對哺乳動物成熟紅細胞的幾個思考

杜惠東

摘 要 圍繞哺乳動物成熟紅細胞的呼吸方式、分化過程基因表達、凋亡途徑展開。

關鍵詞 細胞呼吸 細胞分化 基因表達 凋亡途徑

中圖分類號 Q-49 文獻標志碼 E

1 哺乳動物成熟紅細胞的呼吸方式

1.1 哺乳動物成熟紅細胞呼吸酶的種類

大多數真核細胞都存在兩類呼吸酶系，即無氧呼吸酶系（存在于細胞質基質）和有氧呼吸酶系（存在于線粒體基質和線粒體內膜）。能夠進行有氧呼吸的原核細胞中有氧呼吸酶系部分成分存在于細胞質基質，部分成分存在于細胞膜。哺乳動物成熟紅細胞屬于真核細胞，在其形成過程中喪失細胞器，缺乏線粒體，缺乏有氧呼吸酶系，即其僅有無氧呼吸酶系（主要為糖酵解途徑酶類、磷酸戊糖途徑酶類）。

1.2 O2對哺乳動物成熟紅細胞無氧呼吸的影響

雖在探究酵母菌細胞的呼吸方式的實驗中，學生已經形成“O2會抑制無氧呼吸的進行”知識，但很多學生錯誤認為：O2是直接通過抑制無氧呼吸酶活性來抑制無氧呼吸的進行。他們進而產生疑問：O2會抑制哺乳動物成熟紅細胞的無氧呼吸嗎？

無氧呼吸（糖酵解）過程中，重要的調節酶是磷酸果糖激酶，高濃度的ATP、檸檬酸對磷酸果糖激酶具有抑制作用。在O2充足的條件下，O2會推動糖分解中間產物（NADH、丙酮酸）進入有氧氧化分解的途徑，導致產生較多的ATP和檸檬酸，進而抑制磷酸果糖激酶的活性，從而抑制無氧呼吸的進行。但由于哺乳動物成熟紅細胞缺乏有氧呼吸酶系，即使O2充足，也不能進行有氧呼吸，而不能產生大量ATP和檸檬酸抑制磷酸果糖激酶活性。因此，O2不會抑制哺乳動物成熟紅細胞的無氧呼吸。

2 哺乳動物成熟紅細胞的基因表達

2.1 哺乳動物成熟紅細胞血紅蛋白的合成

紅細胞的增生發育過程：多能干細胞（造血干細胞）→單能干細胞→原始紅細胞→幼紅細胞（分早、中、晚三個時期）→網織紅細胞→成熟紅細胞。成熟過程中，血紅蛋白的逐漸增加，細胞核活性逐漸衰減，從晚幼紅細胞開始失去分裂能力。成熟紅細胞無細胞核、無細胞器，細胞質存在大量的血紅蛋白，不能進行核酸和蛋白質的合成。但成熟紅細胞能夠正常執行生理功能和外界進行物質、能量交換，如細胞質中碳酸酐酶催化CO2可逆的水合作用，有助于CO2運輸，細胞膜的離子泵還可利用無氧代謝供能進行離子交換，維持細胞內高鉀、低鈣和低鈉狀態。

成熟紅細胞內的血紅蛋白部分是在幼紅細胞階段（有核、游離核糖體豐富）合成，部分在網織紅細胞階段合成（無核、殘留有核糖體和嗜堿性RNA），成熟階段不合成。

2.2 細胞分化過程中，基因表達的連續性和mRNA的穩定性

真核細胞轉錄主要在細胞核，翻譯主要在細胞質中，其中大多數基因為斷裂基因，存在內含子和外顯子。基因轉錄先形成mRNA前體（不均一RNA，hnRNA），再經加工（5′端加帽、3′端加尾、內含子剪切、外顯子連接、部分堿基修飾）形成成熟mRNA。同一hnRNA經過不同加工過程，可產生不同的成熟mRNA，進而指導翻譯形成不同的蛋白質。但真核細胞基因表達的轉錄和翻譯階段不一定是連續進行的。成熟的mRNA經核孔進入細胞質。在細胞質中可以有活性和無活性的兩種狀態存在，成熟的mRNA通過與調節蛋白（阻遏物或激活因子）、miRNA（微RNA，與mRNA堿基互補配對形成雙鏈區，阻止翻譯）可逆結合來實現兩種狀態的變換，進而調控蛋白質合成。如許多動物在卵母細胞中含有大量編碼不同蛋白質的mRNA，但通常在卵子成熟前或受精前是不翻譯的。但發揮指導翻譯作用后的mRNA，會被核酸酶所降解（一般從mRNA的3′端開始）。

mRNA降解速率是其穩定性的衡量標志，降解速率慢，顯示mRNA穩定。不同基因轉錄形成的mRNA穩定性不同。高等真核生物中，“持家基因”轉錄形成的mRNA和高度分化細胞中的mRNA，一般比較穩定。如網織紅細胞中雖已沒有RNA的合成，但其細胞質還存在前期階段形成的mRNA，所以依然可繼續合成血紅蛋白或其他蛋白。

2.3 哺乳動物成熟紅細胞分化過程遺傳物質變化的例外

學生對于細胞分化的分子機制比較熟悉的，都認同細胞分化是相同基因組在特定時空下，進行選擇性表達的結果。但因紅細胞在成熟過程中，會出現排核和喪失細胞器現象，而導致遺傳物質丟失，這與教師所講授的“細胞分化過程中遺傳物質不改變”產生沖突，進而會使學生產生疑問“細胞分化過程中遺傳物質一定不改變嗎？有例外嗎？”實際上，細胞分化過程中也存在遺傳物質改變的特例。如馬蛔蟲卵裂分化形成體細胞時，出現染色體丟失、草履蟲細胞大核（營養核）出現DNA丟失重排、擴增、B淋巴細胞分裂分化，形成漿細胞過程中出現DNA斷裂丟失、重排現象。而這些變化都是細胞在進化過程中，為高效執行其特定功能而產生的適應現象。如成熟紅細胞在分化過程中，排核和喪失細胞器使其運輸O2的空間達到最大化。

3 哺乳動物成熟紅細胞衰老后死亡的方式

成熟紅細胞已不具有細胞核與線粒體，故細胞內不可能再具有基因，也就沒有控制其凋亡的基因。紅細胞的細胞核消失前，已經表達產生相關凋亡蛋白，在細胞核被排出后，其實已經開始了細胞凋亡，并不是衰老后才控制凋亡。

3.1 哺乳動物成熟紅細胞衰老后死亡方式的主要觀點

紅細胞的壽命約為120 d。關于成熟紅細胞衰老后的正常死亡方式，存在前后兩個階段的主要觀點。早期觀點認為，絕大部分衰老紅細胞在脾臟及肝臟的網狀內皮系統中，被吞噬細胞吞噬，進而破壞分解，即衰老紅細胞的死亡，屬于一種免疫清除，與凋亡基因無關。后期觀點認為，衰老紅細胞先在內源或外源凋亡因子的誘導凋亡基因表達，形成凋亡小體（膜表面有特意信號分子），最后誘發免疫吞噬。

3.2 哺乳動物成熟紅細胞衰老后可能的凋亡途徑

細胞死亡的方式有三種，分別是凋亡、壞死、細胞自噬性死亡。目前研究表明，凋亡的主要途徑也有三種：依賴caspase家族蛋白酶（凋亡蛋白）由死亡受體起始的外源途徑、依賴caspase家族蛋白酶由線粒體起始的內源途徑、非依賴caspase家族蛋白酶由線粒體或內質網起始的內源途徑。

目前衰老紅細胞的凋亡途徑還未有定論。但從分子水平分析，哺乳動物成熟紅細胞中，存在部分與凋亡有關的關鍵蛋白（如caspase-3、caspase-8、Bcl-2家族蛋白），缺乏線粒體起始內源途徑其他成分如caspase-9、細胞色素c（在真核細胞的線粒體內膜上），衰老紅細胞膜表面可能缺乏相應死亡受體，因此不能進行依賴caspase家族蛋白酶外源途徑和內源途徑的凋亡。從細胞水平的細胞形態變化分析，除了沒有凋亡時出現染色質、細胞器的變化外，衰老紅細胞其余形態特征（細胞膜皺縮、形成凋亡小體、凋亡信號外顯、被吞噬細胞吞噬）均與一般細胞凋亡相同。雖然成熟紅細胞沒有細胞核、線粒體、內質網、核糖體等細胞器，但其細胞質早期儲備的RNA和蛋白質，可能在其衰老后調控凋亡信號通路，即衰老紅細胞的死亡是一種特殊形式的凋亡。

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