细胞凋亡系列篇【5】Bcl-2家族

细胞凋亡是一个复杂的生物学过程，涉及多个信号通路和调控机制。B淋巴细胞瘤-2（B-cell lymphoma-2）基因家族在细胞内源性凋亡的过程中有着主导性的地位，对于细胞生存和死亡之间的平衡至关重要。本文将从Bcl-2基因家族成员介绍、在细胞凋亡中的作用以及其调控细胞凋亡的作用机制等方面进行综述。

1.Bcl-2基因家族成员介绍

Bcl-2最初被发现是一种在滤泡性淋巴瘤中过表达的癌蛋白。后来发现Bcl-2通过抑制外膜的通透性（mitochondria outer membrane permeabilization, MOMP）来抑制细胞凋亡[1]。Bcl-2的这种线粒体密封作用可以通过它对具有 Bcl-2同源性结构域（BH1、BH2、BH3、BH4）蛋白质家族中的其他蛋白质的作用[2]来解释，这些蛋白质共同形成 BCL2 蛋白家族。到目前为止，BCL2 蛋白家族成员已扩充至 20 余个。

根据其功能和结构特点可将Bcl-2家族蛋白分为抗凋亡蛋白和促凋亡蛋白两大类，并进一步细分为不同的亚家族。其家族蛋白通常包含一个或多个BH结构域（BH1-BH4），这些结构域负责蛋白质间的相互作用。其中BH1和BH2参与抗凋亡蛋白的二聚化，BH3是促凋亡蛋白与抗凋亡蛋白结合的关键区域，BH4是抗凋亡蛋白维持稳定性的关键区域。部分Bcl-2家族蛋白还具有跨膜结构域（TM），使其能够定位到线粒体外膜或其他细胞膜结构上。根据Bcl-2家族蛋白的结构特征，它们可以分为以下三个亚家族：

抗凋亡蛋白亚家族：包括BCL2、MCL-1、BCL2L1、BCL2L2、BCL2A1等，这些蛋白均具有四个Bcl-2同源性结构域（BH1-BH4），其中BH3和BH4是抗凋亡功能的关键区域。抗凋亡蛋白通过抑制促凋亡蛋白的活性，维持细胞的存活[3]。

促凋亡蛋白亚家族：包括BAX、BAK1和BOK等，这些蛋白均具有BH1、BH2和BH3三个结构域。这些蛋白通常缺乏完整的跨膜结构域，但可以通过与抗凋亡蛋白形成异二聚体来促进细胞凋亡。

BH3-only蛋白亚家族：包括BAD、BMF、BID和BIK等，这些蛋白仅含有BH3结构域，能够直接与促凋亡蛋白结合，从而激活凋亡信号。

图1. Bcl-2家族的三种主要亚型[4]

2.Bcl-2家族蛋白的功能[6]

Bcl-2家族每个亚类的各个蛋白来源和所处通路位置不同，故在调控凋亡具体机制时发挥的作用也不尽相同。抗凋亡蛋白主要定位于线粒体膜、内质网膜和核膜，通过稳定线粒体膜结构抑制凋亡，而促凋亡蛋白如Bax在静息状态下分布于细胞质，在凋亡信号刺激后转位至线粒体膜，诱导膜通透性改变，触发凋亡级联反应。

BH3-only蛋白作为凋亡信号的关键传感器，可被多种应激信号（如DNA损伤、生长因子缺失）激活。它们通过两种方式促进凋亡[5]：① 竞争性结合抗凋亡蛋白，解除其对Bax/Bak的抑制；② 直接激活Bax/Bak，促使其寡聚化并破坏线粒体膜完整性。不同BH3-only蛋白（如Bim、tBid、Puma）的调控机制存在差异，共同确保细胞在应激状态下精确启动凋亡程序。

（1）抗凋亡功能

抗凋亡蛋白（如Bcl-2、BCL2L1）通过以下几种机制来抑制细胞凋亡：

抑制促凋亡蛋白：抗凋亡蛋白通过与促凋亡蛋白形成异二聚体，阻止其活化。Bcl-2与Bax可以形成异二聚体，抑制Bax的促凋亡活性。

维持线粒体膜通透性：抗凋亡蛋白通过插入线粒体外膜，阻止细胞色素c的释放，从而抑制凋亡信号的传递。

调控Ca²⁺浓度：抗凋亡蛋白通过调节线粒体内Ca²⁺浓度，影响细胞代谢和功能。

（2）促凋亡功能

促凋亡蛋白（如Bax、Bak）通过以下机制促进细胞凋亡：

诱导线粒体外膜通透性：促凋亡蛋白通过插入线粒体外膜，导致细胞色素c的释放，激活下游凋亡效应分子。

形成孔道：促凋亡蛋白可以形成跨膜孔道，直接导致细胞内物质的泄漏，从而引发细胞死亡。

（3）BH3-only蛋白功能

BH3-only蛋白（如Bad、Bik）通过与促凋亡蛋白直接结合，激活下游凋亡信号。Bad通过磷酸化修饰被激活后，可以促进细胞凋亡。

3.Bcl-2家族蛋白的调控机制

Bcl-2家族蛋白的调控机制涉及多个层面，包括转录水平调控、翻译后修饰和蛋白质相互作用等方面。

在转录水平，多种转录因子如p53、NF-κB和FOXO等可以调控Bcl-2家族成员的表达。例如，p53可以上调促凋亡蛋白Bax和PUMA的表达，同时抑制抗凋亡蛋白Bcl-2的表达。

在翻译后修饰水平，磷酸化、泛素化和蛋白酶体降解等在调控Bcl-2家族蛋白的活性和稳定性方面起重要作用。例如，Bad的磷酸化可以促进其与14-3-3蛋白结合，从而抑制其促凋亡活性。

Bcl-2家族蛋白之间的相互作用是调控细胞凋亡的核心机制。一旦细胞内出现凋亡信号，胞浆内的BH3-only蛋白被激活：Bid、Bim和Puma（激活子，activator）直接激活Bax和Bak；而Bad、Bik、Bmf、Noxa、Hrk和Puma（敏感子，sensitizer）则与抗凋亡蛋白（BCL2、BCLXL等）以高亲和力结合，释放出Bax和Bak。Bax和Bak形成的寡聚体作用于线粒体外膜，使其通透性发生改变，发生线粒体外膜通透化（mitochondria outer membrane permeabilization, MOMP），导致细胞色素C和Smac/DIABLO等凋亡因子释放，激活下游半胱天冬酶级联反应，放大死亡信号，导致数百种蛋白质裂解，最终引发细胞凋亡[8]。

图2. 不同细胞类型中BCL2蛋白家族之间的相互作用[8]

4.Bcl-2家族蛋白在疾病中的作用

Bcl-2家族蛋白的异常表达与多种疾病密切相关。

正常情况下BCL2基因多表达于迅速分裂或分化的细胞中，当细胞进入程序性死亡时，该基因表达下降。若BCL2基因在细胞凋亡时高表达，就会减少凋亡过程中细胞色素C和SMAC的释放，抑制细胞的程序性死亡，使得细胞不受控制地增殖，最终导致癌症的产生。经研究，BCL2的异常过表达现象发生在多种不同类型的恶性肿瘤中，包括卵巢癌、肺癌、前列腺癌、乳腺癌、结直肠癌、鼻咽癌、白血病等癌症，并被证实与肿瘤的形成、进展、治疗耐药性和总生存率低下息息相关。BCL2蛋白在多种癌症中的高度上调表达使其成为癌症治疗的理想靶标，有效靶向BCL2的药物研究是肿瘤治疗领域的一大热点。近20年来已有多个抑制剂开发出来，并进入了临床研究阶段，目前国内外药物研发公司都在积极布局研发，不少药物都已经进入了临床试验阶段。

在神经退行性疾病中，Bcl-2家族蛋白的失衡可能导致神经元过度凋亡，如阿尔茨海默病和帕金森病中观察到Bcl-2表达下降和Bax表达升高。

在自身免疫疾病中，Bcl-2家族蛋白的异常表达可能影响淋巴细胞的存活和功能[7]。例如，系统性红斑狼疮患者外周血淋巴细胞中Bcl-2表达升高，可能导致自身反应性淋巴细胞的异常存活。这些发现为开发针对Bcl-2家族蛋白的疾病治疗策略提供了重要依据。

综上所述，Bcl-2家族是细胞凋亡信号转导途径中关键的凋亡调节因子，它们共同参与一个非常复杂的相互作用机制以调控细胞凋亡。Bcl-2家族在线粒体介导的细胞凋亡中发挥重要作用。该家族在癌症（如淋巴瘤、白血病）中常因抗凋亡蛋白过表达导致凋亡抑制，并与化疗耐药相关，作为肿瘤治疗的理想靶点，对应靶标抑制剂的开发前景不可估量。进一步了解和研究Bcl-2的功能，拓宽Bcl-2蛋白的应用，解锁其在疾病中扮演的角色及具体的分子机制，助力高效治疗策略及药物开发，专业的研究工具必不可少。

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参考文献：

[1]. Kluck, R. M., Bossy-Wetzel, E., Green, D. R., & Newmeyer, D. D. (1997). The release of cytochrome c from mitochondria: a primary site for Bcl-2 regulation of apoptosis. Science (New York, N.Y.), 275(5303), 1132–1136. https://doi.org/10.1126/science.275.5303.1132.

[2]. Youle, R. J., & Strasser, A. (2008). The BCL-2 protein family: opposing activities that mediate cell death. Nature reviews. Molecular cell biology, 9(1), 47–59. https://doi.org/ 10.1038/nrm2308.

[3]. Czabotar, P. E., Lessene, G., Strasser, A., & Adams, J. M. (2014). Control of apoptosis by the BCL-2 protein family: implications for physiology and therapy. Nature reviews. Molecular cell biology, 15(1), 49–63. https://doi.org/10.1038/nrm3722.

[4]. Olsson Åkefeldt, S., Ismail, M. B., Valentin, H., Aricò, M., Henter, J. I., & Delprat, C. (2013). Targeting BCL2 family in human myeloid dendritic cells: a challenge to cure diseases with chronic inflammations associated with bone loss. Clinical & developmental immunology, 2013, 701305. https://doi.org/10.1155/2013/70130.

[5]. Kim, H., Rafiuddin-Shah, M., Tu, H. C., Jeffers, J. R., Zambetti, G. P., Hsieh, J. J., & Cheng, E. H. (2006). Hierarchical regulation of mitochondrion-dependent apoptosis by BCL-2 subfamilies. Nature cell biology, 8(12), 1348–1358. https://doi.org/10.1038/ncb1499.

[6]. Moldoveanu, Tudor., Follis, Ariele Viacava., Kriwacki, Richard W., & Green, Douglas R.. (2014). Many players in BCL-2 family affairs. Trends in biochemical sciences, 39(3).

[7]. Iglesias, Marcos., Augustin, Juan Jesús., Augustin, Juan Jesús., Alvarez, Pilar., & Santiuste, Inés.. (2016). Selective Impairment of TH17-Differentiation and Protection against Autoimmune Arthritis after Overexpression of BCL2A1 in T Lymphocytes. PloS one, 11(7), e0159714.

[8]. Olsson Åkefeldt S, Ismail MB, Valentin H, Aricò M, Henter JI, Delprat C. Targeting BCL2 family in human myeloid dendritic cells: a challenge to cure diseases with chronic inflammations associated with bone loss. Clin Dev Immunol. 2013;2013:701305.