韩奇鹏，罗　玲，揭红东，周传社，张佩华*

（1.湖南农业大学动物科学技术学院畜禽遗传改良湖南省重点实验室，长沙　410128；2.中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室，湖南省畜禽健康养殖工程技术中心，农业部中南动物营养与饲料科学观测实验站，长沙　410125）



细胞凋亡及其调控因子研究进展

韩奇鹏1，2，罗玲1，揭红东1，周传社2，张佩华1*

（1.湖南农业大学动物科学技术学院畜禽遗传改良湖南省重点实验室，长沙410128；2.中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室，湖南省畜禽健康养殖工程技术中心，农业部中南动物营养与饲料科学观测实验站，长沙410125）

摘要：文章针对细胞凋亡的概念、特征、生物学意义、机制及过程和细胞凋亡调节因子等方面进行综述，阐述应用细胞生物学技术水平研究营养调控对家畜机体及其细胞的影响。

关键词：细胞凋亡；调控因子；研究进展

1972年Kerr首次提出细胞凋亡（Apoptosis）的概念，Apoptosis源于古希腊语，是凋落的意思，是指细胞在一定的生理或病理情况下，机体为维护内环境的稳定，遵循机体本身的调节过程，通过基因严密调控，激活内源性核酸内切酶，自发、有序的消亡过程，其范围包括细胞的程序性死亡［10］。细胞凋亡最终脱落裂解为凋亡小体被其他细胞吞噬，且这种有序的凋亡过程发生在生命个体生长发育的各个阶段，其受内源和外源性因素共同调控。此外，细胞凋亡对多细胞生物的生命延续过程和机体及其组织器官等正常发育或紊乱的调节起着重要作用，目前已成为生命科学领域研究的热点之一。

1　细胞凋亡的特征

细胞凋亡的特征分为形态学变化和生物化学变化两种。细胞凋亡形态学变化指细胞表面微绒毛的消失，细胞体积缩小，连接力消失，凋亡细胞与周围的细胞分开，细胞核质浓缩，线粒体膜电位消失，通透性发生改变，将细胞色素C释放到胞浆中，染色质逐渐聚集变成新月状，附着在核膜周围，嗜碱性增强［1］。随后核仁破碎，核染色质断裂，细胞膜周围形成小泡，膜内侧磷脂酰丝氨酸外翻到膜表面，保持完整的细胞膜，将凋亡细胞及其细胞器一起分割包裹，形成凋亡小体，被其他细胞吞噬并消化利用［2］。此过程没有内容物外溢，不引起炎症反应［3］。细胞凋亡生物学变化是指细胞内Ca2+的堆积及重新分布，细胞核内Ca2+增多，增加了核酸内切酶的活性；核酸内切酶激活，将DNA降解，产生的片段长度约为180～200 bp的整数倍，正好为细胞的DNA重组修复提供了材料，其在琼脂糖凝胶电泳中呈现特异的“梯状”图谱［4］；细胞谷氨酰胺转移酶积累并激活；细胞表面糖链、植物血凝素与偶连受体增加及磷酸酰丝氨酸外露最终改变细胞的生物特性［5-6］。

2　细胞凋亡的生物学意义

细胞凋亡从自然和非自然开启分析，自然开启有助于维持多细胞生物体内细胞数量动态平衡，促使生物胚胎、器官、组织等正常发育，维持机体生理平衡、内环境稳态、神经和免疫系统的成熟，确保生命的健康［7-8］。此外，自然开启有利于消灭、清除对机体无利或有害的细胞，如自身反应性淋巴细胞、病毒感染的细胞和肿瘤细胞［9］。如果细胞凋亡非自然开启（凋亡的细胞过多或较少），可能会导致多种疾病的发生，如老年性痴呆因神经细胞凋亡过快而产生。由于凋亡的细胞过多，使体内细胞数量不能保持相对平衡，继而导致神经系统的退行性病变、淋巴系统和造血系统等方面的紊乱。肿瘤病变因细胞过度繁殖，细胞凋亡受到抑制而不能及时清除死亡细胞的结果。细胞凋亡缓慢致使有害、多余的细胞不能及时清除，进而导致肿瘤和自身免疫系统紊乱［10］。因此，细胞增殖分化与细胞凋亡在细胞正常新陈代谢的过程都起到非常关键的作用，其之间的相互作用，是维持体内细胞数量动态平衡的重要途径。

3　细胞凋亡的机制及过程

细胞凋亡的途径主要有两条：半胱氨酸蛋白（Caspase）依赖性和非Caspase依赖性两大途径。Caspase依赖性途径分两条：通过细胞膜上的死亡受体激活Caspase又称细胞内凋亡途径；通过线粒体途径释放细胞凋亡因子，激活Caspase，引起细胞内蛋白的降解，进而导致细胞凋亡又称细胞外凋亡途径［11-12］。细胞凋亡非依赖Caspase途径很少［13］。

凋亡的过程分为凋亡的启动阶段和凋亡的执行阶段。凋亡启动阶段包括信号通路有膜受体通路和线粒体细胞色素C激活的生化通路两条［14］；凋亡的执行阶段与Caspase家族密不可分，Caspase通过裂解核酸酶抑制蛋白激活核酸酶活性进而水解核酸杀死细胞，其次Caspase通过破坏细胞结构的完整性杀死细胞［15-17］。

4　细胞凋亡的调控因子

4.1Caspase家族基因

Caspase家族的分类见表1。

表1　Caspase家族的分类

迄今已有14个成员的Caspase基因家族都是结构相似的半胱天冬氨酸蛋白酶，像其他蛋白酶一样，在正常细胞内均呈非活性的蛋白酶原形式（Pro-caspase），被其他因子作用其N末端的高度保守结构后，激活Caspase进入级联反应，分解相应蛋白质，引起细胞的凋亡［18-19］。

根据Caspase组成和功能，将其分为3个亚群。其中参与Pro-Caspase活化过程的含有死亡效应结构域（Death effector domain，EDE）的Pro-caspase-8 和Pro-caspase-10等及含有Caspase募集结构域（Caspase recruitment domain，CARD）的Pro-caspase-2和Pro-caspase-9等可以介导凋亡或炎症反应。其中特殊的是Pro-caspase-14，其与活化过程和上皮细胞的分化相关，而与凋亡或炎症反应无关［20］。

4.2p53蛋白家族

p53蛋白家族对细胞DNA损伤及预防癌症等起着重要的作用［21］。其中首次发现于1979年的p53蛋白及其编码基因是细胞内重要的凋亡诱导蛋白之一，其凋亡途径较为复杂，并影响细胞凋亡的死亡受体通路和线粒体通路能抑制肿瘤及癌症的发生［22-24］。

4.3Fas基因

Fas基因是一种45Kd的Ⅰ型跨膜蛋白的Fas（又称APO-1、CD95），是肿瘤破坏因子（Tumor Necrosis Factor，TNF）受体/生长因子受体家族的成员。Fas可在很多组织中通过死亡结构域与配体Fasl（Fas Ligand）结合，参与细胞的死亡受体途径信号传导，诱导细胞凋亡。

4.4Bcl-2蛋白家族

Bcl2家族是细胞凋亡过程中重要的调控因子，根据其结构与功能，将其分为两类，具有4个保守结构域（BH1、BH2、BH3、BH4）抑制细胞凋亡的蛋白，如A1Bfl1、Bcl-2、Bcl-w、Bcl-xL、Boo/Diva、Mcl-1、NR-13、Nrf3等；分布于细胞质中促进细胞凋亡的蛋白，如Bad、Bak、Bax、Bclrambo、Bcl-xS、Bid、Bik、Bim、Blk、BNIP3、Bok/Mtd Hrk和Nip3［25］。

Bcl-2蛋白家族通过线粒体、细胞内Ca2+、氧化自由基（ROS）及Bcl-2蛋白之间相互作用等多种途径调节细胞凋亡。其中抑制凋亡Bcl-2蛋白和促进凋亡Bax蛋白是Bcl-2蛋白家族主要代表。Bcl-2 和Bax都属于Bcl-2蛋白家族，参与调控细胞的凋亡，二者在凋亡过程中发挥着相反的作用，Bcl-2为抑凋亡蛋白，Bax为促凋亡蛋白［26］。有研究发现，Bcl-2家族中促凋亡（Bcl-2）和抑凋亡（Bax）的比率决定了线粒体通透性转换孔（MPTP）的开放程度，形成调控细胞凋亡的枢纽，因此认为调控细胞死亡的“可变电阻器”是Bcl-2/Bax（rheostat）。在内外因素刺激下，Bcl-2和Bax两种调控因子的平衡决定细胞了生命，而Bcl-2/Bax的比例关系是决定细胞凋亡发生及凋亡程度的重要因素。但对L-谷胺酰胺（L-Gln）及其二肽促进Bcl-2 mRNA或抑制Bax mRNA表达的机制尚不清楚，有待进一步研究。可能由于L-Gln及其二肽能增加谷胱甘肽（GSH）的含量，或是L-Gln及其二肽能增加细胞膜的稳定性，减轻H2O2过氧化损伤作用［27-28］。

1980年在B淋巴瘤细胞中发现的Bcl-2基因（B细胞淋巴瘤-白血病-2，B-cell lymphoma/leukemia-2），其存在核膜、内质网膜、线粒体膜上的基因产物，过量的Bcl-2基因产物（A1Bfl1、Bcl-2、Bcl-w、Bcl-xL、Boo/Diva、Mcl-1、NR-13、Nrf3）可与Bax形成比Bax-Bax同源性二聚体更稳定的Bax-Bcl-2易源性二聚体，减弱Bax-Bax诱导凋亡的作用，进而抑制线粒体膜的通透性转换孔（MPTPs）开放和直接或间接抑制细胞凋亡因子细胞色素C（Cyt C），凋亡诱导因子（AIF）、第二个线粒体来源的胱氨酸酶激活剂（Smac）或低等电点IAP直接结合蛋白（DIABLO）的释放，Pro-Caspase不能被激活，从而抑制细胞凋亡［29］；Bax基因可通过其基因产物（Bcl-Xs）与Bcl-2基因产物优先结合形成二聚体，促进更多游离Bax形成Bax-Bax同源二聚体，促进线粒体膜的通透性转换孔（MPTPs）开放，细胞凋亡因子的释放，激活Caspase，导致细胞凋亡［30-34］。因此，Bcl-2/Bax与细胞凋亡之间存在着密切关系［35］。

研究发现，位于内膜系统（包括线粒体膜）上的Bcl-2家族蛋白，是细胞凋亡过程中十分重要的调节因子之一［36］。Bcl-2从多个方面抑制细胞凋亡：Bcl-2蛋白是定位在线粒体膜上的一种凋亡调控蛋白，可以与线粒体膜上的离子通道结合来调节细胞色素C的释放，如Bcl-2降低线粒体复合物的活性，使线粒体内细胞色素C的含量减少，或与凋亡肽酶激活因子结合，阻止线粒体内细胞色素C释放到胞质中，并且阻止Caspase被胞质中细胞色素C激活，防止凋亡的发生［37-38］；Bcl-2能使动态生成的线粒体通透性转变孔道（MPTP）维持关闭状态，保持线粒体膜外的电位稳定，防止促凋亡因子从孔道中释放，Bcl-2与VDAC结合，保持线粒体膜的完整性，阻止MPTP开放，防止细胞色素C释放诱发凋亡［39］；Bcl-2能直接对抗Bax抑制细胞凋亡，能与Bax形成异源二聚体，能抑制Bax蛋白寡聚化，防止Bxa插入线粒体膜形成细胞色素C释放通道，减少细胞色素C的释放［40］；Bcl-2能调节线粒体及内质网Ca2+的平衡，防止Ca2+超载而导致的细胞凋亡，Bcl-2的增多还可能抑制钙敏感受体的表达，影响钙离子内流，抑制胞内Ca2+量的升高，抑制Caspase-3激活，进而抑制凋亡发生［41］；Bcl-2能抑制氧自由基的产生，从而减少氧自由基对细胞的毒性作用，改变细胞内的氧化还原平衡，减少细胞凋亡［42］。由于Bcl-2存在的内质网膜、线粒体外膜及核膜是活性氧的产生部位，这让人们对Bcl-2与活性氧在细胞凋亡过程中的作用关系产生浓厚兴趣。

Bcl-2家族成员之一的Bax蛋白是一种促凋亡前体蛋白，可以插入到线粒体膜上来增加线粒体膜的通透性，以此来促进凋亡过程的发生。单体Bax分布在胞浆中，当收到凋亡信号时，单体Bax激活，会聚集形成大分子寡聚体，结构发生改变，被转运到线粒体外膜，并与外膜结合，形成一个凋亡通道让线粒体内的细胞色素C自由释放；而过量的Bax可在没有收到任何凋亡信号的情况下，与外膜结合，形成一个凋亡通道让线粒体内的细胞色素C自由释放，P38MAPK通路被激活后能够诱导Bax转位，并激活Caspase系统，让细胞发生凋亡［43］。此外，Bax在线粒体膜上形成Ca2+扩增依赖性通道即线粒体通透性转变孔道（MPTP），让Ca2+流入细胞质中，使线粒体膨胀，导致更多的MPTP开放，或加速电压依赖的阴离子通道（VDAC）的开放，使外膜破裂，增大线粒体膜的通透性，促使细胞色素C、凋亡诱导因子（AIF）、肽冬肽酶原释放到胞质中，诱导凋亡发生［44］。Bax还也可以直接与Bcl-2形成异源二聚体，或促进激活JNK通路，使Bcl-2和Bcl-xL磷酸化，减弱Bc1-2 和Bcl-xL对MPTP的抑制作用，增加线粒体膜通透性，促进Cyt C等凋亡相关蛋白释放，激活Caspase级联反应，触发细胞凋亡，进而抑制Bcl-2对抗凋亡的能力。

5　结论

随着畜牧业与分子生物学及细胞生物学的不断发展融合，对家畜的研究进入了分子与细胞生物学阶段。应用分子生物技术手段研究营养水平对家畜机体及其细胞生命活动和生理功能机制的影响，从分子水平上阐述营养与基因表达、调控的关系，利用生物学技术改变动物体内的代谢途径等，为畜牧业可持续再生产打好坚实的理论基础。

［参考文献］

［1］夏巍.妊娠后期IUGR对蒙古绵羊胎儿胸腺细胞凋亡及其凋亡相关基因表达的影响［D］.呼和浩特:内蒙古农业大学，2012.

［2］Zhao Z，Nakamura M，Wang N，et al.Dynamic progression of contractile and endothelial dysfunction and infarct extension in the late phase of reperfusion［J］.Journal of Surgical Research，2000，94（2）:133-144.

［3］翟中和，王喜中，丁明孝.细胞生物学［M］.北京:高等教育出版社，2007.

［4］彭黎明，王曾里.细胞凋亡的基础与临床［M］.北京:人民卫生出版社，2000.

［5］沈忠英.细胞凋亡研究进展［J］.中华病理学杂志，2000，29（1）: 63-65.

［6］曹越.细胞凋亡的形态学和生物化学特征与基因调控［J］.青海医学院学报，2003，24（1）:44-46.

［7］Schwarz K R L，Pires P R L，De Bem T H C，et al.Consequences of nitric oxide synthase inhibition during bovine oocyte maturation on meiosis and embryo development［J］.Reproduction in Domestic Animals，2010，45（1）:75-80.

［8］Rajan S S，Srinivasan V，Balasubramanyam M，et al.Endoplasmic reticulum（ER）stress&diabetes［J］.Indian Journal of Medical Research，2007，125（3）:411-424.

［9］ Thurber R V，Epel D.Apoptosis in early development of the sea urchin，strongylocentrotus purpuratus［J］.Developmental Biology，2007，303（1）:336-346.

［10］张崇志.妊娠后期宫内生长限制对蒙古绵羊胎儿肝脏细胞凋亡及信号转导途径的影响［D］.呼和浩特:内蒙古农业大学，2013.

［11］陈益华，张华杰，南发俊.Caspase抑制剂的研究进展［J］.生命科学，2006，18（3）:247-254.

［12］Long S，Wilson M，Bengtén E，et al.Identification and characterization of a FasL-like protein and cDNAs encoding the channel catfish death-inducing signaling complex［J］.Immunogenetics，2004，56（7）:518-530.

［13］袁海波，沈忠明.细胞凋亡的分子机理［J］.上海大学学报（自然科学版），2001，7（1）:77-80.

［14］翟鹏勇，曾锦荣，谭宁.维生素C对A549细胞增殖、凋亡及Caspase-3、Survivin表达的影响［J］.中国肺癌杂志，2010，13 （2）:89-93.

［15］袁长青，丁振华.Caspase的结构与功能［J］.国外医学分子生物学分册，2002，24（3）:146-151.

［16］何小明.线粒体膜通道与细胞凋亡［J］.国外医学生理、病理科学与临床分册，2002，22（5）:450-453.

［17］ Kleibl Z，Raisová M，Novotny J，et al.Apoptosis and its importance in the development and therapy of tumors（review）［J］.Sborník Lékarsky，2002，103（1）:1-13.

［18］Sophie L，Olivier H，Micha La F，et al.Vital functions for lethal caspases［J］.Oncogene，2005，24（33）:5 137-5 148.

［19］ Shi Y.Mechanisms of caspase activation review and inhibitionduringapoptosis［J］.Molecular Cell，2002，9（3）:459-470.

［20］ Fan T J，Han L H，Cong R S，et al.Caspase family proteases and apoptosis［J］.Acta Biochimica Et Biophysica Sinica，2005，37 （11）:719-727.

［21］Lane D P.Cancer.p53，guardian of the genome［J］.Nature，1992，358（6 381）:15-16.

［22］Shionome Y，Yan L，Liu S，et al.Integrity of p53 associated pathways determines induction of apoptosis of tumor cells resistant to Aurora-A kinase inhibitors［J］.PloS One，2013，8（1）:455-457.

［23］ Jan-Philipp K，Wei G.Modes of p53 regulation［J］.Cell，2009，137（4）:609-622.

［24］Subhasis D，Kaushik Kumar D，Rashmi B，et al.PKI 166 induced redox signalling and apoptosis through activation of p53，MAP kinase and caspase pathway in epidermoid carcinoma［J］.Journal of Experimental Therapeutics&Oncology，2012，10（2）:139-153.

［25］ Javorina M，Sandra H，Claudia H，et al.The DNA damage-induced decrease of Bcl-2 is secondary to the activation of apoptotic effector caspases［J］.Oncogene，2003，22（44）:6 852-6 856.

［26］Kataoka T，Holler N，Micheau O，et al.Bcl-rambo，a novel Bcl-2 homologue that induces apoptosis viaits unique C-terminal extension［J］.Journal of Biological Chemistry，2001，276（22）:19 548-19 554.

［27］刘国平，朱闻溪，杨广顺，等.谷氨酰胺对大鼠肝门阻断后肝脏Bcl-2 mRNA表达的影响及其保护作用［J］.中国现代普通外科进展，2008，11（4）:297-300.

［28］Portella A O V，Montero E F S，Figueiredo L F P D，et al.Effects of N-Acetylcysteine in hepatic ischemia-reperfusion injury during hemorrhagic shock［J］.Transplantation Proceedings，2004，36 （4）:846-848.

［29］ Nahta R，Yuan L X，Fiterman D J，et al.B cell translocation gene 1 contributes to antisense Bcl-2-mediated apoptosis in breast cancer cells［J］.Molecular Cancer Therapeutics，2006，5（6）: 1 593-1 601.

［30］ Saeed S，Keehn C A，Khalil F K，et al.Immunohistochemical expression of Bax and Bcl-2 in penile carcinoma［J］.Annals of Clinical&Laboratory Science，2005，35（1）:91-96.

［31］Miller K P，Gupta R K，Greenfeld C R，et al.Methoxychlor directly affects ovarian antral follicle growth and atresia through Bcl-2-and Bax-mediated pathways［J］.Toxicological Sciences，2005，88 （1）:213-221.

［32］周祖平，刘树森.Bcl-2蛋白质家族——定位与转位［J］.生物化学与生物物理进展，2001，28（5）:650-653.

［33］ Willis S N，Fletcher J I，Kaufmann T，et al.Apoptosis initiated when BH3 ligands engage multiple Bcl-2 homologs，not Bax or Bak［J］.Science，2007，315（5 813）:856-859.

［34］Kazi A，Sun J，Doi K，et al.The BH3 α-helical mimic BH3-M6 disrupts Bcl-XL，Bcl-2，and MCL-1 protein-protein interactions with Bax，Bak，Bad，or Bim and induces apoptosis in a Bax-and Bim-dependent manner［J］.Journal of Biological Chemistry，2011，286（11）:9 382-9 392.

［35］Salakou S，Kardamakis D，Tsamandas A C，et al.Increased Bax/Bcl-2 ratio up-regulates caspase-3 and increases apoptosis in the thymus of patients with myastheniagravis［J］.In Vivo，2007，21 （1）:123-132.

［36］ Orrenius S.Mitochondrial regulation of apoptotic cell death［J］.Toxicol Lett，2004，149（1-3）:19-23.

［37］王林，潘晓涛，耿智敏.RNA干扰Bcl-2基因表达对人胆囊癌细胞株GBC-SD裸鼠移植瘤生长的影响［J］.西安交通大学学报:医学版，2009，30（11）:93-96.

［38］ Zhang H，Li Q，Li Z.The protection of Bcl-2 overexpression on rat cortical neuronal injury caused by analogous ischemia/reperfusion in vitro［J］.Neurosci Res，2008，62（2）:140-146.

［39］Dejean L，Martinez-Caballero S L，Hughes C，et al.Oligomeric Bax is a component of the putative cytochrome c release channel MAC，mitochondrial apoptosis-induced channel［J］.Molecular Biology of the Cell，2005，16（5）:2 424-2 432.

［40］Antonsson B，Montessuit S，Sanchez B，et al.Bax is present as a high molecular weight oligomer/complex in the mitochondrial membrane of apoptotic cells［J］.Journal of Biological Chemistry，2001，276（15）:11 615-11 623.

［41］ Dudits D，Abraham E，Miskolczi P，et al.Cell-cycle control as a target for calcium，hormonal and developmental signals:the role of phosphorylation in the retinoblastoma-centred pathway［J］.Annals of Botany，2011，107（7）:1 193-1 202.

［42］Antje D，Cornelia D，Oliver M，et al.Hypothermia protects H9c2 cardiomyocytes from H2O2induced apoptosis［J］.Cryobiology，2011，62（1）:53-61.

［43］Shoshan-Barniatz V，Israelson A，Brdiczka D，et al.The voltagedependent anion channel（VDAC）:function in intracellular signalling，cell life and cell death［J］.Current Pharmaceutical Design，2006，12（18）:2 249-2 270.

［44］桂红兵，沈赞明.1-21日粮精料水平对山羊瘤胃上皮生长和细胞增殖及凋亡相关基因表达的影响［J］.畜牧与兽医，2014，46:120.

Research Progress on Apoptosis and Regulatory Factors of Cells

HAN Qipeng1，2，LUO Ling1，JIE Hongdong1，ZHOU Chuanshe2，ZHANG Peihua1*
（1.Hunan Provincial Key Laboratory for Genetic Improvement of Domestic Animal，College of Animal Science and Technology，Hunan Agricultural University，Changsha 410128，China；2.Key Laboratory for Agro-ecological Processes in Subtropical Region，Institute of Subtropical Agriculture，The Chinese Academy of Science，Hunan Research Center of Livestock&Poultry Sciences，South-Central Experimental Station of Animal Nutrition and Feed Science of Ministry of Agriculture，Changsha 410125，China）

Abstract：The concept of the apoptosis，characteristics，biological significance，mechanism and process and apoptosis regulation factor were reviewed in this paper，the effect of cells biology technology level on nutrition regulationofanimalbodyand cells.

Key words：cells apoptosis；regulatory factors；research progress

中图分类号：Q783.1；Q21

文献标志码：A

文章编号：1001-0084（2016）04-0009-05

收稿日期：2016-03-08

作者简介：韩奇鹏（1988-），男，内蒙古赤峰人，硕士研究生，研究方向为反刍动物营养。

*通讯作者：副教授，硕士生导师，E-mail:peiqin41-@163.com。