結構生物化學/細胞訊號通路/凋亡

背景

凋亡或程式性細胞死亡是一個重要的生物學過程。它幫助身體擺脫多餘或可能造成傷害的細胞。此外，它透過去除不再需要的細胞來幫助塑造我們的特徵。當細胞發生凋亡時，其 DNA 會被一種名為 DNase 的“凋亡特異性 DNA 核酸內切酶”切割成片段。“最終，細胞被分解成稱為凋亡小體的細小碎片”，這些碎片會被附近的專門細胞吞噬（Becker 等人，419-420）。該過程由染色質濃縮和斷裂完成；它是透過形成多蛋白複合物來執行的，這些複合物涉及細胞外死亡配體與死亡受體的結合。這些複合物產生並激活啟動型 caspase，然後觸發並切割效應型 caspase，然後針對和聚焦於特定的細胞底物，用於蛋白水解過程。Caspase 是凋亡中涉及的關鍵酶，它僅在此期間具有催化活性。它們被 IAP 家族成員直接抑制。這種酶的失活形式稱為 procaspase，它透過蛋白水解切割被不同的 caspase 啟用。一旦被啟用，caspase 就會切割 DNase 上的抑制蛋白，從而誘導細胞死亡 (420)。

有兩種主要的訊號可以觸發人體內的凋亡，即死亡訊號和生存訊號的撤回 (420)。在死亡訊號通路中，被病毒或細菌感染的細胞會在其表面積累 CD9 或類似的蛋白質。這些蛋白質被稱為死亡訊號，它們會吸引 procaspase 到細胞表面。一旦 procaspase 被啟用，它就會啟用更多的 procaspase 來啟動凋亡。在生存因子通路中，線粒體在程式性細胞死亡中起著重要作用。被稱為抗凋亡蛋白的蛋白質位於線粒體的外膜上。這些蛋白質的功能是在細胞暴露於生存因子時阻止凋亡 (421)。另一種被稱為促凋亡蛋白的蛋白質可以促進凋亡，它們與抗凋亡蛋白保持平衡。一旦生存因子從細胞中撤回，這種平衡就會被打破，導致平衡更傾向於促凋亡蛋白。結果，細胞發生凋亡的可能性會增加 (421)。

神經元中的凋亡

所有神經元都有自殺基因，這些基因受大腦化學物質和啟用模式的影響。胎兒發育是一個非常具有競爭力的過程，因為在這個階段，神經系統會大量過度產生細胞（產生的細胞數量是生存細胞數量的 50% 以上）。隨著大量細胞爭奪連線，那些無法建立連線的細胞會因其自殺基因被啟用而死亡。這種連線競爭包括軸突爭奪突觸後細胞的空間：軸突一開始會廣泛分支並連線到許多位點，而透過正反饋（在本例中，軸突和突觸後細胞之間的迴圈訊號）得到加強的少數軸突會被保留。結果，隨著產前發育的進行，每個細胞的連線變得更少，更具選擇性。另一方面，那些輸掉競爭並未能獲得正反饋的細胞會發生凋亡（自殺基因被啟用）

凋亡和壞死在以下方面有所不同：壞死會導致因損傷或毒素造成的混亂副產物，從而導致汙染或炎症。這種細胞死亡是有害的，是有害的，而凋亡是一個必不可少且整潔的過程，其中細胞死亡不會留下副產物或不必要的物質。

秀麗隱杆線蟲中的凋亡

秀麗隱杆線蟲或 C. elegans 是一種線蟲，人們對其進行研究以更好地瞭解多細胞生物中的凋亡。由於在 C. elegans 的整個發育過程中，細胞數量在幾乎所有成年蠕蟲中都得到調節和控制，因此可以對 C. elegans 進行研究。因此，所有成年蠕蟲在每個成熟器官中都包含大約相同數量的細胞。C. elegans 中的執行者 caspase 是 CED-3，它反過來會觸發凋亡。

C. elegans 中的凋亡與高等生物中的凋亡相似，因為 C. elegans 中的 CED-3 caspase 包含哺乳動物 caspase 的同源物，例如 caspase -3 和 caspase-8。CED-3 合成時是失活的酶原；二聚化和自蛋白水解從 N 端前體結構域產生活性成分（大亞基和小亞基）。寡聚化的 CED-4 將之前失活的 CED-3 單體聚集在一起並使其啟用，這與哺乳動物 caspase-9 啟用的過程相似。

最近發現 C. elegans 調節 CED-3 和凋亡啟用的一種方式是 CSP-3；一種模擬 CED-3 小亞基的細胞質蛋白，與 CED-3 酶原結合並將其隔離。之前，發現 CSP-3 是應該存活的細胞中凋亡的負調控因子，但它並沒有阻止應該死亡的細胞中凋亡的適當誘導。因此，CSP-3 被認為是一種 caspase 樣基因，科學家們仍然不知道其調節的真正來源。另一方面，最近的研究表明，CSP-3 能夠在體外和體內結合 CED-3 酶原，並且 CSP-3 是 CED-3 啟用的調節因子，而不是真正的 caspase 抑制劑。這表明 CSP-3 確實阻止了 CED-3 的不適當二聚化和自啟用。順便說一句，CED-4 是一種可以覆蓋 CSP-3 及其對 CED-3 和凋亡的影響的基因。

細胞凋亡與線粒體

ATP 的產生並不是線粒體擁有的唯一寶貴技能。它們是細胞細胞轉導網路的重要組成部分，能夠觸發凋亡或程式性細胞死亡。啟動該過程的主要蛋白質訊號是細胞色素 c，一種電子轉運膜蛋白，它釋放化學信使，啟用 caspase 並導致細胞遵循關閉其自身的凋亡程式。因此，儘管線粒體透過維持離子梯度來不斷地為細胞提供能量，該離子梯度透過 ATP 合成酶將 ADP 轉換為 ATP，但該細胞器也能夠透過過度表達執行電子轉運以維持該離子梯度的相同膜蛋白來導致細胞自殺。為了防止意外啟動凋亡，該細胞器依賴於 bcl-2 的表達來抵消細胞色素 c 的影響，透過阻止其從線粒體中轉運來實現。

細胞死亡的其他形式

自噬

自噬是一個被描述為促生存通路的過程，被認為對細胞穩態和應激反應至關重要。它伴隨細胞死亡，並且在某些情況下會導致細胞死亡。該過程由 Atg 基因完成；在此期間，細胞內內容物被雙膜或多膜囊泡（稱為自噬體）吞噬。雷帕黴素激酶的哺乳動物靶點的抑制對於自噬的進展是必要的，因為雷帕黴素激酶釋放了其對 ULK1 激酶複合物的抑制效應。自噬負責長壽蛋白的週轉、錯誤摺疊蛋白和一些受損細胞器的清除，以及營養缺乏後細胞構建模組的迴圈利用。因此，自噬是細胞穩態和壓力下的重要促生存通路，因為它實際上可以完成細胞死亡。

壞死

壞死最初被歸類為意外細胞死亡，但由於最近的研究，現在被認為是一種基因控制的事件。這個過程涉及各種特徵，例如：細胞腫脹、細胞器功能障礙和細胞裂解。壞死沒有明確的機制被確定，但一些調節因子如c-Jun N端激酶、凋亡誘導因子、死亡相關蛋白激酶和活性氧物種已被鑑定並與壞死相關。壞死的一個亞類被稱為壞死性凋亡，它是由凋亡不完全的細胞中的死亡受體觸發的。

凋亡/自噬/壞死的圖片 點選下方連結

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壞死調節因子

凋亡誘導因子 (AIF)

雖然AIF是許多程式性細胞死亡（PCD）調節因子之一，但它還具有其他獨特的功能，使它能夠從圖片中顯示的其他凋亡因子中區分出來。它最初被發現是一種半胱天冬酶非依賴性死亡效應器，但後來的研究表明它與特定型別細胞採取的程式性細胞死亡途徑直接相關。當AIF被訊號傳導從線粒體釋放並最初轉運到細胞質，然後轉運到靶細胞的細胞核時，它執行其致命功能。在細胞核中，它可以誘導與凋亡相關的特徵，例如 DNA 片段化和染色質濃縮。AIF 的影響完全取決於其固有的 DNA 結合能力以及靶細胞的細胞型別，因為 AIF 後來被發現線上粒體中具有重要的作用，這些線粒體在沒有被標記為發生程式性細胞死亡的健康細胞中發揮作用。AIF 也在 DNA 結合中發揮作用。這些研究導致了許多關於 AIF 在體內的基本作用以及在沒有 AIF 的情況下能否執行適當的功能的問題。

結構和功能

如上所述，線粒體 AIF 蛋白具有促程序序性細胞死亡的致命作用。它線上粒體外膜通透性 (MOMP) 後執行此功能，之後它將被釋放到細胞質中，最終進入細胞核，在那裡它濃縮染色質並降解 DNA 片段以執行 PCD。主要的 AIF 轉錄本經過非常組織特異性的剪接併產生兩個外顯子：外顯子 2a 和 2b。這兩個外顯子允許產生兩種剪接變體併產生兩種異構體，這些異構體在內膜排序訊號 (IMSS) 中顯示出微小且有限的差異。這些變體中不存在 N 端線粒體定位訊號 (MLS)，但 C 端域保持不受影響。C 端域是促凋亡片段所在的位置，在轉染（或更常見地稱為轉化）後，變異基因（AIFsh）在細胞核中表達並激活凋亡。AIFsh 的變體包括沒有具有凋亡特徵的 C 端域的異構體或另一種形式，該形式缺乏線粒體定位訊號，並且基本上具有與缺乏 C 端域的 AIFsh 相似的功能。

X 射線晶體學提供了 AIF 結構的圖片，這些圖片導致了 AIF 執行其功能的另一種方式。該結構表明 AIF 具有分佈在其整個表面的帶正電的氨基酸；這種正電荷分佈與 DNA 結合組蛋白非常相似。這一發現解釋了並與觀察到的 AIF 的固有 DNA 結合能力以及它作為凋亡調節因子的有效性相一致。一些正電荷殘基對於 AIF-核酸結合和由於 AIF 的過表達而誘導核凋亡是必需的。重組 AIF 基因透過與 DNA 的直接、序列無關的相互作用誘導 DNA 濃縮，無論是單鏈還是雙鏈。透過新增還原的吡啶核苷酸、NADPH 或 NADH，可以放大 DNA 濃縮。

進化家族

其他凋亡調節因子來自 AIF 所屬的更大的線粒體黃素蛋白家族。它們在蛋白質的真核生物版本中具有共同的結構和功能特徵。但 AIF 的生物合成和最終加工過程與該家族的其他成員略有不同。AIF 基因包含超過 16 個外顯子，位於人類 X 染色體上。AIF1，具有 C 端域的變異 AIF 基因，是最常見和最豐富的轉錄本。它在細胞質中翻譯，並被送往健康細胞的線粒體。它的 N 端部分是透過線粒體膜（外膜和內膜）轉運 AIF 蛋白的必要條件。這部分 N 端由構成該基因的 35 個氨基酸的第一個外顯子編碼。當完全加工的 AIF 蛋白插入內膜時，它成熟並使用其輔因子黃素腺嘌呤二核苷酸 (FAD) 摺疊成其四級結構。由於 AIF 對其輔因子的依賴性，它具有與細菌 NAD 相似的摺疊，幷包含兩個 FAD 結合片段。這些特徵在這些不同蛋白質的進化過程中得到了保留。

AIF 調節

AIF 可以被其他代謝過程或蛋白質觸發和抑制（或調節）。AIF 表達與抗癌藥物的敏感性相關。當肝細胞生長因子被新增到細胞中時，也觀察到 AIF 表達降低，這會增加順鉑耐藥性。增加的順鉑敏感性通常與 AIF 表達增加有關。在缺乏 FAK（粘著斑激酶）的小鼠胚胎成纖維細胞中，觀察到 HGF 的數量減少，這表現出上述相關性。大多數這些研究僅為臨床研究，並且僅在小鼠中進行。

AIF 蛋白的數量也在翻譯後得到調節。它的濃度受到鐮刀蛋白（也稱為 BAT3）的正調節。BAT3 是一種用於調節細胞死亡和細胞增殖的蛋白質。鐮刀蛋白已知可以延長 AIF 的半衰期，而當它的水平較低時，它會促進 AIF 的分解。已知其他凋亡抑制劑會觸發 AIF 的降解。但是，這些事件對線粒體內膜中發現的 AIF 蛋白幾乎沒有影響，這些 AIF 蛋白尚未被修飾以釋放到細胞質中。

AIF 和線粒體

缺乏 AIF 表達會導致線粒體呼吸鏈缺陷，尤其是在複合體 I 中。這一觀察結果再次僅在小鼠中進行實驗。呼吸鏈功能障礙的顯著檢測位於小腦、皮層、視網膜和骨骼肌等各種組織中。然而，在雄性小鼠的心臟、肝臟和睪丸組織中無法檢測到功能障礙。研究人員仍然對這種組織特異性感到困惑。分析確實表明，缺乏 AIF 的小鼠和人類細胞中複合體 I 活性下降是由於呼吸鏈中發現的各種其他核編碼蛋白亞基表達下降造成的。構成複合體 I 的共有 46 個蛋白亞基，其中 39 個是核編碼的，在細胞質中翻譯並帶入線粒體。研究表明，線粒體定位 AIF 的過表達修復了由內源性 AIF 蛋白引起的複合體 I 亞基功能障礙。儘管這些證據顯示出寶貴的見解，但導致複合體 I 效率低下的機制仍然有待進一步的爭論和研究。最近各種實驗的結果顯示出不一致的觀察結果，這些觀察結果可能與否將 AIF 直接與複合體 I 聯絡起來。

關於 AIF 與複合體 I 的關係，人們提出了許多假設

AIF 水平透過轉錄後機制影響複合體 I 蛋白的較高水平
AIF 是線粒體呼吸鏈複合體不可或缺的一部分，而不僅僅與複合體 I 相關
AIF 蛋白與呼吸鏈亞基的物理相互作用可能會影響它們的組裝或穩定性
AIF 可能是活性複合體 I 維持的一部分，因為它的氧化還原調節活性是固有的，這是由於 AIF 的外表面和反應性正電荷分佈造成的

AIF 在發育/生存中的作用

雖然 AIF 已經以其誘導凋亡的功能而聞名多年，但由於其在細胞代謝和線粒體中的作用，它還在細胞存活中發揮著至關重要的作用。最近，關於 AIF 在存活中的作用的研究僅在小鼠中進行。在衰老的成年人一生中持續低量的 AIF 會帶來嚴重的健康後果。小鼠中 AIF 基因表達大約降低 80% 表明持續的神經退行性變，影響小鼠的各個大腦區域。當觀察到小鼠中完全沒有 AIF 蛋白時，凋亡仍然以其通常的方式發生。這得出的結論是，就凋亡功能而言，AIF 是可以省略的，特別是在胚胎神經管閉合期間。

與使用AIF不同，程式性細胞死亡的觸發是由線粒體呼吸鏈複合物I的活性缺陷引起的。大腦中缺乏AIF表達與線粒體呼吸鏈的低效率直接相關。由於其功能障礙，觀察到處於大腦發育早期的小鼠的中腦和小腦存在缺陷，例如小腦發育不良。這些胚胎的浦肯野細胞前體即使在沒有AIF的情況下也會發生凋亡。顆粒細胞也表現出細胞週期轉換缺陷（特別是從G1到S階段）。骨骼肌和心肌中的AIF會導致器官特異性複合物I功能障礙。儘管這些小鼠在出生後的前2個月看起來正常，但它們會發展成肌肉萎縮、擴張型心肌病，並且體重顯著下降。AIF表達減少會導致氧化磷酸化併發症，影響機體的整體代謝。缺乏肌肉或終生缺乏AIF的小鼠（稱為AIF敲除小鼠）表現出更高的葡萄糖耐受性，對胰島素的敏感性增加，以及總體脂肪量減少。這些觀察結果表明，一個器官中沒有AIF表達會導致該器官即使在高脂飲食的情況下也完全抵抗肥胖和糖尿病。

參考資料

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