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

（廣東醫學院附屬醫院呼吸內科，廣東 湛江 524001）

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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

（廣東醫學院附屬醫院呼吸內科，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肺部疾病并導致病情進一步發展的重要因素。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，盡管發達國家已經大大限制石棉的使用，但鑒于石棉已在建筑等領域的大量存在、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[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[2]，動物體內試驗也表明，石棉暴露下可使體內活性氧過表達，小鼠氣管內滴注溫石棉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下，石棉可以誘導活性氧的產生[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，體內產生大量的活性氧，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、轉鐵蛋白、轉鐵蛋白受體、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生，外源性的抗氧化物酶能減少石棉引起的活性氧的產生[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，位置又靠近電子呼吸鏈，對氧化應激極為敏感，又無結合蛋白的保護，故線粒體DNA易發生突變，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，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現，石棉可引起線粒體膜電位的降低、細胞色素C從線粒體到細胞質的釋放、Caspase-9的激活等線粒體損傷的表現，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調節細胞的凋亡

在正常的環境下，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整細胞反應,通過一系列的靶基因調節使細胞周期的停滯[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[18]。暴露石棉等物質引起DNA損傷后，p53通過相應的調節機制控制細胞周期，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節機制來使靶細胞凋亡[19]。在人類特發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蛋白調節細胞凋亡的機制非常復雜，至今未完全闡明[22]。p53可以通過調節促進促凋亡蛋白（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節細胞凋亡[23]。在石棉和其他粉塵等引起的肺上皮細胞凋亡中，p53起著重要的調節作用[24]。暴露石棉1h之內，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，及由此引發的細胞凋亡[26]。大鼠氣管內滴入石棉纖維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的損傷的主要產物，在體內外實驗中均證實有高度致突變性，可使細胞發生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初級轉錄產物經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]。但最近的研究發現，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[29]。

5 結語與展望

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生、線粒體的損傷、p53的高表達、hogg1保護等多種因素有關，進一步闡明石棉引起疾病的相關機制，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疾病如特發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。

2011-03-08)