杜秋國,高建虎,徐志廣(綜述),盧綺萍(審校)
(1.廣州軍區(qū)武漢總醫(yī)院普外科,武漢430070;2.南方醫(yī)科大學(xué),廣州510515)
缺血/再灌注損傷(ischemic reperfusion injury,IRI)是指組織或器官缺血及重獲血流灌注或氧供應(yīng)后,對組織或器官所產(chǎn)生的損傷作用[1]。細(xì)胞的正確增殖需要通過細(xì)胞周期的調(diào)控,細(xì)胞在分裂時必須獲得生存所需物質(zhì),特別是遺傳物質(zhì),而IRI與細(xì)胞周期的調(diào)控有著千絲萬縷的關(guān)系。因此,文中將對IRI時的細(xì)胞周期調(diào)控進(jìn)行綜述。
細(xì)胞周期是指連續(xù)分裂的細(xì)胞從上一次有絲分裂結(jié)束到下一次有絲分裂完成所經(jīng)歷的整個過程,一般可分為5期:G0期(靜息期)、G1期(DNA合成前期)、S期(DNA合成期)、G2期(DNA合成后期)、M期(有絲分裂期),包含兩個主要檢驗點,即G1/S檢驗點(DNA合成起始轉(zhuǎn)換點)和G2/M檢驗點(有絲分裂誘導(dǎo)轉(zhuǎn)換點),通過檢驗點后,即使刺激信號被去除,細(xì)胞仍然會開始DNA復(fù)制[2]。其中以G1/S檢驗點最為重要,在G1期發(fā)揮作用的主要是CDK4-cyclin D和CDK6-cyclin D[3]。細(xì)胞周期是多階段、多因子參與的精確而有序的調(diào)控過程[2]。細(xì)胞周期的調(diào)控可分為外源性和內(nèi)源性調(diào)控,外源性調(diào)控主要是由外界刺激引起的,而內(nèi)源性調(diào)控主要是通過對細(xì)胞周期蛋白、細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶、細(xì)胞周期依賴性激酶抑制因子(cyclin-kinase inhibitor,CKI)三者的調(diào)控來實現(xiàn)[3-4]。
細(xì)胞周期蛋白是調(diào)節(jié)細(xì)胞周期活動的重要蛋白質(zhì),它對整個正常細(xì)胞周期的維持起決定性作用[5]。在哺乳動物細(xì)胞中存在12類cyclins(A-K),但對細(xì)胞周期有明確調(diào)控作用的細(xì)胞周期蛋白是cyclinA、B、C、D1~3和E,其中A、B的峰值和主導(dǎo)作用主要出現(xiàn)在M期,故又稱為M期cyclins,C、D、E的峰值和主導(dǎo)作用主要出現(xiàn)在G1期,故又稱為G1期cyclins[4]。目前研究的多集中于cyclinD、E,特別是cyclinD1。作為細(xì)胞周期主要的正態(tài)調(diào)控因子之一的cyclinD1的作用是調(diào)節(jié)細(xì)胞周期G1期啟動進(jìn)入S期,因此在細(xì)胞周期早期調(diào)控中,一旦cyclinD1過量表達(dá)就會引起細(xì)胞生長增殖過快[5]。
細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶是一種蛋白激酶家族,它們通過磷酸化-脫磷酸化的方式在細(xì)胞周期調(diào)控中發(fā)揮重要作用,促進(jìn)細(xì)胞的增殖[2]。CDK可以與cyclin結(jié)合成CDK-cyclin復(fù)合物,共同促進(jìn)細(xì)胞周期的運轉(zhuǎn),其中CDK是催化亞基,cyclin是調(diào)節(jié)亞基[3]。
CKI通過抑制CDK活性從而在細(xì)胞周期進(jìn)程中發(fā)揮作用。CKI可分為兩類:一類為激酶抑制蛋白(KIP),包括3種結(jié)構(gòu)相關(guān)蛋白(p21、p27和p57),能抑制大多數(shù)CDK-Cyclin的磷酸化激酶活性;另一類為細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶4抑制劑(INK4),即p16家族,由4種相似蛋白(p15、p16、p18和p19)構(gòu)成,特異性抑制 CDK4-cyclinD1、CDK6-cyclinD1的磷酸化激酶活性[3,5]。有研究表明,CIP/KIP對cyclinD/CDK4、cyclinD/CDK6起正性調(diào)節(jié)作用,p16蛋白對cyclinD/CDK4起負(fù)性調(diào)節(jié)作用[3]。
細(xì)胞的發(fā)生和發(fā)育有賴于細(xì)胞周期的正常有序運行。由于兩個主要檢驗點的控制,細(xì)胞周期事件遵守嚴(yán)格的時相順序。IRI后,細(xì)胞周期檢驗點將受損傷的細(xì)胞阻滯在相應(yīng)的位置進(jìn)行修復(fù),若修復(fù)成功,細(xì)胞進(jìn)入下一個周期,否則發(fā)生凋亡。細(xì)胞凋亡是細(xì)胞的程序性死亡過程,受多種基因和蛋白的調(diào)控[6]。
2.1 腎IRI時細(xì)胞周期調(diào)控 腎臟作為高灌注器官,非常容易發(fā)生IRI,而腎IRI是自體腎發(fā)生急性腎衰竭的主要原因[7]。在腎IRI時,p21的表達(dá)是引起G1期阻滯的直接原因,而p53在其中也發(fā)揮了重要作用,它可通過下游基因p21的高表達(dá)對細(xì)胞周期進(jìn)行調(diào)控,從而保護(hù)腎臟。Andreucci等[8]研究提示,Ⅰ型的磷脂酰肌醇3激酶(phosphoinositide-3 kinase,PI3K)和其下游分子絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶(protein kinase B,PKB)所組成的信號通路(即PI3K/Akt信號通路)在腎IRI中起重要的調(diào)控作用。
2.2 腦IRI時細(xì)胞周期調(diào)控 細(xì)胞正常的生命活動需要細(xì)胞周期的調(diào)控,而越來越多的證據(jù)也表明缺血性腦損傷后存在細(xì)胞周期的異常激活[9]。CDK5是神經(jīng)系統(tǒng)中重要的激酶之一,是腦缺血再灌注時神經(jīng)細(xì)胞凋亡過程中重要的上游因子,在腦缺血損傷機(jī)制中起重要作用[10]。宋鐵山等[11]研究顯示,腦IRI后,cyclinD1、CDK4異常表達(dá)可能是引起神經(jīng)元凋亡的主要因素,其中cyclinD1的異常增高與神經(jīng)元凋亡的關(guān)系更為密切。另有實驗證實,剔除cyclinD1基因能夠明顯抑制星形膠質(zhì)細(xì)胞的增殖[12]。
2.3 肝IRI時細(xì)胞周期調(diào)控 肝移植是目前治療肝衰竭最有效的方法之一,但肝熱IRI常引起移植后肝功能不良,甚至導(dǎo)致移植肝原發(fā)性無功能,因而有必要深入探討肝熱IRI的機(jī)制,改善術(shù)后早期肝功能的恢復(fù)[13]。肝熱IRI的發(fā)生、發(fā)展受多途徑、多基因的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控,臨床上采用單獨抗感染治療的效果并不令人滿意[14-15]。研究顯示,組織缺血/再灌注時核因子κB活性增高,參與調(diào)控細(xì)胞周期進(jìn)程,可誘發(fā)和加重組織的損傷[16];相反,阻斷核因子κB的活性,組織器官的再灌注損傷可明顯減輕[17-18]。細(xì)胞凋亡是肝臟IRI的特征之一[19]。有實驗提示,鼠肝缺血30 min后再灌注期細(xì)胞DNA損傷的修復(fù)和細(xì)胞凋亡程序的活化過程有可能是通過p53基因介導(dǎo)的[20]。張劭等[21]進(jìn)一步研究表明,當(dāng)細(xì)胞受到肝熱IRI時,p53-Gadd45-PCNA途徑表達(dá)上調(diào),使有DNA損傷的細(xì)胞停滯于G1期進(jìn)行DNA修復(fù)或促使無法修復(fù)的肝細(xì)胞凋亡,其中Gadd45a mRNA、Gadd45g mRNA的表達(dá)分別較再灌注前上升8.3倍和7.0倍。
2.4 視網(wǎng)膜、心臟IRI時細(xì)胞周期調(diào)控 視網(wǎng)膜IRI是眼科常見的病理過程,主要通過凋亡的形式導(dǎo)致視網(wǎng)膜神經(jīng)元的死亡。有實驗證實,在視網(wǎng)膜IRI中cyclinD1與細(xì)胞凋亡密切相關(guān)[22]。
研究發(fā)現(xiàn)PI3K/Akt通路在心臟IRI后的修復(fù)過程中起重要的調(diào)控作用[23]。Hausenloy等[24]研究發(fā)現(xiàn),可以通過缺血預(yù)處理增強(qiáng)PI3K/Akt信號途徑,從而對心臟IRI起保護(hù)作用。
手術(shù)、創(chuàng)傷后應(yīng)激反應(yīng)一方面有利于機(jī)體抵御外來損傷,另一方面如反應(yīng)過于激烈或調(diào)節(jié)失衡,也會造成自身的損傷,因此研究創(chuàng)傷后,應(yīng)激反應(yīng)中的細(xì)胞周期調(diào)控就可以在臨床上有效地控制炎性反應(yīng),促進(jìn)細(xì)胞修復(fù),阻止細(xì)胞凋亡,從而減少應(yīng)激性疾病的發(fā)生,減少應(yīng)激給機(jī)體帶來的危害。
在細(xì)胞周期調(diào)控中cyclinD1是正態(tài)調(diào)控因子,因此可通過上調(diào)cyclinD1的表達(dá)而促進(jìn)細(xì)胞的增殖,修復(fù)損傷的組織;相反,剔除cyclinD1基因可以明顯抑制星形膠質(zhì)細(xì)胞的增殖。在臟器經(jīng)受IRI之前給予一短暫的血流阻斷又復(fù)灌,從而減輕臟器的IRI,稱為缺血預(yù)處理[25]。蔡方剛等[26]的研究表明,經(jīng)過缺血預(yù)處理,肝細(xì)胞在復(fù)灌早期cyclinD1的表達(dá)明顯上升,推動著G1期向S期發(fā)展,從而促進(jìn)細(xì)胞的增殖。治療腦缺血時應(yīng)注意調(diào)控星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元細(xì)胞各自的凋亡機(jī)制[27]。Trimsit等[25]認(rèn)為,腦缺血后要判斷缺血的神經(jīng)元是否進(jìn)入病態(tài)的細(xì)胞周期,可以以cyclinD1表達(dá)的水平作為指標(biāo)。宋鐵山等[11]進(jìn)一步研究顯示,兼具鎮(zhèn)靜麻醉作用的藥物異丙酚可以降低腦缺血/再灌注后cyclinD1表達(dá)的水平,從而降低神經(jīng)元凋亡率,減輕缺血/再灌注對大鼠海馬神經(jīng)元的損傷。異丙酚也可以減輕大鼠肝臟、腎臟IRI[28]。另有研究表明,對視網(wǎng)膜缺血/再灌注組注射堿性成纖維細(xì)胞生長因子后,cyclinD1的表達(dá)顯著降低,進(jìn)而抑制細(xì)胞凋亡,在視網(wǎng)膜IRI中起到保護(hù)作用[22]。
CDK4可以與cyclinD1結(jié)合成cyclinD1-CDK4復(fù)合物,共同促進(jìn)細(xì)胞由G1期向S期過渡。近年來有多項研究表明,在腦IRI時,聯(lián)合針刺水溝、內(nèi)關(guān)、曲池、足三里穴能夠使CDK4的表達(dá)減少,從而抑制神經(jīng)元的凋亡[29]。另外,曲忠森等[30]指出,急性腦IRI時,細(xì)胞內(nèi)游離Ca2+濃度升高可能增加CDK5的活性,從而加劇腦IRI。因此,可以利用鈣通道阻滯劑尼膜地平降低海馬神經(jīng)元內(nèi)的Ca2+濃度,進(jìn)而降低CDK5的活性,從而減輕腦IRI。
綜上所述,細(xì)胞周期的調(diào)控與IRI關(guān)系密切。但是,IRI中的細(xì)胞周期調(diào)控是個極為復(fù)雜的過程,目前的認(rèn)識還不夠深刻,尤其是在肝IRI方面,國內(nèi)外的報道還不多,有待進(jìn)一步深入研究。
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