线粒体与心肌细胞凋亡的研究进展

　　

 心肌细胞凋亡(ａｐｏｐｔｏｓｉｓ)是心肌细胞的一种程序性死亡,它在心脏
的发育及心力衰竭、原发性高血压、心律失常等许多心脏疾病的病理生理中起着重
要作用。线粒体是细胞产生能量的细胞器,维持机体生命活动所需的能量,90%以上
都是由它以三磷酸腺苷(ＡＴＰ)形式产生。现在的研究证实,线粒体在介导细胞凋
亡中起着重要作用。在心肌细胞中,线粒体约占心肌细胞总体积的45%。研究发现,
在心肌细胞凋亡时,线粒体结构与功能发生明显改变,且与心肌细胞凋亡显著相关[
1 3]。本文主要综述线粒体在心肌细胞凋亡中的作用及其意义。

一、线粒体损伤与心肌细胞凋亡

    细胞凋亡又称程序性细胞死亡,是细胞在自身基因调控下进行的一种主动死亡
,具有独特的形态结构和生物化学特征,主要表现为:细胞核染色质固缩,凋亡小体出
现,梯形脱氧核糖核酸(ＤＮＡ)电泳图谱形成。研究证实,心肌细胞凋亡与原发性高
血压、心肌缺血再灌注损伤、血管成形术后再狭窄、心律失常、心肌病和心肌炎、
心力衰竭、动脉粥样硬化、动脉瘤等多种心血管疾病有关[4 6]。

    线粒体是细胞内一种重要的细胞器,它具有复杂的亚微结构和功能转换系统,通
过氧化磷酸化为细胞生命活动提供能量。生物体内90%以上的ＡＴＰ是由线粒体产
生,因此线粒体被称为细胞器的“动力工厂”。线粒体被两层膜包绕,外膜通透性较
高;内膜有更严格的选择性,它对离子、小分子物质的通透性,在线粒体的结构与功
能的维持中非常重要,它有利于维持内膜两侧的电势差,并在一定条件下形成跨膜质
子梯度,后者是氧化磷酸化的必要中间过程。

    线粒体占心肌细胞体积的45%,许多研究发现,当心肌细胞发生凋亡时,出现线粒
体结构与功能的改变。如Ｓｈａｒｏｗ等[1]在动物试验中发现,心肌细胞凋亡主要
发生在梗死心肌周围,而离梗死心肌越近,线粒体损伤程度越重、数量越多。过氧化
氢(Ｈ2Ｏ2)能够诱导心肌细胞凋亡,Ｃｈｅｎ等[2]在观察Ｈ2Ｏ2对培养心肌细胞凋
亡的研究中发现,在培养的心肌细胞中加入Ｈ2Ｏ2后,首先出现线粒体呼吸功能减弱
,继而出现一系列细胞凋亡的特征:ＤＮＡ的降解,寡聚ＤＮＡ梯形图谱的形成。Ｃ
ｏｏｋ等[3]对其机制进行了研究,发现加入Ｈ2Ｏ2后15～30ｍｉｎ内,细胞色素Ｃ
即从线粒体释放于胞浆中,15～30ｍｉｎ后线粒体跨膜电位降低,这个过程约持续1
ｈ,此后线粒体跨膜电位发生不可逆性丧失,继而出现心肌细胞凋亡与坏死。这均显
示,线粒体在心肌细胞凋亡中发挥着重要作用。

二、线粒体在心肌细胞凋亡中的作用机制

    1 通透性转运孔(ＰＴＰ)的开放:体外实验发现,线粒体内膜在一定条件下能够
形成一种通道,即通透性转运孔(ｐｅｒｍｅｄｂｉｌｉｔｙｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ
ｐｏｒｅ,ＰＴＰ),它是一种有多种蛋白组成的复合体,主要允许不大于1 5ｋｄ的
小分子物质通过。因ＰＴＰ的开放使线粒体基质和胞浆内的离子得以平衡流动,使
原来存在的线粒体内膜跨膜电位(ΔΨｍ)被驱散,影响呼吸链的正常运行,ΔΨｍ异
常会严重影响线粒体功能、基因转录和蛋白质合成。ΔΨｍ异常还会导致氧化磷胸
酸化脱偶联、氧自由基生成增多和ＡＴＰ衰竭,从而诱发心肌细胞凋亡。在凋亡过
程中对线粒体功能的研究发现,细胞凋亡早期形成ＰＴＰ,对≤1 5ｋｄ的分子(如质
子、Ｃａ2+、ＧＳＨ等)通透性增加,进而促进ＰＴＰ开放,线粒跨膜电位ΔΨｍ降
低,继之出现不可逆细胞凋亡。实验研究表明,线粒体膜ＰＴＰ短暂抑制剂环胞霉素
Ａ以及特异性抑制剂ＢＡ(ｂｏｎｇｋｒｅｋｉｃａｃｉｄ,ＢＡ)均可有效阻止Ｐ
ＴＰ开放,抑制线粒体膜ΔΨｍ降低,从而阻断了心肌细胞凋亡的过程[7]。

    2 凋亡活性物质的释放:细胞凋亡过程中,原先位于线粒体内的某些与凋亡有关
的活性物质会被释放出来,包括细胞色素Ｃ、凋亡诱导因子等。

    细胞色素是线粒体膜间隙的可溶性蛋白质,它松散地连接在线粒体内膜表面,是
由单一拷贝基因编码,在胞浆核糖体翻译为细胞色Ｃ原,当转移到线粒体时,与血色
素结合形成完整的细胞色素Ｃ。凋亡的发生都伴有细胞色素Ｃ从线粒体释放,继而
伴有Ｃａｓｐａｓｅｓ激活,而Ｃａｓｐａｓｅｓ活化后又可促进线粒体释放细胞
色素Ｃ,同时其降解底物后,其蛋白降解产物又可引起线粒体通透性改变而导致凋亡
的发生[8]。凋亡诱导因子(ＡＩＦ)是一种线粒体来源的蛋白质,其分子量约为496
05Ｄ,在分离的细胞核中能诱导凋亡,同时还能激发线粒体通透性改变,诱导线粒体
释放细胞色素Ｃ和Ｃａｓｐａｓｅｓ 9。

    细胞内细胞色素Ｃ升高往往出现在心肌细胞发生凋亡的特征性改变前[8,9],进
一步的研究表明,通过抑制细胞色素Ｃ从线粒体内的释放能够抑制缺氧引起的心肌
细胞凋亡。Ｏｋａｍｕｒａ等[11]发现Ｃａｓｐａｓｅｓ抑制剂(ＹＶＡＤ,ＤＥＶ
Ｄ)能显著减少缺血 再灌注引起的心肌细胞凋亡。在另一个试验中,Ｂｉａｌｉｋ
等[12]同样发现Ｃａｓｐａｓｅｓ抑制剂ＺＶＡＤ ｆｍｋ也能抑制缺血诱导的心
肌细胞凋亡。现在人们认为[13,14]一旦细胞色素Ｃ释放,细胞通过两条路径死亡:
一是通过快速凋亡机制,包括由Ａｐａｆ 1(凋亡促进因子 1)介导的凋亡过程;二是
细胞进入一种慢速坏死过程。细胞“能量阈值”假说认为,线粒体氧化磷酸化受到
抑制,ＡＴＰ下降低于该细胞的能量阈值时,将启动细胞发生凋亡,而当细胞内ＡＴ
Ｐ水平突然下降至无法启动细胞凋亡时,细胞会发生坏死[15]。

    3 线粒体与Ｂｃｌ 2:Ｂｃｌ 2蛋白分布于线粒体外膜的浆膜面、内质网表面
及核酸,含有ＢＨ1至ＢＨ4四个结构域,具有稳定线粒体膜功能、阻止线粒体释放Ｃ
ａｓｐａｓｅｓ及活性因子ＡＩＦ、细胞色素Ｃ等作用。Ａｒｍｓｔｒｏｎｇ等[
15]发现,位于线粒体膜的Ｂｃｌ 2凋亡能力明显高于其他部位。

    Ｂｃｌ 2蛋白可作用于ＰＴＰ相关蛋白,阻止ＰＴＰ开放,维持ΔΨｍ。Ｙｉｎ
等[16]研究显示位于线粒体内膜的Ｂｃｌ 2蛋白质有利于保持ＰＴＰ的关闭状态,
从而阻止细胞凋亡早期阶段从开放的ＰＴＰ释放出能引起染色质浓缩和ＤＮＡ断裂
的蛋白质。Ｔａｎａｋａ等[17]证实,Ｂｃｌ 2基因过度表达能够维持正常ΔΨｍ
,从而阻止细胞凋亡。Ｂｃｌ 2细胞凋亡的另一个机制是抗氧化能力,抑制其诱导细
胞凋亡。自由基是机体正常代谢产物,正常细胞每分钟约能产生1011的自由基分子
,自由基性质活泼,极易与其他物质发生反应而形成新的自由基或活性氧化产物(ｒ
ｅａｃｔｉｖｅｏｘｙｇｅｎｓｐｅｃｉｅｓ,ＲＯＳ),且其反应往往呈连锁性。
自由基能够导致ＤＮＡ、蛋白质、脂膜的氧化损伤,从而导致细胞凋亡。Ｊａｃｏ
ｂｓｏｎ等[18]研究发现,Ｂｃｌ 2能够抑制ＲＯＳ诱导细胞凋亡,并认为其可能与
线粒体ＳＯＤ反应而起作用[18]。

三、线粒体与心肌细胞凋亡关系的临床应用

    Ｏｋａｍｕｒａ等[11]对线粒体与心肌细胞凋亡及心肌坏死关系方面进行了研
究。他结扎大鼠的前降支30ｍｉｎ后再灌注模型,然后分成三组,分别加入ＹＶＡＤ
(Ｃａｓｐａｓｅ 1抑制剂)、ＤＥＶＤ(Ｃａｓｐａｓｅ 3抑制剂)及对照组,研究
发现,ＹＶＡＤ及ＤＥＶＤ均显著减少心肌细胞凋亡,然而三组坏死心肌面积无差别
。进一步研究显示,Ｃａｓｐａｓｅ抑制剂、线粒体保护剂、自由基清除剂及一些
药物均可减少心肌细胞凋亡,然而它们在缩小心肌坏死面积方面存有较大差异。Ｙ
ａｏｉｔａ等[19]认为,心肌细胞缺血时,一些促凋亡及促坏死信号均作用于线粒体
这一共同通路而发挥作用。作用于线粒体后途径,仅能抑制心肌细胞凋亡,不能抑制
心肌细胞坏死途径。

    这些研究表明,只有作用于线粒体前及线粒体水平的措施才能有效抑制心肌细
胞凋亡,缩小坏死心肌面积。明确这一机制对指导临床用药也有重要意义,如血管紧
张素转换酶抑制剂(ＡＣＥＩ)能有效减少心肌梗死后坏死心肌面积,改善心衰症状
。现在的研究表明,ＡＣＥＩ类药物能够促使心肌细胞线粒体内超氧化物歧化酶(Ｓ
ＯＤ)数量增多、功能改善,细胞凋亡减少[20],说明ＡＣＥＩ类药物可能通过线粒
体水平而发挥抑制心肌细胞凋亡及坏死等积极作用。

    总之,线粒体在心肌细胞凋亡中起中心作用,决定心肌细胞走向凋亡还是坏死。
线粒体在凋亡凋节中也十分重要,绝大多数蛋白质通过线粒体起到调节作用。明确
线粒体在细胞凋亡中起关键作用,对于我们进一步探讨心脏疾病的发生及防治均有
重要意义。