石棉引起肺上皮細(xì)胞凋亡機(jī)制的研究進(jìn)展

劉洪波 綜述，宋澤慶 審校

（廣東醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院呼吸內(nèi)科，廣東 湛江 524001）

·綜 述·

石棉引起肺上皮細(xì)胞凋亡機(jī)制的研究進(jìn)展

劉洪波 綜述，宋澤慶 審校

（廣東醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院呼吸內(nèi)科，廣東 湛江 524001）

石棉能引起石棉肺、肺纖維化和肺癌等肺部疾病，但其機(jī)制尚未完全闡明。越來越多的研究表明，暴露于石棉等傷害性刺激之后，肺上皮細(xì)胞凋亡是其引發(fā)肺部疾病并導(dǎo)致病情進(jìn)一步發(fā)展的重要因素。本文即以石棉引起肺上皮細(xì)胞凋亡過程中，活性氧的產(chǎn)生、DNA損傷、線粒體和p53基因等致凋亡機(jī)制的研究進(jìn)展做一綜述。

肺上皮細(xì)胞；凋亡；石棉

石棉是自然界一類水合硅酸鹽纖維的總稱，因其獨(dú)特的耐熱、耐火、耐酸、耐堿等特性而廣泛應(yīng)用于建筑和絕緣體制造等領(lǐng)域。石棉分為兩類：（1）蛇紋纖維，是一類卷曲的鏈狀纖維，其中最主要的是溫石棉。（2）閃石纖維，是一類直的桿狀纖維，包括鐵石棉、青石棉、透閃石等。相比而言，閃石纖維由于獨(dú)特的生物特性，具有更強(qiáng)的致癌和致纖維化等致病作用。20世紀(jì)70年代以來，盡管發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)大大限制石棉的使用，但鑒于石棉已在建筑等領(lǐng)域的大量存在、石棉引起疾病的潛伏期又長(zhǎng)達(dá)15～40年之久，石棉引起的疾病仍然是重要的問題。

石棉可以誘發(fā)石棉肺、肺纖維化、支氣管肺癌和間皮瘤等疾病，其致病機(jī)制未完全闡明[1]。石棉的毒性效應(yīng)與接觸石棉的時(shí)間和劑量密切相關(guān)[1]。石棉纖維除了可以直接導(dǎo)致靶細(xì)胞受損還可以誘導(dǎo)靶細(xì)胞產(chǎn)生活性氧(ROS)，目前認(rèn)為氧化應(yīng)激反應(yīng)導(dǎo)致細(xì)胞DNA損傷和細(xì)胞凋亡，是石棉的重要毒性作用機(jī)制之一[2]。

1 石棉引起活性氧的產(chǎn)生和細(xì)胞DNA的損傷

肺泡上皮細(xì)胞（AEC）對(duì)石棉的毒性作用非常敏感，其毒性機(jī)制與活性氧（ROS）密切相關(guān)[2]，動(dòng)物體內(nèi)試驗(yàn)也表明，石棉暴露下可使體內(nèi)活性氧過表達(dá)，小鼠氣管內(nèi)滴注溫石棉1周后即可檢測(cè)到HO-的異常增高[3]?；钚匝踔械倪^氧化氫（H2O2）、超氧化物陰離子（O2-）、和氫氧根離子（HO-）等，是石棉引起細(xì)胞毒性導(dǎo)致細(xì)胞凋亡的重要的第二信使[4]。石棉通過2個(gè)主要的機(jī)制產(chǎn)生ROS：(1)纖維的化學(xué)特性，電子自旋共振譜學(xué)研究顯示在無細(xì)胞狀態(tài)下，石棉可以誘導(dǎo)活性氧的產(chǎn)生[5]。其中石棉纖維中的鐵離子成分，是誘導(dǎo)HO-形成的重要物質(zhì)之一，鐵的螯合物可以減少石棉應(yīng)激所致DNA損傷和細(xì)胞凋亡[1]。(2)炎癥細(xì)胞的激活能釋ROS，石棉可通過肺泡巨噬細(xì)胞的激活，中性粒細(xì)胞釋放的炎癥因子引起一系列的炎癥反應(yīng)，促使活性氧的產(chǎn)生[6]。

在暴露石棉引起肺上皮細(xì)胞凋亡過程中，鐵來源的氧自由基占據(jù)了重要的地位[7]。石棉纖維吸入肺以后，在鐵離子的參與下，體內(nèi)產(chǎn)生大量的活性氧，可以導(dǎo)致DNA的損傷[4]。石棉暴露人群支氣管肺泡灌洗液的鐵、轉(zhuǎn)鐵蛋白、轉(zhuǎn)鐵蛋白受體、乳鐵蛋白和鐵蛋白與正常人相比均有明顯增加[6]，體外實(shí)驗(yàn)也證實(shí)，鐵的螯合劑能顯著減低石棉引起的HO-的產(chǎn)生。去鐵胺（一種鐵的螯合劑）和抗氧化物酶（AOE）能降低石棉引起的大鼠間皮細(xì)胞的毒性效應(yīng)[7]。石棉還可以引起了肺部靶細(xì)胞抗氧化物酶的產(chǎn)生，外源性的抗氧化物酶能減少石棉引起的活性氧的產(chǎn)生[12]。肺部高表達(dá)超氧化物歧化酶的小鼠能夠也能降低石棉引起的O2-的產(chǎn)生，減輕石棉所致的小鼠的肺纖維化[8]。

2 石棉引起的線粒體功能障礙

線粒體電子呼吸鏈在生理活動(dòng)過程中可以產(chǎn)生ROS，在具有高氧化活性的石棉中鐵離子參與下，能促使更多的ROS的產(chǎn)生，ROS能引起的AEC線粒體功能障礙并最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[9]。

ROS是在電子傳給末端氧化酶之前漏出呼吸鏈與氧反應(yīng)生成的，線粒體DNA裸露于基質(zhì)，位置又靠近電子呼吸鏈，對(duì)氧化應(yīng)激極為敏感，又無結(jié)合蛋白的保護(hù)，故線粒體DNA易發(fā)生突變，mt DNA突變使呼吸鏈功能受損，進(jìn)一步引起活性氧和自由基堆積，如此反復(fù)循環(huán)，將造成細(xì)胞損傷凋亡并導(dǎo)致疾病和衰老[10]。有學(xué)者用剔除了線粒體DNA并僅有一個(gè)電子呼吸鏈氧化磷酸化的ρ0-A549細(xì)胞進(jìn)行石棉凋亡機(jī)制的研究，結(jié)果石棉引起的細(xì)胞凋亡被ρ0-A549細(xì)胞阻斷[11]。

線粒體引起的凋亡途徑是石棉引起肺上皮細(xì)胞凋亡的主要途徑[12]，Panduri等[13]用人類A549細(xì)胞和大鼠原代2型肺泡上皮細(xì)胞研究發(fā)現(xiàn)，石棉可引起線粒體膜電位的降低、細(xì)胞色素C從線粒體到細(xì)胞質(zhì)的釋放、Caspase-9的激活等線粒體損傷的表現(xiàn)，同時(shí)也證實(shí)，肌醇六磷酸（一種鐵的螯合劑）能阻止石棉引起的線粒體膜電位降低和線粒體Caspase-9的釋放。Panduri等[14]用共聚焦顯微鏡和WESTERN-BLOT技術(shù)分析線粒體膜蛋白，證實(shí)石棉可使促凋亡蛋白在線粒體的定位，該效應(yīng)可以被肌酸六磷酸所阻斷。

線粒體DNA靠近電子傳遞鏈并缺少組蛋白的保護(hù)，線粒體DNA的損傷在石棉引起的肺上皮細(xì)胞凋亡過程中可能扮演者重要的角色。Shukla等[15]證實(shí)在青石棉刺激下，肺間皮細(xì)胞線粒體DNA的損傷比核DNA更容易受到損傷，然而，至于線粒體DNA損傷如何進(jìn)一步引起細(xì)胞凋亡，其詳細(xì)機(jī)制仍待進(jìn)一步研究。

3 石棉與p53調(diào)節(jié)細(xì)胞的凋亡

在正常的環(huán)境下，p53蛋白在G1/S期短暫活化，參與控制進(jìn)入S期的時(shí)間。p53是一個(gè)重要的抑癌基因，在DNA受到損傷時(shí)，可以整合多重壓力信號(hào)和調(diào)整細(xì)胞反應(yīng),通過一系列的靶基因調(diào)節(jié)使細(xì)胞周期的停滯[16]，當(dāng)細(xì)胞在DNA嚴(yán)重?fù)p害時(shí),p53可以促使使細(xì)胞發(fā)生凋亡[17]。

p53與石棉引起的石棉肺、肺纖維化、癌癥（特別是支氣管肺癌）密切相關(guān)[18]。暴露石棉等物質(zhì)引起DNA損傷后，p53通過相應(yīng)的調(diào)節(jié)機(jī)制控制細(xì)胞周期，抑制細(xì)胞增殖，而對(duì)相應(yīng)的損傷基因進(jìn)行修復(fù)，如果DNA嚴(yán)重?fù)p傷則啟動(dòng)相應(yīng)的調(diào)節(jié)機(jī)制來使靶細(xì)胞凋亡[19]。在人類特發(fā)性肺纖維化及暴露石棉引起的疾病中，支氣管和肺泡上皮細(xì)胞p53蛋白都有明顯的過表達(dá)[20]在肺上皮細(xì)胞和間皮細(xì)胞中過表達(dá)p53和p21則能使細(xì)胞周期停滯[21]。

p53蛋白調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡的機(jī)制非常復(fù)雜，至今未完全闡明[22]。p53可以通過調(diào)節(jié)促進(jìn)促凋亡蛋白（例如Bax或者BH3-only蛋白Noxa、PUMA等）的表達(dá)，抑制BCL-2家族中抗凋亡蛋白蛋白的表達(dá)的途徑調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡[23]。在石棉和其他粉塵等引起的肺上皮細(xì)胞凋亡中，p53起著重要的調(diào)節(jié)作用[24]。暴露石棉1h之內(nèi)，石棉即可激活肺泡上皮細(xì)胞p53基因啟動(dòng)子，4h后WESTERN-BLOT即可檢測(cè)到p53蛋白表達(dá)增高[25]。p53蛋白表達(dá)被抑制后，則能阻止石棉或其他粉塵引起的肺上皮細(xì)胞線粒體膜電位改變、Caspase-9的激活，及由此引發(fā)的細(xì)胞凋亡[26]。大鼠氣管內(nèi)滴入石棉纖維2周后，p53蛋白的表達(dá)即可檢測(cè)到明顯的增加[27]。

盡管p53在暴露石棉后的細(xì)胞凋亡、惡變中具有重要的作用，但是p53所介導(dǎo)的下游信號(hào)分子及其詳細(xì)機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

4 石棉的毒性和ogg1

8-羥基脫氧鳥嘌呤（8-OHdG）是活性氧導(dǎo)致的氧化DNA的損傷的主要產(chǎn)物，在體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)中均證實(shí)有高度致突變性，可使細(xì)胞發(fā)生G:C→T:A顛換為特征的突變，這種顛換可能激活原癌基因或抑制癌基因的活力。體內(nèi)特異識(shí)別8-OHdG并將其切除修復(fù)的酶被稱為8-羥基鳥嘌呤DNA糖苷酶，簡(jiǎn)稱ogg1(8-oxoguanine，DNA glycosydase)，在 人 類 被 叫 做hogg1，hogg1基因的mRNA初級(jí)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物經(jīng)不同剪接可形成兩個(gè)開放式閱讀框(Open reading frames,ORFs)，從而形成兩種不同的mRNA，即α-hogg1和β-hogg1[27]。

很長(zhǎng)時(shí)間以來，人們都認(rèn)為對(duì)損傷DNA的修復(fù)功能是α-hogg1能阻止氧化損傷造成的細(xì)胞凋亡的主要機(jī)制[28]。但最近的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)應(yīng)用變性的缺乏8-OHdG DNA修復(fù)酶活性的α-hogg1時(shí)，像正常的α-hogg1同樣可以防止石棉引起的細(xì)胞凋亡[29]。石棉可以引起線粒體順烏頭酸酶活性的降低，而過表達(dá)hogg1（包括缺乏8-OHdG DNA修復(fù)酶活性的變性的hogg1）時(shí)，由于hogg1與順烏頭酸酶形成共沉淀，可順烏頭酸酶免于降解，故認(rèn)為在石棉引起肺上皮細(xì)胞凋亡過程中，hogg1的保護(hù)作用不是通過DNA修復(fù)來完成的，而是通過保護(hù)順烏頭酸酶來實(shí)現(xiàn)[29]。

5 結(jié)語(yǔ)與展望

對(duì)石棉引起的疾病，目前尚無有效的治療方法。石棉引起肺上皮細(xì)胞的凋亡與活性氧的產(chǎn)生、線粒體的損傷、p53的高表達(dá)、hogg1保護(hù)等多種因素有關(guān)，進(jìn)一步闡明石棉引起疾病的相關(guān)機(jī)制，有助于我們對(duì)石棉引起疾病有更深入的認(rèn)識(shí)，做到有針對(duì)性的治療。不僅如此，還能讓我們對(duì)許多原因未明相關(guān)疾病如特發(fā)性肺纖維化等的認(rèn)識(shí)有啟示作用。

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1003—6350(2011)10—141—03

劉洪波（1983—），男，山東省濱州市人，在讀碩士研究生。

2011-03-08)