结构生物化学/细胞信号通路/凋亡

背景

凋亡或程序性细胞死亡是一个重要的生物学过程。它帮助身体摆脱多余或可能造成伤害的细胞。此外，它通过去除不再需要的细胞来帮助塑造我们的特征。当细胞发生凋亡时，其 DNA 会被一种名为 DNase 的“凋亡特异性 DNA 核酸内切酶”切割成片段。“最终，细胞被分解成称为凋亡小体的细小碎片”，这些碎片会被附近的专门细胞吞噬（Becker 等人，419-420）。该过程由染色质浓缩和断裂完成；它是通过形成多蛋白复合物来执行的，这些复合物涉及细胞外死亡配体与死亡受体的结合。这些复合物产生并激活启动型 caspase，然后触发并切割效应型 caspase，然后针对和聚焦于特定的细胞底物，用于蛋白水解过程。Caspase 是凋亡中涉及的关键酶，它仅在此期间具有催化活性。它们被 IAP 家族成员直接抑制。这种酶的失活形式称为 procaspase，它通过蛋白水解切割被不同的 caspase 激活。一旦被激活，caspase 就会切割 DNase 上的抑制蛋白，从而诱导细胞死亡 (420)。

有两种主要的信号可以触发人体内的凋亡，即死亡信号和生存信号的撤回 (420)。在死亡信号通路中，被病毒或细菌感染的细胞会在其表面积累 CD9 或类似的蛋白质。这些蛋白质被称为死亡信号，它们会吸引 procaspase 到细胞表面。一旦 procaspase 被激活，它就会激活更多的 procaspase 来启动凋亡。在生存因子通路中，线粒体在程序性细胞死亡中起着重要作用。被称为抗凋亡蛋白的蛋白质位于线粒体的外膜上。这些蛋白质的功能是在细胞暴露于生存因子时阻止凋亡 (421)。另一种被称为促凋亡蛋白的蛋白质可以促进凋亡，它们与抗凋亡蛋白保持平衡。一旦生存因子从细胞中撤回，这种平衡就会被打破，导致平衡更倾向于促凋亡蛋白。结果，细胞发生凋亡的可能性会增加 (421)。

神经元中的凋亡

所有神经元都有自杀基因，这些基因受大脑化学物质和激活模式的影响。胎儿发育是一个非常具有竞争力的过程，因为在这个阶段，神经系统会大量过度产生细胞（产生的细胞数量是生存细胞数量的 50% 以上）。随着大量细胞争夺连接，那些无法建立连接的细胞会因其自杀基因被激活而死亡。这种连接竞争包括轴突争夺突触后细胞的空间：轴突一开始会广泛分支并连接到许多位点，而通过正反馈（在本例中，轴突和突触后细胞之间的循环信号）得到加强的少数轴突会被保留。结果，随着产前发育的进行，每个细胞的连接变得更少，更具选择性。另一方面，那些输掉竞争并未能获得正反馈的细胞会发生凋亡（自杀基因被激活）

凋亡和坏死在以下方面有所不同：坏死会导致因损伤或毒素造成的混乱副产物，从而导致污染或炎症。这种细胞死亡是有害的，是有害的，而凋亡是一个必不可少且整洁的过程，其中细胞死亡不会留下副产物或不必要的物质。

秀丽隐杆线虫中的凋亡

秀丽隐杆线虫或 C. elegans 是一种线虫，人们对其进行研究以更好地了解多细胞生物中的凋亡。由于在 C. elegans 的整个发育过程中，细胞数量在几乎所有成年蠕虫中都得到调节和控制，因此可以对 C. elegans 进行研究。因此，所有成年蠕虫在每个成熟器官中都包含大约相同数量的细胞。C. elegans 中的执行者 caspase 是 CED-3，它反过来会触发凋亡。

C. elegans 中的凋亡与高等生物中的凋亡相似，因为 C. elegans 中的 CED-3 caspase 包含哺乳动物 caspase 的同源物，例如 caspase -3 和 caspase-8。CED-3 合成时是失活的酶原；二聚化和自蛋白水解从 N 端前体结构域产生活性成分（大亚基和小亚基）。寡聚化的 CED-4 将之前失活的 CED-3 单体聚集在一起并使其激活，这与哺乳动物 caspase-9 激活的过程相似。

最近发现 C. elegans 调节 CED-3 和凋亡激活的一种方式是 CSP-3；一种模拟 CED-3 小亚基的细胞质蛋白，与 CED-3 酶原结合并将其隔离。之前，发现 CSP-3 是应该存活的细胞中凋亡的负调控因子，但它并没有阻止应该死亡的细胞中凋亡的适当诱导。因此，CSP-3 被认为是一种 caspase 样基因，科学家们仍然不知道其调节的真正来源。另一方面，最近的研究表明，CSP-3 能够在体外和体内结合 CED-3 酶原，并且 CSP-3 是 CED-3 激活的调节因子，而不是真正的 caspase 抑制剂。这表明 CSP-3 确实阻止了 CED-3 的不适当二聚化和自激活。顺便说一句，CED-4 是一种可以覆盖 CSP-3 及其对 CED-3 和凋亡的影响的基因。

细胞凋亡与线粒体

ATP 的产生并不是线粒体拥有的唯一宝贵技能。它们是细胞细胞转导网络的重要组成部分，能够触发凋亡或程序性细胞死亡。启动该过程的主要蛋白质信号是细胞色素 c，一种电子转运膜蛋白，它释放化学信使，激活 caspase 并导致细胞遵循关闭其自身的凋亡程序。因此，尽管线粒体通过维持离子梯度来不断地为细胞提供能量，该离子梯度通过 ATP 合成酶将 ADP 转换为 ATP，但该细胞器也能够通过过度表达执行电子转运以维持该离子梯度的相同膜蛋白来导致细胞自杀。为了防止意外启动凋亡，该细胞器依赖于 bcl-2 的表达来抵消细胞色素 c 的影响，通过阻止其从线粒体中转运来实现。

细胞死亡的其他形式

自噬

自噬是一个被描述为促生存通路的过程，被认为对细胞稳态和应激反应至关重要。它伴随细胞死亡，并且在某些情况下会导致细胞死亡。该过程由 Atg 基因完成；在此期间，细胞内内容物被双膜或多膜囊泡（称为自噬体）吞噬。雷帕霉素激酶的哺乳动物靶点的抑制对于自噬的进展是必要的，因为雷帕霉素激酶释放了其对 ULK1 激酶复合物的抑制效应。自噬负责长寿蛋白的周转、错误折叠蛋白和一些受损细胞器的清除，以及营养缺乏后细胞构建模块的循环利用。因此，自噬是细胞稳态和压力下的重要促生存通路，因为它实际上可以完成细胞死亡。

坏死

坏死最初被归类为意外细胞死亡，但由于最近的研究，现在被认为是一种基因控制的事件。这个过程涉及各种特征，例如：细胞肿胀、细胞器功能障碍和细胞裂解。坏死没有明确的机制被确定，但一些调节因子如c-Jun N端激酶、凋亡诱导因子、死亡相关蛋白激酶和活性氧物种已被鉴定并与坏死相关。坏死的一个亚类被称为坏死性凋亡，它是由凋亡不完全的细胞中的死亡受体触发的。

凋亡/自噬/坏死的图片 点击下方链接

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坏死调节因子

凋亡诱导因子 (AIF)

虽然AIF是许多程序性细胞死亡（PCD）调节因子之一，但它还具有其他独特的功能，使它能够从图片中显示的其他凋亡因子中区分出来。它最初被发现是一种半胱天冬酶非依赖性死亡效应器，但后来的研究表明它与特定类型细胞采取的程序性细胞死亡途径直接相关。当AIF被信号传导从线粒体释放并最初转运到细胞质，然后转运到靶细胞的细胞核时，它执行其致命功能。在细胞核中，它可以诱导与凋亡相关的特征，例如 DNA 片段化和染色质浓缩。AIF 的影响完全取决于其固有的 DNA 结合能力以及靶细胞的细胞类型，因为 AIF 后来被发现在线粒体中具有重要的作用，这些线粒体在没有被标记为发生程序性细胞死亡的健康细胞中发挥作用。AIF 也在 DNA 结合中发挥作用。这些研究导致了许多关于 AIF 在体内的基本作用以及在没有 AIF 的情况下能否执行适当的功能的问题。

结构和功能

如上所述，线粒体 AIF 蛋白具有促进程序性细胞死亡的致命作用。它在线粒体外膜通透性 (MOMP) 后执行此功能，之后它将被释放到细胞质中，最终进入细胞核，在那里它浓缩染色质并降解 DNA 片段以执行 PCD。主要的 AIF 转录本经过非常组织特异性的剪接并产生两个外显子：外显子 2a 和 2b。这两个外显子允许产生两种剪接变体并产生两种异构体，这些异构体在内膜排序信号 (IMSS) 中显示出微小且有限的差异。这些变体中不存在 N 端线粒体定位信号 (MLS)，但 C 端域保持不受影响。C 端域是促凋亡片段所在的位置，在转染（或更常见地称为转化）后，变异基因（AIFsh）在细胞核中表达并激活凋亡。AIFsh 的变体包括没有具有凋亡特征的 C 端域的异构体或另一种形式，该形式缺乏线粒体定位信号，并且基本上具有与缺乏 C 端域的 AIFsh 相似的功能。

X 射线晶体学提供了 AIF 结构的图片，这些图片导致了 AIF 执行其功能的另一种方式。该结构表明 AIF 具有分布在其整个表面的带正电的氨基酸；这种正电荷分布与 DNA 结合组蛋白非常相似。这一发现解释了并与观察到的 AIF 的固有 DNA 结合能力以及它作为凋亡调节因子的有效性相一致。一些正电荷残基对于 AIF-核酸结合和由于 AIF 的过表达而诱导核凋亡是必需的。重组 AIF 基因通过与 DNA 的直接、序列无关的相互作用诱导 DNA 浓缩，无论是单链还是双链。通过添加还原的吡啶核苷酸、NADPH 或 NADH，可以放大 DNA 浓缩。

进化家族

其他凋亡调节因子来自 AIF 所属的更大的线粒体黄素蛋白家族。它们在蛋白质的真核生物版本中具有共同的结构和功能特征。但 AIF 的生物合成和最终加工过程与该家族的其他成员略有不同。AIF 基因包含超过 16 个外显子，位于人类 X 染色体上。AIF1，具有 C 端域的变异 AIF 基因，是最常见和最丰富的转录本。它在细胞质中翻译，并被送往健康细胞的线粒体。它的 N 端部分是通过线粒体膜（外膜和内膜）转运 AIF 蛋白的必要条件。这部分 N 端由构成该基因的 35 个氨基酸的第一个外显子编码。当完全加工的 AIF 蛋白插入内膜时，它成熟并使用其辅因子黄素腺嘌呤二核苷酸 (FAD) 折叠成其四级结构。由于 AIF 对其辅因子的依赖性，它具有与细菌 NAD 相似的折叠，并包含两个 FAD 结合片段。这些特征在这些不同蛋白质的进化过程中得到了保留。

AIF 调节

AIF 可以被其他代谢过程或蛋白质触发和抑制（或调节）。AIF 表达与抗癌药物的敏感性相关。当肝细胞生长因子被添加到细胞中时，也观察到 AIF 表达降低，这会增加顺铂耐药性。增加的顺铂敏感性通常与 AIF 表达增加有关。在缺乏 FAK（粘着斑激酶）的小鼠胚胎成纤维细胞中，观察到 HGF 的数量减少，这表现出上述相关性。大多数这些研究仅为临床研究，并且仅在小鼠中进行。

AIF 蛋白的数量也在翻译后得到调节。它的浓度受到镰刀蛋白（也称为 BAT3）的正调节。BAT3 是一种用于调节细胞死亡和细胞增殖的蛋白质。镰刀蛋白已知可以延长 AIF 的半衰期，而当它的水平较低时，它会促进 AIF 的分解。已知其他凋亡抑制剂会触发 AIF 的降解。但是，这些事件对线粒体内膜中发现的 AIF 蛋白几乎没有影响，这些 AIF 蛋白尚未被修饰以释放到细胞质中。

AIF 和线粒体

缺乏 AIF 表达会导致线粒体呼吸链缺陷，尤其是在复合体 I 中。这一观察结果再次仅在小鼠中进行实验。呼吸链功能障碍的显著检测位于小脑、皮层、视网膜和骨骼肌等各种组织中。然而，在雄性小鼠的心脏、肝脏和睾丸组织中无法检测到功能障碍。研究人员仍然对这种组织特异性感到困惑。分析确实表明，缺乏 AIF 的小鼠和人类细胞中复合体 I 活性下降是由于呼吸链中发现的各种其他核编码蛋白亚基表达下降造成的。构成复合体 I 的共有 46 个蛋白亚基，其中 39 个是核编码的，在细胞质中翻译并带入线粒体。研究表明，线粒体定位 AIF 的过表达修复了由内源性 AIF 蛋白引起的复合体 I 亚基功能障碍。尽管这些证据显示出宝贵的见解，但导致复合体 I 效率低下的机制仍然有待进一步的争论和研究。最近各种实验的结果显示出不一致的观察结果，这些观察结果可能与否将 AIF 直接与复合体 I 联系起来。

关于 AIF 与复合体 I 的关系，人们提出了许多假设

AIF 水平通过转录后机制影响复合体 I 蛋白的较高水平
AIF 是线粒体呼吸链复合体不可或缺的一部分，而不仅仅与复合体 I 相关
AIF 蛋白与呼吸链亚基的物理相互作用可能会影响它们的组装或稳定性
AIF 可能是活性复合体 I 维持的一部分，因为它的氧化还原调节活性是固有的，这是由于 AIF 的外表面和反应性正电荷分布造成的

AIF 在发育/生存中的作用

虽然 AIF 已经以其诱导凋亡的功能而闻名多年，但由于其在细胞代谢和线粒体中的作用，它还在细胞存活中发挥着至关重要的作用。最近，关于 AIF 在存活中的作用的研究仅在小鼠中进行。在衰老的成年人一生中持续低量的 AIF 会带来严重的健康后果。小鼠中 AIF 基因表达大约降低 80% 表明持续的神经退行性变，影响小鼠的各个大脑区域。当观察到小鼠中完全没有 AIF 蛋白时，凋亡仍然以其通常的方式发生。这得出的结论是，就凋亡功能而言，AIF 是可以省略的，特别是在胚胎神经管闭合期间。

与使用AIF不同，程序性细胞死亡的触发是由线粒体呼吸链复合物I的活性缺陷引起的。大脑中缺乏AIF表达与线粒体呼吸链的低效率直接相关。由于其功能障碍，观察到处于大脑发育早期的小鼠的中脑和小脑存在缺陷，例如小脑发育不良。这些胚胎的浦肯野细胞前体即使在没有AIF的情况下也会发生凋亡。颗粒细胞也表现出细胞周期转换缺陷（特别是从G1到S阶段）。骨骼肌和心肌中的AIF会导致器官特异性复合物I功能障碍。尽管这些小鼠在出生后的前2个月看起来正常，但它们会发展成肌肉萎缩、扩张型心肌病，并且体重显着下降。AIF表达减少会导致氧化磷酸化并发症，影响机体的整体代谢。缺乏肌肉或终生缺乏AIF的小鼠（称为AIF敲除小鼠）表现出更高的葡萄糖耐受性，对胰岛素的敏感性增加，以及总体脂肪量减少。这些观察结果表明，一个器官中没有AIF表达会导致该器官即使在高脂饮食的情况下也完全抵抗肥胖和糖尿病。

参考资料

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