文章编号 ：1004-0374(2010)03-0224-05细胞凋亡的结构生物学研究进展施一公（清华大学生命科学学院，北京 100084）摘 要：在多细胞生物体内，细胞会发生编程性死亡(即细胞凋亡)，使得细胞数量得到精确调控。
细胞凋亡调控的异常与癌症、自身免疫病、神经退行性疾病等疾病密切相关。
在过去的二十年里，人们详细地研究了参与细胞凋亡调控的分子机制。
该文综述了近年来利用结构生物学手段，对参与细胞凋亡调控的分子，主要是Ca spa se和与Ca spa se活性调控直接相关的蛋白功能的研究进展。
关键词：细胞凋亡；机制；结构生物学；Cas pas e中图分类号：Q255; Q617 文献标识码：AMechanisms of programmed cell death through structural biologySHI Yi-gong(College of Life Sciences, Tsinghua University, Beijing 100084, China)Ab stra c t: C e lls und e rg o p ro g ra m m e d c e ll d e a th (a p o p o sis) in a ll m ultic e llula r o rg a nism s. Alte rna tio ns in a p o p to tic p a thw a ys ha ve b e e n im p lic a te d in m a ny typ e s of d ise a se s in hum a n, inc lud ing c a nc e rs, a utoim m une d ise a se s,a nd ne urod e g e ne ra tive d isord e rs. I n the p a st tw o d e c a d e s, the m ole c ula r m e c ha nism s of a p op tosis ha veb e e ne xte nsive ly stud ie d. I n this p a p e r, a utho r re vie w s the p ro g re ss in the stud ie s of m ole c ula r func tions of p rote insinvolve d in a p op tosis re g ula tions, m a inly C a sp a se s a nd C a sp a se-re g ula ting p rote ins, using struc tura l b iolog ya pproa c he s.K e y word s: apoptosis; mechanism; structural biology; Caspase1 细胞凋亡调控机制研究背景在动物体内，细胞数量需要被精确控制。
如果细胞增殖过度，则造成癌症；如果细胞凋亡过度，则可引起神经退行性疾病诸如阿尔茨海默氏症。
细胞凋亡的有关知识，了解得最清楚的就是在秀丽隐杆线虫(C a e norha b d itis e le g a ns，C. e le g a ns)中。
人们可以精确描述线虫中1 090个细胞的发育命运和其中的凋亡事件，其中有131个细胞在特定的位置和时间发生编程性死亡，留下成体线虫共959个细胞。
在20世纪80~90年代，麻省理工的Ho rvitz研究组进行的遗传学研究表明，有4个基因共同严格控制了线虫中的细胞编程性死亡，它们是e g l-1、c e d-9、c e d-4和c e d-3[1]。
c e d-3编码一个半胱氨酸蛋白酶C E D-3，特异性针对天冬氨酸残基，称为C a spa se。
与所有的C a spa se一样，CE D-3的这种活性必须受到调控，它被CE D-4激活，发生自身切割。
C E D-4的功能又被C E D-9所抑制，而C E D-9又被E GL-1抑制，这样就形成了一个精确的调控系统。
在哺乳动物细胞中，凋亡的机制更为复杂。
有两种被详细研究了的细胞凋亡途径：一条是外源性的途径，由胞外“死亡配体”(de a th l i g a nd)触发“死亡受体”(de a th re c e ptor)，进而通过级联反应激活C a sp a se-8——外源性途径的起始C a sp a se；另一方面，许多细胞凋亡由细胞内部事件，如DNA 损伤等压力而触发(内源性途径)，激活C a sp a se-9。
在它们被激活后，Ca spa se-8、-9将激活下游效应C a sp a se，如C a sp a se-3、-7等。
下游的这些C a sp a se 被激活，进而最终杀死细胞。
本文主要集中讨论另外一条途径——内源性途225第3期施一公：细胞凋亡的结构生物学研究进展径的机制，这其中的大部分机制研究都是由德州西南医学中心王晓东完成的。
内源性途径指由于DNA 损伤等事件触发，细胞内部的凋亡信号传递到线粒体，这时，通过存在于线粒体外膜上的B CL 家族蛋白，将细胞色素C释放出来。
一旦被释放到胞质中，细胞色素C就与一个大的蛋白Apa f-1相互作用，使后者发生构象变化，成为激活的形式，再与辅因子AT P(或dAT P)结合，形成凋亡复合体(Ap op tosom e )。
这是一个七聚体，Ac e ha n 等[2]通过电镜的方法报道了它的整体结构。
凋亡复合体的主要功能是招募C a sp a se -9的前体Pro -C a sp a se -9，激活其切割自身的一段序列。
值得注意的是，被切下的蛋白片段仍然与Ca spa se -9的其他部分相互结合，这些组分一同构成了凋亡全酶(H oloe nzyme )。
相比之下，单独的C a spa se -9的催化活性还不到全酶的1%。
全酶的结构也用冷冻电镜的方法进行了解析[2]。
凋亡全酶随后招募并切割C a sp a se -3和C a sp a se -7，而这两者随后切割细胞中已知超过100种的底物，并导致细胞凋亡。
在哺乳动物细胞中都存在着调控这一过程的一些因子，称为凋亡抑制蛋白(inhib itors of a p op tosis pr otei ns, I APs)。
I APs 能够结合起始Ca spa se (C a sp a se -9)和效应型C a spa se (C a sp a se -3、-7)，并由此阻止其酶活性的发挥。
人类基因组中存在至少8个I APs，包括X I AP、c I AP-1、c I AP-2、Survivin 等。
在癌症中这些基因的功能都受到影响，因此，这些蛋白可能作为抗癌药物的靶点。
I APs 都含有Ba c ulo virus I AP Re p e a t(BI R)结构域，每个I AP 通常含有1~3个BI R 结构域，这些BI R 结构域的功能不尽相同。
例如，XI AP 中的BI R3结构域(BI R3)抑制C a sp a se -9，而其BI R2结构域则抑制C a sp a se -3。
当然，实际上，I AP 的功能更为复杂，不仅限于此处描述的功能。
当细胞接到凋亡的信号指令时，凋亡全酶一开始并不会对细胞造成影响，而必须将I APs的抑制作用解除，这是通过另一种蛋白——Sm a c (又名Dia b lo )完成的。
Sma c平时也存在于线粒体中，在细胞凋亡信号的触发下，线粒体释放出Sma c ，以促进完成凋亡过程。
这样，凋亡过程的调控存在两条途径：线粒体释放出的细胞色素C ，参与激活C a sp a se 通路，促进凋亡全酶的组装；而同时线粒体也释放出Sma c ，解除I APs 对C a sp a se的抑制，使细胞走向死亡。
对比一些模式生物(线虫、果蝇和哺乳动物)中的凋亡途径(图1)，发现其整体的调控模式较为保守。
图中将功能相似的分子以同样的颜色显示。
如：哺乳动物Ap a f-1与线虫C E D-4是功能上的同源物，而C a sp a se -9则与C E D-3功能上地位相似。
以图1 线虫、果蝇和哺乳动物中的凋亡调控途径226生命科学第22卷上提到的这些调控分子作用模式，包括其分子结构，在过去的十年左右时间内，都被较为详细的研究了。
2 哺乳动物细胞凋亡的结构生物学研究结构生物学能在原子水平的分辨率上研究蛋白质的结构和相互作用的方式，对于定量的、精确的研究生命过程中蛋白质发挥功能的方式有独特的优势。
在细胞凋亡机制的研究中，结构生物学也被广泛的应用，并取得了许多重要的进展。
第一个例子是Sm a c蛋白是如何找到I APs并抑制其功能的。
Sma c蛋白由295个氨基酸组成，其中N末端55个氨基酸编码一段线粒体定位序列(mitoc hondria-ta rg e ting se que nc e，MT S)，帮助Sm a c定位到线粒体上。
成熟的Sm a c蛋白则不包含这一段序列。
2000年，施一公实验室解析了Sma c 与XI AP的BI R3结构域的复合物晶体结构[3]。
结构显示，成熟Sm a c的N末端四个氨基酸(NH2-Ala-Va l-Pro-I le)，结合在XI AP的BI R3结构域上非常保守的一个表面凹槽。
考虑到Sma c对于X I AP功能的抑制，则这种结合方式一定发挥了抑制作用。
经过比较发现，Ca spa se-9也拥有一个类似的四个氨基酸组成的序列(NH2-Ala-T hr-Pro-Phe)，结合于BI R3结构域上的这个凹槽，结合方式也类似。
X I AP通过BI R3结构域结合C a sp a se-9以抑制其活性，而Sm a c 则竞争性占据了这个位点，使C a spa se-9进一步活化C a sp a se-3、-7等。
这种模式的发现为以XI AP为靶点的药物设计提供了很重要的提示，在过去十年中，有许多文献都报道了基于四肽类似物小分子的药物设计策略，作为促凋亡的一种抗癌药物，其中一些已进入1、2期临床试验。
第二个例子是I APs是如何结合并抑制C a sp a se-9的活性的。
目前，C a spa se家族蛋白的结构大部分已经被解析。
C a spa se家族蛋白的整体结构都比较相似，且均为同源二聚体的形式，每个单体由两个亚基p20和p10组成(图2)。
仔细比较不同的C a sp a se (Ca spa se-1、-3、-7、-8、-9等)，其活性口袋周围的拓扑结构(由L1、L2、L3和L4四个卷曲组成)都非常的相似，而且该结构的维持需要另外一个分子的残基(即另一个分子的L2'区域 )参与。