMA等）的表達，抑制BCL-2家族中抗凋亡蛋白蛋白的表達的途徑調(diào)節(jié)細胞凋亡[23]。在石棉和其他粉塵等引起的肺上皮細胞凋亡中，p53起著重要的調(diào)節(jié)作用[24]。暴露石棉1h之內(nèi)，石棉即可激活肺泡上皮細胞p53基因啟動子，4h后WESTERN-BLOT即可檢測到p53蛋白表達增高[25]。p53蛋白表達被抑制后，則能阻止石棉或其他粉塵引起的肺上皮細胞線粒體膜電位改變、Caspase-9的激活，及由此引發(fā)的細胞凋亡[26]。大鼠氣管內(nèi)滴入石棉纖維2周后，p53蛋白的表達即可檢測到明顯的增加[27]。

盡管p53在暴露石棉后的細胞凋亡、惡變中具有重要的作用，但是p53所介導的下游信號分子及其詳細機制有待進一步研究。

4 石棉的毒性和ogg1

8-羥基脫氧鳥嘌呤（8-OHdG）是活性氧導致的氧化DNA的損傷的主要產(chǎn)物，在體內(nèi)外實驗中均證實有高度致突變性，可使細胞發(fā)生G:C→T:A顛換為特征的突變，這種顛換可能激活原癌基因或抑制癌基因的活力。體內(nèi)特異識別8-OHdG并將其切除修復的酶被稱為8-羥基鳥嘌呤DNA糖苷酶，簡稱ogg1(8-oxoguanine，DNA glycosydase)，在 人 類 被 叫 做hogg1，hogg1基因的mRNA初級轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物經(jīng)不同剪接可形成兩個開放式閱讀框(Open reading frames,ORFs)，從而形成兩種不同的mRNA，即α-hogg1和β-hogg1[27]。

很長時間以來，人們都認為對損傷DNA的修復功能是α-hogg1能阻止氧化損傷造成的細胞凋亡的主要機制[28]。但最近的研究發(fā)現(xiàn)，當應用變性的缺乏8-OHdG DNA修復酶活性的α-hogg1時，像正常的α-hogg1同樣可以防止石棉引起的細胞凋亡[29]。石棉可以引起線粒體順烏頭酸酶活性的降低，而過表達hogg1（包括缺乏8-OHdG DNA修復酶活性的變性的hogg1）時，由于hogg1與順烏頭酸酶形成共沉淀，可順烏頭酸酶免于降解，故認為在石棉引起肺上皮細胞凋亡過程中，hogg1的保護作用不是通過DNA修復來完成的，而是通過保護順烏頭酸酶來實現(xiàn)[29]。

5 結(jié)語與展望

對石棉引起的疾病，目前尚無有效的治療方法。石棉引起肺上皮細胞的凋亡與活性氧的產(chǎn)生、線粒體的損傷、p53的高表達、hogg1保護等多種因素有關(guān)，進一步闡明石棉引起疾病的相關(guān)機制，有助于我們對石棉引起疾病有更深入的認識，做到有針對性的治療。不僅如此，還能讓我們對許多原因未明相關(guān)疾病如特發(fā)性肺纖維化等的認識有啟示作用。

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1003—6350(2011)10—141—03

劉洪波（1983—），男，山東省濱州市人，在讀碩士研究生。

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