細胞凋亡與胚胎食管發育的相關性研究

錢慶華(綜述)，劉學紅(審校)

(紹興文理學院醫學院，浙江紹興312000)

細胞凋亡和增殖在胚胎發育中受各種凋亡基因的調節與控制，如 Bcl-2、Bax、p53、熱休克蛋白 70(heat shock proteins，HSP70)等。尤其在消化道的發育過程中，細胞凋亡對消化道形態結構的發生起到了至關重要的作用。因此，研究細胞凋亡有助于胚胎食管發育機制的闡明和先天食管畸形的預防。同時早期胚胎發育與腫瘤的發育有相似性，其主要集中在基因和蛋白質水平［1］。因此，對胚胎食管發育機制的闡明及對食管腫瘤的治療也有重要的意義。

1 凋亡基因在胚胎食管發育過程中的作用

胚胎發育過程中細胞增殖和凋亡受各種生長因子或相關基因的調控。食管的發育過程中，細胞凋亡對食管形態結構的發生起到了至關重要的作用。目前已有一些作者對凋亡蛋白 Bcl-2、Bax、HSP70、p53等進行了相關性的研究。

1.1 Bcl-2 家族

1.1.1 Bcl-2家族成員及作用 Bcl-2家族被認為與細胞凋亡有重要關系，根據其在細胞凋亡調控中的不同作用分為兩大類:①是抗凋亡蛋白，主要包括Bcl-2、Bcl-xL、Mcl-L等;②是促凋亡蛋白，主要包括Bax、Bak、Bok 等［2］。Bcl-2 作為抗凋亡蛋白的重要一員，最早是從B細胞淋巴瘤染色體14和18易位斷裂點 t(14∶18)中分離得到的［3］。Bcl-2 通過編碼Bcl-2蛋白發揮作用，從而抑制細胞凋亡基因。Bax與Bcl-2序列有21%的同源性，但主要作用為促進細胞凋亡，Bax和Bcl-2相輔相成，共同表達以調整細胞凋亡。

1.1.2 Bcl-2家族與胚胎發育的關系 Novack等［4］報道Bcl-2在小鼠早期胚胎發育各個組織中均有表達，但在成熟后表達受限制。在胚胎食管中的研究發現，隨著胎齡的增加，Bcl-2在食管中的表達逐漸增強［5］。在胚胎發育過程中，Bcl-2參與細胞凋亡過程的作用機制復雜。Arnaud等［6］在斑驢中發現一種與Bcl-2有關的細胞凋亡蛋白，稱作Nrz。Nrz主要在原腸形成和體節發生的時候表達，剔除Nrz會使斑驢胚胎體節改變，即與細胞凋亡增加有關。此外在胚胎發育的早期，剔除Nrz會使鋅指轉錄因子Snail超家族成員Snail-1的表達增加。此時Nrz的作用通過表達Snail-1來實現，而與細胞凋亡無關。前期研究表明Bax在食管胚胎發育早期呈弱陽性，且隨著胎齡的增加表達逐漸減弱，顯示Bax在胚胎發育中起到促進細胞凋亡的作用。Winseck等［7］報道在缺少Bax的胚鼠中，神經鞘細胞程序性死亡依然發生，而在缺少運動神經元細胞程序性凋亡的Bax剔除胚鼠中，神經鞘細胞程序性死亡減少，說明對于Bax介導的細胞程序性凋亡是復雜多變的，對其機制的了解還不是很清楚。

1.2 HSP70

1.2.1 HSP70的結構及作用 HSP70又稱為熱休克蛋白，由熱休克應激引起轉錄合成的一種蛋白質。人類HSP70家族具有顯著的差異，其差異主要來自高表達基因HSPA8復雜多變的復制和反轉錄。HSP70根據氨基酸的一級結構可分為3個功能區:①相對分子質量為44×103的氨基酸序列組成的三磷酸腺苷酶活性區;②相對分子質量為18×103的氨基酸序列組成的多肽結合區;③相對分子質量為10×103的氨基酸序列組成的功能不明區。HSP70主要通過釋放和結合酶底物來折疊多肽從而發揮分子伴侶的作用［8］。

1.2.2 HSP70與胚胎發育的關系 早期研究發現在脊椎動物中HSP70分為兩類:Rl-Hsc70和Rl-HSP70，其90%的序列是相同的。目前研究發現［9］，熱誘導在胚胎發育過程中Rl-Hsc70和Rl-HSP70的mRNA表達是不同的，Rl-HSP70在熱誘導的胚胎中被感應，而Rl-Hsc70在不受壓力的胚胎下才能被感應調節，對于熱誘導的胚胎沒有感應。Mortensen等［10］報道，在熱暴露下HSP70蛋白在馬胚泡體外的表達明顯大于在體內的表達，說明馬胚泡對熱敏感，HSP70蛋白具有對抗熱傷害的作用。另據報道，HSP70作為分子伴侶參與Bcl-2家族對細胞凋亡的調控作用。同時，HSP70也參與c-myc癌基因和p53抑癌基因的表達來調控細胞的增殖與凋亡［11］。Bonaventura 等［12］報道，用紫外線照射海膽胚胎，可延遲胚胎的發育，甚至引起胚胎發育畸形，檢測到HSP70在蛋白質水平和基因水平的表達均增高。

1.3 p53 基因

1.3.1 p53的結構及作用 p53是一種抑癌基因，可以誘導細胞凋亡，使細胞生長受到阻滯。它位于17p13，有11個外顯子和10個內含子。目前認為p53對細胞生長調控作用表現在從G0～G1或G1～S期。p53蛋白可通過調控Cipt基因表達而調控細胞生長，即p53蛋白可刺激Cipt基因產生相對分子質量為21×103的蛋白，這種蛋白能夠有效抑制某些酶的活性，這些酶通過對細胞周期的調控使細胞進入有絲分裂，從而抑制細胞生長。

1.3.2 p53與胚胎發育的關系 一般認為p53的表達與細胞凋亡有關。Lee等［13］報道，在斑驢胚胎中p53突變顯示了p53蛋白的積聚，但是完全缺少了p53下游獨立基因的表達。在這個系統中p53基因被定義為獨立基因。Femandez-Diaz等［14］發現在缺少Prep1的胚鼠會引起p53在外胚層的獨立性表達，當胚鼠局部需要最大限度的擴大時，有Prep1的表達，而沒有p53的表達。提示胚胎發育中p53異常凋亡可能與Prep1的異常表達有關，因此深入了解p53的表達機制十分重要。為了更好地探究p53基因的功能，Tong等［15］通過胚胎干細胞的同源重組建立了缺少p53基因的模型，可以為研究人類疾病提供一個更好的平臺。

2 細胞凋亡與食管疾病的發生

2.1 細胞凋亡與食管腫瘤的發生 早期胚胎發育與腫瘤形成在基因水平上具有相似性。早在1892年法國生物學家Lobstein和Recamier首次提出腫瘤胚胎性起源的概念，即認為腫瘤的發生是由于體內的胚胎細胞增殖而形成的［1］。隨后，人們開始從發育生物學角度關注胚胎到腫瘤、再從腫瘤回到胚胎，通過對二者之間的相關性研究探知它們之間的發生機制。希望通過胚胎食管發育的研究，探尋食管癌的預防和治療的新途徑。食管癌放射療法被認為是目前治療食管癌有效方法之一。近年來，一些關于細胞周期和細胞凋亡的基因，如p53和Bax等已被證明與輻射的敏感性有關。p53的變異增加了對輻射的敏感性，過度表達Bcl-2提高了腫瘤細胞的耐輻射性，不利于食管癌的放射治療，Bax與Bcl-2作用正好相反，即降低了腫瘤細胞的耐輻射性，有利于食管癌的治療［16］。Murakaml等［17］報道組蛋白脫乙?；敢种苿┠軌蛟谑彻馨┲姓T導細胞凋亡，還會上調Bax/Bcl-2的比值。因此，檢測腫瘤組織中Bcl-2及Bax的表達具有重要意義，不但可以判斷患者預后情況，更重要的是可以指導食管癌的治療。關于HSP70在癌組織中的研究也越來越多，有報道稱在癌組織中HSP70的基因轉錄大大增強，尤其在消化道腫瘤的發生中發揮重要作用，其表達量較其他癌組織和正常組織豐富［18］。

2.2 細胞凋亡與食管發育畸形 胚胎發育過程中食管的發育存在廣泛的細胞凋亡。Williams等［19］報道在正常胚胎發育過程中食管、氣管的分離在12～12.5 d之間有明顯的細胞凋亡，但到13 d細胞凋亡不明顯，而食管、氣管分離即將完成。而在阿霉素誘導的實驗組中起初沒有細胞凋亡，直到13 d在后部前腸食管間充質和前部前腸喉部間充質之間才可以觀察到明顯的細胞凋亡。因此推論，導致食管閉鎖并氣管、食管瘺(或氣管發育不全)的決定性損傷發生在更早的時期或與凋亡無關［19］。Li等［20］構立了與阿霉素誘導相似的模型，即缺少Nog基因的模型，發現缺少Nog的胚胎會引食管閉鎖并氣管、食管瘺，但缺少Nog的胚胎背部前腸未見明顯的凋亡，而是通過激活Bmp7引起食管閉鎖并氣管、食管瘺。這也說明細胞凋亡與食管閉鎖并氣管、食管瘺無關。

3 展望

細胞凋亡在胚胎發育和癌癥方面的研究已有許多報道，有學者認為胚胎發育與癌癥發生相似，設想可以通過研究胚胎發育過程中細胞增殖與凋亡機制，探尋治療癌癥的新途徑。當然細胞凋亡在胚胎發育過程中起到重要作用，凋亡異?；蝺旱陌l生有著密不可分的聯系。尤其是食管、氣管的發生，由實性器官到管道的發育成熟，存在著大量凋亡。相信深入研究胚胎食管發育對于臨床治療食管癌、食管畸形會有新的啟示，也是一個新的發展方向。

［1］馬延磊，秦環龍.早期胚胎發育與腫瘤發生的相關性研究進展［J］.世界華人消化雜志，2008，16(12):1337-1343.

［2］Jette CA，Flanagan AM，Ryan J，et al.BIM and other BCL-2 family proteins exhibit cross-species conservation of function between zebrafish and mammals［J］.Cell Death Differ，2008，15(6):1063-1072.

［3］Youle RJ，Strasser A.The BCL-2 protein family:opposing activities that mediate cell death［J］.Nat Rev Mol Cell Biol，2008，9(1):47-59.

［4］Novack DV，Korsmeyer SJ.Bcl-2 prorein expression during murine development［J］.Am J Pathol，1994，145(1):61-73.

［5］劉學紅，張金萍，張泳.人胚胎生長發育過程中Bcl-2和Bax蛋白在食管組織中的表達［J］.解剖學報，2008，39(6):430-431.

［6］Arnaud E，Ferri KF，Thibaut J，et al.The zebrafish bcl-2 homologue Nrz controls development during somitogenesis and gastrulation via apoptosis-dependent and-independent mechanisms［J］.Cell Death Differ，2006，13(7):1128-1137.

［7］Winseck AK，Oppenheim RW.An in vivo analysis of Schwann cell programmed cell death in embryonic mice:the role of axons，glial growth factor，and he pro-apoptotic gene Bax［J］.Eur J Neurosci，2006，24(8):2105-2117.

［8］Sharma D，Masison DC.HSP70 Structure，function，regulation and influence on yeast prions［J］.Protein Pept Lett，2009，16(6):571-581.

［9］Simoncelli F，Morosi L，Di Rosa I，et al.Molecular characterization and expression of a heat-shock cognate 70(Hsc70)and a heatshock protein 70(HSP70)cDNAs in Rana(Pelophylax)lessonae embryos［J］.Comp Biochem Physiol A Mol Integr Physiol，2010，156(4):552-560.

［10］Mortensen CJ，Choi YH，Ing NH，et al.Heat shock protein 70 gene expression in equine blastocysts after exposure of oocytes to high temperatures in vitro or in vivo after exercise of donor mares［J］.Theriogenology，2010，74(3):374-383.

［11］王佳雷，張森，高楓.HSP70與腫瘤［J］.結直腸肛門外科，2008，14(1):64-67.

［12］Bonaventura R，Poma V，Russo R，et al.Effects of UV-B radiation on development and HSP70 expression in sea urchin cleavage embryos［J］.Marine Biology，2006，149:79-86.

［13］Lee KC，Goh WL，Xu M，et al.Detection of the p53 response in zebrfish embryos using new monoclonal antibodies［J］.Oncogene，2008，27(5):629-640.

［14］Femandez-Diaz LC，Laurent A，Girasoli S，et al.The absence of Prep1 causes p53-dependent apoptosis of mouse pluripotent epiblast cells［J］.Development，2010，137(20):3393-3403.

［15］Tong C，Li P，Wu NL，et al.Production of p53 gene knockout rats by homologous recombination in embryonic stem cells［J］.Nature，2010，467(7312):211-213.

［16］Fukuda K，Sakakura C，Miyagawa K，et al.Differential gene expression profiles of radioresistant oesophageal cancer cell lines established by continuous fractionated irradiation［J］.Br J Cancer，2004，91(8):1543-1550.

［17］Murakaml K，Matsubara H，Hoshino I，et al.CHAP31 induces apoptosis only via the intrinsic pathway in human esophageal cancer cells［J］.Oncology，2010，78(1):62-74.

［18］屈二軍，張紅波，陳蘭英，等.人消化道癌組織HSP70的檢測及其多肽復合物的分離研究［J］.山東醫藥，2008，48(45):7-9.

［19］Williams AK，Qi BQ，Beasley SW.Temporospatial aberrations of apoptosis in the rat embryo deve loping esophageal atresia［J］.J Pediatr Surg，20O0，35(11):1617-1620.

［20］Li Y，Litingtung Y，Ten Dijke P，et al.Aberrant Bmp signaling and notochord delamination in the pathogenesis of esophageal atresia［J］.Dey Dyn，2007，236(3):746-754.