线粒体通路与缺血性脑血管病中神经细胞凋亡的关系The relationship between mitochondrial pathway and nerve cell apoptosis of ischemic cerebrovascular disease

邹荣军，梁祖凤，马腾飞，唐新宇，吕 红综述，田 晶，齐 玲审校 (吉林医药学院:.0级临床本科班，.0级预防医学本科班，3.生理教研室，.病理教研室，吉林 吉林 303)

缺血性脑血管疾病因其发病率、致残率和致死率高，与心脏病和恶性肿瘤一同构成了人类最常见的三大致死性疾病。近年来，缺血性脑血管疾病的发病率各年龄层中均呈不断增长趋势。在脑缺血疾病中神经细胞凋亡后所引起的脑损伤发挥着重要的作用，这是缺血性脑损伤的重要发病机制之一[1-2]。神经细胞凋亡是指在某些生理或病理因素的刺激下，细胞膜信号转导系统被激活，进而启动相关凋亡调控因子，最终导致细胞死亡的过程。神经细胞凋亡是由凋亡因素的激活和抗凋亡因素的抑制两方面来共同决定的。而线粒体作为重要的能量供应器，在凋亡过程中发挥了重要的作用[3]。

1 神经细胞凋亡与缺血性脑血管病

神经细胞凋亡是一个程序性细胞死亡的过程，主要经历了3个时期[4]：第一个时期是起始期，靶细胞接受死亡指令，开始启动相关因子，同时抑制某些因子从而发动程序性死亡；第二个时期是整合期，细胞内出现一系列的形态和生化变化，如核凝集、胞体缩小、染色体DNA降解、形成DNA小片段等；第三个时期是执行期，形成的凋亡小体被周围组织的吞噬细胞消化吞噬，完成了整个凋亡过程。神经细胞的凋亡有其特定的通路，其中主要包括死亡受体介导通路、线粒体通路和内质网通路[5]。

大量学者通过实验已经证实了神经细胞凋亡与脑缺血性脑血管病发生发展呈密切相关。如Jadas V等[6]通过对30名新生儿脑病的儿童进行MRI检测，发现这群儿童的大脑实质均有组织细胞凋亡的迹象，猜想这可能与胎儿期脐带缠绕或是药物作用导致胎儿脑组织缺血缺氧而发生神经细胞凋亡有关。Yu Ji Hea等[7]通过对脑血管病变损伤引起的缺血性脑病的大鼠注射促红细胞生成素和粒细胞集落刺激因子后，发现通过改善神经细胞氧利用和摄取能力，可以抵抗神经细胞的凋亡，对于缺血性脑病可以发挥一定的治疗作用。Mehta等[8]研究发现，当脑组织发生缺血损伤后，缺血中心区细胞主要以坏死为主，缺血周围区细胞则以凋亡为主。

细胞一旦发生坏死是难以逆转的，但凋亡是可以通过上游信号调节进行干预的，因此，脑缺血的治疗策略正是以减少凋亡细胞数目和保护神经细胞的活性为目标。

2 线粒体通路的研究进展

线粒体通路是细胞凋亡的一条重要途径。当各种损伤因子使线粒体正常的结构受到破坏，线粒体出现肿胀变形，嵴弯曲，膜破裂、减少或缺损，基质外流后导致某些凋亡蛋白释放，进而激活下游的凋亡调控因子，细胞发生凋亡。研究发现，线粒体通路引起凋亡的发生主要与B细胞淋巴瘤蛋白-2(B cell lymphoma-2，Bcl-2)家族促凋亡蛋白增多[9-10]、线粒体通透性转换孔(mitochondrial permeablity pore，MPTP)开放、半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶(cysteinyl asparate specific proteinase，caspase)激活等因素有关。

2.1 Bcl-2家族促凋亡蛋白

Bcl-2家族是目前最受关注的凋亡相关蛋白家族，可分为抗凋亡成员和促凋亡成员。抗凋亡成员包括Bcl-2、Bcl-xl、bfl-1/Al等，它们主要作用于线粒体外膜、内质网和核膜；促凋亡成员主要包括Bax、Bak和Bad等，主要是抵消抗凋亡蛋白所形成的异源二聚体阻止细胞色素C(cytochrome C，Cyt C)释放的作用，间接促进凋亡[11]。Bcl-2和Bax在细胞内组成了一个平衡体系，共同受凋亡因子的调控。Bax增高可以促进细胞凋亡，Bcl-2增高则抑制细胞凋亡。同时Bax和Bcl-2相互作用既可以形成同源二聚体，也可以形成异源二聚体；当形成同源二聚体时可阻止MPTP的开放。

在正常生理情况下，细胞通过表达Bcl-2来介导细胞核内谷胱甘肽的聚集，抵消细胞内损伤因子的氧化刺激，改变了细胞核内氧化还原反应系统的平衡；同时也作用于线粒体膜，使膜稳定、防止促凋亡相关蛋白释放，阻断Ca2+从内质网释放而对细胞起一定保护作用[12]。在神经细胞中，当有凋亡因素的诱导作用时，Bax就会从胞液迁移至线粒体外膜，与Bcl-2形成异源二聚体从而介导线粒体外膜形成孔道，使氧自由基增多、Ca2+超载、CytC等凋亡蛋白释放从，而介导细胞凋亡的发生[13]。

2.2 MPTP的开放

线粒体膜通透性主要受MPTP的开放与关闭来控制[14]。MPTP是由位于线粒体内膜的腺嘌呤核苷酸转位子(adenine nucleotide translocator，ANT)和位于外膜的电压依赖性阴离子通道(voltage-dependent anion channel，VDAC)组成。其中VDAC是线粒体进行ATP、ADP等物质交换的重要通道，表面有许多蛋白酶、凋亡相关蛋白的受体，如Bax、Bcl-2、Bcl-xl等；ANT主要感受线粒体基质内氧自由基、Ca2+浓度、pH等的刺激，同时在其侧面还有具有折叠酶活性的重组人亲环素D(HumanCyclophilin-D，CypD)。

在正常生理状况下，MPTP受Bcl-2为主的抗凋亡蛋白和Bax为主的促凋亡蛋白的共同调节。当Bax与线粒体膜上的Bcl-2结合后形成同源二聚体，主要作用于VADC以阻止MPTP的开放；当细胞受到损伤刺激后将会出现一系列的病理改变。一方面，线粒体可通过呼吸链生成大量氧自由基，直接作用于线粒体内膜使膜电位降低，CypD发挥折叠效应使蛋白折叠并聚集于亲水面，这种蛋白的折叠聚集主要是为了控制溶质分子穿入线粒体膜。在损伤程度轻时这种以CypD为主的折叠蛋白形成的复合物尚能够维持MPTP孔处于关闭状态，当Ca2+浓度达到一定阈值后，线粒体孔道开放，导致线粒体嵴破裂、肿胀变大、CytC释放，这是线粒体可控性开放；但是当有高浓度的诱导物直接刺激作用时，MPTP孔会直接打开进入不可控性开放，而且这个过程不受Ca2+的调控[15-16]。另一方面，Bid、Bad等促凋亡蛋白在达到一定浓度阈值时能直接或间接诱导Bax、Bak发生构象变化，通过暴露跨膜阈而易位到线粒体外膜上并在外膜上聚集形成脂质孔，使MPTP开放异常、通透性增加、线粒体膨胀[17-18]。最终导致CytC、凋亡诱导因子(Apoptosis-inducing factor，AIF)等的释放，之后激活caspase-9[19-20]，并在ATP作用下聚集结合形成凋亡复合物，最终激活caspase-3引起caspase级联反应，细胞凋亡发生[21-24]。

2.3 半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶家族蛋白

caspases是直接引起细胞凋亡的蛋白酶系统，在凋亡路径中发挥了重要作用。目前已发现有14个Caspase家族成员，其中caspase-3、caspase-8及caspase-9是凋亡通路上的三个关键因子。caspase-3能够特异性地裂解天冬氨酸残基后的肽键，参与凋亡信号的转导；在caspases“级联效应”中位于下游，是凋亡信号转导途径中最关键的执行者[25]。

当细胞受到损伤刺激后，细胞内的caspase-8、caspase-9前体被激活从而激活了caspase-3前体，随之细胞进入caspase级联反应，凋亡发生。体外实验发现，通过调节caspase-9能激活所有的caspase家族成员[26-27]。由于xcaspase-3在细胞凋亡中地位的重要和特殊，在实验研究当中常常将caspase-3作为细胞凋亡的标记[4]。在研究线粒体凋亡通路时将caspase-3和caspase-9共同作为标记物则更有意义。

3 线粒体通路与神经细胞凋亡密切相关

线粒体是真核细胞内重要的双膜细胞器，其内膜和外膜系统将线粒体分为四部分，即外膜、内膜、膜间隙和基质。这四部分一方面通过氧化磷酸化等代谢途径为细胞提供ATP；另一方面参与启动凋亡，特别是膜间隙中的某些蛋白，如Cyt C、 脱氧核糖核酸酶、核酸内切酶G和AIF等。

大量研究发现，线粒体损伤后激活线粒体凋亡传导通路在神经细胞凋亡中发挥了重要的作用。线粒体损伤在脑缺血疾病中体现的特别明显，比如张洁[28]通过对大鼠行双侧颈总动脉反复结扎并降压4周后建立血管性痴呆模型，发现脑内线粒体出现明显的肿胀、破坏。袁燕[29]通过取大鼠大脑皮质神经细胞培养，并给予一定剂量的镉使其对皮质神经细胞产生毒性损伤，发现在凋亡过程中神经细胞线粒体肿胀变形，嵴弯曲变形，膜发生破裂、减少或缺损，基质外流，并且线粒体参与了大脑皮质神经细胞的凋亡。冯金洲[30]在实验中建立了小鼠实验性自身免疫脑脊髓炎模型，通过电镜观察发现其脊髓神经元内线粒体出现明显肿胀、空泡样变甚至溶解等；发现线粒体通过非免疫损伤机制参与细胞的凋亡过程。而李妍[31]在证实锰对多巴胺神经元毒性作用的过程中发现，其主要的损伤机制是其阻碍线粒体的电子传递链，使其自氧化而进入凋亡过程。

通过保护神经细胞线粒体的功能和结构，就能发挥抗神经元凋亡的作用。研究发现，银杏内酯、白附子提取物、三七总皂苷等通过直接清除氧自由基，保护神经细胞的线粒体可以发挥直接抗凋亡的作用[32-34]。海风藤和姜黄素等可以通过稳定线粒体膜电位，保护线粒体结构而起到抗凋亡的作用[35-36]。山楂叶总黄酮和黄芪等通过抑制一系列酶的活性而减少细胞色素C的释放来保护神经细胞[37-38]。

由此可见治疗和预防缺血性脑损伤疾病的发生中，保护线粒体结构和功能的稳定来抗神经细胞凋亡是我们进行实验研究和药物作用的重要靶点。

4 展 望

综上所述，神经细胞凋亡与缺血性脑损伤疾病发生密切相关，在凋亡发生过程中线粒体凋亡传导通路的激活是凋亡发生的重要原因。通过对线粒体通路的研究可以加深我们对神经细胞凋亡的认识，对缺血性脑损伤疾病的原因有更好的了解，更重要的是可为临床治疗及预防提供重要的理论基础。随着分子手段和基因治疗的发展，我们相信在未来的某一天这类缺血性脑损伤疾病的治愈率将能大大提高。

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