細胞程序性死亡不同信號通路對心臟相關疾病的影響

辛慶齡，徐偉男，劉聰穎，李 悅，王 莖

（安徽中醫藥大學，合肥 230038）

細胞死亡的方式主要包括壞死和程序性死亡[1]（Programmed cell death，PCD）。區別于細胞壞死，PCD為生理性死亡。通過細胞內特定的信號通路而引發細胞主動性的死亡。在細胞程序性死亡時細胞發生皺縮、染色質凝聚、細胞膜不會消失、也不會引起炎癥反應[2]。其主要特征表現為染色質DNA的有控裂解[3]。PCD的概念最早由KEER[4]等人提出，PCD有包括細胞自噬、細胞凋亡等多種形式。按照死亡機制與形態學的角度分為三類分別為：Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類[5]。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型細胞程序性死亡又分別被稱為細胞凋亡、細胞自噬和副凋亡[6]。研究表明，心臟方面疾病如：心力衰竭、心肌梗死、心率失常等與心肌細胞程序性死亡過度或不足存在相關性[7-8]。探究信號通路對程序性死亡的控制作用，可以為治療心臟方面疾病提供臨床治療新思路。

1 細胞程序性死亡的主要信號通路

1.1 Fas /Fas-L 系統

1.1.1 Fas/Fas-L系統的結構及分布 Fas廣泛分布于各組織細胞當中，包括心臟、腎臟、肝臟等臟腑細胞當中[9]。Fas 基因位于第10號染色體的C24.1區，互補DNA長度為2 534 bp，相對分子質量為36 000的跨膜蛋白。Fas的分子結構包括胞質區、跨膜區和膜外區[10]。膜外區具有膜受體特征，由157個氨基酸殘基組成。跨膜區處于整個分子結構中部，由17個氨基酸殘基構成。在細胞質中有一個片段叫做“死亡域”（death domain，DD），它是由80～100個氨基酸序列組成。這段氨基酸序列直接介導細胞凋亡，在傳遞細胞凋亡信號中發揮重要作用[11]。

Fas-L（Fas的配體）是一種死亡因子，屬于腫瘤壞死因子（TNF）亞家族。具有218個氨基酸，是一種位于細胞表面的Ⅱ型膜蛋白[12]。人類Fas-L基因相對分子質量為29kDa，位于第1染色體中。Fas-L也分為膜外區、跨膜區和胞質區。分子的C末端位于細胞之外，N末端位于細胞漿中。通過與靶細胞上受體結合而控制細胞。

1.1.2 Fas/Fas-L系統的作用機制 Fas系統介導細胞程序性死亡，傳導死亡信號并形成通路。在細胞程序性死亡中，凋亡的信號傳導方式已經相對明確。一般認為Fas-L細胞可以和血漿中的sFas和形成三聚體的活化形式。Fas細胞的死亡域結合蛋白（FADD）發生變化，FADD暴露的氨基酸的死亡區域與Caspase家族的蛋白酶前體（FLICE）相結合。Caspase再通過其他方式發生裂解或者活化，其裂解產物（P10和P20）成為有活性的半胱氨酸蛋白酶，從而刺激了同源家族的其他酶源（如：Caspase21、Caspase23、Caspase26、）。最終促進細胞降解或DNA片斷化，形成細胞凋亡[13]。

Fas-L主要表現為激活T淋巴細胞和B細胞，T淋巴細胞受到刺激形成Fas-L。從而當Fas-L與靶細胞表面Fas結合后，可以向攜帶Fas的靶細胞傳遞凋亡信號，從而造成細胞凋亡[14]。

1.2 Bcl-2蛋白

1.2.1 Bcl-2蛋白結構及分布 Bcl-2家族（B-cell lymphoma-2）是癌基因之一，主要分布在內質網膜、核膜和線粒體膜上。其蛋白包含羧基末端跨膜區域和BH結構域（即BH1、BH2、BH3和BH4）。家族成員分為3大類型，分別是抗凋亡蛋白、促凋亡蛋白、促凋亡蛋白中的特殊成員。其中抗凋亡蛋白又被稱為“效應者”，大多數包含BH結構域（如Bcl-2、Bcl-w）；促凋亡蛋白又被稱為“保護者”，主要分布于細胞包漿中（如Bax、Bak）。促凋亡蛋白中的特殊成員也被稱為“起始者”，因只含有BH3結構域所以又叫BH3-only[15]。在細胞凋亡過程中，Bcl-2家族信號通路并非單一發生作用，而是相互作用控制細胞凋亡，并與線粒體存在密切聯系[16-17]。

1.2.2 Bcl-2蛋白作用機制 Bcl-2蛋白家族在促細胞凋亡中主要表現為兩種方式：1）單一信號通路發揮作用。2）多個信號通路互相產生作用。前者通過受體途徑，后者則與線粒體有關，作用機制也更為復雜[18]。因為線粒體外膜通透（Mitochondrial outer membrane permeabilization，MOMP）可誘導存在于線粒體膜間隙中的促凋亡蛋白發揮作用。而在信號通路相互作用下Bcl-2蛋白家族直接參與調控MOMP，所以說MOMP是細胞凋亡的關鍵樞紐[19]。

1.3 mTOR信號通路

1.3.1 mTOR結構與分布 哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）屬于PI3K/Akt 下游的一種重要的絲氨酸-蘇氨酸蛋白激酶家族[20]。由于分子組成不同mTOR分為mTOR1和mTOR2 其中mTOR1是由Raptor蛋白、PRAS40所組成，mTOR2是由Rictor蛋白、mSin、protor1/2所組成[20]。兩種mTOR還對雷帕霉素的敏感程度不同。mTOR1可激活p70S6K和抑制真核生物4E-BP1的表達，對雷帕霉素反應敏感。mTOR2則通過控制細胞框架而導致細胞自噬，對雷帕霉素反應不敏感[21]。

1.3.2 mTOR作用機制 ULK1可以形成mTOR的底物復合物，而mTORC1能通過與ULK1結合而抑制自噬，在自噬中起到關鍵的作用[22]。ULK1在激活狀態下有時也會與PI3K的II類復合物形成細胞自噬。PI3K/AKT和Ras/ERK能調控TSC1/2蛋白的磷酸化水平，從而抑制TSC1/2的表達并激活 mTORC1。然而LKB1可能會在葡萄糖饑餓的情況下被激活從而增加AMPK的磷酸化表達，進而抑制mTORC1的激活，促進哺乳動物細胞的自噬過程。除此之外，AKT和AMPK也能通過非TSC1/2依賴的相關途徑參加mTORC1的調控過程。

1.4 Caspase信號通路

1.4.1 Caspase分布與結構 Caspase家族本質為蛋白酶的一種，其分子質量約為30～50 ku。具有特異酶切天冬氨酸和半胱氨酸蛋白酶的特征，分子由一大一小的亞基在N端組成[23]。Caspase家族分為啟動型（Ⅰ型Caspase）和執行型（Ⅱ型Caspase），兩者在功能和所處級聯反應的位置有所不同。Ⅰ型Caspase處于整個Caspase級聯反應的最上端，在其他因素的作用下能發生自我活化并激活下游活化。Ⅱ型Caspase通過改變細胞形態裂解細胞底物形成細胞凋亡[24]。此外caspases家族中還有一系列特定的成員負責協助細胞介導炎癥和細胞凋亡，這類系列的Caspase主要包括 Caspase-1、Caspase-4、Caspase-5、Caspase-13和Caspase-14[25]。

1.4.2 Caspase作用機制 在一般情況下以無活性的酶存在，當與配體結合后水解而活化。Caspase活化后根據凋亡信號的刺激不同活化類型分為外源性（死亡受體途徑）與內源性（線粒體途徑）[26]。死亡受體途徑形成機制類似于上述Fas系統。線粒體途徑則是收到細胞凋亡信號刺激后，細胞色素C由線粒體中被釋放到細胞包漿中，此時細胞色素C與激活因子相結合通過半胱氨酸蛋白酶類的作用活化Caspase最終形成細胞凋亡。

2 細胞程序性死亡對心臟相關疾病的影響

2.1 程序性死亡與慢性心衰 Fas/ Fas-L系統作為影響程序性死亡的信號通路之一在慢性心衰的發病過程中也起到關鍵作用。Fas/ Fas-L系統可能通過激活TNF受體介導的信號轉導通路，促進炎性因子（如：TNF-α，IL-2，IL-6）的表達，吸引并激活中性粒細胞產生大量氧自由基，從而加劇心肌局部的炎性反應[27]。在血管內皮細胞中，sFas-L是血管內皮炎癥反應的保護性因子以減輕血管內皮的炎性反應[28]。研究發現病人血漿中 sFas的濃度與患者心功能之間呈現負相關關系。因此，sFas水平的反應對衡量患者慢性心衰的危急程度至關重要。Fas/ Fas-L系統在慢性心衰中參與免疫炎癥性反應、心肌細胞的肥大增生等過程。從而說明Fas/Fas-L系統與慢性心衰直接的關系。

2.2 程序性死亡與心肌梗死 細胞死亡在心肌梗死缺血24 h即發生大量的心肌細胞死亡，之前研究對心肌梗死中細胞死亡的十分有限，但發現細胞凋亡在心肌梗死中發揮著作用，通過實驗已證實，死亡受體通路與線粒體通路介導的細胞死亡的心肌梗死中起作用。發現心肌細胞凋亡的速率和Fas和Bax mRNA在心肌梗死中的表達活性也隨之增加，表明Fas和Bax mRNA的表達在心肌梗死的發生中起重要作用[29]。現有的研究表明，心肌細胞凋亡影響心肌梗死的研究成為極具臨床研究價值的方向，細胞程序性壞死的發現將可能為心臟疾病病理途徑的研究和治療提供新的方向，然而在體內區分壞死與細胞凋亡還是十分困難，這對于細胞程序性壞死在心臟疾病中的研究帶來了很大挑戰。

2.3 程序性死亡與心律失常 心臟正常的除極化順序是開始于竇房結，結束于心室肌。心律失常會發生在這種除極模式紊亂時。這種紊亂可以由竇房結直接影響受損的心肌組織間接影響，并導致除極變得或快或慢或不規則。國外研究[30]心率失常患者的心臟中是否出現自噬現象。篩選符合條件的患者后獲得了右心房附件的樣本。結果顯示電子顯微照片發現大量自噬泡和自噬相關的標志性產物，證明心率失常伴隨細胞自噬現象的發生。

3 小結

細胞程序性死亡近期來是研究的熱點，通過抑制或者激活信號通路可以控制細胞程序性死亡，而細胞程序性死亡的不足或過度會引發心臟相關疾病。從Fas/Fas-L 系統、Bcl-2等信號通路這個方面入手保護心肌細胞，預防和治療如慢性心衰、心肌梗死等疾病。但是其它作用機理還需進一步深入研究，若能準確進行精準控制心肌細胞程序性死亡，那么從靶向治療或者預防心臟相關疾病具有深刻的臨床意義。