脑缺血后神经细胞死亡的机制及其与信号转导的关系
脑缺血后神经细胞死亡的机制及其与信号 转导的关系 年2月第1卷第1期Chin-, 脑缺血后神经细胞死亡的机制及其与 信号转导的关系 耿德勤,徐兴顺 摘要脑缺血后神经细胞可以呈现不同的死亡方式,如坏死,凋亡,或二者兼 有.Necroptosis是新近 发现的一种新的细胞死亡方式,同时具有细胞坏死和凋亡特征.而细胞凋亡的过程 是可以调控的,其 过程涉及BNIP3,聚ADP核糖聚合酶(PARP)和凋亡诱导因子(AIF)等多种信号转 导激酶,应激信号 的强度可能决定神经细胞的死亡方式. 关键词细胞死亡;necroptosis;信号转导 缺血性脑血管病是神经科最常见和多发性疾 病,也是目前致死,致残最多的三大疾病之一 .随着 人口的老龄化,用于缺血性脑血管病治疗和护理的 费用已成为现代社会沉重的经济负担,而其中一个 重要原因是对脑血管病缺乏有效的治疗方法.目前 研究发现,脑缺血后细胞死亡的主要方式包括坏死, 凋亡和necroptosis(图1) “ j.脑缺血后神经细胞以 何种方式死亡取决于缺血的严重程度和持续时间. 传统观念认为,细胞坏死(necrosis)是在严重损伤刺 激下产生的不可调节的细胞快速死亡方式.细胞凋 亡(apoptosis)则是可以调节和挽救的细胞死亡方 式.人们已对细胞坏死和凋亡进行了长期而广泛的 研究,特别是对细胞凋亡的调节途径和信号转导机 制,而最近对另外一种可调节的细胞死亡方式一一 necroptosis目前知之甚少J.Necroptosis的证实为 神经损伤的保护提供了新的靶点.研究和了解 necroptosis的发生机制为缺血性脑血管病的治疗开 拓了一条崭新的思路. 1脑缺血后细胞死亡的方式 了解脑缺血后细胞死亡方式和特征对于探寻有 效的干预治疗方向至关重要.最初的观念认为脑缺 血后的细胞死亡方式基本上都是坏死,而近20年的 研究表明脑缺血后最初数小时内缺血半暗带和梗死 周围区域的神经细胞正经受着短暂的可逆性损伤. 如果没有外界的干预,其中的大部分细胞将进行一 种能量依赖性细胞死亡——细胞凋亡.因此,缺血 后最初数小时神经细胞可逆性损伤为脑梗死的治疗 作者单位:221002徐州医学院附属医院神经内科,江苏省脑病 生物信息重点实验室(徐州医学院) ? 33? ? 综述? 干预提供了 一个机会和时间窗. 神经细胞坏死发生在缺血核心区并随着脑血流 急剧减少而向周边扩展.往往由于急性缺血缺氧和 急剧营养中断导致组织内大量神经细胞坏死.血流 中断或减少造成了细胞摄取葡萄糖的迅速下降而引 起细胞内能量衰竭和ATP急剧下降.ATP急剧下 降影响了 Na 一 KATP酶活性降低和细胞内钠离子 向外转运障碍.细胞内高钠和细胞渗透压失衡引起 细胞摄取水分而肿胀,并伴随着细胞器(如线粒体) 肿胀和核固缩,最终细胞膜被胀破而细胞器漏出细 胞外. 细胞凋亡是一种程序性细胞死亡,可由许多死 亡信号诱导,如缺血后细胞产生的自由基,肿瘤坏死 因子(tumornecrosisfactor,TNF),生长因子缺乏, DNA损伤以及细胞色素C释放.典型的细胞凋 亡形态学和生物化学改变包括:细胞缩小;胞质凝 缩,核糖体,线粒体等聚集,但结构无明显改变;染色 质逐渐凝集在核膜周边,胞膜完整,后期碎裂为凋亡 小体;DNA被核酸内切酶切割,电泳呈梯状条带. 细胞凋亡过程是可以调控的,其过程涉及许多重要 的蛋白,如丝裂原活化蛋白激酶(mitogen—activated proteinkinases.MAPK;包括 ERKJNK 和 P38),胱冬 酶家族蛋白,Bcl-2家族成员,蛋白激酶C,PBK/Akt, 聚 ADP 核糖聚合酶[poly(ADP一ribose)polymerase. PARP]和凋亡诱导因子(apoptosis一inducingfactor, AIF)等.实验研究表明,某些蛋白酶抑制剂可抑 制凋亡的发生.经典的细胞凋亡理论认为,细胞凋 亡有以上典型的形态学和生物化学改变,而且呈胱 冬酶依赖性,凋亡的发生由胱冬酶-3执行.近几年 的研究表明,除典型的细胞凋亡外,还存在着非典型 34?Qo7 生旦筮卷第期 CHJCerebrovascD/s(ElectrVers 图1脑缺血后神经细胞死亡信号转导示意图 脑缺血后释放的兴奋性谷氨酸刺激兴奋性毒性谷氨酸受体(如NMDA受体),随后 产生钙离子内流.钙离子内流激活多种细胞内钙敏感 蛋白酶,如神经元型一氧化氮合酶(nNOS)和钙/钙调素依赖性激酶(CaMKs).氧自 由基引起的氧化应激导致细胞膜,蛋白和DNA损伤.丝裂 原活化蛋白激酶(MAPK)包括细胞外信号调节激酶(ERK),c-JmN-末端激酶(JNK) 和1)38调节外界应激产生的细胞内信号转导.应激信号 的强弱决定了细胞的死亡方式:坏死,凋亡,还是necroptosis 的非胱冬酶依赖性细胞死亡,如PARP — 1和AIF介导 的类坏死样程序性细胞死亡_7母 最近,Degterev等在不同的细胞株中发现了一 种新的死亡方式并命名为necroptosis_2J.之所以命 名为necroptosis,是因为这种细胞死亡同时具有细 胞坏死和凋亡的特征.在胱冬酶抑制剂存在的情况 TJukat和MEF细胞与死亡诱导剂TNF—0L或Fas配 体孵育一定时间后,就会出现这种形态学像坏死的 necroptosis,细胞体肿胀,胞核固缩.这种死亡方式 被命名为necroptosis,是因为necroptosis是可以调控 的.目前还不清楚necroptosis是不是一种坏死.如 果是坏死的一种,坏死的定义将被重新改写,像凋亡 样,坏死也是可以调控的.如果不是,necroptosis 将是除凋亡之外的另一种重要的程序性细胞死亡, 还是以前所声称的非胱冬酶依赖性细胞凋亡的一 种,这有待进一步研究. 哈佛大学医学院的袁均英和她的研究小组从 15000种药物中筛选出了一种抑制这种细胞死亡 的特异性抑制剂necrostatin-1 .这种小分子能阻断 necroptosis的发生,但对细胞凋亡没有任何抑制作 用.更为重要的是,他们利用缺血性脑损伤小鼠模 型发现necrostatin-1可明显缩小梗死体积.而这种 保护直至在缺血后数小时仍然起作用.他们的研究 表明,这种死亡方式在缺血性脑损伤中并起着重要 作用.而先前的研究发现的奇怪的非凋亡性程序性 细胞死亡也支持了这一点.虽然有关有坏死特征的 非胱冬酶依赖性程序性细胞死亡的报道越来越多, 但是一直没有合适的工具药物来研究这种细胞死 亡,Necroptosis的明确提出和nccrostatin-1的发现 为神经保护治疗提供了新的方向和重要研究手段. !生箍 1 卷第 1 期 6“h/nJCembcova~cD/s(E/ectrVers Necroptosis的发生机制将是目前研究的主要方向. 2B3介导的细胞死亡 BNIP3属于Bcl-2家族成员.因只有一个BH3 结构域,又归到Bcl-2家族BI-I3.only蛋白亚族.越 来越多的证据表明,BNIP3介导了一种非胱冬酶依 赖性细胞