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石棉引起肺上皮细胞凋亡机制的研究进展

2011-04-09刘洪波综述宋泽庆审校

海南医学 2011年10期
关键词:石棉活性氧肺纤维化

刘洪波 综述,宋泽庆 审校

(广东医学院附属医院呼吸内科,广东 湛江 524001)

·综 述·

石棉引起肺上皮细胞凋亡机制的研究进展

刘洪波 综述,宋泽庆 审校

(广东医学院附属医院呼吸内科,广东 湛江 524001)

石棉能引起石棉肺、肺纤维化和肺癌等肺部疾病,但其机制尚未完全阐明。越来越多的研究表明,暴露于石棉等伤害性刺激之后,肺上皮细胞凋亡是其引发肺部疾病并导致病情进一步发展的重要因素。本文即以石棉引起肺上皮细胞凋亡过程中,活性氧的产生、DNA损伤、线粒体和p53基因等致凋亡机制的研究进展做一综述。

肺上皮细胞;凋亡;石棉

石棉是自然界一类水合硅酸盐纤维的总称,因其独特的耐热、耐火、耐酸、耐碱等特性而广泛应用于建筑和绝缘体制造等领域。石棉分为两类:(1)蛇纹纤维,是一类卷曲的链状纤维,其中最主要的是温石棉。(2)闪石纤维,是一类直的杆状纤维,包括铁石棉、青石棉、透闪石等。相比而言,闪石纤维由于独特的生物特性,具有更强的致癌和致纤维化等致病作用。20世纪70年代以来,尽管发达国家已经大大限制石棉的使用,但鉴于石棉已在建筑等领域的大量存在、石棉引起疾病的潜伏期又长达15~40年之久,石棉引起的疾病仍然是重要的问题。

石棉可以诱发石棉肺、肺纤维化、支气管肺癌和间皮瘤等疾病,其致病机制未完全阐明[1]。石棉的毒性效应与接触石棉的时间和剂量密切相关[1]。石棉纤维除了可以直接导致靶细胞受损还可以诱导靶细胞产生活性氧(ROS),目前认为氧化应激反应导致细胞DNA损伤和细胞凋亡,是石棉的重要毒性作用机制之一[2]。

1 石棉引起活性氧的产生和细胞DNA的损伤

肺泡上皮细胞(AEC)对石棉的毒性作用非常敏感,其毒性机制与活性氧(ROS)密切相关[2],动物体内试验也表明,石棉暴露下可使体内活性氧过表达,小鼠气管内滴注温石棉1周后即可检测到HO-的异常增高[3]。活性氧中的过氧化氢(H2O2)、超氧化物阴离子(O2-)、和氢氧根离子(HO-)等,是石棉引起细胞毒性导致细胞凋亡的重要的第二信使[4]。石棉通过2个主要的机制产生ROS:(1)纤维的化学特性,电子自旋共振谱学研究显示在无细胞状态下,石棉可以诱导活性氧的产生[5]。其中石棉纤维中的铁离子成分,是诱导HO-形成的重要物质之一,铁的螯合物可以减少石棉应激所致DNA损伤和细胞凋亡[1]。(2)炎症细胞的激活能释ROS,石棉可通过肺泡巨噬细胞的激活,中性粒细胞释放的炎症因子引起一系列的炎症反应,促使活性氧的产生[6]。

在暴露石棉引起肺上皮细胞凋亡过程中,铁来源的氧自由基占据了重要的地位[7]。石棉纤维吸入肺以后,在铁离子的参与下,体内产生大量的活性氧,可以导致DNA的损伤[4]。石棉暴露人群支气管肺泡灌洗液的铁、转铁蛋白、转铁蛋白受体、乳铁蛋白和铁蛋白与正常人相比均有明显增加[6],体外实验也证实,铁的螯合剂能显著减低石棉引起的HO-的产生。去铁胺(一种铁的螯合剂)和抗氧化物酶(AOE)能降低石棉引起的大鼠间皮细胞的毒性效应[7]。石棉还可以引起了肺部靶细胞抗氧化物酶的产生,外源性的抗氧化物酶能减少石棉引起的活性氧的产生[12]。肺部高表达超氧化物歧化酶的小鼠能够也能降低石棉引起的O2-的产生,减轻石棉所致的小鼠的肺纤维化[8]。

2 石棉引起的线粒体功能障碍

线粒体电子呼吸链在生理活动过程中可以产生ROS,在具有高氧化活性的石棉中铁离子参与下,能促使更多的ROS的产生,ROS能引起的AEC线粒体功能障碍并最终导致细胞凋亡[9]。

ROS是在电子传给末端氧化酶之前漏出呼吸链与氧反应生成的,线粒体DNA裸露于基质,位置又靠近电子呼吸链,对氧化应激极为敏感,又无结合蛋白的保护,故线粒体DNA易发生突变,mt DNA突变使呼吸链功能受损,进一步引起活性氧和自由基堆积,如此反复循环,将造成细胞损伤凋亡并导致疾病和衰老[10]。有学者用剔除了线粒体DNA并仅有一个电子呼吸链氧化磷酸化的ρ0-A549细胞进行石棉凋亡机制的研究,结果石棉引起的细胞凋亡被ρ0-A549细胞阻断[11]。

线粒体引起的凋亡途径是石棉引起肺上皮细胞凋亡的主要途径[12],Panduri等[13]用人类A549细胞和大鼠原代2型肺泡上皮细胞研究发现,石棉可引起线粒体膜电位的降低、细胞色素C从线粒体到细胞质的释放、Caspase-9的激活等线粒体损伤的表现,同时也证实,肌醇六磷酸(一种铁的螯合剂)能阻止石棉引起的线粒体膜电位降低和线粒体Caspase-9的释放。Panduri等[14]用共聚焦显微镜和WESTERN-BLOT技术分析线粒体膜蛋白,证实石棉可使促凋亡蛋白在线粒体的定位,该效应可以被肌酸六磷酸所阻断。

线粒体DNA靠近电子传递链并缺少组蛋白的保护,线粒体DNA的损伤在石棉引起的肺上皮细胞凋亡过程中可能扮演者重要的角色。Shukla等[15]证实在青石棉刺激下,肺间皮细胞线粒体DNA的损伤比核DNA更容易受到损伤,然而,至于线粒体DNA损伤如何进一步引起细胞凋亡,其详细机制仍待进一步研究。

3 石棉与p53调节细胞的凋亡

在正常的环境下,p53蛋白在G1/S期短暂活化,参与控制进入S期的时间。p53是一个重要的抑癌基因,在DNA受到损伤时,可以整合多重压力信号和调整细胞反应,通过一系列的靶基因调节使细胞周期的停滞[16],当细胞在DNA严重损害时,p53可以促使使细胞发生凋亡[17]。

p53与石棉引起的石棉肺、肺纤维化、癌症(特别是支气管肺癌)密切相关[18]。暴露石棉等物质引起DNA损伤后,p53通过相应的调节机制控制细胞周期,抑制细胞增殖,而对相应的损伤基因进行修复,如果DNA严重损伤则启动相应的调节机制来使靶细胞凋亡[19]。在人类特发性肺纤维化及暴露石棉引起的疾病中,支气管和肺泡上皮细胞p53蛋白都有明显的过表达[20]在肺上皮细胞和间皮细胞中过表达p53和p21则能使细胞周期停滞[21]。

p53蛋白调节细胞凋亡的机制非常复杂,至今未完全阐明[22]。p53可以通过调节促进促凋亡蛋白(例如Bax或者BH3-only蛋白Noxa、PUMA等)的表达,抑制BCL-2家族中抗凋亡蛋白蛋白的表达的途径调节细胞凋亡[23]。在石棉和其他粉尘等引起的肺上皮细胞凋亡中,p53起着重要的调节作用[24]。暴露石棉1h之内,石棉即可激活肺泡上皮细胞p53基因启动子,4h后WESTERN-BLOT即可检测到p53蛋白表达增高[25]。p53蛋白表达被抑制后,则能阻止石棉或其他粉尘引起的肺上皮细胞线粒体膜电位改变、Caspase-9的激活,及由此引发的细胞凋亡[26]。大鼠气管内滴入石棉纤维2周后,p53蛋白的表达即可检测到明显的增加[27]。

尽管p53在暴露石棉后的细胞凋亡、恶变中具有重要的作用,但是p53所介导的下游信号分子及其详细机制有待进一步研究。

4 石棉的毒性和ogg1

8-羟基脱氧鸟嘌呤(8-OHdG)是活性氧导致的氧化DNA的损伤的主要产物,在体内外实验中均证实有高度致突变性,可使细胞发生G:C→T:A颠换为特征的突变,这种颠换可能激活原癌基因或抑制癌基因的活力。体内特异识别8-OHdG并将其切除修复的酶被称为8-羟基鸟嘌呤DNA糖苷酶,简称ogg1(8-oxoguanine,DNA glycosydase),在 人 类 被 叫 做hogg1,hogg1基因的mRNA初级转录产物经不同剪接可形成两个开放式阅读框(Open reading frames,ORFs),从而形成两种不同的mRNA,即α-hogg1和β-hogg1[27]。

很长时间以来,人们都认为对损伤DNA的修复功能是α-hogg1能阻止氧化损伤造成的细胞凋亡的主要机制[28]。但最近的研究发现,当应用变性的缺乏8-OHdG DNA修复酶活性的α-hogg1时,像正常的α-hogg1同样可以防止石棉引起的细胞凋亡[29]。石棉可以引起线粒体顺乌头酸酶活性的降低,而过表达hogg1(包括缺乏8-OHdG DNA修复酶活性的变性的hogg1)时,由于hogg1与顺乌头酸酶形成共沉淀,可顺乌头酸酶免于降解,故认为在石棉引起肺上皮细胞凋亡过程中,hogg1的保护作用不是通过DNA修复来完成的,而是通过保护顺乌头酸酶来实现[29]。

5 结语与展望

对石棉引起的疾病,目前尚无有效的治疗方法。石棉引起肺上皮细胞的凋亡与活性氧的产生、线粒体的损伤、p53的高表达、hogg1保护等多种因素有关,进一步阐明石棉引起疾病的相关机制,有助于我们对石棉引起疾病有更深入的认识,做到有针对性的治疗。不仅如此,还能让我们对许多原因未明相关疾病如特发性肺纤维化等的认识有启示作用。

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R329.2+5

A

1003—6350(2011)10—141—03

刘洪波(1983—),男,山东省滨州市人,在读硕士研究生。

2011-03-08)

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