細胞凋亡系列篇【5】Bcl-2家族

細胞凋亡是一個復雜的生物學過程，涉及多個信號通路和調控機製。B淋巴細胞瘤-2（B-cell lymphoma-2）基因家族在細胞內源性凋亡的過程中有着主導性的地位，對於細胞生存和死亡之間的平衡至關重要。本文將從Bcl-2基因家族成員展現、在細胞凋亡中的作用以及其調控細胞凋亡的作用機製等方面進行綜述。

1.Bcl-2基因家族成員展現

Bcl-2最初被發現是一種在濾泡性淋巴瘤中過表達的癌蛋白。後來發現Bcl-2通過抑製外膜的通透性（mitochondria outer membrane permeabilization, MOMP）來抑製細胞凋亡[1]。Bcl-2的這種線粒體密封作用可以通過它對具有 Bcl-2同源性結構域（BH1、BH2、BH3、BH4）蛋白質家族中的其他蛋白質的作用[2]來解釋，這些蛋白質共同形成 BCL2 蛋白家族。到目前為止，BCL2 蛋白家族成員已擴充至 20 余個。

根據其性能和結構特點可將Bcl-2家族蛋白分為抗凋亡蛋白和促凋亡蛋白兩大類，並進一步細分為不同的亞家族。其家族蛋白通常包含一個或多個BH結構域（BH1-BH4），這些結構域負責蛋白質間的相互作用。其中BH1和BH2參與抗凋亡蛋白的二聚化，BH3是促凋亡蛋白與抗凋亡蛋白結合的關鍵區域，BH4是抗凋亡蛋白維持穩定性的關鍵區域。部分Bcl-2家族蛋白還具有跨膜結構域（TM），使其能夠定位到線粒體外膜或其他細胞膜結構上。根據Bcl-2家族蛋白的結構特征，它們可以分為以下三個亞家族：

抗凋亡蛋白亞家族：包括BCL2、MCL-1、BCL2L1、BCL2L2、BCL2A1等，這些蛋白均具有四個Bcl-2同源性結構域（BH1-BH4），其中BH3和BH4是抗凋亡性能的關鍵區域。抗凋亡蛋白通過抑製促凋亡蛋白的活性，維持細胞的存活[3]。

促凋亡蛋白亞家族：包括BAX、BAK1和BOK等，這些蛋白均具有BH1、BH2和BH3三個結構域。這些蛋白通常缺乏完整的跨膜結構域，但可以通過與抗凋亡蛋白形成異二聚體來促進細胞凋亡。

BH3-only蛋白亞家族：包括BAD、BMF、BID和BIK等，這些蛋白僅含有BH3結構域，能夠直接與促凋亡蛋白結合，從而激活凋亡信號。

圖1. Bcl-2家族的三種主要亞型[4]

2.Bcl-2家族蛋白的性能[6]

Bcl-2家族每個亞類的各個蛋白來源和所處通路位置不同，故在調控凋亡詳細機製時發揮的作用也不盡相同。抗凋亡蛋白主要定位於線粒體膜、內質網膜和核膜，通過穩定線粒體膜結構抑製凋亡，而促凋亡蛋白如Bax在靜息狀態下分布於細胞質，在凋亡信號刺激後轉位至線粒體膜，誘導膜通透性改變，觸發凋亡級聯反應。

BH3-only蛋白作為凋亡信號的關鍵傳感器，可被多種應激信號（如DNA損傷、生長因子缺失）激活。它們通過兩種方式促進凋亡[5]：① 競爭性結合抗凋亡蛋白，解除其對Bax/Bak的抑製；② 直接激活Bax/Bak，促使其寡聚化並破壞線粒體膜完整性。不同BH3-only蛋白（如Bim、tBid、Puma）的調控機製存在差異，共同確保細胞在應激狀態下精確啟動凋亡程序。

（1）抗凋亡性能

抗凋亡蛋白（如Bcl-2、BCL2L1）通過以下幾種機製來抑製細胞凋亡：

抑製促凋亡蛋白：抗凋亡蛋白通過與促凋亡蛋白形成異二聚體，阻止其活化。Bcl-2與Bax可以形成異二聚體，抑製Bax的促凋亡活性。

維持線粒體膜通透性：抗凋亡蛋白通過插入線粒體外膜，阻止細胞色素c的釋放，從而抑製凋亡信號的傳遞。

調控Ca²⁺濃度：抗凋亡蛋白通過調節線粒體內Ca²⁺濃度，影響細胞代謝和性能。

（2）促凋亡性能

促凋亡蛋白（如Bax、Bak）通過以下機製促進細胞凋亡：

誘導線粒體外膜通透性：促凋亡蛋白通過插入線粒體外膜，導致細胞色素c的釋放，激活下遊凋亡效應分子。

形成孔道：促凋亡蛋白可以形成跨膜孔道，直接導致細胞內物質的泄漏，從而引發細胞死亡。

（3）BH3-only蛋白性能

BH3-only蛋白（如Bad、Bik）通過與促凋亡蛋白直接結合，激活下遊凋亡信號。Bad通過磷酸化修飾被激活後，可以促進細胞凋亡。

3.Bcl-2家族蛋白的調控機製

Bcl-2家族蛋白的調控機製涉及多個層面，包括轉錄水平調控、翻譯後修飾和蛋白質相互作用等方面。

在轉錄水平，多種轉錄因子如p53、NF-κB和FOXO等可以調控Bcl-2家族成員的表達。例如，p53可以上調促凋亡蛋白Bax和PUMA的表達，同時抑製抗凋亡蛋白Bcl-2的表達。

在翻譯後修飾水平，磷酸化、泛素化和蛋白酶體降解等在調控Bcl-2家族蛋白的活性和穩定性方面起重要作用。例如，Bad的磷酸化可以促進其與14-3-3蛋白結合，從而抑製其促凋亡活性。

Bcl-2家族蛋白之間的相互作用是調控細胞凋亡的核心機製。一旦細胞內出現凋亡信號，胞漿內的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）則與抗凋亡蛋白（BCL2、BCLXL等）以高親和力結合，釋放出Bax和Bak。Bax和Bak形成的寡聚體作用於線粒體外膜，使其通透性發生改變，發生線粒體外膜通透化（mitochondria outer membrane permeabilization, MOMP），導致細胞色素C和Smac/DIABLO等凋亡因子釋放，激活下遊半胱天冬酶級聯反應，放大死亡信號，導致數百種蛋白質裂解，最終引發細胞凋亡[8]。

圖2. 不同細胞類型中BCL2蛋白家族之間的相互作用[8]

4.Bcl-2家族蛋白在疾病中的作用

Bcl-2家族蛋白的異常表達與多種疾病密切相關。

正常情況下BCL2基因多表達於迅速分裂或分化的細胞中，當細胞進入程序性死亡時，該基因表達下降。若BCL2基因在細胞凋亡時高表達，就會減少凋亡過程中細胞色素C和SMAC的釋放，抑製細胞的程序性死亡，使得細胞不受控製地增殖，最終導致癌癥的產生。經研究，BCL2的異常過表達狀況發生在多種不同類型的惡性腫瘤中，包括卵巢癌、肺癌、前列腺癌、乳腺癌、結直腸癌、鼻咽癌、白血病等癌癥，並被證實與腫瘤的形成、進展、治療耐藥性和總生存率低下息息相關。BCL2蛋白在多種癌癥中的高度上調表達使其成為癌癥治療的理想靶標，有效靶向BCL2的藥物研究是腫瘤治療範圍的一大熱點。近20年來已有多個抑製劑開發出來，並進入了臨床研究階段，目前國內外藥物研制公司都在積極布局研制，不少藥物都已經進入了臨床試驗階段。

在神經退行性疾病中，Bcl-2家族蛋白的失衡可能導致神經元過度凋亡，如阿爾茨海默病和帕金森病中觀察到Bcl-2表達下降和Bax表達升高。

在自身免疫疾病中，Bcl-2家族蛋白的異常表達可能影響淋巴細胞的存活和性能[7]。例如，系統性紅斑狼疮患者外周血淋巴細胞中Bcl-2表達升高，可能導致自身反應性淋巴細胞的異常存活。這些發現為開發針對Bcl-2家族蛋白的疾病治療策略供應了重要依據。

綜上所述，Bcl-2家族是細胞凋亡信號轉導途徑中關鍵的凋亡調節因子，它們共同參與一個非常復雜的相互作用機製以調控細胞凋亡。Bcl-2家族在線粒體介導的細胞凋亡中發揮重要作用。該家族在癌癥（如淋巴瘤、白血病）中常因抗凋亡蛋白過表達導致凋亡抑製，並與化療耐藥相關，作為腫瘤治療的理想靶點，對應靶標抑製劑的開發前景不可估量。進一步了解和研究Bcl-2的性能，拓寬Bcl-2蛋白的應用，解鎖其在疾病中扮演的角色及詳細的分子機製，助力高效治療策略及藥物開發，專業的研究工具必不可少。

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參考文獻：

[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.

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[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.

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[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.