腦缺血損傷后Ca2+超載引起神經細胞凋亡的機制

閆曉英，姜亞磊，狄 烊，孟天嬌綜述，金 宏，齊 玲審校

(吉林醫藥學院：1.2010級臨床本科班，2.實驗中心，3.病理教研室，吉林 吉林 132013)

·綜 述·

腦缺血損傷后Ca2+超載引起神經細胞凋亡的機制

ThemechanismofCa2+overloadinducedneuronapoptosisaftercerebralischemiainjury

閆曉英1，姜亞磊1，狄 烊1，孟天嬌1綜述，金 宏2，齊 玲3*審校

(吉林醫藥學院：1.2010級臨床本科班，2.實驗中心，3.病理教研室，吉林 吉林 132013)

腦缺血是神經系統的常見病，缺血后會發生再灌注損傷，而神經細胞內Ca2+超載是導致細胞凋亡最主要的因素。Ca2+超載引起神經細胞凋亡的機制中線粒體途徑、內質網途徑和核酸內切酶途徑最為重要，本文就這三方面進行綜述。

腦缺血損傷；Ca2+超載；神經細胞；凋亡

在這一途徑中，bcl-2家族、活性氧(reactive oxygen species，ROS)等會影響凋亡的發生。bcl-2家族中bcl-2、bcl-xl等抑制凋亡，而bax、bad、bak、bik和bcl-xs等促進凋亡。bcl-2主要分布在線粒體外膜、細胞核及內質網[5]。bcl-2家族對線粒體的調控作用主要體現在對MPTP形成的影響。目前認為MPTP的開放是引起細胞凋亡的直接原因，因此bcl-2家族對線粒體正常生理功能的維持是十分重要的。此外，ROS也可影響線粒體。研究表明，線粒體是ROS的主要來源和促凋亡作用靶點，少量ROS可能誘導MPTP開放，促進線粒體產生ROS，所以ROS升高既是MPTP開放的原因也是結果，它們組成了一個大的環路，導致胞內Ca2+重新分布。另外，ROS通過影響電壓依賴性Ca2+通道、非特異性細胞膜Ca2+通透性變化和Na+-Ca2+交換、調節的產生從而影響Ca2+從內質網釋放入線粒體。細胞內Ca2+升高可以激活其他酶進一步增加氧自由基的水平，因此ROS可以間接產生更多的氧化物進一步促進線粒體內氧化水平升高。一些文獻表明，線粒體途徑中與神經細胞凋亡有關的因素除了Cyt c、Smac、IAP、Apaf-1及caspases之外，絲氨酸蛋白酶/線粒體絲氨酸蛋白酶抗原(High temperature requirement protein A 2，HtrA2/Omi)和核酸內切酶(endonuclease G，Endo G)也很重要[6]。HtrA2通過可以抑制IAP和增加caspases活性，或者取決于它的絲氨酸蛋白酶活性和caspases依賴[7-8]。Endo G是一種由線粒體編碼的酶，它可以配合核酸外切酶對DNA進行破壞，最終引起細胞凋亡[9]。如果將bcl-2基因導入神經細胞，可以減小梗死灶的面積[10]；給藥干擾bax/bcl-2的比率也可以減輕細胞凋亡[11]。因而，維持bcl-2家族蛋白的平衡可以降低神經細胞的凋亡程度。因此，抑制這些因素會降低細胞的凋亡，繼而減輕腦缺血損傷。

綜上所述，Ca2+超載可以通過線粒體途徑引起神經細胞凋亡，但其影響因素很多，如果能研究出避免或減少這些影響因素的藥物，保護線粒體，最終可以減輕腦缺血損傷的發生。

2 Ca2+超載引起神經細胞凋亡的內質網途徑

Ca2+超載引起神經細胞凋亡的機制中除了線粒體途徑，還有內質網途徑。內質網對于維持細胞內Ca2+平衡也很重要。它主要是通過應激來調節細胞凋亡。在凋亡過程中，內質網途徑與線粒體途徑相似,也和bc1-2家族成員及caspases關系密切，但是它又有自己特殊的一面。

細胞內Ca2+超載導致內質網中Ca2+失衡繼而引起內質網應激的出現，包括非折疊蛋白反應(unfoiled protein reaction，UPR)和內質網超負荷反應[12]。UPR是內質網介導細胞凋亡研究較多的兩個機制之一[13]。它的啟動在早期是自我保護作用，這使大部分蛋白質合成停滯，減輕內質網負荷；加速內質網伴侶基因、蛋白質表達，如Bip/Crp78、鈣聯蛋白(Calnexin)和Grp94等協助蛋白質折疊；發生內質網相關降解，清除不能正確折疊的蛋白質等[14-16]，從而積極重建細胞內穩態。Irels、PERK和ATF6是這一過程中重要的酶類，Irels與內質網應激之后信號調整及抑制蛋白翻譯相關，PERK可以使所有的蛋白質合成下調，ATF6引起內質網應激元件基因啟動子區域激活CHOP等基因。CHOP可以編碼DNA損傷蛋白，對DNA直接造成損傷，引起細胞凋亡[17]；還可以與其家族中的其他轉錄因子結合，抑制基因的轉錄活性，使細胞停滯在G1/S期，使細胞生長抑制而進入凋亡狀態。Paschen等[18]研究發現在腦缺血損傷過程中CHOP mRNA表達明顯增高。Tajivis等[19]研究也指出CHOP對腦缺血神經細胞凋亡有調控作用。從目前對CHOP的研究來看，它上游的誘導因子已經清楚，但是受其控制的下游分子、影響CHOP表達的因素及它如何參與細胞凋亡通路的調節還不是很清楚。

內質網超負荷反應以激活轉錄因子NF-κB為主要特點，啟動多種前炎性蛋白，包括誘導型一氧化氮合酶(iNOS)、環氧化酶(COX-2)、基質金屬蛋白酶9(MMP-9)和細胞粘附分子等[2--23]的轉錄表達，它們參與腦缺血后的神經損傷、血腦屏障功能的破壞及炎癥反應，由此對凋亡進行調控。NF-κB的激活可以調節細胞內的氧化還原狀態[24]。Ca2+超載與氧化應激就有密不可分的關系，由此可以猜測內質網超負荷反應和細胞內氧化應激有一定關系。

3 Ca2+超載引起神經細胞凋亡的核酸內切酶途徑

DNA斷裂是凋亡的標志，這一過程離不開Endo G。Tominaga[25]認為，缺血導致細胞內Ca2+濃度升高，升高的Ca2+首先出現在核內，從而激活核酸內切酶引起凋亡。腦缺血后神經細胞發生凋亡時，染色質DNA降解成為約180～200 bp亞單位或其倍數的DNA片段[26]。核酸內切酶降解DNA過程與基因表達有關。文獻報道，bcl-2基因家族、ced家族、p53及c-fos、c-jun等原癌基因都對凋亡過程有一定的調控作用[27-28]。上述基因編碼的細胞蛋白酶在細胞凋亡時被激活，使caspases激活，再進一步裂解脫氧核糖核酸酶(caspase-activated deoxyribonuclease，CAD)的抑制物ICAD(對應人DFF45)，ICAD降解而使CAD激活，DNA斷裂，最終導致細胞凋亡[29]。Chen等[30]發現凋亡過程中的DNA降解是多個核酸內切酶共同作用的結果，所以深入研究核酸內切酶的作用機制將對控制DNA切除修復途徑而逆轉DNA的損失起到重要的作用。

4 小 結

總之，腦缺血后Ca2+超載引起神經細胞凋亡的機制是多方面的，它可以由多個信號傳導通路同時進行的，同時可能在各個通路之間會交叉，所以治療腦缺血損傷時要注意。對腦缺血機制的研究可以對臨床腦缺血的防治起到前瞻性作用，有利于腦缺血損傷的預防及腦缺血疾病的治療。

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1673-2995(2013)04-0277-03

R363.1

A

1Ca2+超載引起神經細胞凋亡的線粒體途徑

吉林省教育廳項目(2012330)；吉林醫藥學院大學生科研基金項目(201206).

閆曉英(1991-)，女(漢族)，在讀本科.

齊 玲(1974-)，女(漢族)，副教授，博士.

2013-05-06)

腦缺血損傷是指腦缺血再恢復血流后所引起的腦組織損傷，即腦缺血-再灌注損傷。缺血-再灌注損傷所導致的神經細胞Ca2+超載是引起神經細胞凋亡的最主要因素。腦缺血后Ca2+進入細胞內增多，清除減少，細胞內出現Ca2+超載，繼而觸發了一系列反應從而導致細胞發生凋亡。Ca2+超載引起神經細胞凋亡主要通過線粒體途徑、內質網途徑和核酸內切酶途徑。

神經細胞凋亡的機制十分復雜，Ca2+超載通過線粒體途徑使凋亡因子釋放到胞質中進而啟動細胞凋亡。當細胞內Ca2+超載時，線粒體膜的通透性會隨之改變，使得線粒體通透孔(mitochondrion permeability transition pore，MPTP)開放[1]。MPTP的開放允許大分子物質通過，這樣就導致前凋亡蛋白如細胞色素c(cytochrome C，Cyt c)、黃素蛋白凋亡誘導因子、核酸內切酶及Smac(the second mitochondrial-derived activator of caspase)蛋白等一起釋放到細胞質中。Smac是一種可以通過與凋亡抑制蛋白(inhibitors of apoptosis protein，IAP)結合解除其抑制作用，并協助凋亡促進因子(apoptosis protease activating factor-1，Apaf1)促進半胱氨酸蛋白酶(cysteine containing aspirate specific protease，caspase)激活的蛋白質[2]。因此，一方面Cytc與胞質中Apaf-1和caspase-9相互作用形成凋亡小體，激活caspase-9，活化的caspase-9進一步激活caspases，引起凋亡；另一方面，釋放到胞質中的Smac通過解除IAP的凋亡抑制促進caspases的級聯效應，導致細胞凋亡[3-4]。