中性粒細(xì)胞凋亡與低氧血癥
王業(yè)亞胡克陽(yáng)俊
作者單位: 430060 武漢大學(xué)人民醫(yī)院呼吸科
【關(guān)鍵詞】中性粒細(xì)胞;細(xì)胞凋亡;低氧血癥
中性粒細(xì)胞是機(jī)體最主要的炎性反應(yīng)細(xì)胞,其數(shù)量、功能和生命期限影響著炎性反應(yīng)的發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)歸。中性粒細(xì)胞主要通過(guò)凋亡被單核巨噬細(xì)胞識(shí)別、吞噬,不釋放其細(xì)胞內(nèi)毒性內(nèi)容物,從而限制中性粒細(xì)胞介導(dǎo)的組織損傷、并促進(jìn)炎性反應(yīng)消散。如果中性粒細(xì)胞生存力延長(zhǎng),周圍細(xì)胞或組織將會(huì)被破壞。
中性粒細(xì)胞凋亡(neutrophil apoptosis, NA)由胞內(nèi)死亡/存活信號(hào)路徑的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)介導(dǎo)并受一系列的細(xì)胞外刺激如細(xì)胞因子與低氧血癥調(diào)節(jié)。NA可由死亡受體(外源性)和線粒體(內(nèi)源性) 路徑啟動(dòng)。后者在控制自發(fā)性NA中有極其重要的作用[1]。由兩種路徑激活的Cascape級(jí)聯(lián)反應(yīng)為主要機(jī)制。首先,Caspases合成為無(wú)活性的酶原,經(jīng)蛋白水解酶激活,導(dǎo)致酶裂解及核DNA破碎。Caspase-8為死亡受體觸發(fā)的啟動(dòng)子,而Caspase-9分裂是線粒體路徑的標(biāo)志。Caspase-8與Caspase-9均可激活效應(yīng)因子Caspase-3[2]。
一、死亡受體(外源性)路徑
胞外的死亡信號(hào)可通過(guò)死亡受體轉(zhuǎn)入胞內(nèi)。在死亡受體路徑,一種是Fas/FasL配體介導(dǎo)的模型,另一種是TNF誘導(dǎo)的模型。首先,錨定在膜上的Fas配體(membrane-anchored Fas ligand, FasL)以三聚體的形式與相鄰細(xì)胞的Fas結(jié)合,引起Fas的三聚化;隨后,F(xiàn)as復(fù)合物通過(guò)細(xì)胞內(nèi)化途徑進(jìn)入細(xì)胞內(nèi),繼而導(dǎo)致死亡誘導(dǎo)信號(hào)復(fù)合體( death-inducing signaling complex, DISC)形成。死亡受體的群集及連接可促進(jìn)caspase酶原分子在DISC內(nèi)的聚集,誘導(dǎo)自體溶解和活性caspase-8的降解,進(jìn)而激活凋亡程序下游的終末影響子Caspase-3。同時(shí),F(xiàn)as-DISC啟動(dòng)反饋回路機(jī)制,增加線粒體中促凋亡因子的釋放,增強(qiáng)Caspase-8的活化。并且人類中性粒細(xì)胞的DISC可自發(fā)形成[3]。另外,TNFR1信號(hào)可通過(guò)募集TNF受體相關(guān)因子2(TNF receptor-associated factor 2, TRAF2)誘導(dǎo)核轉(zhuǎn)錄因子(NF-κB)激活,促進(jìn)中性粒細(xì)胞生存。在兩種信號(hào)中,TRADD可能作為平臺(tái)適配器,募集TRAF2 或 FADD,從而激活不同的信號(hào)傳遞,包括激活NF-κB誘導(dǎo)的存活途徑或是Caspase依賴的凋亡前途徑。與TNFR1比較,TNFR2不包含TRADD模序并且不能募集TRAF2直接激活NF-κB[4]。此外,TNFR2可通過(guò)絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)活化促進(jìn)中性粒細(xì)胞生存。
二、線粒體路徑
對(duì)于多細(xì)胞生物,沒(méi)有線粒體,細(xì)胞就不能進(jìn)行有氧呼吸,很快就會(huì)死亡。線粒體路徑就是以線粒體為靶的蛋白質(zhì)分子經(jīng)不同的途徑影響其功能:如在線粒體膜上形成孔道致使線粒體腫脹、增加線粒體膜的通透性使凋亡效應(yīng)因子從線粒體漏出,進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞凋亡。線粒體膜通透性增加后,其內(nèi)的胱天蛋白酶激活因子(second mitochondria-derived activator of caspase, SMAC)/Diablo被釋放到細(xì)胞漿中。SMAC/Diablo與凋亡蛋白抑制因子(inhibitor of apoptosis protein, IAP)結(jié)合并使其失活,抑制IAP阻止凋亡的作用,使凋亡得以繼續(xù)。正常情況下,IAP抑制Caspase的活性,因此認(rèn)為線粒體膜的通透性可間接調(diào)控凋亡。研究發(fā)現(xiàn),Bcl-2家族成員主要控制線粒體外膜的通透性。在生理狀態(tài)下,線粒體膜處于極化狀態(tài)并具有跨膜電位,維持細(xì)胞色素C和細(xì)胞活性氧局限在線粒體之內(nèi)。促凋亡Bcl-2蛋白的寡聚并插入線粒體膜,可引起線粒體膜通透性改變,跨膜電位丟失,釋放細(xì)胞色素C和其他蛋白。細(xì)胞色素C的釋放是線粒體凋亡的主要步驟,細(xì)胞色素C與凋亡蛋白酶活化因子1及Caspase-9組成凋亡復(fù)合體。在ATP存在條件下,這個(gè)復(fù)合體可誘導(dǎo)蛋白水解分裂及激活促Caspase-3,進(jìn)而觸發(fā)下游Caspase-3活性級(jí)聯(lián)反應(yīng)。
Bax是目前研究最深入的可溶性促凋亡蛋白。在新鮮分離的中性粒細(xì)胞中,Bax在胞漿以磷酸化封閉狀態(tài)存在,與Mcl-1形成異二聚體。凋亡時(shí),在蛋白酶體介導(dǎo)的降解作用下,Mcl-1水平顯著下降,Bax:Mcl-1二聚體中釋放的Bax轉(zhuǎn)移至線粒體,在線粒體內(nèi)形成寡聚體,執(zhí)行促凋亡功能。然而,激活的Bax與Bak可作為離子通道與銜接蛋白,介導(dǎo)細(xì)胞色素c的釋放;抗凋亡的Bcl-2可通過(guò)抑制Bax和/或Bak促進(jìn)線粒體外膜的穩(wěn)定性和/或損害促凋亡蛋白的插入,從而阻斷中性粒細(xì)胞凋亡。此外,第二組的促凋亡蛋白Bad和Bid可負(fù)性調(diào)節(jié)抗凋亡的Bcl-2蛋白,正性調(diào)節(jié)促凋亡部分。
Mcl-1為抗凋亡的關(guān)鍵蛋白,是人類中性粒細(xì)胞中抗凋亡Bcl-2家族唯一可以在mRNA及蛋白水平被重復(fù)、準(zhǔn)確測(cè)定的成員。自發(fā)性凋亡通常伴有Mcl-1的降解[5],抗凋亡的Mcl-1轉(zhuǎn)錄體極不穩(wěn)定(半衰期約3 h)[6],此外,Mcl-1易于快速翻轉(zhuǎn)[7]。在外源性信號(hào)作用下,Mcl-1功能的快速翻轉(zhuǎn)可允許中性粒細(xì)胞迅速由生存轉(zhuǎn)為死亡。重要的是,Mcl-1對(duì)生存刺激會(huì)產(chǎn)生正調(diào)節(jié),因而,對(duì)NA有重要影響[8]。
三、NF-κB 與 p38MAPK在中性粒細(xì)胞凋亡中的作用
NF-κB[9-11]與 p38MAPK[9,12]均可調(diào)節(jié)NA程序。NF-κB為一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子蛋白家族,具有高度細(xì)胞特異性和氧化還原反應(yīng)敏感性,其通常存在于胞漿中。在靜息的細(xì)胞中,NF-κB 與其抑制單位IκB形成復(fù)合體,以無(wú)活性形式存在于胞漿中。當(dāng)細(xì)胞受細(xì)胞外信號(hào)刺激后,IκB激酶復(fù)合體(IκB kinase, IKK)活化將IκB磷酸化,使NF-κB暴露核定位位點(diǎn)。游離的NF-κB迅速移位到細(xì)胞核與應(yīng)答基因DNA的一致位點(diǎn)結(jié)合。中性粒細(xì)胞中NF- κB活性的調(diào)節(jié)機(jī)制與其他細(xì)胞顯著不同。最重要的區(qū)別是新合成的IkBα可進(jìn)入細(xì)胞核,從基因啟動(dòng)子中轉(zhuǎn)運(yùn)NF-κ B回細(xì)胞漿中。因而,IkBα的核積聚與抑制NF-κB活性及誘導(dǎo)NA有關(guān)。應(yīng)用不同NF-κB抑制劑可強(qiáng)有力的誘導(dǎo)NA[9],反之,NF-κB激活劑則可提供強(qiáng)烈的生存信號(hào)[11]。NF-κB控制生存基因(如Bcl-2家族成員)的表達(dá),同時(shí)調(diào)節(jié)被認(rèn)為最重要的生存蛋白IL-8的合成??笽L-8:IL-8復(fù)合體可抑制自發(fā)性中性粒細(xì)胞凋亡。生存效應(yīng)與Caspase-3及Caspase-9活性減弱、抗凋亡細(xì)胞蛋白(Bcl-XL)的增加和促凋亡蛋白(Bax,Bak)表達(dá)的減少有關(guān)[13]。
p38MAPK的活化為一般應(yīng)激反應(yīng)的一部分,可介導(dǎo)中性粒細(xì)胞生存[14]。由于p38MAPK涉及NF-κB的激活,其可能與導(dǎo)致Bcl-2家族生存基因和IL-8的表達(dá)有關(guān)。此外,p38MAPK可直接磷酸化并抑制Caspase-3和Caspase-8的活性,因而阻礙NA[14]。
四、活性氧作為NA的細(xì)胞內(nèi)調(diào)節(jié)子
活性氧(reactive oxygen species, ROS)是指在生物體內(nèi)與氧代謝有關(guān)的含氧自由基和易形成自由基的過(guò)氧化物的總稱。研究表明中、高濃度的ROS通過(guò)細(xì)胞氧化應(yīng)激反應(yīng)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡甚至導(dǎo)致其壞死。在所有細(xì)胞類型中,中性粒細(xì)胞擁有最強(qiáng)有力的活性氧系統(tǒng)。在靜止期中性粒細(xì)胞,線粒體為ROS主要來(lái)源。然而,在激活期,活性氧主要由尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH/NADH)氧化酶系統(tǒng)產(chǎn)生。細(xì)胞的活化可導(dǎo)致NADPHox細(xì)胞溶膠亞單位的磷酸化作用及從顆粒池轉(zhuǎn)運(yùn)至血漿或是噬菌膜。NADPHox顆粒池的活化可誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)ROS產(chǎn)生,而膜結(jié)合氧化酶的刺激主要導(dǎo)致ROS的細(xì)胞外釋放。但重要的是細(xì)胞內(nèi)而非細(xì)胞外ROS的釋放導(dǎo)致NA[15]。
ROS可通過(guò)多種方式干預(yù)NA,如直接氧化DNA和/或修飾蛋白與酶?;罨钚匝醯姆肿影杏蠧aspases、磷酸肌醇PI3K/Akt路徑分子和NF-κB。此外,ROS可調(diào)節(jié)死亡受體聚集[16]并且可在幾分鐘內(nèi)迅速激活p38MAPK系統(tǒng)[17]。其中,過(guò)氧化氫(H2O2)可能是NA細(xì)胞內(nèi)信號(hào)機(jī)制的中間產(chǎn)物,并且其氧化產(chǎn)物如OH-(最具毒性的氧中間產(chǎn)物,可產(chǎn)生DNA損害)對(duì)NA可能至關(guān)重要[18]。ROS在NA中的功能及其準(zhǔn)確的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)路徑尚不完全清楚。然而,絕大多數(shù)報(bào)道證實(shí)ROS可直接導(dǎo)致NA[19]。ROS分子的類型在NA中可能較重要。例如,中性粒細(xì)胞細(xì)胞內(nèi)超氧化物水平的增加可以導(dǎo)致NF-κB的活化,而將中性粒細(xì)胞暴露于過(guò)氧化氫時(shí)可抑制NF-κB的核轉(zhuǎn)錄[20]。此外,活化刺激的類型(不同的細(xì)胞因子,感染和吞噬作用,PMA或LPS活化及低氧血癥)在ROS對(duì)中性粒細(xì)胞凋亡也起關(guān)鍵作用。例如,在吞噬作用過(guò)程中產(chǎn)生的NADPHox源性的細(xì)胞內(nèi)ROS可經(jīng)Caspase激活誘導(dǎo)NA,然而,使用fMLP治療同樣的中性粒細(xì)胞可引起氧化爆發(fā)(幾乎全部是細(xì)胞外),這些細(xì)胞的凋亡僅有輕度減少[21]。同時(shí),NA與細(xì)胞的抗氧化劑防護(hù)水平及類型部分相關(guān)。因而,ROS的毒性作用可被細(xì)胞內(nèi)強(qiáng)有力的抗氧化劑(如谷胱甘肽)限制。由此可見(jiàn),氧化還原反應(yīng)狀態(tài)的改變是NA中最早的事件。中性粒細(xì)胞內(nèi)抗氧化劑的保護(hù)可迅速降解過(guò)氧化氫,從而阻止副產(chǎn)品(如HO)的形成。
五、缺氧對(duì)中性粒細(xì)胞凋亡的影響
缺氧通常可誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡,然而,卻可抑制NA[10,22-23]。在1995年,Jacobson等[24]和Shimizu等[25]均發(fā)現(xiàn)在極端低氧狀態(tài)下,Bcl-2具有保護(hù)性作用,使ROS生成減少。隨后,Hannah等[26]在體外應(yīng)用0%,2.5%,21%氧濃度的條件下對(duì)NA的影響進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)在0%,2.5%,21%氧濃度的影響下,中性粒細(xì)胞的凋亡率分別為(23.1±3.2)%,(61.4±6.5)%,(78.7±2.2)%,同時(shí)發(fā)現(xiàn)GM-CSM可延長(zhǎng)中性粒細(xì)胞生存能力增強(qiáng),但與Bcl-2表達(dá)無(wú)關(guān)。隨后,研究發(fā)現(xiàn)缺氧可引起復(fù)雜的濃度依賴性和可逆性抑制NA[23,26]。在體內(nèi),當(dāng)健康受試者暴露于急性缺氧狀態(tài)時(shí),可延長(zhǎng)中性粒細(xì)胞存活[27]。
缺氧可激活NA的多個(gè)信號(hào)路徑,如低氧誘導(dǎo)因子-1α(hypoxia inducible factor-1α,HIF-1α)和NF-κB。暴露于持續(xù)性缺氧(sustain hypoxia,SH)環(huán)境中時(shí),PC-12細(xì)胞中的HIF-1α水平在再氧合后迅速顯著減少[28]。但間歇性低氧(intermittent hypoxia,IH)在再氧合過(guò)程中,可導(dǎo)致HIF-1α持續(xù)顯著堆積。在內(nèi)皮細(xì)胞中,IH可誘導(dǎo)HIF-1α磷酸化方式的修飾,磷酸化HIF-1a的進(jìn)行性增加,導(dǎo)致細(xì)胞存活并適應(yīng)缺氧[29]。Ryan等[30]利用HeLa細(xì)胞發(fā)現(xiàn), HIF-1α易被SH激活。同時(shí),研究發(fā)現(xiàn)在HIF-1α敲除基因鼠的中性粒細(xì)胞中,缺氧有增加NF-κB p65轉(zhuǎn)錄豐度及活性的能力,NF-κB抑制劑(如木霉素、銀膠菊內(nèi)酯)對(duì)缺氧性生存的消融,對(duì)NF-κB缺氧性誘導(dǎo)的抑制,均表明NA的NF-κB路徑中存在有HIF-1α依賴性調(diào)節(jié)[10]。NF-κB可控制生存基因如Bcl-2家族成員的表達(dá)并調(diào)節(jié)IL-8的合成,而IL-8為最重要的生存蛋白之一[15,31-33]。而IL-8與趨化因子CXC受體1、2結(jié)合,可啟動(dòng)抗NA作用[6,34]。
研究發(fā)現(xiàn)Mcl-1表達(dá)的缺失亦可促進(jìn)NA[8],表明Mcl-1對(duì)于延長(zhǎng)正常中性粒細(xì)胞老化和缺氧性凋亡必不可少。對(duì)缺氧在抑制NA的研究中發(fā)現(xiàn),在2%的氫氣,5%的二氧化碳及93%的氮?dú)鈼l件下培育中性粒細(xì)胞12h,發(fā)現(xiàn)Mcl-1的表達(dá)上調(diào);但加入MEK或是p38MAPK抑制劑后,NA恢復(fù)至正常氧濃度水平[8]。表明低氧可能是通過(guò)激活p38MAPK信號(hào),從而誘導(dǎo)抗凋亡蛋白Mcl-1的表達(dá),進(jìn)而抑制NA。
Dyugovskaya等[35]通過(guò)研究IH與SH對(duì)NA的影響,使氧濃度波動(dòng)于5~0.1%之間,經(jīng)3-6及10個(gè)IH周期后,發(fā)現(xiàn)IH的影響呈劑量與時(shí)間依賴性。與正常氧濃度比較,給予5%氧3個(gè)周期后可見(jiàn)NA顯著減少。并且不論是在整個(gè)血液還是在純化的中性粒細(xì)胞培養(yǎng)中,在所有IH狀態(tài)下NA的速率均低于SH。這種趨勢(shì)可見(jiàn)于每個(gè)受試對(duì)象,但純化的中性粒細(xì)胞較整個(gè)血液的數(shù)值有輕度增高。同樣,在OSAS患者,經(jīng)流式細(xì)胞儀、凋亡的形態(tài)學(xué)特征(核和染色質(zhì)濃縮及Caspase-3活性的顯著降低)檢測(cè),顯示NA顯著減少。嚴(yán)格來(lái)說(shuō),NA的比例與缺氧程度呈負(fù)相關(guān)。在NA過(guò)程中,SH與IH是否觸發(fā)普通的信號(hào)路徑現(xiàn)在尚不清楚。有研究發(fā)現(xiàn)與SH相似,IH的抗凋亡影響由p38MAPK信號(hào)路徑介導(dǎo)。因?yàn)橐种苝38MAPK后,低氧血癥的存活影響喪失。同時(shí)有研究發(fā)現(xiàn)NF-κB活性對(duì)IH引起的存活是必須的。因?yàn)?,在間歇性低氧時(shí),使用結(jié)構(gòu)性和機(jī)械性分離NF-κB抑制劑(如gliotoxin, parthenolide, and IMD-0354)可顯著增加Caspase-3依賴性NA,同時(shí)伴有IL-8表達(dá)減少。在體外間歇性低氧時(shí),中性粒細(xì)胞核碎片中的NF-κB活性增加。同樣,對(duì)OSAS患者的中性粒細(xì)胞,IH可激活NF-κB[36]。Htoo等[36]通過(guò)研究間歇性缺氧、持續(xù)缺氧及正常氧濃度條件下對(duì)中性粒細(xì)胞生存的影響,發(fā)現(xiàn)與正常氧濃度比較,間歇性缺氧與持續(xù)性缺氧可上調(diào)抗凋亡因子Mcl-1水平2倍,分別可下調(diào)凋亡前因子Bax約41%,27%,同時(shí),在凋亡的可見(jiàn)性特征出現(xiàn)前可抑制與Bax同位置的線粒體。間歇性缺氧可誘導(dǎo)ERK1/2和p38MAPK磷酸化,而持續(xù)性缺氧僅誘導(dǎo)p38MAPK磷酸化。相應(yīng)的,ERK與p38MAPK抑制劑減弱間歇性缺氧所致的Mcl-1增加。但在持續(xù)性缺氧,僅p38MAPK抑制劑減少M(fèi)cl-1表達(dá)。在OSAS患者,與健康者暴露于間歇性缺氧時(shí)一樣,Bax/Bcl-1比例顯著低于正常對(duì)照組,并且Bax與線粒體不共位。表明無(wú)論是在體外,還是在OSAS患者體內(nèi),Bax/Mcl-1失衡均可促進(jìn)中性粒細(xì)胞生存。在間歇性缺氧與持續(xù)性缺氧條件下,分別由不同的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑調(diào)節(jié)Bax/Bcl-1蛋白,ERK1/2信號(hào)在間歇性缺氧中有著重要的調(diào)節(jié)功能[37]。
研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)中性粒細(xì)胞暴露于間歇性低氧時(shí),胞漿性ROS產(chǎn)物較正常氧濃度時(shí)減少了約90%~92%。但是,在OSAS組或是健康對(duì)照組靜止期中性粒細(xì)胞中的 ROS產(chǎn)物基礎(chǔ)水平相同。在PMA刺激后,與對(duì)照組相比,OSAS患者中ROS產(chǎn)物顯著增加[38]。這表明在受到間歇性低氧刺激后可誘導(dǎo)中性粒細(xì)胞生成ROS,這對(duì)清除感染很關(guān)鍵但對(duì)周圍組織很可能造成損害。
總之,NA發(fā)生遠(yuǎn)比本綜述描述的更為復(fù)雜,低氧血癥在NA中的作用機(jī)制需要進(jìn)一步闡述。而對(duì)這一發(fā)病機(jī)制的進(jìn)一步探討,也有助于闡明睡眠呼吸暫停低通氣綜合征的病理特征。
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(本文編輯:王亞南)
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·綜述·
收稿日期:(2014-08-13)
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:中圖法分類號(hào): R563 A
通訊作者:胡克,Email: hukejx@163.com
基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(81370181)
DOI:10.3877/cma.j.issn.1674-6902.2015.02.021