邱 斌, 徐同成, 王 青, 劉麗娜,陶海騰, 劉 瑋, 宋 康, 杜方嶺*
(1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)產(chǎn)品研究所,山東 濟(jì)南 250100;2.山東杏林科技職業(yè)學(xué)院,山東 濟(jì)南 250200)
內(nèi)皮細(xì)胞凋亡過(guò)度是內(nèi)皮細(xì)胞損傷的初始環(huán)節(jié),在動(dòng)脈粥樣硬化的早期扮演了重要角色。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)TFA對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化和心血管疾病的研究主要集中在內(nèi)皮細(xì)胞凋亡方面,并已有一定的研究基礎(chǔ)。下文就反式脂肪酸與內(nèi)皮細(xì)胞凋亡的研究進(jìn)展作一綜述。
由于天然油脂缺乏穩(wěn)定性并且可塑性較差,而且貨架期較短,因此,為了滿足食品工業(yè)對(duì)油脂的使用要求,廠家通過(guò)采用油脂的氫化工藝來(lái)提高油脂的可塑性和穩(wěn)定性等。植物油脂在氫化加工的過(guò)程中,其中的不飽和雙鍵轉(zhuǎn)變?yōu)閱捂I,與此同時(shí),會(huì)產(chǎn)生部分異構(gòu)化的產(chǎn)物TFA(反式脂肪酸),TFA是一類分子中含有一個(gè)或多個(gè)反式雙鍵的非共軛不飽和脂肪酸[1]。其種類和含量與氫化程度、氫化條件及原料油脂中不飽和脂肪酸的含量等密切相關(guān)。TFA中主要以 tC18∶1(反油酸)為主,質(zhì)量分?jǐn)?shù)約占20%~50%。據(jù)國(guó)外研究報(bào)道,人類食物中的反式脂肪酸約90%都是反油酸,反油酸雙鍵位置主要分布于△4~△16 之間, 其中主要以 9t C18∶1、10t C18∶1和11t C18∶1三種形式存在[2]。反式脂肪酸和順式脂肪酸由于其幾何空間結(jié)構(gòu)的不同,因此在脂質(zhì)新陳代謝過(guò)程中酶的交叉反應(yīng)也相應(yīng)不同[3]。
研究發(fā)現(xiàn):反式脂肪酸能增加內(nèi)皮損傷過(guò)程中的循環(huán)性生物標(biāo)記物[4],并削弱動(dòng)脈擴(kuò)張依賴物-NO的分泌量[5]。有研究證明,攝入過(guò)量的反式脂肪酸導(dǎo)致細(xì)胞間黏附分子-1(ICAM-1)、細(xì)胞內(nèi)黏附分子-1(VCAM-1)、E-選擇素等的表達(dá)升高[6]。 有報(bào)道稱TFA能夠引起血漿總膽固醇、甘油三酯水平及脂蛋白(Lp-α)的升高,而這些因素都是與動(dòng)脈粥樣硬化、血栓和冠心病的形成密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn),TFA的攝入量每增加2%,導(dǎo)致患心臟疾病的危險(xiǎn)就會(huì)急劇增加25%,等摩爾的TFA對(duì)心臟健康的危害遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)飽和脂肪酸[7]。
細(xì)胞凋亡(apoptosis)是正常的組織細(xì)胞在受到生理和(或)病理性刺激后,其自身內(nèi)部機(jī)制激活DNA內(nèi)切酶自發(fā)啟動(dòng),而導(dǎo)致的一種細(xì)胞自發(fā)性死亡過(guò)程,它對(duì)于維持多細(xì)胞生物的器官發(fā)育、組織分化的穩(wěn)定存在著重要的意義[8]。
內(nèi)皮細(xì)胞數(shù)量的穩(wěn)定維持和血管功能正常的保持依賴于內(nèi)皮細(xì)胞凋亡與增殖之間的動(dòng)態(tài)平衡[9]。但是,內(nèi)皮細(xì)胞凋亡過(guò)度卻是造成內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙的初始環(huán)節(jié)。Haunsteter認(rèn)為,內(nèi)皮細(xì)胞凋亡在早期的動(dòng)脈粥樣硬化過(guò)程中具有非常重要的作用[10]。Hasdai等在用高膽固醇飼養(yǎng)的豬冠狀動(dòng)脈中觀察到了內(nèi)皮細(xì)胞的凋亡[11]。Tricot等在動(dòng)脈粥樣硬化患者的粥樣斑塊處檢測(cè)到凋亡的內(nèi)皮細(xì)胞[12]。最近的研究結(jié)果表明:內(nèi)皮細(xì)胞的過(guò)度凋亡是動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)生和發(fā)展的生物學(xué)基礎(chǔ),同時(shí)也能促發(fā)急性心肌梗死、不穩(wěn)定型心絞痛等急性心臟病,而且內(nèi)皮的過(guò)度凋亡還能抑制血管再生,妨礙血管功能的恢復(fù)。
內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)附于血管表面,不僅是血管壁的天然屏障,而且可以分泌多種能夠調(diào)節(jié)血管功能的內(nèi)皮源性細(xì)胞因子[13]。因此,在發(fā)生凋亡的各種血管壁細(xì)胞中,內(nèi)皮細(xì)胞凋亡的作用尤其重要。許多研究表明,細(xì)胞凋亡是動(dòng)脈粥樣硬化病變的主要特征之一[14],凋亡的內(nèi)皮細(xì)胞在動(dòng)物模型和人體動(dòng)脈粥樣硬化病變中均有發(fā)現(xiàn),而且?guī)缀跛屑褐闹聞?dòng)脈粥樣硬化的危險(xiǎn)因子都能在體外實(shí)驗(yàn)中引起內(nèi)皮凋亡;與之相反,一些抗動(dòng)脈粥樣硬化的因素則可阻止內(nèi)皮細(xì)胞凋亡的發(fā)生。由此推測(cè),抗AS因素是通過(guò)阻止內(nèi)皮細(xì)胞凋亡而發(fā)揮作用的[15]。
研究表明,血管內(nèi)皮損傷、繼發(fā)性單核-巨噬細(xì)胞增多、白細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞黏附及單核-巨噬細(xì)胞向內(nèi)皮下遷移,是AS發(fā)生的主要病理機(jī)制之一[16]。內(nèi)皮細(xì)胞凋亡作為內(nèi)皮損傷的主要形式,會(huì)引發(fā)一系列復(fù)雜而又相互依存的變化,具體特征如下[17]:(1)增加血管通透性,促進(jìn)單核-巨噬細(xì)胞向內(nèi)皮下遷移和造成脂質(zhì)在內(nèi)皮下的堆積;(2)促使單核-巨噬細(xì)胞、T淋巴細(xì)胞等向內(nèi)膜下浸潤(rùn),使血管壁局部的腫瘤壞死因子 (tumor necrosis factor-α,TNF-α)和集落刺激因子 (colony stimulating factor,CSF)等炎癥因子分泌增加,加劇內(nèi)皮細(xì)胞凋亡并能誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞表面的細(xì)胞黏附分子表達(dá)增加,從而進(jìn)一步促進(jìn)炎癥細(xì)胞的激活和趨化;(3)破壞血管內(nèi)膜屏障,內(nèi)皮細(xì)胞凋亡使下層的血管平滑肌細(xì)胞(VSMCs)直接暴露于各種炎癥刺激因子的環(huán)境下,刺激VSMCs增殖及內(nèi)膜下遷移,最終吞噬脂質(zhì)后形成泡沫細(xì)胞。
Caspase是引起細(xì)胞凋亡的關(guān)鍵酶,屬于半胱氨酸蛋白酶家族,當(dāng)其被相關(guān)凋亡信號(hào)途徑激活后,會(huì)降解細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì),使細(xì)胞走向不可逆的死亡。多數(shù)的Caspase與細(xì)胞凋亡有關(guān),啟動(dòng)型Caspase (initiator Caspase)包括 Caspase-2、-8、-9能介導(dǎo)相應(yīng)凋亡信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo);效應(yīng)型Caspase(effector Caspase) 包括 Caspase-3、-6、-7 等通過(guò)裂解細(xì)胞內(nèi)的結(jié)構(gòu)蛋白以及功能蛋白等使細(xì)胞解體[18]。不同啟動(dòng)型的Caspase介導(dǎo)不同通路的凋亡信號(hào),如Caspase-8介導(dǎo)死亡受體通路的相關(guān)凋亡信號(hào),而Caspase-9則介導(dǎo)細(xì)胞線粒體通路的相關(guān)凋亡信號(hào)。在死亡受體通路中,F(xiàn)as(死亡受體)和TNF-α(腫瘤壞死因子-α)可以激活細(xì)胞內(nèi)死亡復(fù)合體相關(guān)的調(diào)節(jié)蛋白和Caspase前體(procaspase)從而形成死亡復(fù)合體,死亡復(fù)合體接下來(lái)會(huì)激活一系列的上游啟動(dòng)性Caspase,如:Caspase-8,這些上游啟動(dòng)性Caspase會(huì)激活下游的Caspase蛋白酶,細(xì)胞的凋亡主要是通過(guò)下游的Caspase促使執(zhí)行的。在線粒體通路中,細(xì)胞應(yīng)激可以誘導(dǎo)細(xì)胞色素c從線粒體脫離,脫落的細(xì)胞色素c能夠與凋亡蛋白酶活化因子-1(Apaf-1)結(jié)合形成凋亡小體,進(jìn)而激活Caspase-9,最后由Caspase-9激活相應(yīng)的下游Caspase執(zhí)行酶而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。
目前,普遍的研究認(rèn)為:被稱為“死亡蛋白酶”的Caspase-3是細(xì)胞凋亡的最終執(zhí)行酶,它是細(xì)胞凋亡Caspase級(jí)聯(lián)瀑布反應(yīng)的必經(jīng)之路。當(dāng)由多種刺激因素綜合所誘導(dǎo)啟動(dòng)的信號(hào)激活Caspase-3后,存在于胞核、胞質(zhì)及細(xì)胞骨架的一些重要蛋白質(zhì)會(huì)因?yàn)镃aspase-3的存在而降解失活,最終導(dǎo)致細(xì)胞的死亡。因此,可以說(shuō)Caspase-3是多細(xì)胞生物細(xì)胞凋亡中的關(guān)鍵酶[19]。
雖然由各種外界不同的刺激所誘導(dǎo)的內(nèi)皮細(xì)胞凋亡途徑和分子生物學(xué)機(jī)制各不相同,但是內(nèi)皮細(xì)胞凋亡信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)也存在著一定的共同點(diǎn)。
(1)凋亡觸發(fā)期:當(dāng)促凋亡因素與細(xì)胞膜接觸時(shí),促死亡分子與其相應(yīng)的受體結(jié)合形成復(fù)合體并激發(fā)相關(guān)死亡途徑,如:[(Fas-Fasl)]-FADD 途徑或{[(TNF-TNFR)-TRADD]}-FADD 途徑。胞漿死亡信號(hào)銜接蛋白(FADD蛋白)的N端的死亡效應(yīng)功能區(qū)(DED(與具有同源胞內(nèi)功能區(qū)的Caspase-8前體(procaspase-8(的N端結(jié)合,并誘導(dǎo)Caspase-8前體自身裂解而被激活。雖然Caspase-8能夠直接激活Caspase-3誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡,但主要的誘導(dǎo)凋亡方式是通過(guò)線粒體途徑進(jìn)行信號(hào)放大,最終激活Caspase-3導(dǎo)致凋亡的發(fā)生[20]。
(2)凋亡決定期:bcl/Bax在正常狀態(tài)下,附著在線粒體膜上通過(guò)形成異源二聚體而抑制細(xì)胞凋亡,但當(dāng)?shù)蛲鲂盘?hào)足夠強(qiáng),就會(huì)引起此二聚體結(jié)構(gòu)的解離,從二聚體中解離出來(lái)的Bax具有通道特性,能增加線粒體膜通透性,導(dǎo)致細(xì)胞色素c和Smac/DIABLO的釋放,細(xì)胞色素c能夠依次激活存在于胞漿中的凋亡蛋白酶活化因子-1(Apaf-1)和Caspase-9 前體(procaspase-9)[21],從而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡的發(fā)生。所以在細(xì)胞凋亡的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程中,bcl/Bax異源二聚體的形成和解離起到關(guān)鍵作用。
(3)凋亡效應(yīng)期:此階段主要是由Caspase-9激活Caspase級(jí)聯(lián)瀑布反應(yīng)。在凋亡過(guò)程中,下游執(zhí)行酶Caspase-3起關(guān)鍵作用,它不僅可以直接激活核酸內(nèi)切酶(DNase),而且還可以通過(guò)滅活內(nèi)皮細(xì)胞凋亡酶抑制劑 ICAD (inhibitor of caspase activate DNase) 的活性而解除 ICAD對(duì) CAD(caspase activate DNase)的抑制作用而激活DNase。Dnase可以切割DNA的核小體形成具有典型凋亡特征性的DNA “梯形帶”,此外Dnase還能夠裂解細(xì)胞核中PARP(聚腺苷二磷酸核糖多聚酶)、細(xì)胞骨架蛋白、核纖層等DNA修復(fù)蛋白,進(jìn)而最終導(dǎo)致凋亡形態(tài)的改變。
(4)凋亡終末期:雖然細(xì)胞周圍的吞噬細(xì)胞能夠識(shí)別和吞噬凋亡的內(nèi)皮細(xì)胞,但由于無(wú)法充分清除凋亡的內(nèi)皮細(xì)胞,因此凋亡過(guò)程中會(huì)伴有繼發(fā)性壞死的發(fā)生[22]。
目前,在內(nèi)皮細(xì)胞和其他細(xì)胞系都有報(bào)道FFA(游離脂肪酸)具有促凋亡效應(yīng)。Martina B等發(fā)現(xiàn)花生四烯酸(AA)能夠通過(guò)影響磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinases,PI3K)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞的凋亡和黏附[23]。Salvatore P等發(fā)現(xiàn)高濃度的游離脂肪酸(FFA)能夠通過(guò)抑制Akt的磷酸化來(lái)誘導(dǎo)HUVEC凋亡[24]。Michaela A等發(fā)現(xiàn)FFA誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞凋亡需要Caspase酶的激活[25]。Piro等發(fā)現(xiàn)FFA通過(guò)激活Caspase-9來(lái)誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞凋亡[26]。Harvey等發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)鏈飽和脂肪酸能夠誘導(dǎo)人動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞凋亡[27]。Sweeney等發(fā)現(xiàn)多不飽和脂肪酸能夠誘導(dǎo)新生單核細(xì)胞凋亡[28]。Jiang等發(fā)現(xiàn)棕櫚酸能夠通過(guò)p38和JNK通路誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞凋亡[29]。Kong等發(fā)現(xiàn)γ-亞油酸能夠通過(guò)激活Caspase-3而誘導(dǎo)K562/ADM細(xì)胞凋亡[30]。Piro等發(fā)現(xiàn)FFA誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞凋亡與Caspase-9的激活有關(guān)[31]。關(guān)于反式脂肪酸誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞凋亡的研究報(bào)道很少。Kondoh等在9tC18∶1誘導(dǎo)的人肝癌細(xì)胞凋亡進(jìn)程中,檢測(cè)到有Caspase-3和-8的激活,而Caspase-9的活性則沒有變化[31]。Downar等首次報(bào)道了9tC18∶1具有誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞凋亡的作用[32]。在TFA誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞的凋亡過(guò)程中,Caspase首先在哪兒被激活?在細(xì)胞凋亡過(guò)程中有多少Caspase酶被激活?TFA通過(guò)哪條通路誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞凋亡?各種Caspase酶之間是如何協(xié)作的?TFA誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞凋亡的具體凋亡機(jī)制和相關(guān)信號(hào)通路目前仍未見報(bào)道。
半胱天冬蛋白家族的Caspase在凋亡過(guò)程中起著關(guān)鍵作用,細(xì)胞凋亡是Caspase不可逆有限水解底物的級(jí)聯(lián)放大反應(yīng)過(guò)程。細(xì)胞凋亡的主要途徑包括:(1)外界刺激因子通過(guò)胞外信號(hào)激活細(xì)胞內(nèi)的Caspase級(jí)聯(lián)反應(yīng);(2)線粒體損傷后,釋放凋亡酶激活因子激活Caspase引發(fā)級(jí)聯(lián)反應(yīng)。這些被激活的Caspase能夠降解細(xì)胞內(nèi)的重要蛋白質(zhì),最終誘發(fā)細(xì)胞凋亡。
死亡受體通路的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程如下:當(dāng)細(xì)胞受外界凋亡誘導(dǎo)因素誘導(dǎo)時(shí),腫瘤壞死因子受體(TNFR)家族成員與相應(yīng)的配體(TNF家族)結(jié)合時(shí),會(huì)導(dǎo)致受體生成三聚體,然后受體的胞漿部分與接頭蛋白 (adapter protein)Fas-相關(guān)死亡蛋白域(fas-associated protein with death domain,F(xiàn)ADD)和Caspase-8 前體(procaspase-8)發(fā)生聚集,Caspase-8前體通過(guò)自身或相互之間的切割從而使Caspase-8激活。當(dāng)Caspases-3被Caspase-8激活后,能夠接著水解 ICAD (Inhibited Caspase Activated Dnase)從而活化 CAD (Caspase Activated Dnase),最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[33]。線粒體信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)通路行程如下:外界的一些凋亡刺激因素能夠使線粒體膜的通透性轉(zhuǎn)換孔(permeability transition pore,PTP)打開,使線粒體膜電位發(fā)生變化,促使線粒體釋放凋亡啟動(dòng)因子(Cyto-C,AIF,APaf-l)、Smac/DIABLO 和 Caspase-3前體(procaspase-3)進(jìn)入胞漿[34-37],最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡的發(fā)生。
死亡受體通路在激活Caspase-8的同時(shí),也可以通過(guò)激活Bcl-2家族的促凋亡因子Bid(binding interface database)而激活線粒體通路。正常狀態(tài)下,Bid存在于胞漿內(nèi)是沒有活性的,但當(dāng)被Caspase-8激活后,Bid會(huì)被切割成一種截短的Bid(truncatedBid,tBid),tBid 能夠進(jìn)入線粒體并破壞線粒體膜的通透性,導(dǎo)致細(xì)胞色素c等釋放入胞漿,進(jìn)一步激活Caspase-9,從而強(qiáng)化了Caspases級(jí)聯(lián)瀑布反應(yīng)[38-41]。
Caspase的激活在細(xì)胞凋亡的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中已經(jīng)被證明是必不可少的[42]。在許多生物系統(tǒng)中,當(dāng)細(xì)胞凋亡時(shí),無(wú)論是死亡受體通路還是線粒體通路最終都會(huì)匯集并激活Caspase-3,然后Caspase-3激活脫氧核糖核酸酶,最終導(dǎo)致核凋亡[43]。Caspase-3在細(xì)胞凋亡過(guò)程中起到至關(guān)重要的作用,它被認(rèn)為是凋亡的“最終執(zhí)行者”[44-45]。Downar等報(bào)道了反油酸(9tC18∶1)和反亞油酸能夠通過(guò)激活Caspase-3誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞凋亡[46]。Kondoh等發(fā)現(xiàn)9tC18∶1能夠通過(guò)激活Caspase-3、Caspase-8來(lái)誘導(dǎo)HepG2細(xì)胞凋亡[47]??梢奣FA在不同的細(xì)胞系內(nèi)能夠誘導(dǎo)不同的Caspase的激活。Bid蛋白是Bcl-2家族中促凋亡類的蛋白質(zhì)。當(dāng)細(xì)胞暴露于外界促凋亡因子如腫瘤壞死因子(tumornecrosisfactor-α,TNF-α)等環(huán)境時(shí),被激活的上游啟動(dòng)酶Caspase-8將Bid蛋白切割并轉(zhuǎn)化為tBid,隨后tBid的C-端片段進(jìn)入線粒體,誘發(fā)細(xì)胞色素c和Smac/DIABLO的釋放,最終引起細(xì)胞凋亡[48-49]。有研究報(bào)道,Smac/DIABLO通過(guò)抑制IAP(細(xì)胞凋亡抑制因子)家族蛋白的表達(dá)來(lái)促進(jìn)Caspase的激活[50-51]。Qiu Bin研究發(fā)現(xiàn)不同飽和度TFA(9tC18∶1 和 9t,12tC18∶2)首先激活死亡受體通路的上游酶Caspase-8,然后通過(guò)Bid蛋白激活線粒體通路,最終激活Caspase-9和激活Caspase-3[52]。另外,還有很多報(bào)道關(guān)于其他的刺激物通過(guò)不同通路激活 Caspase-8、Caspase-9、Caspase-3 而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。Haefen等證明,在紫杉醇誘導(dǎo)BJAB(B細(xì)胞淋巴瘤細(xì)胞)細(xì)胞的凋亡過(guò)程中,Caspase-8做為線粒體通路的下游放大器起著重要的作用[53]。Lim等報(bào)道,在LPS誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡過(guò)程中,通過(guò)抑制細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1/2(ERK1/2)和絲裂原活化蛋白激酶 p38(p38 MAPK通路),從而抑制Caspases-8,Caspases-9,Caspases-3 的激活[54]。
Martina B等發(fā)現(xiàn),花生四烯酸(AA(能夠通過(guò)影響磷脂酰肌醇-3-激酶 (phosphatidylinositol-3-kinases,PI3K)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞的凋亡和黏附[17]。Salvatore P等發(fā)現(xiàn),高濃度的游離脂肪酸(FFA)能夠通過(guò)抑制Akt的磷酸化來(lái)誘導(dǎo)HUVEC凋亡[18]。Michaela A等發(fā)現(xiàn),F(xiàn)FA誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞凋亡需要Caspase酶的激活[19]。Piro等發(fā)現(xiàn),F(xiàn)FA通過(guò)激活Caspase-9來(lái)誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞凋亡[20]。Kondoh等發(fā)現(xiàn)9tC18∶1能夠通過(guò)激活 Caspase-9和 Caspase-3來(lái)誘導(dǎo)肝癌細(xì)胞的凋亡[21]。關(guān)于反式脂肪酸誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞凋亡的研究報(bào)道較少,僅Zapolska報(bào)道了TFA能夠誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞凋亡,但具體的凋亡機(jī)制沒有報(bào)道[22]。
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