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细胞凋亡在多细胞有机体的个体发育成长过程中起着极其重要的作用。同其它生理过程一样, 细胞凋亡也必须被精确调控, 凋亡过多或过少都会给机体带来负面甚至灾难性的影响。对细胞凋亡过程起调节作用的除了非常熟悉的Bcl-2家族外, 尚有另外一个家族就是细胞凋亡抑制蛋白(IAPs) 家族的作用不容忽视。本文对近年来IAPs的研究进展情况作一综述。
1. IAPs家族
最初, IAPs是在研究杆状病毒p35蛋白时发现的, 其后陆续在果蝇、酵母、人和其它哺乳动物组织中都有发现。到目前为止, 已研究的IAPs有: (1) 病毒IAPs: 包括Cydia pomonella granulosis IAP (CpIAP)、Orgyia pesudotsugata nuclear pdlyhedrosis IAP (OpIAP) 和Kaposi’s恶性肉瘤相关疱疹病毒K7[1]。(2) 果蝇体内IAPs (DIAP) : 包括DIAP1和DIAP2。(3) 人和其他哺乳动物细胞中: X-相关细胞凋亡抑制蛋白(XIAP)、人类凋亡抑制蛋白-1 (HIAP1, C-IAP1)、人类凋亡抑制蛋白-2 (HIAP2, C-IAP2)、神经元凋亡抑制蛋白(NIAP)、人类黑色素瘤凋亡抑制蛋白(ML-IAP)、生存素(Survivin)、BIR repeat containing ubiquitin-conjugating enzyme (BRUCE) 等。
2. IAPs的结构及人体组织中IAPs的分布情况
2.1 IAPs的结构
目前认为不同生物体内的IAPs都包括1~3个杆状病毒IAP重复结构域(BIR), 每个BIR结构域由大约60~70个氨基酸组成, 并且有一个很有特色的序列CX2CH16HX6C, 一些IAPs还有一个C-端环指(RING) 结构。
人类XIAP是一种比较典型的IAPs, 由3个BIR结构域和3个RING结构组成。磁共振分析显示, BIR2是由3个反向平行的β折叠和4个α螺旋构成, 与典型的锌指结构很相象, 在它的特征序列中有3个保守的半胱氨酸和1个组氨酸螯合1个锌原子的特殊结构。BIR3与BIR2结构域相似, 但构成它们的保守氨基酸残基不同。功能分析证明, 这正是它能够抑制不同半胱氨酸蛋白酶(caspase) 活性的结构基础。而其他的IAP则结构较为简单, 如ML-IAP由1个与XIAP的BIR2结构域相似的BIR结构域和RING基元组成, Survivin结构最简单只含有一个BIR结构域, C端无环指结构, 代之以羧基末端卷曲结构。
2.2 人体组织中IAPs的分布
研究表明, 人类的IAPs分布有一定的组织特异性。XIAP (h-ILP或MIHA) 在成年人、婴幼儿体内除外周血淋巴细胞以外的所有组织中广泛表达, C-IAP1 (MIHB)、C-IAP2 (MIHC) 在肾、小肠、肝、肺组织中高表达, 而在中枢神经系统中低表达。NIAP仅在运动神经元中表达。ML-IAP仅在人体黑色素瘤细胞中高表达, 而在正常黑色素细胞中低表达。Survivin一般不表达于终末分化组织, 而仅见于胎盘和发育的胎儿组织, 另外在人类各种肿瘤组织中广泛表达。
3. IAPs的生物功能
IAPs的生物功能主要表现为对细胞凋亡过程的抑制, 但在一定条件下也可表现出促进凋亡活性。
3.1 IAPs对细胞凋亡的抑制作用
3.1.1 通过抑制受体途径的传导而抑制细胞凋亡
Deveraux等研究发现: Fas或CD95可引起caspase-8的激活, 继而激活caspase-3而诱导细胞凋亡, XIAP的表达对caspase-8的激活无影响, 但可与半激活p20/p12caspase-3特异性结合, 阻止其进一步激活为成熟型p17/p12caspase-3而使凋亡受体途径的信号传导中断。另外也可抑制caspase-3对caspase-8的正反馈激活使死亡信号不能被放大, 二者共同作用的结果是阻断受体途径引起的细胞凋亡[2]。
3.1.2 通过抑制线粒体途径抑制细胞凋亡
当各种刺激引起线粒体PT孔开放, 通透性增加后, 细胞色素C等由线粒体释放到细胞质中, 与dATP结合引起细胞凋亡蛋白酶活化因子(Apaf-1) 的寡聚化从而激活caspase-9酶原, XIAP的BIR3结构域可与在Asp315位点酶切活化的caspase-9p12小亚单位结合而抑制其活性[3], 其中XIAP的G314Trp310 His343与p12的ATPF/AVPG基元之间的相互作用对二者的结合起关键性作用[4, 5]。这一点与以往认识不同, 过去认为XIAP可直接与caspase-9酶原结合而抑制其活性。
当BIR3结构域发生突变后, XIAP失去对caspase-9的抑制作用。但XIAP仍可通过BIR2与BIR1之间的连接区域与caspase-3p20/p12或p17/p12竞争性结合使其失活, 阻断其前馈激活线粒体途径中的caspase-9酶原和向下游传递死亡信号。另外XIAP还可通过竞争性和非竞争性结合来抑制凋亡过程中另一个关键性效应酶caspase-7的活性, 其中BIR1与BIR2的连接区域与caspase-7的酶激活位点竞争性结合, BIR2结构域与caspase-7的非酶位点非竞争性结合以稳定酶激活位点与XIAP的结合[6~8]。
3.1.3 IAPs抑制凋亡的其它途径
最近的许多研究表明, IAPs抑制细胞凋亡还与其抑制Smac/Diablo、HtrA2/Omi有关, 其中Smac是指the second mitochondrial derived activator of caspase; Diablo是指direct IAP binding protein with low PI; HtrA2是指细菌热休克蛋白high temperature requirement蛋白; Omi是HtrA2的人类同源物。当XIAP发生D148AD214S和W310AE314S位点突变而失去抑制caspase-3和caspase-9的功能时, 其抑制凋亡活性并未受损, 只有当与caspase-3, 9和Smac/Diablo三者的结合位点同时突变时, 其抑制作用才完全丧失[9]。这说明XIAP抑制细胞凋亡是通过多条途径相互作用而实现的。
还有人发现XIAP、ML-IAP、NIAP可通过转化生长因子激活激酶1 (TAK1) 和丝裂原激活蛋白3 (MAP3) 依赖的方式激活c-jun N-末端激酶1, 2, 3 (JNK1、JNK2、JNK3), 抑制由白介素-1β转化酶(ICE) 或Fas诱导的细胞死亡, 而hILP-Interacting Protein (ILPIP) 可以显著增强XIAP对JNK1的激活, 并且ILPIP的促进作用并不影响XIAP对caspase酶类的抑制作用[10, 11]。
在肿瘤细胞中, IAPs可能通过与肿瘤坏死因子受体相关因子(TRAFs) 结合而活化核因子NF-kappaB抑制细胞凋亡。Survivin可通过与有丝分裂器结合降低进入G2/M期阈值促进肿瘤细胞增殖, 而抑制Bax、caspase-3、-9、-8、TNF-α、放线菌酮等诱导的细胞凋亡。
IAPs分布的组织特异性可能预示不同的IAPs对相应组织细胞的生存有着非常重要的作用。肿瘤组织中的IAPs如Survivin和ML-IAPs可能对瘤组织恶化转移以及治疗的阻抗起作用。而在正常组织中的IAPs则对细胞的存活是必需的, 如运动神经元中NIAP和XIAP可与胶质细胞源性神经营养因子(GDNF) 共同作用, 防止运动神经元的退行性改变[12], 肝细胞中的C-IAP2则可通过NF-kappaB途径抑制脂多糖、白介素等因素引起的细胞凋亡[13], 脊索细胞中XIAP可防止脊索硬化症的发生, 研究发现当超氧化物歧化酶(SODl) 发生突变时小鼠易患家族性肌萎缩性脊髓侧索硬化症, 并伴随脊索细胞中XIAP的mRNA和蛋白水平降低。而过表达XIAP的SOD1突变神经元neuro2a细胞则变得对死亡刺激不敏感[14]。
3.2 IAPs的促凋亡作用
上述IAPs抑制细胞凋亡的功能并不是一成不变的, 最近的研究发现某些情况下它可能发挥截然相反的作用。已知TNF-α既可介导细胞死亡的信号途径又可介导细胞存活增殖的途径。在TNF-α介导存活途径的过程中有时IAPs的促凋亡活性可被激活。其原因是C-IAP1作为存活途径中激活JNK的一系列的蛋白质复合体的必需成员之一, 具有环指结构域依赖的潜在的遍在蛋白连接酶(E3) 活性, 当其被激活后与TRAF2结合, 可引起TRAF2的遍在蛋白化和降解从而阻断JNK的激活, 使生存信号中断而易于发生凋亡[25]。是什么原因使IAPs的功能发生如此剧烈的改变, 由通常的抑制凋亡转而促进凋亡呢?问题的答案也许能为我们治疗肿瘤提供一个新的突破口。
4. IAPs生物功能的调节
4.1 抑制性调节作用
细胞中IAPs的功能受到它的相应的拮抗剂的调节。在果蝇中, 先前发现的拮抗剂有Grim、Reaper (Rpr)、Head involution defective (Hid) [16]以及Sickle (SKL) [17]。他们位于相同的死亡基因区域, 但它们抑制IAPs活性的机制有所不同。在哺乳动物体内其主要的抑制剂是Smac/Diablo, 它可能以Bid、Caspase依赖的方式由线粒体释放至细胞质当中而发挥作用[18, 19]。研究表明在Smac高表达或添加外源性完整结构Smac的细胞中, Smac可竞争性的与XIAP结合而解除XIAP对Caspase-9或caspase-3的抑制作用, 使激活的caspase-9 P12小亚单位或caspase-3 p20/p12释放使凋亡信号级联放大而促进凋亡[20~22]。
4.2 促进性调节作用
IAPs的生物功能一方面可受到上述抑制剂的负性调节, 另一方面也可能受到Bcl-2家族的正性调节。如Sun等人发现当受到CD95刺激后正常对照组Jurkat T细胞有Smac释放, 并且对凋亡敏感, 而Bcl-2或Bcl-x1过表达的JurkatT细胞无Smac释放, 细胞对凋亡不敏感。免疫共沉淀试验分析发现Bcl-2和Bcl-x1过表达的细胞中, XIAP可与p17/p12、p20/p12 caspase-3结合而抑制凋亡。而在正常细胞中则由于Smac释放后与XIAP结合, p17/p12被释放而对凋亡刺激敏感。说明Bcl-2或Bcl-xl可通过Smac依赖的方式间接地促进IAPs的凋亡抑制活性[23]。
由此可见, 细胞凋亡抑制蛋白是一类参与细胞生死调节的重要生物活性物质, 对其作用机制认识的不断深入, 一方面对理解细胞凋亡过程的复杂性很有帮助, 另一方面可为设计新药不断提供新思路, 给彻底治愈恶性肿瘤、神经退行病变等难治疾病带来新的希望。
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