鈣離子在調(diào)控細胞凋亡和細胞遷移中的作用綜述

鈣離子在調(diào)控細胞凋亡和細胞遷移中的作

用綜述中國農(nóng)業(yè)大學植生071薛永銘0702040118摘要鈣離子對生命活動具有重要作用。本文集中討論鈣離子在細胞凋亡與遷移的調(diào)控中所扮演的重要角色。亞細胞區(qū)室內(nèi)鈣離子分布的微妙變化可以有效地正調(diào)控或負調(diào)控細胞凋亡，這是鈣離子參與四條信號通路來調(diào)控細胞凋亡的基礎。程和平教授研究組最近發(fā)現(xiàn)鈣閃爍在細胞定向遷移中的作用，對細胞遷移的研究有重要作用。關鍵詞鈣離子信號通路細胞凋亡Caspase（半胱天冬酶）細胞遷移鈣閃爍一、鈣離子對生命活動具有重要作用。鈣離子對多項生命活動具有重要作用。在動物生理的教科書中對其主要生理功能進行了總結：鈣離子是凝血因子，參與凝血過程；參與肌肉（包括骨骼肌、平滑肌）收縮過程（內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)鈣庫的釋放）；參與神經(jīng)遞質(zhì)合成與釋放、激素合成與分泌；是骨骼構成的重要物質(zhì)。這些重要生理功能已經(jīng)有了幾十年的研究基礎，然而近些年的研究卻揭示了鈣離子在細胞凋亡與遷移的調(diào)控中所扮演的重要角色，使人們得以鈣離子的生理功能，所以我認為集中筆墨將這兩個方面進行介紹也是很有意義的。二、鈣離子參與四條主要的凋亡信號通路。長期研究表明，亞細胞區(qū)室內(nèi)鈣離子分布的微妙變化可以有效地正調(diào)控或負調(diào)控細胞凋亡，因此鈣離子扮演著細胞生存的捍衛(wèi)者或是無情的死刑執(zhí)行者的雙重角色。近年來，研究者發(fā)現(xiàn)并總結出了引起哺乳動物細胞凋亡的四條信號通路：外部

通路（死亡受體通路）、內(nèi)部通路（線粒體通路）、依賴Caspase-2的通路、不依賴于Caspase的通路（GrA介導通路）。四條通路圖示見圖1。Extrinsic(receptor-mediated)Intrinsic(mitochondria-mediated)Caspase-2-dependentCaspase-independent(perforin/GrA-mediated)Deathligandf、、ApoptosomExtrinsic(receptor-mediated)Intrinsic(mitochondria-mediated)Caspase-2-dependentCaspase-independent(perforin/GrA-mediated)Deathligandf、、ApoptosomGMD/NM23-H1——DeathreceptorTypeIIcellsCytochromeGAAD/

NM23-H1DNAfragmentation圖1引發(fā)哺乳動物細胞凋亡的四條信號通路。（引自StenOrreniusetal.,2003）鈣離子與死亡受體通路死亡受體（DR）通路是目前研究最多最清楚的凋亡誘導機制。死亡受體包括Fas、TRAILR2、TRAILR1等，都屬于腫瘤壞死因子受體超家族。以Fas為例，F(xiàn)as觸發(fā)的凋亡機制是通過升高鈣離子濃度來實現(xiàn)的。鈣結合蛋白對內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)鈣離子變化非常敏感，與Fas結合后使鈣離子內(nèi)流，啟動細胞凋亡，激活Caspase-8。在I型細胞中，Caspase-8激活Caspase-3，而Caspase-3是細胞凋亡的直接執(zhí)行者之一；在II型細胞中，Caspase-8剪切Bid蛋白，而后依賴線粒體通路誘導凋亡。鈣離子與線粒體通路線粒體是胞內(nèi)重要的鈣庫，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與線粒體之間的鈣離子交流對細胞命運有深刻地影響。在一些刺激作用下，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)將其儲存的鈣離子釋放，然后線粒體攝取鈣離子，引起鈣離子超載，導致線粒體的損傷。線粒體的損傷會導致細胞色素c的釋放，引發(fā)凋亡體（apoptosome）的形成，apoptosome激活Caspase-9，Caspase-9又激活了細胞凋亡的直接執(zhí)行者Caspase-3,誘導了細胞凋亡。線粒體通透孔的開放使

得膜電位下降，這是鈣離子內(nèi)流從而啟動細胞凋亡的原因。該通路的重要調(diào)控子Bcl-2家族成員，就是通過調(diào)節(jié)鈣離子在線粒體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)之間的交流，從而起到對線粒體凋亡通路的調(diào)控作用。PERSPECTIVESArachidonicacidOxidativestressCeramideacidOxidativestressCeramideCBax-/Bak-+SERCADeathacidOxidativestressCeramideBax-/Bak-+mitoBaxDeath圖2鈣離子參與細胞凋亡的線粒體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)途徑的機制。（引自NicolasDemaurexPERSPECTIVESArachidonicacidOxidativestressCeramideacidOxidativestressCeramideCBax-/Bak-+SERCADeathacidOxidativestressCeramideBax-/Bak-+mitoBaxDeath這條通路的發(fā)現(xiàn)對比其他3條來說比較晚，它是由絲氨酸蛋白酶GrA介導的。GrA必須依賴鈣離子和穿孔素（perforin）才能進入靶細胞的細胞質(zhì)中，切割內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的蛋白SET、HMG2和Ape1等，導致了GAAD（一個DNA內(nèi)切酶）的釋放與活化。活化的GAAD轉移進入細胞核，引發(fā)DNA斷裂，誘導凋亡。鈣離子與依賴Caspase-2的通路DNA損傷導致Caspase-2的活化。Caspase-2可刺激線粒體細胞色素c的釋放和多個效應caspase的活化，而后引發(fā)細胞凋亡。這個過程也是需要鈣離子參與的。

CONTROLOFCELL

FUNCTION1P3-generating

stimuliAPOPTOT1CPATHWAYSceramidestaurosporine1P3-generatingStimuli+ceramideReleaseof

caspasecofactors圖3鈣離子參與細胞凋亡途徑的機制小結。(引自RizzutoRetal.,2003)三、鈣閃爍是細胞遷移的方向舵。APOPTOT1CPATHWAYSceramidestaurosporine1P3-generatingStimuli+ceramideReleaseof

caspasecofactors細胞遷移(cellmigration)指的是細胞在接收到遷移信號或感受到某些物質(zhì)的濃度梯度后而產(chǎn)生的移動。過程中細胞不斷重復著向前方伸出突足，然后牽拉胞體的循環(huán)過程。與鞭毛纖毛運動不同的是，細胞遷移是靠胞體形變進行的定向移動，細胞骨架和其結合蛋白是這一過程的物質(zhì)基礎，另外還有多種物質(zhì)對之進行精密調(diào)節(jié)。發(fā)育早期，所有細胞都具備遷移能力，進而形成復雜的器官、神經(jīng)網(wǎng)絡乃至生命個體；而成體細胞的遷移活動在機體免疫防衛(wèi)、創(chuàng)傷修復及器官重塑等過程中發(fā)揮重要作用。許多重大疾病過程，如動脈粥樣硬化、腫瘤細胞擴散等也與細胞遷移運動的異常密切相關。2008年12月31日北京大學分子醫(yī)學研究所程和平研究組在Nature上發(fā)表論文“Calciumflickerssteercellmigration”，論文報道了鈣信號調(diào)控細胞遷移運動的新發(fā)現(xiàn)和新觀點。程和平研究組運用共聚焦顯微成像技術，發(fā)現(xiàn)處于遷移狀態(tài)的成纖維細胞頭部存在鈣含量極高但半衰期很短的微區(qū)域，他們形象地將其稱為“鈣閃爍(Calciumflickers)”現(xiàn)象(見圖4)，并證明鈣閃爍起著掌控細胞運動的“方向舵”作用。實驗條件下，鈣閃爍被抑制的細胞可以維持直線運動，但完全喪失了定向和轉彎的能力。此前人們發(fā)現(xiàn)，遷移細胞內(nèi)鈣信號呈“頭部低、尾部高”的梯度，尾部高鈣信號與尾部的回縮直接相關，而頭部低鈣信號如何調(diào)節(jié)更為復雜的細胞定向及轉彎活動，卻一直沒有合理的解釋。本文報道的集中于頭部的“鈣閃爍”事件為激活細胞定向運動的信號分子提供了動態(tài)的局部高鈣信號，為上述問題的解決做出了重大貢獻。該論文的另一個重要意義在于，提出了“鈣閃爍引導細胞定向遷移”的新觀點：在外界趨化因子梯度誘導下，鈣閃爍發(fā)放呈現(xiàn)不對稱特性，即趨化因子濃度高的一側，鈣閃爍更為活躍，驅動細胞轉向此側，從而精確地調(diào)控細胞的定向遷移。論文作者還探究了鈣閃爍產(chǎn)生的分子機制：通過特異性的干擾與膜片鉗技術的應用，他們發(fā)現(xiàn)鈣離子通過伸展激活的離子通道（SACC）的內(nèi)流引發(fā)了鈣閃爍；受體蛋白TRPM7感受機械力后激活SACC，導致了力信號向該信號的轉換。對此通道蛋白或受體的編碼基因進行沉默，可以抑制鈣閃爍的產(chǎn)生，進而抑制細胞遷移。這一發(fā)現(xiàn)為尋找干預細胞遷移的藥理學和生物醫(yī)學工程學手段提供了新的靶標和思路。值得一提的是，鈣閃爍的發(fā)現(xiàn)也為“鈣火花”家族增添了一名新成員。鈣火花代表細胞內(nèi)最小鈣信號單位，正巧也是由程和平等于1993年在心臟肌肉細胞中發(fā)現(xiàn)并命名。鈣閃爍與鈣火花的最大不同之處在于二者分別由不同的通道分子所產(chǎn)生。程和平教授在鈣離子作用方面的建樹，為人類科學做出了貢獻，也為中國爭得了榮譽。圖4成纖維細胞遷移中的鈣閃爍，圖中方框里的彩色斑點即為“鈣閃爍”，N區(qū)域

代表細胞核。(引自Weietal.,2008)四、總結。鈣離子對生命活動具有重要作用，我們可以僅從細胞凋亡與遷移兩方面來體會這一點。亞細胞區(qū)室內(nèi)鈣離子分布的微妙變化可以有效地正調(diào)控或負調(diào)控細胞凋亡，這是鈣離子參與四條信號通路來調(diào)控細胞凋亡的基礎。程和平教授研究組最近發(fā)現(xiàn)鈣閃爍在細胞定向遷移中的作用，對細胞遷移的研究有重要作用。可以預見到，還有更多鈣離子的作用并未被人們發(fā)現(xiàn)，但隨著理論與技術手段的進步，總有真理沖破迷霧的那天。參考文獻StenOrrenius,BorisZhivotovskyandPierluigiNicotera.REGULATIONOFCELLDEATH:THECALCIUMAPOPTOSISLINK.NatureReviewsMolecularCellBiology,2003,4:552-565.NicolasDemaurexandClarkDistelhorst.Apoptosis--theCalciumConnection.Science2003,300:65-67.RizzutoR,PintonP,FerrariD,etal.Calciumandapoptosis:factsandhypotheses.Oncogene,2003,22:8619-8627.KimBaumann.Calciumflickersatthefront.NatureReviewsMolecularCellBiology,2009,10:ChaoliangWei,XianhuaWang,MinChen,KunfuOuyang,Long-ShengSong&Hepin