輻射致組織損傷凋亡機(jī)制的研究概況

楊 宏，倪 敏，趙心彬，陶 霞 (第二軍醫(yī)大學(xué)附屬長征醫(yī)院藥學(xué)部，上海 200003)

1 背景

輻射是指具有能量的粒子或波通過媒介在空間傳導(dǎo)的過程，按照輻射與常見化學(xué)物質(zhì)的相互作用，輻射通常分為電離輻射與非電離輻射。人們常說的輻射是指電離輻射，它能將電子從外殼剝離，使原子整體帶正電[1]。整體而言，能量大于10 eV(electric volta，電子伏特)的光子與粒子具有上述電離能力(如α射線、β射線、宇宙射線、γ射線與X射線)。電離輻射對生物體的損傷主要體現(xiàn)在對細(xì)胞的損傷上，胞內(nèi)DNA尤其易受損傷，這也是輻射致癌的原因。研究輻射時(shí)最常用的單位為：吸收劑量(absorbed dose)，其物理意義是單位質(zhì)量物質(zhì)接收電離輻射的平均能量(國際基本單位：戈瑞，Gy)。

電離輻射可誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。凋亡(apoptosis)也稱為固縮壞死或程序性細(xì)胞死亡(programmed cell death)，是由基因介導(dǎo)的一系列生化反應(yīng)，細(xì)胞依靠它來主動(dòng)引起自身的破壞。凋亡的細(xì)胞通常會核固縮、質(zhì)膜發(fā)泡、細(xì)胞器緊縮，形成凋亡小體，進(jìn)而被鄰近實(shí)質(zhì)性細(xì)胞或吞噬細(xì)胞吞噬[2]。輻射誘導(dǎo)的凋亡大致可分為3個(gè)階段：① 引發(fā)性刺激：對于輻射誘導(dǎo)的凋亡而言，最初刺激元件是通過作用于細(xì)胞表面受體，進(jìn)而作用于DNA分子或其他非核靶點(diǎn)。② 滯后階段的調(diào)節(jié)：在輻射和細(xì)胞凋亡之間存在一個(gè)滯后階段。③死亡反應(yīng)：細(xì)胞開始發(fā)生一系列特征性生物形態(tài)學(xué)的改變以及生物化學(xué)變化。

2 輻射致凋亡的機(jī)制

輻射致組織損傷的凋亡機(jī)制常被認(rèn)為與DNA損傷與神經(jīng)酰胺有關(guān)(圖1)。輻射因其電離能力可使生物體產(chǎn)生自由基，從而造成DNA損傷。DNA損傷可激活p53致凋亡通路，也可激活聚ADP核糖基聚合酶(PARP)抑制凋亡；同時(shí)也能激活神經(jīng)酰胺合酶(ceramide synthase)，產(chǎn)生神經(jīng)酰胺。輻射還能作用于膜上，產(chǎn)生膜變構(gòu)(membrane alteration)，進(jìn)而激活酸性鞘磷脂酶(acid sphingomyelinase)，分解鞘磷脂產(chǎn)生神經(jīng)酰胺(鞘磷脂通路，sphingomyeline pathway)。神經(jīng)酰胺作為第二信使激活p38等促凋亡通路。

2.1DNA損傷

2.1.1自由基 電離輻射照射生物體，可誘發(fā)DNA鏈斷裂，染色體異常、變異和細(xì)胞凋亡。已有足夠證據(jù)表明：細(xì)胞核及其核內(nèi)DNA，是輻射致?lián)p傷的主要靶點(diǎn)。普遍認(rèn)為DNA雙鏈斷裂(DSBs)是電離輻射所造成的最嚴(yán)重DNA損傷類型[3]。Slade等[4]的研究表明，名為Deinococcusradiodurans的菌能耐受高劑量的輻射，同時(shí)可耐受高濃度的活性氧(reactive oxygen species, ROS)。在該菌的基因組受到高達(dá)2 000 UDSB的情況下，仍不造成致命的蛋白損傷，從而間接證明了活性氧自由基與輻射損傷的關(guān)系。其他研究[5-8]通過皮膚纖維化的產(chǎn)生、細(xì)胞外基質(zhì)分子(如膠原蛋白)證明了ROS在輻射損傷方面的重要性。

圖1 輻射致組織損傷的凋亡機(jī)制示意圖

2.1.2PARP 聚ADP核糖聚合酶 [poly (ADP-ribose) polymerase, PARP]是一類主要與DNA修復(fù)與凋亡相關(guān)細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)有關(guān)的蛋白。PARP包含4個(gè)重要的結(jié)構(gòu)域：DNA結(jié)合域，半胱氨酸蛋白酶(caspase)切割域，自修飾域和催化域。PARP被激活的機(jī)制為：發(fā)生DNA的單鏈斷裂時(shí)，斷裂的DNA鏈與PARP上的DNA結(jié)合域結(jié)合，引發(fā)PARP上各結(jié)構(gòu)域發(fā)生構(gòu)象變化，開始合成聚ADP核糖鏈，PAR鏈可作為其他DNA修復(fù)酶的信使，修復(fù)完成時(shí)PAR鏈降解。DNA結(jié)合域包含2個(gè)鋅指結(jié)構(gòu)模塊(zinc finger motifs)。其在輻射方面的應(yīng)用主要在于，PARP抑制劑作為化療聯(lián)用藥以增加癌細(xì)胞選擇性，并改善預(yù)后。Mueller等[9]在輻照治療的同時(shí)給予PARP抑制劑MK-4827，有效地抑制了成神經(jīng)細(xì)胞瘤的生長。其他最新研究[10，11]也闡述了PARP抑制劑在輻射方面的重要作用。

2.1.3P53蛋白 被稱為protein 53或者腫瘤蛋白(tumor protein) 53，是由p53基因編碼的抑癌蛋白。P53蛋白對多種器官都可調(diào)控細(xì)胞周期，從而起到抑癌作用。p53基因因其阻止基因突變，保存穩(wěn)定性，被稱為“基因的守護(hù)者”。向已失去內(nèi)源性p53功能的細(xì)胞中注入野生型P53蛋白，能誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生凋亡[12]。p53通路是輻射致凋亡通路中最為人們所接受的機(jī)制[13]。Burger等[14]考察了生殖細(xì)胞腫瘤細(xì)胞(testicular germ cell tumors，TGCTs)的輻射凋亡過程中p53的表達(dá)，證明了p53在輻射凋亡中起到的重要作用。Wakatsuki等[15]利用p53的腫瘤抑制基因家族的P73蛋白與P53蛋白的類似性，發(fā)現(xiàn)了它可以替代P53蛋白缺失后的功能恢復(fù)，從側(cè)面證明了P53蛋白在輻射致凋亡過程中的重要性。

2.2神經(jīng)酰胺

2.2.1 神經(jīng)酰胺 神經(jīng)酰胺是普遍存在的、進(jìn)化保留的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)第二信使，主要以下列3種方式參與輻射致凋亡的調(diào)控：①輻射直接作用于數(shù)種細(xì)胞的質(zhì)膜，激活酸性鞘磷脂酶，通過酶水解鞘磷脂產(chǎn)生神經(jīng)酰胺。神經(jīng)酰胺作為第二信使通過線粒體系統(tǒng)啟動(dòng)凋亡反應(yīng)。②輻射誘導(dǎo)的DNA損傷通過激活線粒體神經(jīng)酰胺合酶啟動(dòng)神經(jīng)酰胺合成或再生。③一些細(xì)胞、組織中，神經(jīng)酰胺可激活下游凋亡蛋白BAX，通過線粒體細(xì)胞色素，調(diào)節(jié)凋亡過程。Deng等[16]利用線蟲菌株證明了神經(jīng)酰胺在輻射致凋亡機(jī)制中的重要作用。Adria等[17]利用牛主動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞(bovine aortic endothelial cells)證明了鞘磷脂代謝途徑通過TNF-α對凋亡的重要作用。Rotolo等[18]的研究表明神經(jīng)酰胺的抗體能夠減輕小鼠輻射所致的胃腸道損傷。Kolesnick等[19]的研究也證明神經(jīng)酰胺在輻射致凋亡機(jī)制中起到重要作用。

2.2.2P38蛋白 P38蛋白是絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)，因其與細(xì)胞應(yīng)激因子有關(guān)，故被稱為應(yīng)激MAPK。Niaudet 等[20]利用微血管內(nèi)皮細(xì)胞HMEC1證明了P38蛋白在膜變構(gòu)的神經(jīng)酰胺凋亡通路中起重要作用。P38蛋白起作用的方式與其他分子靶點(diǎn)不同，并非獨(dú)立影響最終的細(xì)胞行為，需要借助神經(jīng)酰胺代謝通路[21]。Blirando K等[22]在肥大細(xì)胞上檢測到了輻射誘導(dǎo)的P38蛋白相關(guān)激酶的表達(dá)，進(jìn)一步證明了P38蛋白在輻射致?lián)p傷凋亡機(jī)制中的重要作用。

3 總結(jié)

綜上所述，輻射可產(chǎn)生自由基，造成DNA損傷，從而激活p53基因致凋亡通路，也可激活PARP抑制凋亡；同時(shí)輻射也能激活神經(jīng)酰胺合酶，產(chǎn)生神經(jīng)酰胺。另外輻射也能夠作用于膜上，產(chǎn)生膜變構(gòu)，進(jìn)而激活酸性鞘磷脂酶，分解鞘磷脂產(chǎn)生神經(jīng)酰胺(鞘磷脂通路)。神經(jīng)酰胺作為第二信使激活p38基因等促凋亡通路。對輻射致組織損傷凋亡機(jī)制的探討不僅有助于加深對輻射的了解，還對抗輻射方面藥物的研發(fā)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的意義。

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