CHEMISTRY OF LIFE 2010,30(4)
文章编号: 1000-1336(2010)04-0528-05
Akt与细胞线粒体凋亡途径
赵 婧 屈 艺 母得志
四川大学华西第二医院儿科,成都 610041
摘要:在肿瘤和代谢性疾病的研究中,PI3K/Akt信号通路在线粒体功能调控中的作用日益受到重视,作为PI3K的主要下游靶蛋白,丝/苏氨酸蛋白激酶Akt在线粒体介导的内源性凋亡通路和糖酵解中发挥重要作用。本文就Akt与细胞线粒体凋亡途径的关系做一综述。关键词:Akt;线粒体;凋亡中图分类号:Q291
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收稿日期:2010-04-29
国家自然科学基金项目 (No. 30825039;30973236);四川省科技厅基金(No. 08ZQ026-069);四川省卫生厅基金(No.080236);四川省人事厅基金(No. 078RC-256515)资助
作者简介:赵婧(1983-),女,住院医师,博士生,E-mail:zhaojinga@yeah.net;屈艺(1971-),女,博士,教授,E-mail:quyi712002@yahoo.com;母得志(1963-),男,博士,教授,主任医师,通讯作者,E-mail:dezhimu@yahoo.com
机体内环境的稳定依赖于对各种外界刺激引发的级联反应的严格调控。各种信号转导通路在外界刺激引发的级联反应中起着关键作用,其中一个重要的信号通路是磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidy-linositol 3 kinase, PI3K)/丝/苏氨酸蛋白激酶(serine/threonine protein kinase Akt)途径,其作用底物及其在细胞代谢、增殖、凋亡及能量代谢中的作用日益受到关注。而细胞的“能量供应器”线粒体不仅参与多种生理过程的调节,还通过线粒体凋亡途径在细胞凋亡中发挥重要作用。近年研究发现Akt可通过直接或间接的作用调节细胞凋亡的线粒体途径。1. PI3K/Akt在信号转导中的作用
PI3K/Akt是一条经典的信号途径,PI3K是一个复杂的大家族,由催化亚单位和调节亚单位所组成的二聚体蛋白质,具有脂质激酶和蛋白激酶的双重活性,其作用是催化磷脂酰肌醇(PI)的磷酸化,把底物磷脂酰肌醇4,5-二磷酸(phosphatidylinositol 4,5-diphosphate, PIP2)转化为磷脂酰肌醇3,4,5-三磷酸(phosphatidylinositol 3,4,5-trisphosphate, PIP3),募集
下游含有PH(pleckstrin homology)结构域的信号蛋白到细胞膜表面并使之激活[1]。Akt是PI3K的主要下游调节蛋白,也称为蛋白激酶B(PKB),在细胞生存与增殖中发挥重要作用。PI3K/Akt通路的激活是许多生长因子如胰岛素、胰岛素样生长因子、血小板来源的生长因子以及细胞、炎症介质胞内信号传递的共同机制。
激活的Akt可定位于高尔基体、内质网、线粒体及胞核等细胞器内,与其特异性底物相互作用[2,3]。PI3K突变或Akt的过度表达可使PI3K/AKT通路在肿瘤中持续性激活,破坏细胞周期,导致失控性细胞增殖。
2. Akt与线粒体在细胞凋亡中的相互联系
哺乳动物细胞内存在细胞凋亡的两条途径:一条是由细胞表面死亡受体介导的“外源性途径”;另一条是由线粒体介导的“内源性途径”。现已广泛接受线粒体通过释放大量的促凋亡蛋白在调节凋亡通路中起中心作用。线粒体可整合跨膜转位蛋白和钙流信号,使动态的微管网络发生聚合和分离,改变线粒体的形态。凋亡刺激信号使线粒体外膜通透性增加,线粒体内许多促凋亡蛋白释放入胞质,启动胱天蛋白酶(caspase)级联反应或在胞核内激活核酸内切酶诱发细胞凋亡。已有报道线粒体嵴在凋亡发生早期发生形态改变,以利于细胞色素C的释放[4]。细胞色素C是线粒体呼吸链的组成部分,同时也是细胞凋亡过程中的关键蛋白质,启动胱天蛋白酶级
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联反应[5]。另外,促凋亡蛋白如凋亡诱导因子(apoptosis-inducing factor, AIF)和核酸内切酶G从线粒体膜间隙释放入胞浆,以不同于细胞色素C的方式参与细胞凋亡。因此,线粒体外膜通透性的增加允许膜间隙蛋白释放是凋亡过程中的关键步骤。
Bcl-2与线粒体膜间隙蛋白释放关系密切。迄今为止,在Bcl-2家族中共发现超过30种蛋白质。根据结构同源性,将Bcl-2家族蛋白分为三类:(1)类Bcl-2存活因子,包括Bcl-2、Bcl-XL,Mcl-1(myeloid cell leu-kemia 1)[6] ;(2)类Bax死亡因子,包括Bax(Bcl-2-asso-ciated X protein)和Bak[7] ;(3)仅含BH3结构域的死亡因子,包括Bid (BH3 interacting domain death agonist)和Bad(Bcl-2 associated death domain)[8]。促凋亡蛋白Bax可与线粒体外膜电压依赖性阴离子通道相互作用,促进线粒体膜通透性转换孔开放[9] ;Bid还可直接激活Bax,引起Bax构象改变,并插入线粒体外膜形成膜通道[10]。这些通道可以促进线粒体膜间隙(IMS)蛋白的释放,引起细胞凋亡发生。Bcl-2家族促进/抑制凋亡蛋白的平衡决定细胞的最终命运。
Akt处于许多线粒体介导细胞凋亡通路的交汇点,可以通过磷酸化或与细胞死亡因子相互作用直接或间接调节细胞凋亡(图1)。
2.1 Akt参与凋亡前线粒体阶段的调节
在前线粒体阶段,热激蛋白(heat shock protein,HSP)促进和维持Akt的激活。热激蛋白是存在于正常和非正常细胞中的一组结构高度保守的蛋白质,参与细胞的发育、生长和分化,增强细胞对有害刺激的抵抗力,加速细胞自身修复[11]。热激蛋白家族中的HSP90和HSP27与Akt介导的细胞存活有关。HSP90能与Akt结合,抑制Akt的去磷酸化,维持其活性及在线粒体内的浓度[12]。而HSP27是Akt的激活因子,并能与释放入胞浆的细胞色素C结合抑制其促凋亡活性[13,14]。氧化应激状态下,Akt逐渐激活并伴随HSP27表达增加。抗HSP27抗体处理后抑制HSP27与Akt的相互作用,使Akt去磷酸化后诱导细胞凋亡[15]。
2.2 Akt参与凋亡线粒体阶段的调节
2.2.1 Bcl-2家族促凋亡蛋白
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Bad是首个发现作为图1 Akt直接或间接参与线粒体介导细胞凋亡通路的调节
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Akt作用底物的Bcl-2家族促凋亡蛋白,非磷酸化形式是其活性状态,能与Bcl-2或Bcl-xL结合形成复合体。Akt能磷酸化Bad,使Bad从复合物分离并与14-3-3蛋白结合,一方面抑制Bad的促凋亡作用,另一方面有利于解离的Bcl-2和Bcl-xL发挥抗凋亡
作用[16]。因此,Akt通过磷酸化Bad抑制细胞凋亡。
Akt还能调节Bax,正常情况下,Bax主要存在于胞浆,当凋亡刺激信号使其发生构象改变时,Bax与Bid或Bim相互作用后形成插入线粒体膜的蛋白孔道,利于细胞色素C的释放[10],细胞色素C一旦进入胞浆,在ATP或dATP参与下,与凋亡蛋白水解酶激活因子Apaf-1及胱天蛋白酶-9共同组成凋亡体(apoptosome),再依序激活胱天蛋白酶-3和胱天蛋白酶-7,最终诱发细胞凋亡。近年发现,Akt能磷酸化Bax,在胞浆中与Bcl-xL和Mcl-1形成异二聚体,抑制其构象改变和线粒体膜转位[14]。因此,Akt 可通过磷酸化Bax抑制细胞色素C释放,从而抑制细胞凋亡。
2.2.2 凋亡诱导因子AIF AIF是一种位于线粒体双层膜间区的黄素蛋白,在正常线粒体其氧化还原酶活性具有抗凋亡作用,但在凋亡诱导因素的刺激下,AIF可从线粒体转位进入胞核,独立地将基因组DNA裂解为DNA片段,引起染色质凝集及DNA片断化,并引发不依赖于胱天蛋白酶的细胞凋亡通路[17]。近年研究发现Akt能通过抑制AIF核转位抑制神经酰胺诱导的神经元凋亡[18],但是神经酰胺又具有使Akt去磷酸化失活的特性。因此,Akt介导的AIF抑制机制仍需进一步研究。
2.2.3 应激活化蛋白激酶SAPK通路 SAPK的激活可触发线粒体依赖的凋亡通路,S
APK包含两类激酶——[c-Jun氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK]和有丝分裂原活化蛋白p38激酶(mitogen acti-vated protein kinase p38, MAPK p38 )。JNK持续性激活后介导“外源性凋亡通路”,同时JNK也能发生线粒体移位,鼠胚胎成纤维细胞缺乏JNK时线粒体不能释放细胞色素C[19]。JNK能磷酸化Bad的Ser128和Thr201,使Bad与Bcl-2或Bcl-xL结合形成复合体,抑制后者的抗凋亡作用[20]。在成年大鼠脑缺血再灌注模型中,Akt活性下降伴随有JNK通路的激活,而抑制Akt负性调节蛋白后,JNK介导的细胞凋亡也减少[21]。因此,Akt能磷酸化SAPK,使之失活后促进细胞存活。
2.2.4 糖原合成激酶3(GSK-3) GSK-3有GSK-3α和GSK-3β两个亚型,通过使Bcl-2家族抗凋亡蛋白Mcl-1磷酸化来诱导凋亡,蛋白酶体能降解磷酸化的Mcl-1,有利于细胞色素C的释放。Akt能磷酸化GSK-3的Ser21和Ser9,使之失活,发挥抗凋亡作用[22]。因此,Akt能通过负性调节GSK-3影响Mcl-1的稳定性,从而促进细胞生存。
2.3 Akt参与凋亡线粒体后阶段的调节
2.3.1 胱天蛋白酶-9 胱天蛋白酶-9激活是凋亡过程中胱天蛋白酶级联反应的前提,已
有报道Akt可直接磷酸化人胱天蛋白酶-9的Ser196,使之失活[23]。但在其他哺乳动物如鼠、兔、猴中未发现该磷酸化位点。还有研究表明Akt能影响胱天蛋白酶的基因转录[24]。因此Akt对胱天蛋白酶-9的调节作用仍需进一步研究。
2.3.2 DNA断裂因子DFF40/CAD和Acinus 胱天蛋白酶级联反应后活化的脱氧核糖核酸酶DFF40/CAD,在DNA断裂中起主要作用[25]。原癌基因连接蛋白Ebp1(ErbB3-binding protein)是一种普遍存在于胞浆和胞核的DFF40/CAD的抑制蛋白。研究发现,在神经生长因子预处理的PC12细胞中,蛋白激酶C(PKC)磷酸化的Ebp1能与胞核内Akt结合,抑制DFF40/CAD引起的DNA断裂,并增强Ebp1的抗凋亡活性[26]。表明Akt还可以不依赖其激酶活性的方式抑制细胞凋亡。
Acinus是在凋亡信号上使染色质聚集的促凋亡核蛋白,使染色质聚集的促发器。目前认为,Akt能磷酸化Acinus的Ser422和Ser573,使染色质聚集受阻,从而抑制细胞凋亡[27]。
另外,细胞生存与能量代谢紧密相关,而Akt是二者的共同调节蛋白。己糖激酶是糖酵解途径中的第一个酶,与线粒体外膜特异性地结合,研究发现己糖激酶是Akt介导的细胞存活通路的下游。Akt与己糖激酶相互作用可能抑制细胞色素C的释放和维持线粒体外膜完整性,抑制细胞凋亡[28]。red rain
总之,线粒体是Akt发挥抗凋亡作用的主要细胞器。Akt通过直接或间接调节线粒体参与细胞凋亡的不同阶段调控。因此,对Akt作用底物的研究以及以Akt为靶点的药物开发,将会为相关疾病的治疗提供新的思路。
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参 考 文 献
[1]Paz-Ares L et al. Inhibiting PI3K as a therapeutic strategyagainst cancer. Clin Transl Oncol, 2009, 11: 572-579[2]Sephton CF et al. The nuclear localization of 3'-phosphoinositide-dependent kinase-1 is dependent on itsassociation with the protein tyrosine phosphatase SHP-1.Cell Signal, 2009, 21: 1634-1644
[3]Mamidipudi V et al. A novel pro-apoptotic function of RACK1:suppression of Src activit
y in the intrinsic and Akt pathways.Oncogene, 2009, 28: 4421-4433
[4]Kumarswamy R et al. Mitochondrial regulation of insect cellapoptosis: evidence for permeability transition pore-independent cytochrome-c release in the Lepidopteran Sf9cells. Int J Biochem Cell Biol, 2009, 41: 1430-1440
[5]Kawai C et al. pH-sensitive binding of cytochrome c to theinner mitochondrial membrane. Implications for theparticipation of the protein in cell respiration and apoptosis.Biochemistry, 2009, 48: 8335-8342
[6]Rudner J et al. Differential effects of anti-apoptotic Bcl-2family members Mcl-1, Bcl
flyer
-2, and Bcl-xL on celecoxib-induced apoptosis. Biochem Pharmacol, 2010, 79: 10-20[7]Peng J et al. The Bax BH3 peptide H2-H3 promotes apoptosisby inhibiting Bcl-2’s pore-forming and anti-Bax activities inthe membrane. Sheng Wu Yi Xue Gong Cheng Xue Za Zhi,2009, 26: 829-835
[8]Sinicrope FA et al. Proapoptotic Bad and Bid protein expressionpredict survival in stages II and III colon cancers. Clin CancerRes, 2008, 14: 4128-4133
[9]Yamagata H et al. Requirement of voltage-dependent anionchannel 2 for pro-apoptotic activity of Bax. Oncogene, 2009,28: 3563-3572
[10]Zhang L et al. Bim (L) displacing Bcl-xl
慧嘉森(L) promotes Baxtranslocation during TNF α-induced apoptosis. Apoptosis,2008, 13: 950-958
[11]Malaitsev VV et al. Heat shock proteins and their role in thedevelopment of pathological processes. Arkh Patol, 2008, 70:31-38
[12]Barksdale KA et al. The basal flux of Akt in the mitochondriais mediated by heat shock protein 90. J Neurochem, 2009,108: 1289-1299
[13]Stetler RA et al. Hsp27 protects against ischemic brain injuryvia attenuation of a novel stress-response cascade upstreamof mitochondrial cell death signaling. J Neurosci, 2008, 28:13038-13055
[14]Havasi A et al. Hsp27 inhibits Bax activation and apoptosis via
a phosphatidylinositol 3-kinase-dependent mechanism. J BiolChem, 2008, 283: 12305-12313
[15]Wu R et al. Hsp27 regulates Akt activation and polymorphonuclearleukocyte apoptosis by scaffolding MK2 to Akt signal complex.J Biol Chem, 2007, 282: 21598-21608初中英语补习班
[16]Yip WK et al. Overexpression of phospho-Akt correlates withphosphorylation of EGF receptor, FKHR and BAD innasopharyngeal carcinoma. Oncol Rep, 2008, 19: 319-328[17]Scharstuhl A et al. Involvement of VDAC, Bax and ceramidesin the efflux of AIF from mitochondria during curcumin-induced apoptosis. PLoS One, 2009, 4: e6688
[18] Kim NH et al. PKB/Akt inhibits ceramide-induced apoptosisin neuroblastoma cells by blocking apoptosis-inducing factor(AIF) translocation. J Cell Biochem, 2007, 102: 1160-1170[19] Tournier C et al. Requirement of JNK for stress-inducedactivation of the cytochrome c-mediated death pathway.Science, 2000, 288: 870-874
冰雪路面驾驶技巧[20] Han JY et al. C-jun N-terminal kinase regulates the interactionbetween 14-3-3 and Bad in ethanol-induced cell death. JNeurosci Res, 2008, 86: 3221-3229
[21] Zhang QG et al. Critical role of PTEN in the coupling betweenPI3K/Akt and JNK1/2 signaling in ischemic brain injury. FEBSLett, 2007, 581: 495-505
[22] Morel C et al. Mcl-1 integrates the opposing actions ofsignaling pathways that mediate survival and apoptosis. MolCell Biol, 2009, 29: 3845-3852.
[23] Cardone MH et al. Regulation of cell death protease caspase-9 by phosphorylation. Science, 1998, 282: 1318-1321
[24] Wang WP et al. Effect of recombinant human erythropoietinon hippocampal p-Akt and caspase-9 expressions in rats withstatus epilepticus and the mechanism. Nan Fang Yi Ke Da XueXue Bao, 2010, 30: 64-69
[25] Hanus J et al. The major apoptotic endonuclease DFF40/CADis a deoxyribose-specific and double-strand-specific enzyme.Apoptosis, 2008, 13: 377-382
[26] Ahn JY et al. Nuclear Akt associates with PKC-phosphorylatedEbp1, preventing DNA fragmentation by inhibition of caspase-activated DNase. EMBO J, 2006, 25: 2083-2095
加油 英文[27] Park HS et al. A critical role for AKT activation in protectingcells from ionizing radiation-induced apoptosis and theregulation of acinus gene expression. Eur J Cell Biol, 2009, 88:563-575
[28] Ahn KJ et al. Evaluation of the role of hexokinase type II incellular proliferation and apoptosis using human hepatocellularcarcinoma cell lines. J Nucl Med, 2009, 50: 1525-1532
CHEMISTRY OF LIFE 2010,30(4)
Relationship between Akt and mitochondria apoptotic events
Jing Zhao, Yi Qu, De-Zhi Mu
West China Second University Hospital, Sichuan University, Chengdu 610041, China
Abstract The roles of PI3K(phosphatidylinositol 3 kina)in the regulation of mitochondrial functions in cancers and metabolic dias are becoming interesting. Serine/threonine protein kina Akt, the major downstream target protein of PI3K, plays an important role in the regulation of the mitochondrial apoptotic pathways and glucolysis. This review is focud on the relationship between Akt and the apoptotic pathways mediated by mitochondria.
Key words Akt; mitochondria; apoptosis