神经系统中的凋亡

关键词： 神经系统 凋亡 促凋亡基因 抗凋亡基因

人们对神经系统中的凋亡，特别是对凋亡与神经系统疾病的关系认识较晚〔1〕。近年发现，细胞凋亡不仅发生于胚胎发生和正常发育过程中，而且也出现于病理情况下。在神经系统，肿瘤、癫痫、缺血、外伤以及Alzheimer病、巴金森病、肌萎缩性侧索硬化等神经退行性变时均有细胞凋亡的参与，探究其分子和遗传学机制，可使人们从一种全新的角度认识神经系统疾病的发生机理和防治策略。本文对凋亡进行一般性概述后对近年有关神经系统中凋亡的研究进展做一综述。

1　凋亡概念、鉴定指标及基因调控

1.1　凋亡概念　细胞有两种死亡途径，即凋亡和坏死。凋亡是一种能量依赖性的细胞自我销毁的主动过程。凋亡与有丝分裂功能相反，选择性清除无用细胞，保证组织细胞数量的稳定性。

1.2　凋亡的鉴定指标　①形态学标准，即典型的凋亡三阶段；②生物化学指标，即DNA链被特异性DNA内切酶在核小体间切断，形成含180～200碱基对或其倍数碱基对的DN断；③药理学指标，抑制某些相关大分子的翻译和转录能阻断凋亡，表明细胞必需生成一些新的蛋白质和核糖核酸才能实现凋亡。

1.3　凋亡的基因调控　①ced-3/ICE家族；②bcl-2家族；③P53。

在不同类型的细胞中还发现另外几种促凋亡基因与抗凋亡基因。目前对它们的作用，相互关系，相对表达等均在探索之中。

2　神经系统发育中的凋亡

凋亡学说主张细胞固有死亡程序，只有不断地得到不要自杀的信号才能维持存活。胚胎发生期的神经系统是此种情况的典型事例。形成的神经元比最终需要的神经元多的多，过剩的神经元通过凋亡途径自消自灭，保证了靶细胞正好得到恰当数量的神经支配〔2〕。凋亡不是过剩神经元自发消亡的唯一形式，如新生大鼠消亡中的上丘神经元和胚胎鸡睫状神经节细胞既可见某些凋亡性形态学特征，又呈现非凋亡性的内质网、高尔基体、线粒体的膨胀，甚至有些消亡着的细胞无典型的凋亡体。

3　导致凋亡的神经病理生理过程

近年证明，神经系统疾病中，除有细胞坏死发生外，也有凋亡的参与。导致凋亡的神经病理生理学过程主要包括氧化紧张、谷氨酸盐的兴奋毒性作用和钙平衡破坏。

3.1　氧化紧张与凋亡　超氧化物、过氧化物、羟自由基等活性氧的形成过多，通过吸引电子和增多自由基使脂膜、蛋白质、核酸及细胞外基质受损，称为氧化紧张。活性氧经超氧化物歧化酶(SOD)、催化酶、谷胱甘肽过氧化物酶、硫氧化还原素等机体抗氧化物质清除毒性。大量实验证明自由基形成增多或清除减少可诱发细胞凋亡。例如，过氧化氢使包括培养的皮层细胞在内的多种细胞出现凋亡。

3.2　谷氨酸盐的兴奋毒性作用与凋亡〔3〕　谷氨酸盐的兴奋毒性作用指谷氨酸盐通过其受体的过度激活能导致神经元损伤与凋亡。谷氨酸盐激活的神经损伤有坏死与凋亡两种形式。前者为神经元因Na+、Cl-、水内流而发生的快速膨胀；后者为暴露于谷氨酸盐数小时后发生的钙平衡破坏等延迟性反应。核酸酶抑制剂金三羟酸(ATA)抑制谷氨酸盐诱导的凋亡，支持谷氨酸盐的致凋亡作用，但因ATA有很多非特异性效应，有人对此提出质疑。

谷氨酸诱发凋亡除受体激活途径外，还可通过直接增加氧化紧张的途径。有人推测谷氨酸盐直接作用的机制在于妨碍胱氨酸的摄取。胱氨酸被转换成半胱氨酸后，进而转换成谷胱甘肽。因此，谷氨酸盐可以能通过减少谷胱甘肽使活性氧增多而引起凋亡。总之，谷氨酸盐诱导凋亡是通过激活其受体与妨碍胱氨酸盐摄取两种机制。

3.3　钙与凋亡　钙是一个重要的第二信使，能刺激神经递质释放、诱导即早基因、激活蛋白水解酶、蛋白激酶、磷脂酶、一氧化氮合酶、核酸内切酶等多种钙依赖性酶类。当钙内流增多时可从多种途径诱发凋亡〔1〕。 bonfoco等〔4〕用DNA断裂和核浓缩做为凋亡指标，证明神经毒剂过氧亚硝酸盐能通过所有上述三种机制诱导凋亡。

4　凋亡与神经疾病

4.1　脑缺血与凋亡　传统认为脑缺血导致细胞广泛坏死。近年证明全脑或局部脑缺血时均有凋亡过程参与，凋亡出现在缺血后30 min，在缺血后24～48 h达峰值，持续4 w可见到凋亡细胞〔5〕。凋亡细胞数与缺血时间直接相关〔6〕。脑缺血的核心区出现坏死，周边区出现凋亡，不仅凋亡神经元表现核与胞浆浓缩、DNA断裂、凋亡体形成等典型凋亡形态学特征，而且基因也呈相应改变。小鼠脑局部缺血后P53增多，去除P53后对局部缺血的抵抗力增大。bcl-2形成增多的转基因小鼠对局部缺血的抵抗力增大。大鼠脑大面积缺血所致死亡过程中的神经元bax水平升高，在离体条件下，低氧能诱发培养的交感神经元凋亡。

钙内流、氧化紧张、谷氨酸盐的兴奋毒性作用均与脑缺血性凋亡有关。缺血后持续存在的凋亡机制可能包括细胞因子的改变、炎症细胞释放自由和基因表达的改变等。

4.2　外伤性脑损伤与凋亡　外伤性脑损伤后发生细胞坏死，早已定论，Rink等〔7〕首先证明凋亡也存在于外伤性脑损伤，TUNEL染色显示大脑中度外伤性损伤后，约有10%死亡细胞是凋亡性的。凋亡峰值出现于外伤24～48 h。外伤后8 h开始，受损皮层区bax和Cpp32(ICE家族成员)水平增高。

4.3　癫痫与凋亡〔8〕　有报道，癫痫亦有细胞凋亡。但这些研究只基于在海马查到DNA断片，尚缺乏足够的形态学证据。由于谷氨酸盐激动剂Kainic acid能诱发癫痫发作，而且撤除P53基因酸盐受体的过度激活似为癫痫发作的可能机制之一。

4.4　神经退行性疾病与凋亡　始动凋亡的刺激在空间上或时间上错误，或者死亡途径本身可导致神经退行性疾病。这样引起的神经元丢失增多已见于Alzheimer病、巴金森氏病和肌萎缩性侧索硬化。

Alzheimer病与β淀粉样肽在大脑血管内堆积有关。β淀粉样肽使皮质神经元和海马神经元呈现凋亡性形态学改变有C-jun基因表达〔9〕。一氧化氮可能参与β淀粉样肽诱发的凋亡；抗氧化剂有阻断β淀粉样肽的致凋亡作用，表明Alzheimer病的发生与氧化紧张机制有关〔10〕。

巴金森氏病时，黑质内的多巴胺有神经元进行性丢失。有报告1-甲基-4-苯吡啶-1，2，3，6，四氢吡啶，通过其代谢产物1-甲基-4-苯吡啶抑制呼吸链中的另一个化合物——尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸辅酶Q1还原酶。此酶被抑制使电子传递障碍，导致超氧化物增多。表明巴金森氏病可能有一个自由基激活的凋亡机制。

4.5　神经系统肿瘤与凋亡　在成神经管细胞瘤、退行发育的星形细胞瘤、成神经胶质细胞瘤、脑膜瘤、垂体腺瘤、胚胎瘤和成神经细胞瘤中都有肿瘤细胞凋亡的参与〔11～14〕。

在原发性恶性脑癌中，与肿瘤细胞凋亡发生有关的因子很多，如缺血、免疫激活肿瘤坏死因子、Fas死亡途径、生长因子途径等。在成神经胶质细胞瘤中心坏死区附近的缺血区常可见到肿瘤细胞凋亡。肿瘤坏死因子主要由血液循环中的巨噬细胞和淋巴细胞释放，它通过p53依赖性途径诱发凋亡。表达Fas的神经胶质瘤细胞凋亡可能是毒性T淋巴细胞释放Fas配体，经受体倡导的。抗Fas抗体直接对抗Fas激活，似可用于恶性神经胶质瘤的治疗，成神经细胞瘤的肿瘤细胞凋亡与神经生长因子激活p75受体有关。

关于肿瘤细胞凋亡与基因表达间的关系，做出结论为时太早，但已有不少有关实验。如在成神经管细胞瘤，bcl-2低表达伴有肿瘤细胞凋亡出现率高；在星形细胞瘤时，bcl-2高表达伴有肿瘤细胞凋亡出现率高。野生型p53的减少促进星形细胞肿瘤发生〔15〕，星形细胞肿肿瘤时p53发生突变。野生型p53下降使低氧诱发的变异细胞凋亡显著减少。在低氧条件下，缺乏p53的变异比具有p53的变异细胞凋亡发生率少。低氧条件下，具有p53的肿瘤细胞克隆增大。但也有人报道未见到bcl-2与p53星形细胞肿瘤的凋亡有关〔16〕。

化疗可以激活脑肿瘤细胞凋亡，可以使神经肿瘤恢复进行凋亡的能力。如蛋白激酶C抑制剂能使神经胶质系凋亡、能诱导恶性神经胶质瘤产生凋亡，但对正常脑细胞无影响。Hypclcln能诱导垂体腺细胞系凋亡，但对正常成纤维细胞无作用。

5　凋亡有关的可能疗法

若神经系统疾病中的细胞损伤诱导凋亡，则继续研究下去，可能获得一套与凋亡有关的强有力的治疗策略。其中应用生长因子和大分子合成抑制剂阻断凋亡最有前途。基因治疗已经开始，如用售有bcl-2媒介物的单纯性疱疹病毒转移基因保护缺血神经元〔17〕。Bcl-2能广泛抑制钙离子电渗、低血糖、氧化紧张、谷氨酸盐所诱导的细胞凋亡，是治疗脑缺血的一种最有希望的候选疗法。bcl-xs、ICE和其他促凋亡基因的选择性促凋亡作用，可能成为完全消灭神经系统肿瘤的新手段，而且已有人用基因转移技术，引入bcl-xs腺病毒制成神经细胞将军〔18〕，或引入ICE逆转病毒至胶质肉瘤的细胞〔19〕，进行抗癌治疗。

总之，阻止神经元凋亡可以延缓任何情况下的神经退行性变。促进肿瘤细胞凋亡可以防止变异的神经元与非神经元的异常增生而达到抗癌、抗肿瘤的作用。

参考文献

1　Tymianski M, Tator CH.Normal and abnormal calcium homeostasis in neurons:A basis for the pathophysiology of traumatic and ischemic central nervous system injury.Neurosurgery，1996；38：1176

2　Johnson Em, Greenlund LS, Akins PT et al.Neuoral apoptosis:Current understanding of molecular mechanisms and potential role in ischemic brain injury.J Neurotrauma，1995；12：843

3　Posner A, Raser KJ, Hajimohammadreza I et al.Aurintricarboxylic acid is an inhibitor of mu-and m-calpain.Biochem Mol Biol Int，1995；36：291

4　Bonfoco E, Krainc D, Ankarcona M et al.Apoptosis and necrosis: Two distinct events induced, respectively, by mind and intense insults with N-methy-D-assoartate or nitric oxide/superoxide in cortical cell cultures.Proc Narl Acad Sci USA，1995；92：7162

5　Li Y, Chopp M, Jiang N et al.Temporal profile of in situ DNA fragmentation after transient middle cerebral artery occlusion in the rat.J cereb Blood Flow Metab，1995；15：389

6　Li Y, Chopp M ,Jiang N et al.Indyction of DNA fragmentation after 10 to120 mintutes of focal cerebral is chemia in rats.Stroke，1995；26：1252

7　Rink A, Fung KM, Trojanowski JQ et al.Evidence of apoptotic cell death after experimental traumatic brain injury in the rat.Am J Pathol，1995；147：1575

8　Morrison RS, Wenzel HJ, Kinoshita Y et al.Loss of the p53 tumor suppressor gene protects neurons from kainate-induced cell death.J Neurosci，1996；16：1337

9　Anderson AJ, Pike CJ, Cotman CW.Differential induction of immediate early gene proteins in cultured neurons by β-amyloid(Aβ):Association of c-Jun with Aβ-induced apoptosis.J Neurochem，1995；65：1487

10　Le WD,Colom LV, Xie Wj et al.Cell death induced by β-amyloid 1～40 in mES 23.5 hybrid clone:The role of nitric oxide and NMDA channel activation leading to apoptosis.Brain Res，1995；686：49

11　Kokunai T, Sawa H, Tamaki N et al.Localizaation of apoptotic cells in situ of brain tumors.Brain Tumor Pathol，1995；12：15

12　Nakagawa S, Shiraishi T, Kihara S et al.Detection of DNA strand breaks associated with apoptosis in human brain tumors.Virchows Arch，1995；427：175

13　Patsouris E, Davaki P, Kapranos N et al.A sutdy of apoptosis in vrain tumors by in situ end-labeling methods.Clin Neuropathol，1996；15：337

14　Hoehner J, Hedborg F, Wilklund H et al.Cellular death in neuroblastoma:In situ correlation of apoptosis and bcl-2 expression.Int Cancer，1995；62：19

15　Boger O, Huang HJ, Cavenee WK.Loss if wild-type p53 bestows a growth advantage on primary cortical astrocytes and facilitates in vitro transformation.Cancer Res，1995；55：2746

16　Ellison D, Steart P, Gatter K et al.Apoptosis in cerebral astrocytic tumors and its relationship to expression of the bcl-2 and p53 proteins.Neuropathol Appl Neurogiol，1995；21：352

17　Linnik MD, Zahos P, Geschwind MD et al.Expression of bcl-2 from a defective herpes simplex virus-1 vector limits neuronal death in focal cerebral ischemia.Stroke，1995；26：1670

18　Calrk MF, Apel IJ, Benedict MA et al.A recombinant bcl-xs adenovirus selectively induces apoptosis in cancer cells but not in normal bone marrow cells.Proc Natl Acad Sci USA，1995；92：11024

19　Yuan J, Horvitz R.The caenorhabditis elegans cell death gene ced-4 encodes a novel protein and is expressed during the period of extensive programmed cell death.Development，1992；116：309