Bcl—2蛋白在調控細胞凋亡與自噬中的作用

王婷　張智博

[關鍵詞]Bcl_2；細胞凋亡；自噬

中圖分類號：R392文獻標識碼：A文章編號：1009_816X（2014）04_0315_04

細胞凋亡與自噬均屬于細胞死亡的形式。程序性細胞死亡的細胞凋亡，主要依賴一系列蛋白水解，而細胞的殘余部分最終被巨噬細胞清除。自噬被稱為Ⅱ型程序性細胞死亡，與凋亡方式不同的是不依附于蛋白的水解，而是以獨特的自噬體的結構出現為其特征，此獨特結構和其細胞內的成分最終將通過自身溶酶體系統而被消除。兩者緊密聯系在哺乳動物發育，維持組織動態平衡中且起著核心作用，并與疾病的發生、發展密切相關。通過對Bcl_2蛋白構象與功能的不斷研究，意識到Bcl_2蛋白不僅具有抗凋亡的功能，也可通過與其他蛋白的相互作用介導細胞自噬，提示其有助于維持細胞的存活，而不單單是促進細胞死亡的雙重作用。新近研究發現，Bcl_2蛋白在腦缺血后的病理機制中起著關鍵性的作用，但其具體機理還有待進一步研究。

1Bcl_2蛋白及其定位

1.1Bcl_2蛋白：是Bcl_2原癌基因的編碼產生，是一個促進因素對細胞的存活，為膜整合蛋白，分子質量為26kDa，早期是在人類的濾泡樣細胞淋巴瘤中t（14；18）染色易位的斷裂點被克隆挖掘出來[1]。主要定位在線粒體、部分內質網及核周膜，與膜的結合的功能堪為重要的。在正常的細胞活化、成長過程中可有表達，Bcl_2蛋白可在成熟的組織中表達，并在逐步凋亡的細胞中呈低表達或不表達。Bcl_2蛋白可存在于正常組織中，然后逐漸發現在免疫Bcl_2蛋白中的表達，也在人體多種形態的腫瘤組織內分泌系統以及神經系統中存在。Bcl_2蛋白的分子構像變化多端，已知的Bcl_2家族蛋白結構中，其多肽鏈里含有多個Bcl_2同源保守的螺旋結構域（即：BH1、BH2、BH3、BH4），并且絕大部分含所有其中4個結構域；而促凋亡蛋白中基本上都含有促凋亡作用BH3結構域。因Bcl_2蛋白處在細胞的不同部位，故其分子構象在不同的因素作用下可發生改變。而Szegezdi[2]等研究表明Bcl_2對自噬的調節具有細胞器特異性，對自噬起負調節作用。故Bcl_2蛋白的不同定位及構像在其調節細胞凋亡和細胞自噬的過程中有著重要意義。

1.2Bcl_2蛋白與線粒體：在各種細胞器中，確保Bcl_2家族成員發揮其凋亡作用，其主要結構是線粒體。整個Bcl_2家族在調控細胞凋亡過程中的作用十分關鍵，經歷了抗凋亡和促凋亡蛋白之間的相互影響，改變了線粒體結構以及功能使其調控作用得以施展[3]。當收到有關信號激動凋亡，促凋亡蛋白發生一系列轉變（如Bax構象變化，Bid和Bim裂解效應，Bad、Bik的磷酸化調節等），導致趨向線粒體外膜靶向異位，進而可使線粒體的通透轉換孔開放，釋放促凋亡因子，激活caspase級聯，最終導致細胞凋亡的產生[2]。進一步研究表明，在線粒體膜上的抗凋亡蛋白Bcl_2對細胞凋亡也存在著拮抗作用，因其膜蛋白分子表面的特殊結構-疏水槽，此結構可容納促凋亡Bcl_2家族成員的螺旋結構域-BH3結構域，導致促凋亡活性的受阻，而不能發揮作用。

抗凋亡蛋白Bcl_2對自噬途徑的調節具有細胞器專屬性。唯一的位置-內質網，且非線粒體的Bcl_2蛋白構成復合體，對自噬途徑產生相反的作用[2]。可見，Bcl_2蛋白參與凋亡和自噬的調節，其構象改變和細胞定位的變化對其生物功能的發揮起著重要作用。

2Bcl_2蛋白與細胞凋亡

Bcl_2蛋白具有能延長細胞生存時間和抗細胞凋亡的功能，因此它被稱為凋亡抑制基因。公認的細胞凋亡，是指有核細胞由自身內部遺傳機制，在一定條件下被驅動，并表現出一種內源性凋亡的形態學。Bcl_2蛋白對凋亡在免疫系統調控中承擔著正常情況下機體對免疫應答的負反饋調節[4]。固然某些細胞的程序性死亡經過具有特定的引發因素，但在大多數情況下是由一種基因調控，并表現為調控細胞自主性的死亡過程。

Bcl_2蛋白和Bcl_2，Bax，Bad，Bak等共同組成了Bcl_2蛋白家族，Bcl_2蛋白的功能受其蛋白產物Bax和Bcl_xl蛋白調控[5]。有研究表明，抗凋亡的Bcl_2蛋白能力的改變，主要原因是膜定位能力的改變。與其他的癌蛋白相比較，Bcl_2蛋白促進細胞的存活是因為產生了阻止細胞凋亡的機制，并不是使正常的細胞增殖機制受到破壞的調控。線粒體膜上的蛋白Bcl_2可有相關調控作用，可在不同水平上施展作用來控制凋亡：①可通過掌管轉變線粒體上巰基的氧化狀態致使其膜電位發生改變，由此調控細胞凋亡。②線粒體膜對一些凋亡蛋白前體的滲透性可受Bcl_2的調度。在可能含有Bcl_2蛋白的線粒體PT孔道的構成因素中，當在必然pH環境下，可形成離子通道，而Bax在較高或較低的pH范圍內都可構成孔道。且Bax可以允許某些離子和小分子通過線粒體膜，例如細胞色素C等可穿過，進一步進入細胞質，參與細胞凋亡的調控，而與之相反的Bcl_2蛋白，它可以通過關閉Bax通道活性引起一系列反應，導致某些小分子不能隨意出入，進而保護細胞凋亡[5]。③Apaf_1（凋亡蛋白前體）等能被Bcl_2蛋白設置在線粒體膜上，致使凋亡作用得以抑制。目前了解到Bcl_2除對凋亡的影響外，還能抑制細胞周期[6]。最近研究發現，在免疫細胞中，熱休克蛋白家族成員Hsp90β與Bcl_2蛋白抗凋亡功能也有著千絲萬縷的關系，這種關系可能與熱休克蛋白的“伴侶”功能有關，在對凋亡進行調控中，小鼠巨噬細胞株RAW264.7經過未甲基化寡聚脫氧核苷酸（CpG_ODN）的處理，可以讓熱休克蛋白Hsp90β效應的抗凋亡蛋白產生拮抗作用，進而導致Bcl_2喪失抗凋亡活性，并使線粒體凋亡途徑介導細胞死亡開始啟動[7]。有些研究還發現，caspase_3的酶解位點位于天冬氨酸（Asp34），且存在于Bcl_2蛋白環區，由此線粒體外膜出現了被裂解轉移的Bcl_2，通過BH3和跨膜結構域上調細胞凋亡。在HEK293T細胞株和人類外周血淋巴細胞中發現，在線粒體中出現失的孤兒核受體Nur77/TR3出核，與Bcl_2蛋白捆綁結合，故導致了二者的空間構想發生改變，由此使線粒體死亡途徑得以激發，使之誘導細胞凋亡[8]。

3Bcl_2蛋白與細胞自噬

和自噬形成相關基因稱為ATG（Autophagy_related gene，細胞自噬相關基因）基因。由位于人類染色體17q21的基因編碼的Beclin1與磷脂酰肌醇_3激酶（Phosphatidylinositol 3_kinase，PI3Ks）信號復合物共同作用可以加強自噬空泡的形成，所以，Beclin1在自噬中起重要作用。與Bcl_2蛋白合成后，損害細胞自噬的功能。簡言之是由于Bcl_2結合的情況下，Beclin1變異體誘發過分自噬并促進細胞死亡。總之，這些研究結果表明，Bcl_2復雜功能對自噬和自噬基因依賴性細胞死亡起著制動作用[9]。酵母ATG8和它的哺乳動物相當物微管相關蛋白質LC3通過泛素化方式與磷脂結合，并且被定位在分離的膜上，從而對自噬體的形成起重要作用。Beclin1蛋白介入了自噬體的組成，并參與組成PI3K復合物[10]。經過Ⅲ型PI3Ks作用使磷脂酰肌醇磷酸化，產生出磷脂酰肌醇3，4，5_三羥甲基氨基甲烷磷酸鹽，在溶酶體酶從高爾基體運輸到溶酶體的過程中，這條通路起了決定性的作用，在Ⅲ型PI3Ks與I型PI3Ks中，二者的不同之處是Ⅲ型PI3Ks能產生刺激作用對于自噬的發生。在構成Ⅲ型PI3Ks信號通路所必須的蛋白是Beclin1。且由前文描述組成的Ⅲ型PI3K復合物，能指導自噬有關蛋白向自噬體膜靶向定位，而促使自噬體雙層膜形成。在基因敲除的小鼠胚胎干細胞中覺察到，Beclin1-/-小鼠，在胚胎早期幾乎全數死亡，雜合子（Beclin1+/-）小鼠得以存活，但Beclin1蛋白的表達雜合子小鼠體內顯著降低，導致其自噬功能的減弱及原發性腫瘤的發生顯著增高。所以在新型僅包含BH3的Bcl_2家族成員是單倍不充分的腫瘤抑制基因——Beclin1，在抑制腫瘤基因發展過程中的作用不容小覷[11]。由于其對自噬的抑制，暗示了自噬和凋亡之間的關系[11]。

抗凋亡蛋白Bcl_2具有排水槽，可容納BH3結構域。當結合Bcl_2形成的Bcl_2_Beclin1_Vps34復合物與Beclin1的結合，導致脂質激酶Vps34活性降低，抑制Beclin1介導的自噬功能[12]。通過兩種不同機制，Bcl_2和Beclin1基因相互影響可以調整：（1）某些特定（含有BH3結構域的）蛋白或BH3模擬物可綁定至Beclin1和Bcl_2蛋白的BH3連接排水槽相互競爭，從而解除Bcl_2對Beclin1的抑制而誘導自噬。Bcl_2蛋白的BH3排水槽可以與BH3模擬物ABT737競爭性占領，并抑制Bcl_2對Beclin1的作用，和對ABT737的抗凋亡活性的抑制，從而發現該類細胞自噬程度由饑餓誘導的發生率明顯降低，但補充ABT737后可使其恢復。（2）當處于缺乏營養和各類應激等刺激作用下，Bcl_2的非構造內T69、S70、S87 3個位點可由原癌基因c_Jun氨基末端激酶1（JNK1）磷酸化以致與Beclin1的結合能力遭到破壞，而促進了自噬的發生[13]。在小鼠胚胎成纖維細胞（MEFs）jnk1基因缺如后，Bcl_2和Beclin 1的親和力下調、Bcl_2蛋白以上位點磷酸化均不受饑餓刺激的影響而發生；Beclin1蛋白也不能與Bcl_2蛋白的磷酸化突變體（T69E/S70E/S87E）相互作用，從而導致其喪失對細胞自噬的阻礙功能。且Beclin1通過與Bcl_2相互作用的蛋白調節自噬作用主要發生在內質網，當存在于內質網膜上的三磷酸肌醇受體（IP3R）阻斷可強烈誘導的自噬。

4Bcl_2蛋白在凋亡和自噬中的串流

Ca2+作為緊要的第二信使，在細胞自噬和凋亡調控中都起到了十分首要的作用。在Bcl_2家族蛋白中和鈣信號相互作用調節亞細胞結構（主要有細胞質、內質網和線粒體）中的鈣庫。Bcl_2蛋白和1，4，5三磷酸肌醇受體（IP3R）相互作用，直接抑制內質網鈣釋放；并且在內質網腔中鈣網蛋白（calreticulin）的表達和鈣泵的表達也可由Bcl_2蛋白來降低，促使了內質網內的鈣離子濃度得到下調[14]。

在經過維生素D3以及其類似物EB1089處理的乳腺癌細胞株MCF_7，影響了細胞內游離Ca2+濃度，提高的鈣離子水平可激活自噬過程且這一過程與Beclin1基因的表達上調有關。進一步研究證實，Ca2+水平的增加，通過相繼活化鈣調蛋白依賴性激酶β（CAMKK_β）和腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK），抑制Akt_mTOR通路，引發自噬[13]。Bcl_2蛋白家族中，促凋亡蛋白BAX、BAK可以抑制自噬，而抗凋亡蛋白Bcl_xl則可以促進自噬的發生。抗凋亡蛋白Bcl_2對自噬的調節作用較為復雜。Bcl_2被證實可以與Bedin_1發生相互作用，其與Bedin_1的結合程度決定了細胞自噬的發生與否Bcl_2可以抑制饑餓誘導的細胞自嚼，該作用為Beclin_1依賴性。其機理可能為，Bcl_2通過與Beclin_1結合，抑制了Beclin_l對自噬的啟動作用，從而抑制了自噬的發生[15]。BH3_only蛋白不僅通過其BH3結構域和Bcl_2蛋白結合，誘導了自噬；在激動Bax/Bak促凋亡蛋白的活性時，有著直接或間接的聯系，從而促進細胞凋亡。在內質網中的Beclin1，通過其BH3結構域和Bcl_2/Bcl_xL聯合，導致在細胞內游離的Beclin1的濃度降低，進而導致Ⅲ型PI3K復合體活性下降，由此細胞自噬能力減弱[16]。

此外，在饑餓刺激下，Bcl_2磷酸化快速發生（約4h），通過Bcl_2_Beclin_1復合體分離后誘導自噬，使細胞器損傷可修復；隨著時間延長（約16h），自噬對細胞的自救行為不能再保證細胞存活，Bcl_2磷酸化轉為干擾Bcl_2_Bax復合體，caspase3依賴的凋亡通路激活[4]。由此可見，Bcl_2磷酸化可能也參與了調控細胞自噬與凋亡的過程。

5結論與展望

凋亡和自噬之間可能存在相互依賴和串流的作用，二者共同調控細胞的生與死。Bcl_2蛋白是關系于細胞凋亡和自噬中，相互影響、相互轉化的重要蛋白；在線粒體凋亡通路、Beclin1依賴性細胞自噬通路、Bcl_2家族其他蛋白成員之間在不同通路中的相互作用和構象變化等方式是它對凋亡和自噬進行雙重調控的幾種方式。值得一提的是，隨著研究的不斷深入，Bcl_2蛋白在不同疾病的發病機制中被廣泛熟知，其中在世界范圍內具有第二高致死率疾病—腦卒中[17]，其作用機理也逐步的被重視起來，而腦卒中中，87%為缺血性卒中，拯救缺血半暗帶是治療的重中之重。Bcl_2蛋白及其家族成員在腦缺血后缺血半暗帶中神經元凋亡與自噬的病理機制中，起著至關重要的作用。有實驗證明，Bcl_2家族蛋白是腦缺血后細胞凋亡通路的關鍵分子，通過抗凋亡和促凋亡蛋白之間的相互作用，影響線粒體結構和功能的穩定性[18]。而細胞自噬的抑制劑可抑制腦缺血損傷后的Bcl_2蛋白表達降低[19]，這些研究表明，Bcl_2蛋白在腦缺血后的病理機制中都起著關鍵性的作用，但其具體機理還有待進一步研究。就目前而言，找準其關鍵作用的靶點，并通過作用于靶點，來治療甚至于挽救腦卒中后患者的神經功能缺失癥狀，這將為臨床治療提供新的診療方法。總言之，Bcl_2蛋白在自噬或凋亡過程中直接或間接的具體機制，不同組織和細胞中的相關信號通路的各種效應所產生的協同或拮抗作用等問題將取得突破性進展，為疾病的發病機理和治療的新理念等相關研究領域提供新的依據及思路。

參考文獻

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（收稿日期：2014_3_28）

凋亡和自噬之間可能存在相互依賴和串流的作用，二者共同調控細胞的生與死。Bcl_2蛋白是關系于細胞凋亡和自噬中，相互影響、相互轉化的重要蛋白；在線粒體凋亡通路、Beclin1依賴性細胞自噬通路、Bcl_2家族其他蛋白成員之間在不同通路中的相互作用和構象變化等方式是它對凋亡和自噬進行雙重調控的幾種方式。值得一提的是，隨著研究的不斷深入，Bcl_2蛋白在不同疾病的發病機制中被廣泛熟知，其中在世界范圍內具有第二高致死率疾病—腦卒中[17]，其作用機理也逐步的被重視起來，而腦卒中中，87%為缺血性卒中，拯救缺血半暗帶是治療的重中之重。Bcl_2蛋白及其家族成員在腦缺血后缺血半暗帶中神經元凋亡與自噬的病理機制中，起著至關重要的作用。有實驗證明，Bcl_2家族蛋白是腦缺血后細胞凋亡通路的關鍵分子，通過抗凋亡和促凋亡蛋白之間的相互作用，影響線粒體結構和功能的穩定性[18]。而細胞自噬的抑制劑可抑制腦缺血損傷后的Bcl_2蛋白表達降低[19]，這些研究表明，Bcl_2蛋白在腦缺血后的病理機制中都起著關鍵性的作用，但其具體機理還有待進一步研究。就目前而言，找準其關鍵作用的靶點，并通過作用于靶點，來治療甚至于挽救腦卒中后患者的神經功能缺失癥狀，這將為臨床治療提供新的診療方法。總言之，Bcl_2蛋白在自噬或凋亡過程中直接或間接的具體機制，不同組織和細胞中的相關信號通路的各種效應所產生的協同或拮抗作用等問題將取得突破性進展，為疾病的發病機理和治療的新理念等相關研究領域提供新的依據及思路。

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（收稿日期：2014_3_28）

凋亡和自噬之間可能存在相互依賴和串流的作用，二者共同調控細胞的生與死。Bcl_2蛋白是關系于細胞凋亡和自噬中，相互影響、相互轉化的重要蛋白；在線粒體凋亡通路、Beclin1依賴性細胞自噬通路、Bcl_2家族其他蛋白成員之間在不同通路中的相互作用和構象變化等方式是它對凋亡和自噬進行雙重調控的幾種方式。值得一提的是，隨著研究的不斷深入，Bcl_2蛋白在不同疾病的發病機制中被廣泛熟知，其中在世界范圍內具有第二高致死率疾病—腦卒中[17]，其作用機理也逐步的被重視起來，而腦卒中中，87%為缺血性卒中，拯救缺血半暗帶是治療的重中之重。Bcl_2蛋白及其家族成員在腦缺血后缺血半暗帶中神經元凋亡與自噬的病理機制中，起著至關重要的作用。有實驗證明，Bcl_2家族蛋白是腦缺血后細胞凋亡通路的關鍵分子，通過抗凋亡和促凋亡蛋白之間的相互作用，影響線粒體結構和功能的穩定性[18]。而細胞自噬的抑制劑可抑制腦缺血損傷后的Bcl_2蛋白表達降低[19]，這些研究表明，Bcl_2蛋白在腦缺血后的病理機制中都起著關鍵性的作用，但其具體機理還有待進一步研究。就目前而言，找準其關鍵作用的靶點，并通過作用于靶點，來治療甚至于挽救腦卒中后患者的神經功能缺失癥狀，這將為臨床治療提供新的診療方法。總言之，Bcl_2蛋白在自噬或凋亡過程中直接或間接的具體機制，不同組織和細胞中的相關信號通路的各種效應所產生的協同或拮抗作用等問題將取得突破性進展，為疾病的發病機理和治療的新理念等相關研究領域提供新的依據及思路。

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（收稿日期：2014_3_28）