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        Bcl-2與自噬的研究進(jìn)展*

        2016-09-06 09:57:17倪振洪何鳳田連繼勤第三軍醫(yī)大學(xué)生物化學(xué)與分子生物學(xué)教研室重慶400038
        現(xiàn)代醫(yī)藥衛(wèi)生 2016年3期
        關(guān)鍵詞:分子生物學(xué)結(jié)構(gòu)域線粒體

        倪振洪,何鳳田,連繼勤(第三軍醫(yī)大學(xué)生物化學(xué)與分子生物學(xué)教研室,重慶400038)

        ·專家筆談·

        Bcl-2與自噬的研究進(jìn)展*

        倪振洪,何鳳田,連繼勤△(第三軍醫(yī)大學(xué)生物化學(xué)與分子生物學(xué)教研室,重慶400038)

        2003年7月獲生物化學(xué)與分子生物學(xué)博士學(xué)位,2008年10月至2010年8月留學(xué)于美國密歇根大學(xué)醫(yī)學(xué)院放射腫瘤學(xué)系。主要研究方向?yàn)榧?xì)胞自噬與腫瘤,先后主持國家及省部級科研課題8項(xiàng),以第一和通訊作者發(fā)表SCI論文12篇,總影響因子56.03分,單篇最高影響因子11.753,被引用次數(shù)263次,以第一發(fā)明人申請獲得國家發(fā)明專利1項(xiàng)。

        基因,Bcl-2;基因,p53;自噬;綜述

        B細(xì)胞淋巴瘤/白血病-2(B cell lymphoma/leukemia-2,Bcl-2)是一種含有多個BH結(jié)構(gòu)域的抗凋亡蛋白。最近研究表明,Bcl-2蛋白還與細(xì)胞的自噬過程密切相關(guān),與自噬信號途徑中的多個分子進(jìn)行相互調(diào)節(jié),發(fā)揮抗自噬的作用。本文綜述了Bcl-2與自噬關(guān)系的相關(guān)研究進(jìn)展。

        圖1 Bcl-2抗凋亡蛋白家族成員[1]

        1 Bcl-2及其家族蛋白

        Bcl-2家族蛋白是目前研究得最深入、最廣泛的調(diào)控線粒體途徑凋亡的一類分子,在線蟲、病毒和哺乳動物中已發(fā)現(xiàn)超過20個Bcl-2家族成員,同源性較高。家族成員分為3類:(1)含有BH1、BH2、BH3、BH4 4個高度保守結(jié)構(gòu)域的抗凋亡蛋白,包括Bcl-2、Bcl-xL、Mcl-1、Bcl-w 和A1;(2)含有BH1、BH2、BH3、BH4 4個高度保守結(jié)構(gòu)域的促凋亡蛋白,包括Bak和Bax;(3)只含有BH3結(jié)構(gòu)域的BH3樣蛋白,包括Bim、Bid、Puma、Noxa、Bad、Hrk、Bmf、bik。見圖1。Bcl-2家族抗凋亡蛋白的BH1~BH4結(jié)構(gòu)域在空間上形成1個疏水凹槽,這一結(jié)構(gòu)可以與含BH3結(jié)構(gòu)域的促凋亡蛋白及 BH3樣蛋白 Bak、Bax、Bad、Noxa等特異地結(jié)合,通過阻止線粒體外膜通透化(mitochondria outer membrane permeabilization,MOMP)從而使腫瘤細(xì)胞逃避凋亡,是造成腫瘤治療抵抗的重要原因[1]。

        Bcl-2家族蛋白中最先被發(fā)現(xiàn)的是 Bcl-2。Tsujimoto等[2-3]于1985年在研究克隆濾泡性非何杰金B(yǎng)細(xì)胞淋巴瘤最常見的轉(zhuǎn)位t(14;18)過程中發(fā)現(xiàn)。Bcl-2基因通過轉(zhuǎn)移并置于14號染色體長臂的32區(qū)導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)從而過度表達(dá)。Bcl-2的基因結(jié)構(gòu)含有3個外顯子和2個內(nèi)含子,其編碼蛋白含239個氨基酸殘基,相對分子質(zhì)量約為26×103。Bcl-2蛋白在細(xì)胞內(nèi)主要分布于線粒體膜、核膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜。已有研究表明,在人類的多種腫瘤組織和細(xì)胞中存在Bcl-2的過表達(dá),這種表達(dá)與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展及治療抵抗密切相關(guān)[4]。Bcl-2是目前研究最為深入的抗凋亡蛋白之一,能通過與促凋亡蛋白的結(jié)合,抑制促凋亡蛋白的寡聚及隨后的MOMP發(fā)生進(jìn)而阻斷線粒體途徑的凋亡;此外,Bcl-2還能通過調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的鈣離子信號通路和氧化應(yīng)激水平等發(fā)揮抗凋亡作用[4-5]。近年來,研究發(fā)現(xiàn)Bcl-2除了調(diào)控凋亡外,還能調(diào)控細(xì)胞自噬,為Bcl-2的功能開拓了新的視野。

        2 自 噬

        細(xì)胞自噬(autophagy)是一個高度保守的代謝過程,通過對細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)(受損細(xì)胞器、衰老細(xì)胞器、不需要的大分子及入侵病原體)的降解,釋放出供細(xì)胞重新合成所需的氨基酸、核苷酸、脂肪酸等小分子物質(zhì)及能量以維持細(xì)胞的穩(wěn)態(tài)。營養(yǎng)不足、缺氧、感染等都可以誘導(dǎo)細(xì)胞自噬[6-7]。細(xì)胞自噬開始時,由雙層膜包裹著待降解的物質(zhì)形成自噬小泡(autophagosome),隨后與溶酶體融合,形成自噬溶酶體(autolysosome),在溶酶體水解酶的作用下將包裹的物質(zhì)降解(圖2)。根據(jù)底物進(jìn)入溶酶體的途徑不同可將自噬分為3類:微自噬、巨自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬。細(xì)胞自噬一方面可以通過為營養(yǎng)物質(zhì)的重新合成提供原料和能量來維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài),有利于細(xì)胞的生存;另一方面,過度的細(xì)胞自噬將導(dǎo)致細(xì)胞的死亡。在饑餓等多種情況刺激下,細(xì)胞的mTOR絲氨酸/蘇氨酸激酶受到抑制,從而使下游的AGT13去磷酸化后與ATG1激酶和ATG17結(jié)合,進(jìn)而啟動自噬。在自噬成膜的起始階段,由哺乳動物自噬基因Beclin1等自噬相關(guān)的蛋白組成的復(fù)合體至關(guān)重要,包括Beclin1(the mammalian orthologue of ATG6),UVRAG(UV irradiation resistance-associated tumour suppressor gene),Vps15(a myristylated kinase)和HMGB1(highmobility group box 1)等。在自噬膜的延伸階段,有2種泛素樣連接系統(tǒng)參與。一種是在E1樣酶ATG7和E2樣酶ATG10的作用下形成的ATG5-ATG12復(fù)合體;另一種是ATG4、ATG7和ATG3等作用下LC3前體轉(zhuǎn)化為酯化的LC3Ⅱ進(jìn)而連接在自噬體膜上。自噬是一個多基因參與的復(fù)雜的細(xì)胞調(diào)控過程,任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)障礙都會影響自噬的功效[6]。目前研究發(fā)現(xiàn),細(xì)胞自噬幾乎參與了心血管疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、腫瘤、炎癥和衰老等多種生理病理過程,深入研究自噬的發(fā)生和調(diào)控機(jī)制,有助于為疾病的診斷和治療提供新的思路和方法[7]。

        圖2 細(xì)胞自噬的過程[6]

        3 Bcl-2與自噬

        Bcl-2作為經(jīng)典的抗凋亡蛋白,近來研究發(fā)現(xiàn)其在調(diào)控細(xì)胞自噬的過程中也有重要作用。其蛋白的三維空間結(jié)構(gòu)形成的疏水凹槽除了能結(jié)合含有BH3結(jié)構(gòu)域的促凋亡蛋白,也能與自噬相關(guān)蛋白結(jié)合,從而影響細(xì)胞自噬。此外,Bcl-2還能通過多種機(jī)制調(diào)控氧化應(yīng)激,而氧化應(yīng)激在誘導(dǎo)自噬和凋亡中均發(fā)揮了作用。因此,深入研究以Bcl-2為中心的抗凋亡和抗自噬調(diào)控網(wǎng)絡(luò)有助于靶向藥物的開發(fā)和臨床用藥選擇。

        3.1Bcl-2與Beclin1Beclin1是與酵母Apg6/Vps30基因同源的哺乳動物自噬基因?;駼eclin1位于人染色17q21,編碼相對分子質(zhì)量為60×103的蛋白質(zhì)。Beclin1在自噬的啟動過程中十分重要,Beclin 1缺陷的小鼠中自噬是不能被激活的。采用siRNA干擾技術(shù)下調(diào)Beclin1的蛋白水平以后,多種處理因素對自噬的誘導(dǎo)作用均被明顯抑制[8-10]。研究發(fā)現(xiàn)Bcl-2及家族成員Bcl-xl能通過疏水凹槽與Beclin1結(jié)合,從而抑制Beclin1及其復(fù)合體誘導(dǎo)自噬的功能(圖3)。多種BH3模擬化合物能通過競爭BH3結(jié)構(gòu)域而打斷Bcl-2/xl與Beclin1的相互作用誘導(dǎo)自噬的發(fā)生[10]。在饑餓條件下,c-Jun氨基末端激酶1(JNK1)的激活能造成Bcl-2的磷酸化,導(dǎo)致Bcl-2與Beclin1的分離及自噬的激活[11]。在心肌母細(xì)胞,JNK1的激活可以打斷Bcl-2/Beclin1之間的相互作用,從而促進(jìn)了細(xì)胞自噬發(fā)生,抵抗了心肌細(xì)胞凋亡[12]。Strappazzon等[13]發(fā)現(xiàn)在正常情況下,一種能與Beclin1結(jié)合正向調(diào)控自噬的蛋白(AMBRA1)與線粒體上的Bcl-2結(jié)合,而不與Beclin1結(jié)合,當(dāng)受到自噬啟動信號后,AMBRA1與Bcl-2分離并進(jìn)而與Bcelin1結(jié)合,促進(jìn)自噬發(fā)生。此外,具有E3泛素蛋白連接酶活性的Parkin蛋白能夠通過其C端與Bcl-2直接結(jié)合,介導(dǎo)Bcl-2的單鏈泛素化,增強(qiáng)Bcl-2的穩(wěn)定性;過表達(dá)Parkin蛋白能顯著增強(qiáng)Bcl-2與Beclin1的相互作用進(jìn)而抑制自噬[14]。但也有研究發(fā)現(xiàn),在某些細(xì)胞系干擾Beclin1后,Bcl-2抑制劑還是能夠誘導(dǎo)自噬,表明Bcl-2介導(dǎo)的自噬抑制可能有非依賴Beclin1的途徑[15-16]。

        圖3 Bcl-2通過Beclin1調(diào)控細(xì)胞自噬[17]

        3.2Bcl-2與ATG5/ATG12自噬相關(guān)基因5(autophagy-related gene 5,ATG5),是自噬小體膜的重要組成部分。通過ATG5-ATG12復(fù)合體的形成,自噬小體得以延伸。缺乏ATG5的小鼠或細(xì)胞中,自噬很難被誘導(dǎo)。最近研究發(fā)現(xiàn)ATG5除了參與自噬外,還能通過調(diào)控線粒體上的Bcl-2家族成員Bcl-xl誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的發(fā)生[18]。有研究發(fā)現(xiàn)過表達(dá)ATG5的細(xì)胞對多種死亡誘導(dǎo)因素起到了增敏作用,而下調(diào)ATG5的表達(dá)則出現(xiàn)了部分藥物抵抗;進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)在多種凋亡刺激的情況下,ATG5的氨基酸末端可以被鈣蛋白酶calpain切去一部分變成剪切的ATG5,剪切的ATG5可以與線粒體上的Bcl-xl結(jié)合從而使促凋亡蛋白解離后寡聚,促進(jìn)細(xì)胞凋亡發(fā)生;Bcl-2的表達(dá)可以阻止剪切的ATG5的促凋亡作用。在乳腺癌MCF-7細(xì)胞系,干擾Bcl-2的表達(dá)能誘導(dǎo)ATG5依賴的細(xì)胞自噬發(fā)生[19],Rubinstein等[20]研究發(fā)現(xiàn)自噬小體延伸過程中的另一個重要分子ATG12能通過其BH3樣的結(jié)構(gòu)域與Bcl-2和Mcl-1結(jié)合,抑制其抗凋亡功能從而促進(jìn)了細(xì)胞死亡。

        3.3Bcl-2與ROSROS在誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡過程中的作用已得到普遍認(rèn)同,近年來研究發(fā)現(xiàn)ROS也能調(diào)控細(xì)胞自噬[21]。ATG4B是哺乳動物自噬發(fā)生過程中的關(guān)鍵酶,其酶活性中心含有受ROS調(diào)控的位點(diǎn),ROS能通過影響ATG4B的活性調(diào)節(jié)細(xì)胞自噬[22]。此外,ROS還能通過調(diào)節(jié)多種磷酸激酶的活性來影響自噬的發(fā)生。從點(diǎn)地梅中提取的具有抗瘤特性的Saxifragifolin D能夠通過ROS誘導(dǎo)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激進(jìn)而激活JNK,激活的JNK能使Bcl-2磷酸化后與Beclin1解離,導(dǎo)致自噬的發(fā)生[23]。從皮層根提取的二氯甲烷可以激活ROS依賴的保護(hù)性細(xì)胞自噬[24]。當(dāng)ROS造成基因組損失的時候,p53作為轉(zhuǎn)錄因子可以促進(jìn)下游多個靶基因的表達(dá),進(jìn)而通過Sestrin1 和Sestrin2抑制mTORC1的活性,啟動自噬[25]。Bcl-2家族抗凋亡蛋白在調(diào)控ROS中具有重要作用[26]。研究發(fā)現(xiàn)采用過表達(dá)技術(shù)上調(diào)細(xì)胞中Bcl-2的蛋白水平模擬了過表達(dá)SOD的作用,顯著降低了細(xì)胞內(nèi)的ROS水平,阻止了氧化應(yīng)激對細(xì)胞的損傷,發(fā)揮了抗氧化的作用。Bcl-2與線粒體ROS的調(diào)控密切相關(guān),定位于線粒體的Bcl-2能夠與GSH結(jié)合,清除線粒體氧化呼吸鏈上漏出的超氧陰離子等ROS;也有研究發(fā)現(xiàn)Bcl-2能夠影響細(xì)胞色素C氧化酶Ⅳ(COXⅣ)的活性進(jìn)而影響電子呼吸鏈的功能及線粒體超氧陰離子的水平[26]。Ranjan等[27]研究發(fā)現(xiàn)在HEK293T細(xì)胞使用HA14-1抑制Bcl-2家族抗凋亡蛋白能誘導(dǎo)ROS依賴的細(xì)胞自噬發(fā)生。除了BH3結(jié)構(gòu)域外,Bcl-2介導(dǎo)的ROS變化在調(diào)控自噬和凋亡中的雙重作用也是一個有趣的研究點(diǎn)。

        3.4Bcl-2與鈣離子細(xì)胞內(nèi)的鈣離子作為一種重要的第二信使,在信號傳導(dǎo)中發(fā)揮著重要作用[28-30]。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的Bcl-2能夠調(diào)控細(xì)胞內(nèi)鈣離子的穩(wěn)態(tài),其能通過BH4結(jié)構(gòu)域與細(xì)胞內(nèi)鈣庫受體三磷酸肌醇受體(inositol 1,4,5-trisphosphate receptor,IP3R)相互作用抑制鈣離子向胞質(zhì)的釋放[31];靶向BH4結(jié)構(gòu)域的小肽能通過打斷Bcl-2/IP3R之間的相互作用,促進(jìn)鈣離子的釋放,并進(jìn)一步誘導(dǎo)凋亡。有研究發(fā)現(xiàn),壓力應(yīng)激下內(nèi)質(zhì)網(wǎng)鈣離子的釋放不僅能誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡,還能導(dǎo)致細(xì)胞自噬。維生素D3、伊屋諾霉素和毒胡蘿卜內(nèi)酯等能夠通過調(diào)控鈣離子的釋放誘導(dǎo)Beclin1和ATG7依賴的細(xì)胞自噬發(fā)生,而定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的Bcl-2能通過阻斷鈣離子的釋放而抑制自噬[32-33]。

        4 小結(jié)與展望

        Bcl-2作為一種既能拮抗凋亡又能拮抗自噬的蛋白,其雙重的調(diào)控作用決定了其信號調(diào)節(jié)通路的復(fù)雜性。抑制Bcl-2導(dǎo)致的自噬和凋亡變化的先后順序及最終對細(xì)胞死亡的影響也成為了近幾年的研究熱點(diǎn)[33-36]。細(xì)胞自噬是與細(xì)胞死亡密切相關(guān)的應(yīng)激反應(yīng)過程,一方面能促進(jìn)細(xì)胞在壓力狀態(tài)下的存活,一方面也能過度吞噬細(xì)胞內(nèi)重要的細(xì)胞器和蛋白導(dǎo)致細(xì)胞死亡。因此,深入研究Bcl-2抑制劑調(diào)控自噬的機(jī)制,不僅有助于從理論水平解析Bcl-2與自噬的相互關(guān)系,尋找新的藥物靶點(diǎn),同時也有助于克服潛在的治療抵抗問題,為臨床中選擇合適的藥物聯(lián)用方案提供參考。目前,以Bcl-2為靶點(diǎn)開發(fā)的抑制劑已有不少進(jìn)入了臨床前期實(shí)驗(yàn),包括GX15-070,AT-101,ABT-263等[1],在不同腫瘤細(xì)胞中均呈現(xiàn)了潛在的抗瘤效應(yīng),但也出現(xiàn)了一定的藥物不敏感問題。相信隨著對Bcl-2及家族成員的深入研究,以其為基礎(chǔ)的更多藥物或聯(lián)用方案將造福于腫瘤患者。

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        連繼勤,男,1974年生,現(xiàn)任第三軍醫(yī)大學(xué)生物化學(xué)與分子生物學(xué)教研室副主任,副教授,碩士研究生導(dǎo)師?,F(xiàn)任中國生物化學(xué)與分子生物學(xué)會醫(yī)學(xué)生物化學(xué)與分子生物學(xué)分會青年委員,中國生物化學(xué)與分子生物學(xué)會教學(xué)委員分會青年委員,重慶市生物化學(xué)與分子生物學(xué)會副秘書長,《第三軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報》、《現(xiàn)代醫(yī)藥衛(wèi)生》等雜志編委。

        10.3969/j.issn.1009-5519.2016.03.001

        A

        1009-5519(2016)03-0321-04

        國家自然科學(xué)基金(81572375,31501061);重慶市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(cstc2014jcyjA10110)?!?/p>

        ,E-mail:lianjiqin@sina.com。

        (2015-12-20)

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