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Effect of mitochondria on hepatocyte apoptosis and protection of Chinese materia medica

线粒体在肝细胞凋亡中的作用及中药对其保护作用



全 文 :中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 42 卷 第 7 期 2011 年 7 月 ·1441·
线粒体在肝细胞凋亡中的作用及中药对其保护作用
张雪娇,郑仕中*,陆 茵,倪春艳,马 进,王爱云
南京中医药大学药学院 临床药学教研室,江苏 南京 210029
摘 要:肝细胞凋亡在肝纤维化中有着非常重要的作用,而许多促细胞凋亡信号作用于线粒体,能够改变线粒体通透性,继
而导致其蛋白释放入胞质,由此构成线粒体介导的凋亡途径。中药及其有效成分能够从抗氧化、稳定线粒体膜流动性、抑制
线粒体膜通透性转变及维持线粒体膜电位稳定等方面发挥线粒体保护作用,从而减少肝细胞的凋亡而发挥抗肝纤维化的作
用。现就肝细胞凋亡的线粒体途径及中药保护进行综述。
关键词:肝纤维化;细胞凋亡;线粒体;中药;细胞色素 C
中图分类号:R285 文献标志码:A 文章编号:0253 - 2670(2011)07 - 1441 - 05
Effect of mitochondria on hepatocyte apoptosis and protection of Chinese
materia medica
ZHANG Xue-jiao, ZHENG Shi-zhong, LU Yin, NI Chun-yan, MA Jin, WANG Ai-yun
Department of Clinical Pharmacy, College of Pharmacy, Nanjing University of Chinese Medicine, Nanjing 210029, China
Key words: hepatic fibrosis; cell apoptosis; mitochondria; Chinese materia medica; cytochrome C

现代观点认为肝纤维化的发生是一个动态过
程,是肝脏对损伤的一种创伤愈合反应。肝细胞约
占肝脏细胞总量的 80%,是肝内数量最多、体积密
度最大的细胞群。虽然肝细胞不是肝脏细胞外基质
(ECM)的细胞学来源,但是肝细胞损伤在肝纤维
化发生中仍然具有重要作用。近年来,肝细胞损伤
尤其是肝细胞凋亡在肝纤维化中的作用受到广泛关
注,成为肝纤维化治疗的靶点。目前肝细胞的凋亡
主要有外源性途径和内源性途径[1],但两种途径都
伴随着线粒体结构和功能的改变,因此,弄清线粒
体在肝细胞凋亡中的作用机制具有重要的意义。而
中药对肝损伤的肝细胞线粒体具有确切的保护作
用,且实现该作用是多靶点、多途径的。
1 线粒体与肝细胞的凋亡
肝细胞的线粒体很多,每个细胞大约有 1 000
个,遍布于胞质内。线粒体作为细胞内主要的 ATP
生产中心,在人的衰老、癌症的细胞凋亡、信号转
导过程中起着非常重要的作用[2]。近年来,线粒体
被认为是细胞凋亡的调控中心[3-4],在肝细胞凋亡中
的作用主要表现在以下两个方面:一是在凋亡信号
的刺激下,线粒体膜电位消失,膜的通透性和完整
性受到破坏,线粒体上的膜透过性转换孔
(mitochondria permeability transition pore,MPTP)
开放,导致促凋亡蛋白的释放,如细胞色素 C
(cytochrome C)、Smac/Diablo(second mitochondria-
derived activator of caspase direct IAP-binding protein
with low pI)、丝氨酸蛋白酶(Omi/Htr A2)、核酸内
切酶 G(endonuclease G,Endo G)和凋亡诱导因子
(apoptosis inducing factor,AIF)等,随后引起典型
的凋亡变化;二是对 Bcl-2 家族蛋白的广泛研究表
明,它们主要通过调节线粒体的功能来调控细胞的
凋亡[5]。
1.1 细胞色素 C(Cyt C)
Cyt C 是线粒体呼吸链的重要组成部分,它是由
两个无活性的前体分子合成的:前细胞色素 C 和亚
铁血红素。大量实验研究发现 Cyt C 从线粒体释放到
细胞浆是多种细胞凋亡的共同表现,而 Cyt C 基因敲
除的细胞能对刺激因素诱导的凋亡具有明显的耐受

收稿日期:2010-10-07
基金项目:国家自然科学基金资助项目(30873424);江苏省自然科学基金资助项目(BK200856);江苏省针灸学重点实验室开放课题
(KJA200801);教育部博士点博导基金(20103237110010);江苏省六大人才基金(2009-B-010);江苏高校优势学科建设工程资助
项目
作者简介:张雪娇(1987—),女,硕士研究生,研究方向为中医药防治肿瘤与肝纤维化的机制。
Tel: (025)86798154 E-mail: zhangxuejiao198715@126.com
*通讯作者 郑仕中 Tel: (025)86798154 E-mail: nytws@163.com
中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 42 卷 第 7 期 2011 年 7 月 ·1442·
性。Cyt C 是线粒体介导的细胞凋亡途径中不可缺少
的重要因子,在凋亡过程中起着关键作用[6]。史洪涛
等[7]应用高脂饮食诱导大鼠脂肪肝模型,并用 TUNEL
法检测肝细胞凋亡变化,发现对照组肝组织中阳性
肝细胞较少见,而随着脂肪肝程度以及肝细胞炎症、
坏死的加重,其肝细胞凋亡指数明显增高,同时
Western blotting 显示高脂饮食组与对照组相比,Cyt
C 蛋白表达明显增加。由此可见线粒体-Cyt C 途径
与肝细胞凋亡密切相关,其在肝细胞中的凋亡机制
可能是:当受到凋亡信号刺激后,Cyt C 释放到细
胞浆中,与凋亡蛋白酶激活因子(Apaf-1)的羧基
端 WD-4O 重复序列结合,同时胞浆中的 dATP 和
(或)ATP 与 Apaf-1 的核苷酸结合结构域结合,从
而促进 Apaf-1 构象变化并发生同源寡聚化。Apaf-1
与 procaspase-9 结合而使 procaspase-9 募集。Cyt-C、
dATP、Aapf-1 和 procaspase-9 组成聚合体,称为凋
亡体(apoptosome)。凋亡体使 procaspase-9 激活,
procaspase-9 一 旦 激 活 就 能 激 活 其 下 游 的
procaspase-3 进入内源性和外源性凋亡途径的最后
通路,最终导致肝细胞死亡[8]。Cyt C 不仅可以直接
介导凋亡,还可以通过干扰电子传递链的运输、阻
断能量合成、促进活性氧(reactive oxygen species,
ROS)的产生等方式参与肝细胞凋亡过程。陈德昌
等[9]用烫伤和内毒素“二次打击”大鼠模型来观察
大黄对肝细胞线粒体功能的影响,结果发现大黄可
明显提高脓毒症大鼠细胞内 ATP 水平,减少肝细胞
内 Cyt C 的丢失,表明大黄能改善肝细胞线粒体的
呼吸功能。杨宝山等[10]在复方甘草酸苷(SNMC)
对小鼠暴发性肝功能衰竭(FLF)保护作用中发现,
SNMC 对小鼠 FLF 有明显的保护作用,其机制可能
是通过稳定线粒体膜抑制 Cyt C 释放及其随后的
caspase-3 的活化,从而阻断肝细胞凋亡而实现的。
此外,甘草次酸可以降低脂质在肝细胞中的累积,
并可抑制游离脂肪酸引起的肝细胞凋亡,减少由高
脂饮食诱导的大鼠肝脏脂质毒性及肝损伤,抑制线
粒体膜电位降低及 Cyt C 释放,降低游离脂肪酸诱
导的氧化应激,从而发挥肝损伤保护作用[11]。
1.2 Smac/Diablo
Smac 是从 HeLa 细胞中分离出的一种新型线粒
体蛋白质,命名为第 2 个线粒体衍生的半胱氨酸蛋
白酶激活剂(second mitochondria-derived activator
of caspase,Smac),同时从 293T 细胞中分离出一种
与低等电点(pI)的 caspase 的抑制因子(inhibitors
of apoptosis proteins,IAPs)直接结合蛋白(Diablo)。
经对比分析,Smac 与 Diablo 完全等同,合并称
Smac/Diablo。陈淼等[12]在内毒素诱导体外肝细胞凋
亡的实验中发现,随着内毒素对肝细胞作用时间的
延长,肝细胞的凋亡率呈进行性增高,同时免疫组
化半定量还显示,Smac 蛋白随凋亡率的增高而显著
增加,说明 Smac 蛋白在肝细胞凋亡中具有重要的
作用,其作用是通过抑制凋亡抑制蛋白 IAPs 实现
的。IAPs 是细胞内一类独特的抗凋亡蛋白家族,研
究证明,Smac/Diablo N 端的 1~55 位氨基酸是一个
典型的线粒体定位序列(MTS),含有 MTS 的
Smac/Diablo 是前体分子,其不能与 IAP 结合,受
到凋亡刺激时,MTS 被移除,成为仅含原序列的
56~239 位共 184 个氨基酸的蛋白 [13]。成熟的
Smac/Diablo 能够从线粒体释放到胞质,与 IAPs 分
子特异性结合,解除 IAPs 对 caspase 的阻碍作用,
激活各级 caspase 级联反应,从而促进肝细胞凋亡。
大黄素(emodin)是大黄、虎杖等多种中药的有效
成分之一[14-15],对肝癌、乳腺癌、肺癌及前列腺癌
等多种肿瘤细胞均具有较强的抑制和杀伤效应,研
究发现,大黄素既可促进肝癌细胞 Cyt C 和 Smac
的转录合成,又可促进 Cyt C 和 Smac 从线粒体膜
间隙向细胞质内的释放,通过线粒体 caspase 依赖
凋亡通路诱导肝癌细胞凋亡。
1.3 Omi/Htr A2
Omi/Htr A2 是一功能类似于 Smac/Diablo 的线
粒体因子,属于丝氨酸水解酶家族,在内质网中合
成,位于线粒体膜间隙,在凋亡信号的刺激下
Omi/Htr A2 与 Cyt C、Smac 一起释放入胞浆并经过
自身酶切转变为成熟形式[16]。李向利[17]在探讨方剂
槲芪散对大鼠肝癌前病变组织相关凋亡蛋白酶表达
的影响时发现,Omi/Htr A2、Cyt C、caspase-3 在槲
芪散大、小剂量治疗组和槲寄生总碱组高表达,结
果提示当病变肝细胞的线粒体受到槲芪散等中药刺
激时,引起线粒体膜通透性发生改变,MPTP 开放
导致促凋亡蛋白 Omi/Htr A2 等从线粒体向细胞质
释放。成熟的 Omi/Htr A2 与 IAP 相结合从而解除
IAPs 对 caspases 的抑制作用,进而引起 caspase 相
继被激活并发生 caspase 级联放大反应,从而加速
凋亡的进程[18]。Omi/Htr A2 除了通过促进 caspase
活化参与肝细胞凋亡过程外,还可以直接依靠其自
身的丝氨酸蛋白酶活性酶切除 IAPs,促发凋亡反
应。左国营等[19]从黑蕊虎耳草地上部分分离纯化得
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到一个新的岩白菜素没食子酸酯,通过 1 维和 2 维
核磁共振波谱鉴定结构为 11-氧-(4-氧甲基没食子
酰)岩白菜素,且该化合物对丙型肝炎丝氨酸蛋白酶
具有抑制活性。
1.4 Endo G
Endo G 是一种非 caspase 依赖的凋亡物质,其
是线粒体非特异性核酸酶,由核基因编码,在细胞
质中翻译成前体蛋白,随后转运至线粒体中切割掉
N 端 48 个氨基酸变为成熟体。李密[20]在研究大黄
素对大鼠肝癌细胞凋亡时发现,大黄素干预后肝癌
细胞凋亡明显增加,加入 caspase 抑制剂,并不能
阻断凋亡。进一步的研究发现,大黄素干预后肝细
胞 Endo G mRNA 表达明显上调,证实大黄素能促
进非 caspase依赖凋亡途径的主要效应分子Endo G
的表达。由此可以得出 Endo G 诱导肝细胞凋亡的
机制:在凋亡因素刺激下,MPTP 开放,导致线粒
体外膜膜电位降低,外膜破裂,膜间隙内的 Endo G
与 Cyt C、Smac/Diablo 等一起释放入胞质,再易
位至细胞核,切割细胞核染色质 DNA,产生以核
小体 DNA 长度为基数的 DNA 片段,直接导致肝
细胞凋亡[21]。
1.5 AIF
Susin 等[22]研究发现,当存在广谱 caspase 抑制
剂 Z-VAD-FMK 时,鼠肝细胞线粒体膜间隙组分仍
存在有促凋亡活性,经过对银染的 SDS-PAGE 电泳
条带的蛋白样品进行胰酶消化、串联质谱分析,推
测出其 EST 序列,并进行计算机检索,最终鉴定出
这种活性蛋白,命名为 AIF。AIF 是定位于线粒体
膜间隙中的一种氧化还原酶,含有线粒体定位信号
序列,具有很强的促凋亡活性。AIF 前体蛋白在胞
浆中合成后,通过其 N 端的线粒体定位信号
(mitochondrial localization sequence,MLS)有效地
穿入线粒体膜间隙,然后在 102 位甘氨酸处水解掉
MLS,其余部分与黄素腺嘌呤二核苷酸(flavin
adenine dinucleotide,FAD)结合,并重新折叠成为
具有促凋亡潜能的成熟 AIF 分子。肝细胞在死亡信
号或细胞应激的刺激下,MPTP 开放,释放 AIF 到
细胞质溶质中,具有核定位信号序列的 AIF 便进入
细胞核内,引起染色质的初步凝集和 DNA 大量片
段化(约 50 kb),进而引发不依赖于 caspase 的细
胞凋亡途径。AIF 的促凋亡作用还在于可导致线粒
体肿胀,改变线粒体外膜的通透性,释放入胞浆的
AIF 再作用于其他的线粒体,使之通透性增加而进
一步促进 AIF 的释放,形成正反馈促进细胞凋亡,
同时还能促进 Cyt C 等的释放。
2 Bc1-2 家族蛋白
在研究线粒体和细胞凋亡关系的同时,也揭
示了细胞凋亡调控家族 Bcl-2 蛋白与线粒体的关
系[23]。将 Bcl-2 转基因表达于重症肝炎模型小鼠的
肝细胞,可以保护小鼠肝脏功能[24-25],可见肝细胞
是否发生凋亡主要受 Bcl-2 家族的调控。根据功能
和结构可将 Bcl-2 基因家族分为两类:一类是抗凋
亡因子(anti-apoptotic),如 Bcl-2、Bcl-xl、Bcl-w、
Mcl-1;一类是促凋亡因子(pro-apoptotic),如 Bax、
Bak、Bad、Bid、Bim[26]。叶伟东[27]用二甲基亚硝
胺建立的肝纤维化 SD 大鼠模型研究发现,模型组
肝组织 Bax 的表达较正常组明显增高,Bcl-2 的表
达水平与正常组相当,无明显差异。Takehara 等[28]
发现抗凋亡因子 Bcl-xl 敲除后,动物体内肝细胞和
体外培养的原代肝细胞均可发生自发性凋亡,进一
步实验发现 Bcl-xl 敲除小鼠在肝细胞持续凋亡 6 个
月后形成肝纤维化,由此可见 Bcl-2 家族蛋白是肝
细胞凋亡的决定性因素之一。研究发现肝细胞线粒
体膜上存在 Bcl-2 家族蛋白物质,许多 Bcl-2 家族蛋
白由位于 C 端的疏水氨基酸锚定在线粒体外膜,蛋
白则朝向胞浆面,为其他凋亡调节蛋白提供连接位
点。其次,Bcl-2 家族成员可以影响 MPTP 的开放,
以及 Cyt C 和 AIF 的释放;促凋亡蛋白 Bax 等则可
以促进 MPTP 的功能,增加 Cyt C 和 AIF 的释放,
从而介导肝细胞凋亡的发生[29]。张建军等[30]通过观
察茵陈术附汤对阴黄证大鼠肝细胞凋亡及 Bcl-2 和
Bax 表达的影响,发现茵陈术附汤能通过促进 Bcl-2
表达和抑制 Bax 表达阻断阴黄证大鼠肝细胞凋亡。
韦新等[31]在用 CCl4 诱导的大鼠急性肝损伤模型中
发现,牛磺酸治疗组肝细胞凋亡指数明显降低,
Bc1-2 表达增强,Bax 表达降低,与模型组比较差
异有显著性。庆慧等[32]在观察清热祛湿益气方对刀
豆蛋白 A(Con A)诱导的急性肝损伤模型小鼠肝
细胞凋亡相关蛋白表达的影响中发现,清热祛湿益
气方不同剂量可下调模型小鼠肝组织 Bax 的表达,
并可上调 Bcl-2 的表达。此外,莪术可以降低 Bc1-2
在肝细胞上的表达量,柴芍六君子汤可以在一定程
度上拮抗莪术对肝细胞线粒体的损伤及升高 Bc1-2
在肝细胞的表达。
3 加强中药对线粒体保护作用的研究
线粒体是重要的细胞器之一,其对肝细胞的凋
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亡起着重要的作用,因此保护线粒体从而干预肝细
胞的凋亡,防止肝纤维化的发生和发展,成为治疗
肝纤维化的重要靶点。中药因其具有多环节、多层
次、多靶点等特点,在肝纤维化的治疗中扮演着日
益重要的角色。
目前,中药对肝纤维化中肝细胞线粒体的保护
主要有以下几个方面[33]:(1)抗氧化作用,线粒体
是机体产生 ROS 的主要部位,一旦氧化还原平衡体
系发生紊乱,脂质过氧化产物就会通过与线粒体膜
脂、线粒体蛋白以及线粒体 DNA(mtDNA)相互
作用,导致线粒体损伤。蒋树林等[34]提取肝纤维化
模型鼠肝组织线粒体,以丙二醛(MDA)和超氧化
物歧化酶(SOD)为指标,观察不同浓度丹参提取
物对线粒体脂质过氧化的作用,随着丹参提取物浓
度增加,同一时刻内线粒体反应液 MDA 产生逐渐
减少,SOD 活性逐渐升高。(2)稳定线粒体膜流动
性,水飞蓟素对小鼠肝线粒体内、外膜流动性均具
有较强的调节作用,其既能通过恢复膜脂质浅层流
动性,缓解脂质过氧化造成的膜脆性增大,使膜柔
顺性增加;又能通过恢复膜深层流动性增强膜屏障
作用,减少脂质过氧化产物等毒性物质进入膜内,
从而保护肝线粒体[35]。(3)抑制线粒体膜通透性转
变的发生,Ca2+和谷胱甘肽(GSH)是调节 MPTP
孔开放的关键性细胞因子,研究发现川芎嗪通过
清除自由基、抗脂质过氧化,拮抗 Ca2+、促进能
量合成、改善微循环等起到保护线粒体膜结构的
作用 [36];野西瓜正丁醇萃取物能降低线粒体膜电
位,开放 MPTP 孔道造成细胞内 Ca2+超载,诱导
HepG2 细胞凋亡[37]。(4)维持线粒体膜电位稳定,
在细胞凋亡过程中,线粒体膜电位是最早出现的细
胞内反应之一,一旦发生线粒体膜电位耗散,细胞
就会进入一种不可逆的凋亡过程。魏常胜等[38]在探
讨活血化瘀中药丹柴四君子汤对大鼠肝硬化模型肝
线粒体的影响时,发现活血化瘀中药抗肝纤维化的
作用机制之一在于能通过改善血液动力学、血流学
障碍,增加肝供血、供氧,保证电子传递链的正常
功能,稳定线粒体膜电位,提高 ATP 合成酶的活力,
从而促进肝细胞新陈代谢,减轻肝细胞损伤,延缓
肝纤维化进程。
4 结语与展望
经线粒体途径引起的肝细胞凋亡是一个非常复
杂的过程,每一个环节,每一个细胞因子、蛋白是
如何发挥作用的还有待于进一步研究。目前,中药
对肝细胞线粒体内 Cyt C、Bc1-2 家族蛋白的研究较
为广泛,而对 Endo G、凋亡诱导因子的表达等的研
究相对较少。随着线粒体在肝细胞凋亡机制中研究
的深入,将经线粒体途径引起的肝细胞凋亡运用于
肝纤维化的治疗,以及使中药在此过程中发挥作用,
有待于广大中医药工作者的不断努力。
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