脑缺血损伤后Ca2+超载引起神经细胞凋亡的机制

闫晓英，姜亚磊，狄 烊，孟天娇综述，金 宏，齐 玲审校

(吉林医药学院：1.2010级临床本科班，2.实验中心，3.病理教研室，吉林 吉林 132013)

·综 述·

脑缺血损伤后Ca2+超载引起神经细胞凋亡的机制

ThemechanismofCa2+overloadinducedneuronapoptosisaftercerebralischemiainjury

闫晓英1，姜亚磊1，狄 烊1，孟天娇1综述，金 宏2，齐 玲3*审校

(吉林医药学院：1.2010级临床本科班，2.实验中心，3.病理教研室，吉林 吉林 132013)

脑缺血是神经系统的常见病，缺血后会发生再灌注损伤，而神经细胞内Ca2+超载是导致细胞凋亡最主要的因素。Ca2+超载引起神经细胞凋亡的机制中线粒体途径、内质网途径和核酸内切酶途径最为重要，本文就这三方面进行综述。

脑缺血损伤；Ca2+超载；神经细胞；凋亡

在这一途径中，bcl-2家族、活性氧(reactive oxygen species，ROS)等会影响凋亡的发生。bcl-2家族中bcl-2、bcl-xl等抑制凋亡，而bax、bad、bak、bik和bcl-xs等促进凋亡。bcl-2主要分布在线粒体外膜、细胞核及内质网[5]。bcl-2家族对线粒体的调控作用主要体现在对MPTP形成的影响。目前认为MPTP的开放是引起细胞凋亡的直接原因，因此bcl-2家族对线粒体正常生理功能的维持是十分重要的。此外，ROS也可影响线粒体。研究表明，线粒体是ROS的主要来源和促凋亡作用靶点，少量ROS可能诱导MPTP开放，促进线粒体产生ROS，所以ROS升高既是MPTP开放的原因也是结果，它们组成了一个大的环路，导致胞内Ca2+重新分布。另外，ROS通过影响电压依赖性Ca2+通道、非特异性细胞膜Ca2+通透性变化和Na+-Ca2+交换、调节的产生从而影响Ca2+从内质网释放入线粒体。细胞内Ca2+升高可以激活其他酶进一步增加氧自由基的水平，因此ROS可以间接产生更多的氧化物进一步促进线粒体内氧化水平升高。一些文献表明，线粒体途径中与神经细胞凋亡有关的因素除了Cyt c、Smac、IAP、Apaf-1及caspases之外，丝氨酸蛋白酶/线粒体丝氨酸蛋白酶抗原(High temperature requirement protein A 2，HtrA2/Omi)和核酸内切酶(endonuclease G，Endo G)也很重要[6]。HtrA2通过可以抑制IAP和增加caspases活性，或者取决于它的丝氨酸蛋白酶活性和caspases依赖[7-8]。Endo G是一种由线粒体编码的酶，它可以配合核酸外切酶对DNA进行破坏，最终引起细胞凋亡[9]。如果将bcl-2基因导入神经细胞，可以减小梗死灶的面积[10]；给药干扰bax/bcl-2的比率也可以减轻细胞凋亡[11]。因而，维持bcl-2家族蛋白的平衡可以降低神经细胞的凋亡程度。因此，抑制这些因素会降低细胞的凋亡，继而减轻脑缺血损伤。

综上所述，Ca2+超载可以通过线粒体途径引起神经细胞凋亡，但其影响因素很多，如果能研究出避免或减少这些影响因素的药物，保护线粒体，最终可以减轻脑缺血损伤的发生。

2 Ca2+超载引起神经细胞凋亡的内质网途径

Ca2+超载引起神经细胞凋亡的机制中除了线粒体途径，还有内质网途径。内质网对于维持细胞内Ca2+平衡也很重要。它主要是通过应激来调节细胞凋亡。在凋亡过程中，内质网途径与线粒体途径相似,也和bc1-2家族成员及caspases关系密切，但是它又有自己特殊的一面。

细胞内Ca2+超载导致内质网中Ca2+失衡继而引起内质网应激的出现，包括非折叠蛋白反应(unfoiled protein reaction，UPR)和内质网超负荷反应[12]。UPR是内质网介导细胞凋亡研究较多的两个机制之一[13]。它的启动在早期是自我保护作用，这使大部分蛋白质合成停滞，减轻内质网负荷；加速内质网伴侣基因、蛋白质表达，如Bip/Crp78、钙联蛋白(Calnexin)和Grp94等协助蛋白质折叠；发生内质网相关降解，清除不能正确折叠的蛋白质等[14-16]，从而积极重建细胞内稳态。Irels、PERK和ATF6是这一过程中重要的酶类，Irels与内质网应激之后信号调整及抑制蛋白翻译相关，PERK可以使所有的蛋白质合成下调，ATF6引起内质网应激元件基因启动子区域激活CHOP等基因。CHOP可以编码DNA损伤蛋白，对DNA直接造成损伤，引起细胞凋亡[17]；还可以与其家族中的其他转录因子结合，抑制基因的转录活性，使细胞停滞在G1/S期，使细胞生长抑制而进入凋亡状态。Paschen等[18]研究发现在脑缺血损伤过程中CHOP mRNA表达明显增高。Tajivis等[19]研究也指出CHOP对脑缺血神经细胞凋亡有调控作用。从目前对CHOP的研究来看，它上游的诱导因子已经清楚，但是受其控制的下游分子、影响CHOP表达的因素及它如何参与细胞凋亡通路的调节还不是很清楚。

内质网超负荷反应以激活转录因子NF-κB为主要特点，启动多种前炎性蛋白，包括诱导型一氧化氮合酶(iNOS)、环氧化酶(COX-2)、基质金属蛋白酶9(MMP-9)和细胞粘附分子等[2--23]的转录表达，它们参与脑缺血后的神经损伤、血脑屏障功能的破坏及炎症反应，由此对凋亡进行调控。NF-κB的激活可以调节细胞内的氧化还原状态[24]。Ca2+超载与氧化应激就有密不可分的关系，由此可以猜测内质网超负荷反应和细胞内氧化应激有一定关系。

3 Ca2+超载引起神经细胞凋亡的核酸内切酶途径

DNA断裂是凋亡的标志，这一过程离不开Endo G。Tominaga[25]认为，缺血导致细胞内Ca2+浓度升高，升高的Ca2+首先出现在核内，从而激活核酸内切酶引起凋亡。脑缺血后神经细胞发生凋亡时，染色质DNA降解成为约180～200 bp亚单位或其倍数的DNA片段[26]。核酸内切酶降解DNA过程与基因表达有关。文献报道，bcl-2基因家族、ced家族、p53及c-fos、c-jun等原癌基因都对凋亡过程有一定的调控作用[27-28]。上述基因编码的细胞蛋白酶在细胞凋亡时被激活，使caspases激活，再进一步裂解脱氧核糖核酸酶(caspase-activated deoxyribonuclease，CAD)的抑制物ICAD(对应人DFF45)，ICAD降解而使CAD激活，DNA断裂，最终导致细胞凋亡[29]。Chen等[30]发现凋亡过程中的DNA降解是多个核酸内切酶共同作用的结果，所以深入研究核酸内切酶的作用机制将对控制DNA切除修复途径而逆转DNA的损失起到重要的作用。

4 小 结

总之，脑缺血后Ca2+超载引起神经细胞凋亡的机制是多方面的，它可以由多个信号传导通路同时进行的，同时可能在各个通路之间会交叉，所以治疗脑缺血损伤时要注意。对脑缺血机制的研究可以对临床脑缺血的防治起到前瞻性作用，有利于脑缺血损伤的预防及脑缺血疾病的治疗。

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1673-2995(2013)04-0277-03

R363.1

A

1Ca2+超载引起神经细胞凋亡的线粒体途径

吉林省教育厅项目(2012330)；吉林医药学院大学生科研基金项目(201206).

闫晓英(1991-)，女(汉族)，在读本科.

齐 玲(1974-)，女(汉族)，副教授，博士.

2013-05-06)

脑缺血损伤是指脑缺血再恢复血流后所引起的脑组织损伤，即脑缺血-再灌注损伤。缺血-再灌注损伤所导致的神经细胞Ca2+超载是引起神经细胞凋亡的最主要因素。脑缺血后Ca2+进入细胞内增多，清除减少，细胞内出现Ca2+超载，继而触发了一系列反应从而导致细胞发生凋亡。Ca2+超载引起神经细胞凋亡主要通过线粒体途径、内质网途径和核酸内切酶途径。

神经细胞凋亡的机制十分复杂，Ca2+超载通过线粒体途径使凋亡因子释放到胞质中进而启动细胞凋亡。当细胞内Ca2+超载时，线粒体膜的通透性会随之改变，使得线粒体通透孔(mitochondrion permeability transition pore，MPTP)开放[1]。MPTP的开放允许大分子物质通过，这样就导致前凋亡蛋白如细胞色素c(cytochrome C，Cyt c)、黄素蛋白凋亡诱导因子、核酸内切酶及Smac(the second mitochondrial-derived activator of caspase)蛋白等一起释放到细胞质中。Smac是一种可以通过与凋亡抑制蛋白(inhibitors of apoptosis protein，IAP)结合解除其抑制作用，并协助凋亡促进因子(apoptosis protease activating factor-1，Apaf1)促进半胱氨酸蛋白酶(cysteine containing aspirate specific protease，caspase)激活的蛋白质[2]。因此，一方面Cytc与胞质中Apaf-1和caspase-9相互作用形成凋亡小体，激活caspase-9，活化的caspase-9进一步激活caspases，引起凋亡；另一方面，释放到胞质中的Smac通过解除IAP的凋亡抑制促进caspases的级联效应，导致细胞凋亡[3-4]。