XIAP、Smac的研究进展

蔡增琰，潘亚文，尚银武，汪生宝，张文佳

恶性肿瘤的发生发展是多因素、多步骤联合作用的结果。细胞凋亡是由一系列酶参与、由基因控制的一个主动的、高度有序的死亡过程，维持机体内环境的相对稳定。凋亡逃避是引起恶性肿瘤发生的原因之一，细胞凋亡的减少引起细胞增殖与细胞凋亡之间平衡的失调，导致大量细胞堆积，细胞周期延长。有大量研究证实，细胞凋亡在恶性肿瘤的发生、发展和耐药等方面发挥重要作用。X连锁凋亡抑制蛋白(X-linked inhibitor of apoptosis protein, XIAP )是凋亡抑制蛋白家族的一员，能够阻断Caspase(cysteinyl aspartate specific proteinase，含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶)诱导的细胞凋亡，而半胱氨酸蛋白酶的第二个线粒体激活因子(the second mitochodria-derived activator of caspase, Smac)是一种内源性线粒体促凋亡蛋白，能特异性结合并抑制凋亡抑制蛋白(inhibitor of apoptosis proteins, IAPs)，从而促进细胞凋亡。二者相互作用，共同维持细胞的凋亡水平。

1 XIAP与Smac的分子结构

1.1 XIAP的分子结构 IAPs是一类在结构上具有同源性的抑制细胞内源性凋亡的蛋白家族，参与调控有丝分裂、细胞周期、细胞凋亡及多种信号的传导，其过度表达与肿瘤的发生、发展、放化疗抵抗和预后密切相关[1]。IAPs是细胞凋亡过程中关键的调控者。在人类，目前发现的成员包括XIAP、NAIP、cIAP1、cIAP2、ILP2、Apollon、Livin和Survivin 8种[2]。IAPs通过抑制Caspase的活性而抑制细胞凋亡[2-3]。XIAP是由 Rajcan-Separovic等于1996年鉴定出来的。XIAP 基因定位于X染色体q24-25上，cDNA全长2 540 bp，N端主要有3个杆状病毒IAP重复序列BIR1～BIR3，C端主要有一个RING锌指样结构域，具有E3泛素连接酶活性。BIR结构域和RING锌指结构域是IAP家族成员的共有结构，也是XIAP抗调亡的重要结构。

1.2 Smac的分子结构 Smac是2000年Wang实验小组首次报道从Hela细胞中分离出的一种新的线粒体膜间蛋白。Smac基因全长约1.49KB，位于q12上，由7个外显子构成，初始编码的蛋白含有239个氨基酸；线粒体定位序列(MTS)位于Smac氨基末端，由 55 个氨基酸残基构成，含有MTS的Smac是前体分子。MTS能使Smac定位于线粒体，在进入线粒体后，Smac 经过剪切脱离MTS，形成含有184 个氨基酸的成熟Smac。Smac以二聚体的形式存在于线粒体膜间隙，当释放入胞质时发挥促凋亡作用。Smac有单体和二聚体两种形态，单体Smac无促凋亡功能，成熟的Smac是以二聚体的形式存在，两个单体通过H1与H2之间的疏水区相连构成拱形结构，此结构形成后非常稳定。Smac的氨基N端有4个氨基酸残基(ala-val-pro-ile，AVPI)，是Smac移入线粒体其MTS被剪切后形成的，它能与BIR3和BIR2序列结合。AVPI是Smac发挥凋亡作用所必需的。

2 XIAP和Smac的表达和其在凋亡过程中的作用及相互关系

2.1 细胞凋亡的主要途径 细胞凋亡由复杂的调控网络严格控制，失去控制的凋亡会引起病理改变(如肿瘤的形成)和在肿瘤治疗中引起放化疗抵抗。细胞凋亡主要由2种途径引起，一种是内在途径或线粒体途径，另一种是外在途径或死亡受体途径[4-5]。这两种途径都导致Caspase激活，按Caspase在调亡过程中的功能分为启动酶和效应酶。启动酶有Caspase-2、8、9、10，效应酶有Caspase-3、6、7。在线粒体通路中，细胞受到多种凋亡信号刺激后，Smac的MTS被切除，与细胞色素C(Cyt C)共同释放入细胞质。Cyt C是一个线粒体起源普遍存在的细胞凋亡信号分子，其从线粒体释放是细胞凋亡的关键步骤。Cyt C与凋亡相关因子1(Apaf-1)结合后能激活Caspase-9，被激活的Caspase-9能激活Caspase-3，从而诱导细胞凋亡[5]。Smac与IAPs特异的结合，破坏IAPs的活性，去除IAPs对下游Caspases家族的抑制效应，进而促进细胞凋亡。死亡受体途径中，死亡受体与其配体结合后将导致受体聚合，同时与特异的接头蛋白相聚集，并在接头蛋白的作用下使Caspase-8聚集，形成大分子复合物凋亡酶体。Caspase-8通过自身的切割作用激活，继而再切割激活Caspase-3，从而引发调亡。由此可见，Caspase-3是Caspase家族中最重要的调亡执行者之一。在蛋自酶级联切割过程中，Caspase-3处于核心位置，发挥着非常重要的作用，被认为是各种调亡刺激因子激活Caspase家族中的关键蛋白酶。

2.2 XIAP的表达和抑制凋亡作用 XIAP在许多恶性肿瘤中过度表达，在正常组织中低表达[6]，它促进肿瘤的侵袭、转移、生长和决定肿瘤细胞命运。XIAP是惟一能够同时抑制起始阶段和效应阶段的凋亡抑制蛋白，XIAP的BIR2及BIR2前的连接区参与抑制Caspase-3和Caspase-7的活性，BIR3结构能结合并抑制Caspase-9的活性。XIAP不仅通过抑制启动性Caspase-9在上游阻止Caspase-3的激活，而且通过抑制效应性Caspase-3和Caspase-7来阻止凋亡通路的下游途径，从而使细胞免于各种刺激所导致的凋亡[7]。其C端RING锌指样结构域具有E3泛素连接酶活性，可以通过泛素化来降解XIAP，具有自身调节作用，也可以使底物Caspase泛素化来抑制凋亡[8]。

2.3 Smac的表达和促凋亡作用 Smac在人类睾丸中表达最高,在心脏、肝、肾、脾、前列腺、卵巢中次之,在脑、肺、胸腺和外周血淋巴细胞中表达最低。Smac 蛋白促凋亡作用主要通过内源性凋亡通路，即线粒体途径发挥作用。在一些外界条件下如物理、化学或细胞毒药物等刺激作用下，Smac进入线粒体，通过AVPI与IAPs表面的BIR2和BIR3结合，Smac与Caspase竞争结合IAPs,去除IAPs对下游Caspases家族的抑制效应，从而促进细胞凋亡。Smac可以通过诱导procaspase-3的活性及增加成熟Caspase-3的酶活性促进凋亡，Smac还可以激活Bax，进而促进细胞凋亡[9]。有研究表明在不同的肿瘤细胞中Smac低表达是对化疗药物产生耐药性的原因之一[10]。Zeng等[11]通过 RNA 干扰方法抑制非小细胞肺癌中Smac的表达，可促进肺癌细胞的生长和对顺铂的耐受性。而Smac及其类似物均可以提高细胞对调亡信号的敏感性[10,12]。由此可见，Smac在肿瘤的发生和发展以及化疗过程中具有重要作用。

2.4 XIAP与Smac的相互关系 XIAP是IAPs家族的一员，是唯一能同时抑制起始阶段和效应阶段的凋亡抑制蛋白，其生物功能的多样性对Fas和Caspase诱发的内源和外源细胞调亡过程有明显的抑制效应，继而阻止细胞程序性死亡[13]。而Smac能够同时抑制多个IAPs家族成员的活性，阻断IAPs对Caspase的抑制效应，进而促进细胞凋亡。Smac对核因子-κB(nudear factor kappa B，NF-κB)活性的间接抑制作用，可以进一步阻止继发性炎症介质的释放而形成级联放大瀑布效应，降低炎性反应，从而影响肿瘤细胞的坏死与转移机制。XIAP作为NF-κB的激活子，使其移位到核内，导致相应的具有抑制细胞调亡基因表达，从而通过NF-κB抑制细胞凋亡[14]。XIAP可通过自身泛素化而降解[8]，而过表达的XIAP可以选择性减少和抑制Smac的释放[15]，二者相互调控，相互制约，共同维持细胞的凋亡水平。

3 Smac及其衍生物的临床作用

细胞凋亡是细胞毒性化疗药物作用的主要机理，如果细胞存在凋亡缺陷，那么就会对该化疗药物产生抵抗。Smac在细胞凋亡中起着重要的作用。在不同类型的肿瘤细胞中过度表达Smac或使用化学合成的Smac小分子衍生物都能加强化疗和放疗诱导的细胞凋亡[10, 16- 17]。最近有较多研究证实：Smac的小分子衍生物通过不同机制来使IAPs降解或泛素化来杀死肿瘤细胞[10, 18-19]。Xu等[10]研究表明在食管鳞状细胞癌的治疗中，Smac小分子衍生物在顺铂诱导的细胞凋亡中起重要作用。Petrucci等[20]研究表明Smac小分子衍生物和抗癌药物合用可以明显诱导卵巢癌细胞的凋亡。Emeagi等[21]研究证明Smac小分子衍生物能引起肿瘤细胞中的炎性细胞死亡，进而激活相适应的抗肿瘤免疫反应。以上研究都说明Smac及其衍生物可以成为抗肿瘤治疗的新方案，结合传统的化疗药物会起到较好的治疗效果，尤其是对存在凋亡缺陷的肿瘤。

4 结语与展望

XIAP和Smac在肿瘤的发生、发展、耐药中起到重要作用，XIAP通过抑制起始和效应性Caspase来阻止细胞凋亡，Smac可阻断多个IAPs家族成员对Caspase的抑制作用，通过多种途径来促进细胞凋亡，二者相互制约。因此，有效增加胞浆内Smac和减少IAPs的含量可以增加肿瘤对放化疗的敏感性，尤其是对存在凋亡缺陷的肿瘤，能有效杀死肿瘤细胞。在某些肿瘤中Smac和XIAP的表达水平与肿瘤的恶性程度及预后有关，可以对肿瘤的早期诊断、预后及个体化分子靶向治疗提供帮助。Smac小分子衍生物已经成为目前研究热点，并取得了一定效果，进一步研究Smac与XIAP在细胞凋亡中的作用机制及相互关系将会使它们有可能成为肿瘤治疗的潜在靶点。

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