线粒体介导细胞凋亡的研究进展

线粒体介导细胞凋亡的研究进展

刘晓婷1，王延让2，张明2

1.天津中医药大学研究生院，天津300013;

2.天津市疾病预防控制中心职业病预防控制所

摘要：线粒体在调节细胞凋亡过程中发挥关键性的作用。在细胞凋亡过程中，线粒体膜通透性转换孔（mitochondrial permeability transition pore ，MPTP ）过度开放，线粒体跨膜电位降低，还会导致一些相关的促凋亡因子，如细胞色素C （cytochrome c ）、凋亡诱导因子（apoptosis inducing factor ，AIF ）、B 细胞淋巴瘤-2（Bcl－2）家族以及膜间隙中的caspase 前体蛋白（pro－caspase ）等从线粒体释放到胞质中，同时线粒体内的Bcl－2家族对细胞凋亡具有双向调节作用。研究线粒体在细胞凋亡中的作用机制，对于研究细胞凋亡的调控机制具有非常重要的理论意义。笔者以线粒体及细胞凋亡的最新研究进展为基础，对线粒体在介导细胞凋亡中的关键性作用进行综述。

关键词：线粒体；细胞凋亡；线粒体通透性转变孔；线粒体跨膜电位；线粒体蛋白中图分类号：R994.6

文献标志码：A

文章编号：1001-5914（2013）02-0182-04

Mitochondria-mediated apoptosis ：a review of recent studies LIU Xiao-ting*,WANG Yan-rang,ZHANG Ming.*Faculty

of Graduate Research ,Tianjin University of Traditional Chinese Medicine,Tianjin 300013,China Corresponding author:WANG Yan-rang,E-mail:wangyanrang@https://www.360docs.net/doc/cd7951062.html,

Abstract ：The study of apoptosis demonstrated that the mitochondria played a key role in the regulation of the apoptotic process.In apoptotic process,mitochondrial permeability transition pore was opened excessively,which resulted in reduction of mitochondrial transmembrane potential and different apoptotic factors such as cytochrome c,apoptosis inducing factor,Bcl-2family proteins and pro-caspase were released into the cytoplasm.Bcl-2family proteins showed positive and negative control on apoptosis.The study of mitochondrial effect mechanism in apoptotic process had some important theoretical significance to apoptotic regulation mechanism.In this paper,mitochondria -mediated apoptosis was reviewed based on the latest research progress of mitochondria and apoptosis.

Key words ：Mitochondria;Apoptosis;Mitochondrial permeability transition pore;Mitochondrial transmembrane potential;Mitochondrial proteins

基金项目：天津市自然科学基金重点项目（07JCZDJC08500、09JCZDJC20900）；天津市卫生局科研基金（12KY15）作者简介：刘晓婷（1987-），女，硕士研究生，主要从事药物分析、环境及职业病、毒理学等相关研究。通讯作者：王延让，E-mail ：wangyanrang@https://www.360docs.net/doc/cd7951062.html,

细胞凋亡（apoptosis ）由Kerr 教授根据形态学特征于1972年首次提出，是一种主动的、程序性的由基因控制的细胞自主性死亡方式，又称为细胞程序性死亡

（programmed cell death ，PCD ）[1]

。细胞凋亡的形态特征为胞质浓缩、核染色质凝缩、DNA 大规模的片段化、细胞膜内陷并形成凋亡小体等。张明等[2]研究发现一定剂量的乙苯作用于Sprague-Dawley 雄性大鼠后，大鼠肝细胞呈现核皱缩、线粒体空泡等凋亡形态学特征。细胞凋亡与细胞坏死不同，细胞凋亡是一个主动过程，涉及一系列基因的激活、表达以及调控等的作用。越来越多的证据表明，线粒体是细胞凋亡调控的活动中心，是凋亡的执行者。随着工业化生产的不断扩大，由环境毒物诱导细胞发生凋亡的报道日趋增多，研究线粒体在细胞凋亡中的作用机制，对于研究细胞凋亡的调控机制具有非常重要的理论意义，笔者以线粒体及细胞凋亡的最新研究进展为基础，对线粒体在介导细胞凋亡中的关键性作用进行综述，进一步为环境毒

物致病机制提供理论基础。1

线粒体通透性转变孔与细胞凋亡

线粒体通透性转变孔（MPTP ）位于线粒体内外膜

之间，是由多种蛋白质组成的非选择性复合体。其周期性开放对维持线粒体内的稳态及电化学平衡起着重要作用。MPTP 的开放会导致细胞发生致死性结果，如跨膜电位（mitochondrial transmembrane potential ，Δψm ）消失、基质的Ca 2+外流，超氧离子的产生，并且会释放一些膜蛋白成分等[3]，这些结果又可以促使MPTP 过度开放，例如当线粒体膜通透性增大后，可以释放出天冬氨酸特异性的半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶（cysteinyl aspartate specific proteinase ，caspase ）家族激活因子，将caspase 激活，caspase 激活后又能增加膜的通透性。因此，MPTP 的开放是自我放大的过程，可以加速细胞的凋亡，并且会协调某些凋亡反应。Leytin 等[4]研究表明，环孢菌素A 可以通过抑制MPTP 的开放，有效地抑制钙离子载体A23187诱导的血小板细胞凋亡，并且研究还指出通过对MPTP 开放的抑制，可以进一步阻止跨膜电位下降及caspase 活化等。吴雪等[5]研究发现，一定剂量的PBDE-47作用于人神经母

·综述·

细胞瘤（SH－SY5Y）后，通过改变线粒体内膜的通透性，导致线粒体膜电位下降以及细胞色素C的释放，最终引起SH-SY5Y细胞发生凋亡，从而产生神经毒性。目前已证实pH下降、Mg2+、磷酸酯酶抑制剂等因素可以抑制MPTP的开放[6]，而pH升高、Ca2+、过氧化物等因素可以促进MPTP的开放[7]。

2线粒体跨膜电位与细胞凋亡

正常情况下线粒体外膜为高通透性，内膜通透性相对较低。线粒体内膜上存在质子泵，可以将基质中的质子泵入外室，从而使得内外室电压不平衡而形成跨膜电位。跨膜电位的下降是凋亡的先导，远早于线粒体形态学改变及DNA断裂，也早于磷脂酰丝氨酸（PS）外翻及caspase活化等。Shibayama－Imazu等[8]研究发现，当维生素K2作用于人类卵巢癌TYK-nu细胞后，会产生过氧化物，引起线粒体膜损伤，MPTP过度开放，线粒体跨膜电位降低，最终诱导细胞发生凋亡。这表明跨膜电位的下降与MPTP的开放有关。MPTP过度开放导致线粒体膜内外的H+浓度梯度消失，跨膜电位逐渐下降至消失；呼吸链脱偶联，ATP合成中断，进一步促进膜间隙的细胞色素C、凋亡诱导因子（AIF）及蛋白激酶等释放到胞质中，导致细胞凋亡。Yi等[9]研究发现携带重组质粒的人颗粒溶素转染人肝癌细胞SMMC-7721后，会导致细胞内线粒体跨膜电位下降，进一步导致细胞色素C等因子释放入胞质中，诱导细胞发生凋亡。付余等[10]研究发现，当一定剂量的微囊藻毒素－LR（MC－LR）作用于中国仓鼠（CHO）细胞后，线粒体跨膜电位显著下降，细胞凋亡率显著上升。

3与细胞凋亡有关的线粒体蛋白

3.1细胞色素C细胞色素C由两个无促凋亡活性的前体分子亚铁血红素和脱辅基细胞色素C合成。研究表明细胞色素C的释放是细胞凋亡的关键步骤。释放到细胞质的细胞色素C在脱氧腺苷三磷酸（deoxyadenosine triphosphate，dATP）存在的情况下，与凋亡蛋白酶活化因子－1（apoptosis protease activating factor1，Apaf－1）结合[11]，形成多聚体，促使caspase前体蛋白（pro－caspase）与其结合为凋亡小体，其中主要是与caspase－9前体蛋白（pro－caspase－9）结合，从而激活caspase-9，被激活的caspase-9又能够激活其他caspase，如caspase-3等，进而导致细胞发生凋亡。Liu 等[12]在研究芹菜夜蛾核型多角体病毒（AfMNPV）诱导斜纹夜蛾细胞系（Spodoptera litura cells，SL－1）凋亡的过程中发现，当AfMNPV作用8h后，SL-1细胞内线粒体膜电位发生去极化，细胞色素C从膜间隙释放到胞质中，促使pro-caspase-9及pro-caspase-3发生活化，从而激活caspase-9及caspase-3，最终诱导细胞发生凋亡。Matsumura等[13]研究也发现当FTY720作用于Lewis大鼠胸腺细胞后，会通过促进细胞色素C的释放，激活caspase诱导细胞凋亡。

3.2凋亡诱导因子凋亡诱导因子（apoptosis inducing factor，AIF）位于线粒体膜间隙，是一种主要的凋亡效应蛋白，可以在体外诱导染色质凝缩，DNA发生大规模的片段化。当线粒体MPTP受到刺激，孔径变大时，便会促进AIF的释放。除直接作为效应因子之外，膜间隙中的AIF还可以通过自身放大回路影响线粒体膜的通透性，进而释放出更多的AIF，然后再作用于其他线粒体，进而破坏细胞内线粒体的正常功能[14]。Eloy 等[15]研究表明，银-氮杂环卡宾复合物作用于白血病HL60细胞后，通过诱导线粒体膜电位降低，促进AIF 释放，引发大规模的DNA片段化，核染色质凝缩，最终导致细胞发生凋亡。

3.3Bcl-2家族蛋白在线粒体调控细胞凋亡的过程中，B细胞淋巴瘤－2（B cell lymphoma－2，Bcl－2）家族蛋白可以调控一些促凋亡因子的释放，因此在细胞凋亡过程中起着关键作用。根据成员结构和功能的不同可以分为抗凋亡成员（Bcl－2、Bcl－xL）和促进凋亡成员（Bax、Bak、Bid、Bim等)[16]。

3.3.1抗凋亡蛋白Bcl-2是其家族蛋白中最主要的抗凋亡蛋白，含4个结构域BH1~BH4，此结构可以稳定线粒体的膜功能，并且可以阻止线粒体释放caspase、AIF及细胞色素C等[17]。另外，Bcl-2还能在其他方面调节细胞凋亡，例如可以通过促进线粒体内的质子外流，抑制跨膜电位的降低，阻止caspase的级联激活，从而减少细胞凋亡。Bcl-xL可以通过抑制线粒体内膜发生超极化，进而保护外膜的完整性，抑制细胞色素C的释放。同时，Bcl-xL还可以与线粒体外膜上的电压依赖阴离子通道（voltage-dependent anion channels,VDAC）结合，抑制MPTP开放，抑制跨膜电位的降低，从而抑制细胞色素C的释放，并可以阻止其他凋亡相关蛋白的释放[18]。Arbab等[19]对齿叶黄皮素诱导前列腺癌细胞（PC3、LNCaP）凋亡的研究中发现，齿叶黄皮素可以通过抑制Bcl-2及Bcl-xL的表达，导致PC3及LNCaP细胞凋亡率升高。

3.3.2促凋亡蛋白Bax是最早发现的促凋亡家族成员，在正常细胞中主要存在于细胞质中，受到凋亡刺激后转位到线粒体上，引起细胞色素C的释放。与Bax 不同，Bak是目前发现的唯一一个定位于线粒体上的促凋亡蛋白成员，可以与线粒体外膜中的Bcl-xL结合而受到抑制。有研究表明，Bax/Bak能促进MPTP开放，跨膜电位下降，并且促进细胞色素C的释放，进而诱导凋亡。Sehrawat等[20]研究发现，花姜酮作用于人乳腺癌细胞（MCF－7、MDA－MB－231）后，能同时促进Bax

及Bak的表达，诱导细胞发生凋亡。Zhang等[21]在研究PHB蛋白表达与人体胃癌细胞系BGC823细胞凋亡之间的联系时发现，PHB蛋白过度表达会导致细胞生长变缓，Bax表达上调，同时Bcl-2表达下调，进而导致细胞凋亡率升高。Goloudi等[22]研究指出，在癌细胞中，当Wip1磷酸酶过表达时，能抑制细胞内的Bcl-xL 表达，同时促进Bax表达，二者协同促进癌细胞的凋亡。全超等[23]研究磷脂氢谷胱甘肽过氧化物酶（PHGPx）对p，p’-DDE诱导大鼠睾丸生精细胞凋亡的作用时发现，一定剂量的p，p’-DDE可以促使Bax表达水平显著升高。

3.4半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶（caspase）家族caspase 家族可以特异性地切开半胱氨酸残基后的肽键，导致细胞发生凋亡。caspase家族共分为三类：凋亡启动因子（apoptotic initiators）、凋亡执行因子（apoptotic executioners）及炎症介导因子（inflammatory mediators），并且构成了级联放大效应。凋亡启动因子处于级联反应的上游，包括caspase-2、caspase-8和caspase-9等，能在其它蛋白辅助作用下发生自我活化，并可以识别及激活下游的caspase。Imre等[24]研究发现，在金黄色葡萄球菌α-毒素及气单胞菌溶素诱导的上皮细胞凋亡中，caspase-2作为凋亡启动因子促使细胞发生凋亡，同时研究还发现caspase-2的表达下调可以很大程度上抑制细菌成孔毒素介导的细胞凋亡。Cai等[25]研究发现，在慢性高原病患者的骨髓造血细胞内，caspase-8及caspase-9的表达水平比正常人低，导致细胞凋亡率也偏低。赵莹等[26]研究发现，当一定剂量的交通相关细颗粒物作用于CEM-6T细胞后，会通过促进caspase-3、caspase-8及caspase-9的释放诱导CEM-6T细胞发生凋亡。凋亡执行因子处于级联反应的下游，包括caspase-3、caspase-6和caspase-7等，通过作用于其特异性底物而导致细胞凋亡，caspase-3是细胞凋亡过程中的主要效应因子，它的活化是细胞进入凋亡不可逆阶段的标志。Cheng等[27]研究发现，当雄黄作用于宫颈癌细胞后，会促进细胞色素C的释放，并最终激活caspase-3，使细胞进入不可逆的凋亡阶段。炎症介导因子包括caspase-1、caspase-4和caspase-5等，可以介导炎症反应并在细胞凋亡过程中起辅助作用。

正常情况下，活细胞中的caspase均以无活性的酶原形式（pro-caspase)存在，当受到凋亡诱导信号刺激后，通过对天冬氨酸残基位点的蛋白水解而激活，进而引发caspase级联反应，导致细胞发生凋亡。Tian 等[28]对戊二酸诱导鼠纹状体细胞凋亡的研究中发现，戊二酸通过促进caspase－3前体蛋白（pro－caspase－3）表达及活性增加，进一步激活细胞内caspase-3，最终导致细胞凋亡率增加。

4小结

线粒体在对细胞凋亡的调控中起着十分重要的作用。促凋亡因子作用于线粒体后，导致MPTP过度开放，从而导致跨膜电位降低，使细胞色素C、凋亡诱导因子（AIF）、Bcl－2家族以及膜间隙中的caspase前体蛋白（pro－caspase）等从线粒体释放到膜间隙中，细胞色素C可激活caspase，使细胞进入凋亡程序。Bcl-2家族蛋白在细胞凋亡过程中具有双向调节作用。随着研究的不断深入，人们充分认识到线粒体在细胞凋亡中的重要性，这对于进一步调控环境毒物诱导的细胞凋亡有非常重要的意义，同时帮助开展有效的预防工作，还可以从分子水平深入理解环境毒物与健康的本质联系。

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·综述·

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收稿日期：2012-11-08责任编辑：杜宇欣

基金项目：国家农业部现代农业产业技术体系专项资金（CARS-25-D

）；泰安市科技发展计划（32606）作者简介：张敏（1986-），男，硕士研究生，从事植物营养机制与调控研究。通讯作者：崔秀敏，E-mail:xiumincui@https://www.360docs.net/doc/cd7951062.html,

温室大棚对健康影响的研究进展

张敏1，王秀峰2，崔秀敏1

1.山东农业大学资源与环境学院，山东泰安271018；

2.山东农业大学园艺科学与工程学院

摘要：目前从事温室大棚作业的菜农患病率逐年增加，这与温室环境中多种因素密切相关。该文主要概述了温室大棚的环境因素（微小气候、作物种类）、生物因素、化学因素（农药、棚膜、肥料）及其他因素（大棚内外环境、菜农自身情况）等与大棚相关不适症状和疾病的关系。

关键词：温室大棚；健康；危害因素中图分类号：R181.3

文献标志码：A

文章编号：1001-5914（2013）02-0185-03

Greenhouse environment and health effects:a review of recent studies ZHANG Min*,WANG Xiu-feng,CUI Xiu-min.

*College of Resources and Environment,Shandong Agricultural University,Tai ’an,Shandong 271018,China Corresponding author:CUI Xiu-min ，E-mail:xiumincui@https://www.360docs.net/doc/cd7951062.html,

Abstract ：Currently,the morbidity of farmers engaged in the vegetable production in greenhouse suffering from greenhouse diseases is increasing year by year.It is closely related to many factors in greenhouse environment.The relationship between greenhouse factors ,such as environmental factors including microclimate and crop types,biological factors including microorganisms,chemical factors including pesticide spraying,greenhouse films and fertilizer application,and other factors,and greenhouse disease was analyzed in this paper.

Key words ：Greenhouse;Health;Hazard factors

近年来，随着我国日光温室的不断发展，蔬菜大棚给菜农的健康带来了诸多影响。长期从事温室大棚种植业的菜农身体渐渐出现一些不适，如功能障碍、骨关节痛、哮喘、皮肤瘙痒、眼睛不适、胃炎等。为此，笔者对国内外有关温室环境对菜农健康危害的研究进行综述，为保护温室大棚菜农的健康提供理论依据。

1环境因素

1.1微小气候温室大棚具有空间密闭狭小、空气流

通差、温度高、湿度大等特点。张建文等[1]调查发现，蔬菜大棚日气温温差大，可达（18．6±2．06）℃，开关棚时气

温升降速度快；相对湿度高，达80%~94%，

超过室内标准20%；二氧化碳浓度几乎全天维持在超标状态（0．084％～0．22％），新风量较低；长期在这种环境下劳动的菜农易患骨关节痛和感冒。沈惠平等[2]研究表明，温室大棚高温、高湿、空气流通差、氧含量低，长期从