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世界华人消化杂志. 2004-09-15; 12(9): 2171-2173
在线出版日期: 2004-09-15. doi: 10.11569/wcjd.v12.i9.2171
Bcl-2基因的研究进展
吴静, 路红, 薛群基
吴静, 薛群基, 中国科学院兰州化学物理研究所 甘肃省兰州市 730000
路红, 兰州医学院第一附属医院消化科 甘肃省兰州市 730000
通讯作者: 吴静, 730000, 甘肃省兰州市, 中国科学院兰州化学物理研究所. wujing36@163.com
电话: 0931-8625200-6872
收稿日期: 2004-06-16
修回日期: 2004-06-29
接受日期: 2004-07-22
在线出版日期: 2004-09-15

Bcl-2作为一种重要的凋亡调控基因, 他不仅能够抑制细胞凋亡, 延长细胞寿命, 而且参与细胞增生的调控, 他可以调控细胞由G0期向S期转换的时间, 其过表达可以延长静止细胞的细胞周期进程, 但不影响细胞的生长. 据研究显示, Bcl-2的磷酸化亦能影响细胞周期进程, 此外, Bcl-2在肿瘤的形成及肿瘤多药耐药的形成中也起着重要的作用. 因此通过对Bcl-2基因不断深入的研究, 可为肿瘤治疗提供新的思路和启示.

关键词: N/A
引文著录: 吴静, 路红, 薛群基. Bcl-2基因的研究进展. 世界华人消化杂志 2004; 12(9): 2171-2173
N/A
N/A
Correspondence to: N/A
Received: June 16, 2004
Revised: June 29, 2004
Accepted: July 22, 2004
Published online: September 15, 2004

N/A

Key Words: N/A
0 引言

Bcl-2基因是Bcl-2基因家族的一个重要成员, 该基因首先在小鼠B细胞淋巴瘤中被发现, 故称Bcl-2 (B-cell lymphoma/leukemia-2).以往对于Bcl-2基因的研究主要集中在他们对于整个细胞凋亡过程的调控, 但近年来人们发现, Bcl-2基因及其蛋白有着更为广泛的作用, 他们的过表达及其磷酸化也参与细胞增生的调控, 并且在肿瘤的形成和肿瘤的多药耐药中起着置关重要的作用, 因此, 本文就 Bcl-2基因目前的研究进展作一综述.

1 Bcl-2基因的生物学特性

Bcl-2基因家族是目前最受重视的调控细胞凋亡的基因家族之一, 现已发现的Bcl-2基因家族的系列成员包括抑制细胞凋亡的Bcl-2, bcl-xl, bcl-w, A1, Mcl-1, Bfl -1等; 促进细胞凋亡的Bcl-xs, bax, bad, bak, bim, Hrk等. 虽然该家族内各成员在不同组织中表达各不相同, 但他们在结构上有共同之处: 一是在碳端有一疏水跨膜结构域(TM), 决定蛋白的亚细胞定位, 二是他们含有4个保守的BH结构域(BH1-BH4), 其中BH1和BH2为他们所共有, 参与Bcl-2家族成员的二聚化; BH3结构域是Bcl-2家族成员促凋亡活性不可缺少的[1]; 实验证实, 缺乏BH4或含突变BH4的Bcl-2突变体均不能阻止细胞凋亡[2], 因此认为BH4结构域是Bcl-2家族成员抗凋亡活性所必需的.

Bcl-2基因是Bcl-2基因家族的一个重要成员, 该基因首先在小鼠B细胞淋巴瘤中被发现, 故称Bcl-2(B-cell lymphoma/leukemia-2). Bcl-2基因位于18q21, 其分子结构中含有3个外显子和1个内含子, 第Ⅰ个外显子不翻译, 第Ⅱ, Ⅲ外显子被225 kb的内含子隔开, 为蛋白编码区, 在3'端和5'端分别有5.3 kb、1.4 kb两个非翻译片段, 其中3'端非翻译区对Bcl-2的表达起调节作用. Bcl-2基因与线虫的CED-9基因有23%的同源性, 他编码一个含229个氨基酸、分子质量为26 ku的膜蛋白. 在许多胚胎组织中可见Bcl-2蛋白的广泛表达, 但在成体组织中Bcl-2似乎更多地存在于迅速分裂和分化的细胞中. 在成熟的细胞或处于被消除阶段的细胞中, Bcl-2表达下降. Bcl-2蛋白主要定位于线粒体膜、内质网膜、核膜上, 具有离子通道和停靠蛋白的双重作用, 在其C端附近有含19个疏水氨基酸的区域, 突变研究发现这一区域对Bcl-2生化功能的发挥起着重要的作用, 他可以嵌入到膜中, 将Bcl-2固定在膜上. Bcl-2蛋白的高表达主要与特异性的t(14;18)(q24;q21)染色体易位有关.

2 Bcl-2与细胞凋亡

Bcl-2基因是一重要的凋亡抑制基因, 转基因动物和基因转染实验表明, Bcl-2基因及其表达蛋白可以抑制多种组织细胞凋亡, 延长细胞寿命, 而且他能抑制多种因素如: 质膜过氧化、电离辐射、血清及生长因子缺乏等引起的细胞凋亡, 故也称为"存活基因". 他主要通过自身二聚或与Bax等蛋白形成异二聚体来发挥其调控细胞凋亡的功能, Bax-Bcl-2异二聚体可以抵消 Bcl-2-Bcl-2同二聚体的抑凋亡作用, 而发挥促凋亡的功能[3]. Bcl-2蛋白与膜的结合对于其发挥功能是及其重要的, 实验表明, 失去膜定位能力的Bcl-2蛋白其抗凋亡能力明显减弱, 且不同亚细胞定位的Bcl-2蛋白在不同类型细胞中可能参与不同的细胞凋亡途径. 线粒体膜上的Bcl-2至少在三个水平发挥抑制凋亡的功能: (1)Bcl-2能改变线粒体巯基的氧化还原状态来控制其膜电位从而调控细胞凋亡; (2)Bcl-2蛋白可以阻止bax/bak的寡聚化, 从而抑制线粒体细胞色素C[4]和／或AIF(凋亡介导因子)等重要蛋白的释放, 提高细胞的生存能力; (3)Bcl-2可以通过阻止caspase的活化如: caspase-2, 在线粒体细胞色素C释放的上游发挥其抗凋亡的作用[5-6]. 有研究发现这种作用主要通过CED-4来实现, Bcl-2通过和CED-9直接作用, 可以抑制CED-3/ CED-4复合体中CED-4的寡聚作用, 从而阻止caspase的活化[7]. 最初认为Bcl-2能将凋亡蛋白前体Apaf-1定位至线粒体膜上, 发挥抑制凋亡的作用, 但之后有报道否定了这种相互作用[8].

Bcl-2抑制细胞的凋亡中Ca2+起了很重要的作用, 在细胞凋亡过程中DNA的消化需要相关的Ca2+依赖性核酸内切酶的参与, 而内质网膜上的Bcl-2蛋白可以阻断Ca2+从内质网释出, 使依赖Ca2+的核酸内切酶活性降低, 从而阻断细胞凋亡. Bcl-2蛋白还可能作用于线粒体与核孔复合体上的信号分子, 控制细胞信号转导, 延长细胞生存. 此外, Bcl-2蛋白可能通过调节转录因子NF-kappaB来发挥其抗氧化作用或抑制氧化自由基的产生, 抑制细胞凋亡[9-10]. 近来SiRNA研究显示[11-12], Bcl-2基因的沉默可以诱导P53依赖的凋亡途径的活化. 经体外多细胞系研究显示, 在结肠癌中Bcl-2的沉默能普遍诱导P53依赖的凋亡发生, 且在Bcl-2/P53凋亡途径中, Bax和caspase-2是必需的中介者. 据此推测在生理情况下, Bcl-2可能抑制P53的凋亡前体的功能, 在一些应激因素的作用下, P53的活化潜能将被诱导. 已证实活化和稳定状态的P53可以改变Bcl-2的表达率, 从而诱导凋亡的发生[12].

3 Bcl-2在细胞增生中的作用

虽然Bcl-2蛋白及他的类似蛋白在凋亡的调控中起重要的作用, 但在细胞系和转基因动物中他们的过表达揭示了他们也参与细胞增生的调控[13-14]. Bcl-2突变的功能分析亦显示, Bcl-2家族成员的细胞周期调控功能在某种程度上是与其凋亡调控功能相独立的.

3.1 Bcl-2的过表达对细胞周期的影响

Bcl-2与细胞周期调控之间的联系最早的推测, 即是Bcl-2高表达的细胞能够幸免于生长因子缺乏所诱导的细胞凋亡而处于静止状态. 随后证实, IL-3缺乏的情况下, 在鼠的骨髓瘤细胞BAF3中, Bcl-2的过表达不仅可以延迟凋亡的发生, 而且可以诱导细胞周期G1期的快速捕获, 在给予IL-3之后, 这些细胞可重新进入细胞周期. 转基因实验发现, 在体外用丝裂原刺激, Bcl-2转基因老鼠其胸腺细胞的转化比同胎的对照组慢, 表达Bcl-2转基因的B、T细胞进入细胞周期比对照组的淋巴细胞慢[14-15]. 与Bcl-2过表达的T细胞相比, Bcl-2缺乏的T细胞其细胞周期进程明显加快[16]. 据此推测, Bcl-2的水平可能调控细胞由G0期向S期转换的时间, 他的过表达可以延迟静止细胞的细胞周期进程, 但不影响细胞的生长, 在适宜的条件下, 他仍然可以增生. Bcl-2和他的家族内的其他成员如: Bcl-xl, Bcl-w, ML-1及BHRF-1等共同发挥抗增生的作用. 经bax转基因鼠证实, 促凋亡成员Bax和抑凋亡成员Bcl-2或Bcl-xl的过表达以相反的方式影响细胞周期, 且体外实验显示, Bax能抵消Bcl-2的抗增生作用[17].

3.2 Bcl-2的磷酸化对细胞周期的影响

Bcl-2蛋白能在多个位点通过磷酸化进行转录后修饰, 但是磷酸化的功能仍不清楚. 一些实验提示, Bcl-2的磷酸化可以影响细胞周期进程. 如在Okadaic acid处理的HL-60细胞中, 蛋白在他的非结构环内, 即第56位苏氨酸处被CDK1磷酸化[18], 研究表明, 第56位苏氨酸的磷酸化和细胞周期中G2/M期的细胞积聚相关, 且他能使M期向G0/G1期的转换延迟. 第56位苏氨酸突变为丙氨酸(Bcl-2, T56A)可以抵消Bcl-2的细胞周期抑制作用, 而不影响他的抗凋亡作用[18]. 用微管损害剂如帕尼特西处理细胞, 在G2/M期捕获的细胞中也发生Bcl-2的磷酸化[19]. 磷酸化位点主要在Bcl-2的非结构环内, 即第70位色氨酸、第87位色氨酸和第69位苏氨酸残基处, 其中第70位色氨酸是主要的磷酸化位点[20]. Yamamoto et al[19]的研究表明, ASK1/JNK通路是Bcl-2在G2/M期发生磷酸化的主要通路. Vantieghem et al[21]进一步证实, Bcl-2的磷酸化能够选择性的被CDK抑制剂roscovitine抑制, CDK1的过表达可以增强其磷酸化.

4 Bcl-2基因与肿瘤
4.1 肿瘤形成

人体中各组织细胞数目的维持是由细胞增生与死亡之间的平衡来实现的, 如果细胞增生速度加快或/和死亡速度减慢, 均可引起体内细胞异常增多, 导致肿瘤的发生. 已证实程序性细胞死亡的抑制是肿瘤形成过程中最关键的一步, Bcl-2基因作为一种重要的凋亡抑制基因, 打破了细胞的自稳平衡机制, 使得受损或突变细胞不能得到及时的清除, 并在增生基因和生长抑制基因的协同作用下, 发展为肿瘤. 在鼠骨髓细胞中, 通过逆转录病毒介导Bcl-2蛋白过表达, 分析显示, 仅有Bcl-2的过表达不能导致肿瘤的形成. 体外实验表明, 当去除了IL-3的作用之后, IL-3依赖性的淋巴细胞和骨髓细胞便逐渐转向凋亡; 而将Bcl-2cDNA导入细胞中之后, 这一凋亡现象便被抑制了. 由此可见, Bcl-2通过抑制凋亡而使细胞寿命延长, 细胞堆积, 在肿瘤发生中起始动作用.转化实验发现, Bcl-2基因本身并没有很强的癌基因活性, 但他发生点突变之后, 其活性明显增强, 促进肿瘤的发展[22]. 进一步研究显示[23], 伴有易位Bcl-2基因的体细胞突变可使滤泡淋巴瘤转化为弥漫性的大细胞淋巴瘤. 最新研究表明, Bcl-2 可以和血管内皮生长因子(VEGF)等相互作用从而影响肿瘤的血管生成, 促进肿瘤的形成和发展[24-25]. Bcl-2作为癌基因提出最初是在淋巴瘤, 其后的研究表明, 许多人类肿瘤中均有Bcl-2的高表达, 如肝癌、前列腺癌、结肠癌、肺癌、胃癌、非何杰金淋巴瘤、神经母细胞瘤、乳腺癌等[26-28], 目前认为Bcl-2的高表达, 不是某一肿瘤的特征, 而是反映了肿瘤细胞的一种增生状态.

4.2 肿瘤的多药耐药

Bcl-2蛋白阻止细胞凋亡, 不仅与许多肿瘤的形成有关, 而且在肿瘤化疗耐药的形成中起重要的作用, 实验表明, Bcl-2过量表达可使细胞更有效的耐受化疗药物, 这些化疗药物包括: 地塞米松、阿糖胞苷、氨甲喋呤、环磷酰胺、阿霉素、足叶乙甙(VP-16)、喜树碱、氮芥、5-氟尿嘧啶、米托蒽醌、顺铂、长春新碱和一些维甲酸类化合物等. Bcl-2蛋白水平升高引起的肿瘤细胞药物耐受不同于一般的化学耐受, 主要不同点有: (1)Bcl-2蛋白不能阻止药物在细胞内堆积; (2)Bcl-2蛋白不改变药物诱导时DNA的损伤程度或细胞对损伤DNA的修复率; (3)Bcl-2蛋白对核苷酸池或细胞周期率不产生影响. 但有实验表明, 当Bcl-2蛋白表达水平升高时, 抗癌药物仍能诱导某些肿瘤细胞周期阻滞, 只是与对照组细胞相比, 这些细胞还不能产生典型的凋亡, 或表现出死亡率明显降低. 临床观察证实, Bcl-2阳性率高的白血病患者化疗后, 完全缓解率低(< 20%), 而Bcl-2阳性率低的患者化疗后完全缓解率高(> 85%). Julien et al分别将基于Bcl-2基因的反义寡核苷酸和非反义寡核苷酸在体外转染进入神经胶质瘤细胞, 发现反义Bcl-2寡核苷酸处理的细胞Bcl-2蛋白的表达明显下降, 对化疗药物的敏感性明显增强. 另外, 肿瘤患者在接受化疗或放疗之后, 肿瘤细胞中 Bcl-2蛋白的表达量大大升高, 这进一步说明Bcl-2蛋白与肿瘤化疗耐药的密切关系. Pepper et al研究了Bcl-2/Bax比值与慢性淋巴细胞性白血病对化疗药物敏感性的关系, 发现Bcl-2/Bax显著影响慢性淋巴细胞性白血病对化疗药物的敏感程度, 当Bcl-2/Bax比值增高时, 表现为对化疗药物耐药; 比值下降时, 则对化疗敏感. 推测Bcl-2/Bax比值可作为预测肿瘤患者是否存在耐药性的一项指标. 由于肿瘤多药耐药的机制极其复杂, 因此Bcl-2蛋白并非和各种抗肿瘤药物的耐药都有关, 如他不能抑制依赖IL-2和IL-6的细胞株的凋亡以及经Thy-1途径诱导的T细胞的凋亡等.

当前, Bcl-2基因的研究越来越受到人们的关注, 已经从免疫组化等组织细胞形态学的观察, 发展到原位杂交、PCR、流式细胞仪等分子生物学水平. 迄今, Bcl-2基因蛋白表达的调控机制及其临床意义还很不明确, 因此从基因转录水平对Bcl-2基因作用进一步深入研究是十分必要的. 随着对Bcl-2基因与凋亡、细胞增生、肿瘤形成及多药耐药调控的更为清晰的认识, 运用基因工程的方法, 可设计出调节该基因的抗癌新药, 加强其诱导凋亡及调控增生的作用, 以增加肿瘤细胞对化疗药物的敏感性, 为肿瘤治疗提供新的思路和启示.

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