辐射致组织损伤凋亡机制的研究概况

杨 宏，倪 敏，赵心彬，陶 霞 (第二军医大学附属长征医院药学部，上海 200003)

1 背景

辐射是指具有能量的粒子或波通过媒介在空间传导的过程，按照辐射与常见化学物质的相互作用，辐射通常分为电离辐射与非电离辐射。人们常说的辐射是指电离辐射，它能将电子从外壳剥离，使原子整体带正电[1]。整体而言，能量大于10 eV(electric volta，电子伏特)的光子与粒子具有上述电离能力(如α射线、β射线、宇宙射线、γ射线与X射线)。电离辐射对生物体的损伤主要体现在对细胞的损伤上，胞内DNA尤其易受损伤，这也是辐射致癌的原因。研究辐射时最常用的单位为：吸收剂量(absorbed dose)，其物理意义是单位质量物质接收电离辐射的平均能量(国际基本单位：戈瑞，Gy)。

电离辐射可诱导细胞凋亡。凋亡(apoptosis)也称为固缩坏死或程序性细胞死亡(programmed cell death)，是由基因介导的一系列生化反应，细胞依靠它来主动引起自身的破坏。凋亡的细胞通常会核固缩、质膜发泡、细胞器紧缩，形成凋亡小体，进而被邻近实质性细胞或吞噬细胞吞噬[2]。辐射诱导的凋亡大致可分为3个阶段：① 引发性刺激：对于辐射诱导的凋亡而言，最初刺激元件是通过作用于细胞表面受体，进而作用于DNA分子或其他非核靶点。② 滞后阶段的调节：在辐射和细胞凋亡之间存在一个滞后阶段。③死亡反应：细胞开始发生一系列特征性生物形态学的改变以及生物化学变化。

2 辐射致凋亡的机制

辐射致组织损伤的凋亡机制常被认为与DNA损伤与神经酰胺有关(图1)。辐射因其电离能力可使生物体产生自由基，从而造成DNA损伤。DNA损伤可激活p53致凋亡通路，也可激活聚ADP核糖基聚合酶(PARP)抑制凋亡；同时也能激活神经酰胺合酶(ceramide synthase)，产生神经酰胺。辐射还能作用于膜上，产生膜变构(membrane alteration)，进而激活酸性鞘磷脂酶(acid sphingomyelinase)，分解鞘磷脂产生神经酰胺(鞘磷脂通路，sphingomyeline pathway)。神经酰胺作为第二信使激活p38等促凋亡通路。

2.1DNA损伤

2.1.1自由基 电离辐射照射生物体，可诱发DNA链断裂，染色体异常、变异和细胞凋亡。已有足够证据表明：细胞核及其核内DNA，是辐射致损伤的主要靶点。普遍认为DNA双链断裂(DSBs)是电离辐射所造成的最严重DNA损伤类型[3]。Slade等[4]的研究表明，名为Deinococcusradiodurans的菌能耐受高剂量的辐射，同时可耐受高浓度的活性氧(reactive oxygen species, ROS)。在该菌的基因组受到高达2 000 UDSB的情况下，仍不造成致命的蛋白损伤，从而间接证明了活性氧自由基与辐射损伤的关系。其他研究[5-8]通过皮肤纤维化的产生、细胞外基质分子(如胶原蛋白)证明了ROS在辐射损伤方面的重要性。

图1 辐射致组织损伤的凋亡机制示意图

2.1.2PARP 聚ADP核糖聚合酶 [poly (ADP-ribose) polymerase, PARP]是一类主要与DNA修复与凋亡相关细胞应激反应有关的蛋白。PARP包含4个重要的结构域：DNA结合域，半胱氨酸蛋白酶(caspase)切割域，自修饰域和催化域。PARP被激活的机制为：发生DNA的单链断裂时，断裂的DNA链与PARP上的DNA结合域结合，引发PARP上各结构域发生构象变化，开始合成聚ADP核糖链，PAR链可作为其他DNA修复酶的信使，修复完成时PAR链降解。DNA结合域包含2个锌指结构模块(zinc finger motifs)。其在辐射方面的应用主要在于，PARP抑制剂作为化疗联用药以增加癌细胞选择性，并改善预后。Mueller等[9]在辐照治疗的同时给予PARP抑制剂MK-4827，有效地抑制了成神经细胞瘤的生长。其他最新研究[10，11]也阐述了PARP抑制剂在辐射方面的重要作用。

2.1.3P53蛋白 被称为protein 53或者肿瘤蛋白(tumor protein) 53，是由p53基因编码的抑癌蛋白。P53蛋白对多种器官都可调控细胞周期，从而起到抑癌作用。p53基因因其阻止基因突变，保存稳定性，被称为“基因的守护者”。向已失去内源性p53功能的细胞中注入野生型P53蛋白，能诱导细胞发生凋亡[12]。p53通路是辐射致凋亡通路中最为人们所接受的机制[13]。Burger等[14]考察了生殖细胞肿瘤细胞(testicular germ cell tumors，TGCTs)的辐射凋亡过程中p53的表达，证明了p53在辐射凋亡中起到的重要作用。Wakatsuki等[15]利用p53的肿瘤抑制基因家族的P73蛋白与P53蛋白的类似性，发现了它可以替代P53蛋白缺失后的功能恢复，从侧面证明了P53蛋白在辐射致凋亡过程中的重要性。

2.2神经酰胺

2.2.1 神经酰胺 神经酰胺是普遍存在的、进化保留的信号转导系统第二信使，主要以下列3种方式参与辐射致凋亡的调控：①辐射直接作用于数种细胞的质膜，激活酸性鞘磷脂酶，通过酶水解鞘磷脂产生神经酰胺。神经酰胺作为第二信使通过线粒体系统启动凋亡反应。②辐射诱导的DNA损伤通过激活线粒体神经酰胺合酶启动神经酰胺合成或再生。③一些细胞、组织中，神经酰胺可激活下游凋亡蛋白BAX，通过线粒体细胞色素，调节凋亡过程。Deng等[16]利用线虫菌株证明了神经酰胺在辐射致凋亡机制中的重要作用。Adria等[17]利用牛主动脉内皮细胞(bovine aortic endothelial cells)证明了鞘磷脂代谢途径通过TNF-α对凋亡的重要作用。Rotolo等[18]的研究表明神经酰胺的抗体能够减轻小鼠辐射所致的胃肠道损伤。Kolesnick等[19]的研究也证明神经酰胺在辐射致凋亡机制中起到重要作用。

2.2.2P38蛋白 P38蛋白是丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)，因其与细胞应激因子有关，故被称为应激MAPK。Niaudet 等[20]利用微血管内皮细胞HMEC1证明了P38蛋白在膜变构的神经酰胺凋亡通路中起重要作用。P38蛋白起作用的方式与其他分子靶点不同，并非独立影响最终的细胞行为，需要借助神经酰胺代谢通路[21]。Blirando K等[22]在肥大细胞上检测到了辐射诱导的P38蛋白相关激酶的表达，进一步证明了P38蛋白在辐射致损伤凋亡机制中的重要作用。

3 总结

综上所述，辐射可产生自由基，造成DNA损伤，从而激活p53基因致凋亡通路，也可激活PARP抑制凋亡；同时辐射也能激活神经酰胺合酶，产生神经酰胺。另外辐射也能够作用于膜上，产生膜变构，进而激活酸性鞘磷脂酶，分解鞘磷脂产生神经酰胺(鞘磷脂通路)。神经酰胺作为第二信使激活p38基因等促凋亡通路。对辐射致组织损伤凋亡机制的探讨不仅有助于加深对辐射的了解，还对抗辐射方面药物的研发产生深远的意义。

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