Bcl—2家族蛋白與Ca2+信號通道在細胞凋亡中的調控作用

摘要：Bcl-2家族蛋白是細胞凋亡過程中重要的調控因子，主要通過抑制線粒體中細胞色素c及其他介導細胞凋亡因子的釋放，來抑制細胞凋亡。除此之外，Bcl-2家族蛋白成員還可以調節內質網中Ca²⁺的釋放，促進或抑制細胞的凋亡。最近研究顯示，Bcl-2家族蛋白與內質網（ER）中1，4，5 - 三磷酸肌醇（IP3）受體相互作用，調節其通道開口，抗凋亡蛋白成員抑制內質網過度釋放Ca²⁺，支持細胞生存；促凋亡蛋白成員增強內質網釋放Ca²⁺，上調線粒體中Ca²⁺的濃度，觸發細胞凋亡。本文就Bcl-2家族蛋白在Ca²⁺信號通道中的作用做一綜述。

關鍵詞：Bcl-2；鈣離子通道；1，4，5 - 三磷酸肌醇（IP3）受體；細胞凋亡

【中圖分類號】

R249 【文獻標識碼】B 【文章編號】1002-3763（2014）07-0027-02

1 Bcl-2蛋白的一般概念

Bcl-2（ B cell lymphoma-2）是Bcl-2家族蛋白中的一員，其能控制線粒體中促凋亡因子的釋放。

Bcl-2基因最早由Tsujimoto等^[1]從濾泡性非霍奇金B細胞淋巴瘤患者染色體t（14；18）易位的斷點處分離出來，在正常人體中定位于18號染色體，在患者體內則易位于14號染色體。Bcl-2家族蛋白根據結構同源性和功能分為3類——抗凋亡蛋白包括Bcl-2、Bcl-xL、A-1、Bcl-w、Mcl-1；促凋亡蛋白包括Bax、Bad、Bak、Bim、Bcl-xs等；僅含有BH3結構域的“BH3 only” 蛋白，包括Bad、Bim、Bik、Bid等。這個家族蛋白幾乎所有的成員都能夠調節細胞內的細胞器膜的通透性。眾所周知，促細胞凋亡蛋白Bax和Bak能夠增強線粒體中細胞色素c的釋放。相反，抗凋亡蛋白Bcl-2、Bcl-xL主要通過抑制線粒體中細胞色素c的釋放，保護細胞免于凋亡。抗凋亡蛋白Bcl-2和其他成員，調控內質網中Ca²⁺的釋放在細胞凋亡中的作用雖不像線粒體通道得到大家的認可，但還是相當重要的。而且，內質網中釋放出來的Ca²⁺可以觸發線粒體釋放細胞色素c，促進細胞凋亡。1994年，抗凋亡蛋白Bcl-2及其他成員能夠抑制內質網中Ca²⁺的釋放，使胞質中Ca²⁺濃度適中，從而抑制細胞的凋亡。Bcl-2家族蛋白中抗凋亡成員和促凋亡成員對Ca²⁺的調控作用是截然相反的，Bcl-2家族蛋白中的促凋亡蛋白促進內質網釋放Ca²⁺，增強線粒體對Ca²⁺的吸收，影響線粒體膜的通透性，致使細胞凋亡；Bcl-2家族蛋白中的抗凋亡蛋白能夠區分促凋亡的Ca²⁺信號和抗凋亡的Ca²⁺信號，抑制前者，增強后者，抑制細胞凋亡。

2 Ca²⁺在細胞凋亡和細胞存活中的調節作用

2.1 Ca²⁺從內質網中釋放：Ca²⁺從內質網釋放到胞質中的過程被視為第二信使調節細胞的生存與死亡。內質網（ER）是細胞內調節Ca²⁺動態平衡和信號傳導的主要細胞器。Ca²⁺通過肌漿＼內質網鈣離子-ATP酶（sarcoplasmic/endoplasmic reticulum Ca²⁺-ATPase，SERCA）泵封存在內質網中，SERCA保持ER管腔內Ca²⁺的濃度高于周圍的細胞質水平。當鈣離子從內質網經與ER膜相關的1，4，5 - 三磷酸肌醇（IP3）通道（也稱為IP3受體）釋放時產生Ca²⁺信號。這些Ca²⁺釋放通道有三種亞型，通過許多不同輔助因子翻譯后修飾，包括磷酸化對細胞中的Ca²⁺信號起到重要作用。從內質網中釋放到細胞質中的Ca²⁺有兩種表達形式，一種是高濃度表達，可能是短暫或持續的；另一種是成波浪狀高低濃度重復表達。許多生理過程都是Ca²⁺波浪狀表達，信息通過重復尖峰的頻率和振幅進行編碼，并將該信息發送到下游效應物，包括鈣離子敏感的磷酸酶和激酶。

2.2 Ca²⁺信號決定細胞存亡：Ca²⁺信號就如同第二信使，通過Ca²⁺不同形式的表達來調控信息的編碼，例如未成熟T細胞的T細胞受體（TCR）的激活反應。未成熟的T細胞主要存在胸腺的皮質，TCR活化強度決定了細胞的生存（陽性選擇）或死亡（陰性選擇）。細胞的生存是由胸腺中弱的TCR活化引起，細胞死亡是由強TCR活化引起。Ca²⁺信號介導這兩個過程，弱TCR活化誘導Ca²⁺波浪狀表達，而強大的TCR活化誘導持續的Ca²⁺水平升高，前者激活活化T細胞核因子（NFAT），從而上調促存活細胞因子白細胞介素-2的表達；后者上調促凋亡BH3-only蛋白Bim的表達，從而介導細胞凋亡。因此，Ca²⁺信號可以在同一細胞內受到相同刺激時發揮雙重作用，如何作用取決于Ca²⁺信號表達強度和持續時間。

2.3 IP3受體產生促凋亡的Ca²⁺信號：胞質中游離Ca²⁺水平升高會觸發許多途徑使細胞凋亡，包括蛋白酶和核酸內切酶的激活。Kaiser^[2]等學者表明糖皮質激素能夠介導胞質中游離Ca²⁺水平升高，從而導致未成熟的淋巴細胞死亡，這為理解胞質中游離Ca²⁺濃度升高誘導細胞凋亡做出開創性研究。現已證明游離Ca²⁺高濃度表達在糖皮質激素介導細胞凋亡中起關鍵作用，高濃度的Ca²⁺主要來自ER的釋放和細胞外持續的進入。活性氧（ROS），腫瘤壞死因子（TNF），神經酰胺，毒胡蘿卜素，糖皮質激素，強BCR / TCR活化，生長因子耗盡等均會刺激ER中 IP3受體釋放促凋亡的Ca²⁺信號。在凋亡的早期階段線粒體釋放的細胞色素C能夠與 IP3受體結合產生促凋亡的Ca²⁺信號，而促凋亡的Ca²⁺信號刺激線粒體繼續釋放細胞色素C，形成反饋回路，增強細胞凋亡。

2.4 IP3受體產生促存活的Ca²⁺信號：Ca²⁺作為第二信使在許多重要的細胞過程中發揮作用，包括受精，細胞分裂，分泌和神經傳遞等。Ca²⁺信號可以調節線粒體生物性能，促進線粒體代謝，從而直接促進細胞成活。弱BCR / TCR活化，生長因子，激素，神經遞質，三磷酸腺苷（ATP）等因素會刺激IP3受體釋放促存活的Ca²⁺信號，使游離Ca²⁺成波浪狀表達。游離Ca²⁺波浪狀表達維持鈣調磷酸酶的最佳激活，鈣調磷酸酶反過來去磷酸化，從而激活轉錄因子NFAT。因此，Ca²⁺波浪狀表達通過NFAT的活化使T細胞增值和存活，增進促存活細胞因子白細胞介素-2（IL-2）的轉錄。TCR介導的促存活的Ca²⁺信號通過鈣離子敏感轉錄因子 NFAT上調抗凋亡蛋白Bcl-2 and Bcl-XL的表達，促進細胞存活。

3 Bcl-2家族蛋白對Ca²⁺信號的作用

Bcl-2家族蛋白中抗凋亡蛋白如Bcl-2 和 Bcl-XL正調控促存活Ca²⁺信號的表達，負調控促凋亡Ca²⁺信號的表達；而促凋亡Bcl-2家族成員如Bax和Bak正調控促凋亡的Ca²⁺信號。

3.1 Bax， Bak及 BH3-Only蛋白增強促凋亡Ca²⁺信號的表達：抗凋亡Bcl-2家族成員抑制ER釋放Ca²⁺，而促凋亡家族成員促進ER中Ca²⁺的釋放并上調線粒體對Ca²⁺的攝取。在前列腺癌細胞中發現Bax和Bak在內質網膜中過度表達并且誘導Ca²⁺從ER向線粒體遷移，改變線粒體膜的通透性，觸發線粒體釋放細胞色素C從而促使細胞凋亡。后來該學者又用星形孢菌素和多柔比星誘導細胞凋亡時，得到了上述同樣的結論。此外，基因敲除Bax后，星形孢菌素誘導的細胞凋亡中從ER向線粒體遷移的Ca²⁺明顯減少。Carvalho近期發現將Bax顯微注射到星膠質細胞中，誘導ER和線粒體都釋放Ca²⁺，使Ca²⁺濃度升高并在細胞之間傳播，引起細胞凋亡。Bcl-2家族蛋白中BH3-Only蛋白在調節Ca²⁺從ER向線粒體穿行過程中發揮積極作用，細胞毒性應激（例如：輻射，多柔比星）和 p53蛋白的過表達都可以上調BH3-Only蛋白Bik的表達。Bik存在于ER，受到應激反應使Ca²⁺從ER釋放，此過程依賴 Bax/Bak的介導。由Bik應激反應釋放的Ca²⁺能激活GTP酶Drp1，Drp1參與p53蛋白誘導線粒體裂變和細胞色素C釋放至細胞質等過程。BH3-Only蛋白Bik通過增強ER釋放Ca²⁺促進細胞凋亡；然而，活化的唯BH3結構域的Bcl-2家族成員Bid通過增加線粒體中由IP3受體介導的Ca²⁺濃度促進凋亡。

3.2 Bcl-2和Bcl-XL增強促存活Ca²⁺信號的表達：Bcl-2支持細胞存活，不但通過抑制促凋亡的Ca²⁺信號產生，而且能夠增強促進細胞增值和存活的Ca²⁺信號。在T細胞中，Bcl-2增強弱TCR活化誘導的Ca²⁺信號的表達。此外，Bcl-XL能夠增加T細胞的比例，間接增加弱TCR活化誘導促存活的Ca²⁺信號，這有利于NFAT活化和細胞存活。White[3]等在雞DT40 B細胞中發現，Bcl-XL和Bcl-2增強BCR活化誘導的Ca²⁺信號，這有助于通過增強線粒體生物能促進細胞存活。Bcl-2抑制ER中Ca²⁺的釋放，胞質中Ca²⁺高濃度的表達，星孢素，神經酰胺，腫瘤壞死因子和基因毒性應激等引起的細胞凋亡。Bcl-2抑制ER中Ca²⁺的釋放還有另外一種解釋，即Bcl-2減少內質網腔中Ca²⁺的濃度^[4]。Bcl-2可能通過三種機制減少內質網腔中Ca²⁺的濃度：（1）Bcl-2的增加會通過內質網膜中的IP3受體導致Ca²⁺泄漏，從而減少內質網腔中Ca²⁺的濃度^[5]。一般內質網是通過多種途徑的Ca²⁺釋放和Ca²⁺內流而達到內質網腔Ca²⁺的穩態平衡。在細胞中，Bcl-2和IP3受體相互作用的過程中，由于缺少Bax和Bak導致IP3受體過度磷酸化，增強Ca²⁺泄漏而減少內質網腔中達到穩態的Ca²⁺的濃度。這種機制可能建議我們通過Bcl-2家族蛋白中抗凋亡家族成員和促凋亡家族成員的比例來調節內質網腔中Ca²⁺的濃度，從而調控細胞的凋亡與存活。（2）Bcl-2的過度表達減少內質網腔中Ca²⁺的螯合能力，降低內質網膜中SERCA泵的水平^[6]。Bcl-2的這種作用可能是特定于某些細胞類型或某些SERCA泵的亞型，因為其他研究人員檢測不到Bcl-2介導SERCA蛋白水平或活性的降低。（3）第三種假設是Bcl-2在內質網膜中形成離子通道口。這種觀點鑒于Bcl-2和Bcl-XL的結構與細菌霉素的空隙結構相似，相關研究表明Bcl-2和Bcl-XL形成離子通道口存在于體外培養的人工脂質膜上，但是這種觀點尚存在爭議。

4 結論

綜上所述，Bcl-2家族蛋白主要在兩方面調節細胞凋亡，即線粒體和內質網，線粒體釋放細胞色素C和內質網釋放Ca²⁺，觸發細胞凋亡。從內質網中釋放出來的Ca²⁺直接作用于線粒體誘導細胞凋亡或間接激活信號通路，如上調促凋亡蛋白Bim的表達、激活凋亡蛋白Bad、激活蛋白酶和核酸內切酶是細胞裂解凋亡。雖然Bcl-2家族蛋白在細胞凋亡方面發揮著重要作用，但有些方面仍不清楚，進一步探討Bcl-2家族蛋白在細胞凋亡中的分子機制，將有助于了解多種疾病的發生和發展，為治療腫瘤提供有效的方法，為新藥研發提供新的靶目標。為將來能夠達到治療或者預防疾病奠定堅實的基礎。

參考文獻

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