Bcl-2基因家族与细胞凋亡及其在脑缺血中的表达
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2004年5月26日
[关键词] Bcl-2基因 细胞凋亡 脑缺血
徐忠信 吉林大学中日联谊医院神经内科，吉林 长春 130031
包晓群 饶明俐 吉林大学第一医院神经内科，吉林 长春 130021
研究表明原癌基因Bcl-2是调节细胞凋亡途径中的一个重要调节基因。随着研
究的不断深入，又发现许多基因结构与Bcl-2相似，具有保守的BH1和BH2区，序列
却与Bcl-2均具有不同程度同源性的基因参与细胞凋亡的调节，它们通过相互作用
，正向或反向调节细胞的凋亡，因此将这些基因统称为Bcl-2基因家族。根据它们
对细胞凋亡作用结果的不同，可将Bcl-2家族成员分为两类，一类能促进细胞凋亡
, 百拇医药
，有Bax、Bcl-xs、Bad、Bak；另一类能抑制细胞凋亡，有Bcl-2、Bcl-xL、Mcl-2
、Bag-l、Al、ced-9和一些病毒基因。研究表明，Bcl-2基因及其家族成员在细胞
凋亡中起重要作用，它们共同构成一个非常复杂的相互作用网络，调控细胞凋亡。
1 Bcl-2家族成员间的相互作用
Bcl-2家族内部成员之间可形成同源二聚体或异源二聚体，这种二聚体反应可
以调节细胞的死亡和存活信号的平衡状态，是决定细胞存亡的关键事件。对二聚体
形成的分子基础目前有了一定的了解。对Bcl-xL的三维结构进行分析，发现它含有
, 百拇医药
一个由2个α-螺旋组成的核心结构，每个螺旋周围又被5个中性两极的螺旋包围着
，3个Bcl-2同源区BH1、BH2和BH3在空间结构上互相靠近，形成一个疏水性的“夹
子”(cleft)，也许正是这个夹子成为其它Bcl-2家族成员结合的位点。BH2和BH
3所形成的疏水“夹子”上，与Bcl-xL通过疏水性相互作用和静电作用形成一个α
-螺旋，当Bak和Bcl-xL的疏水性残基，利用酵母双杂交系统，Bcl-2家族成员间异
源二聚体的形成具有特异性，Bax和Bcl-2、Bcl-xL、Mcl-1、Al发生强烈的结合，表明Bax在调节细胞死亡中是这些分子的共同伴侣分子，而Bcl-xs只能与Bcl-xL和
, 百拇医药
Bcl-2形成异源二聚体，Bak与Bcl-xL形成二聚体的能力比Bcl-2强，这种选择性目
前认为与BH3区有关。这些结果表明 Bcl-2家族成员形成异源二聚体具有选择性，而且不同的伴侣分子间结合的强度也不同。因此，在一个特定的哺乳动物细胞，每
个成员是否存在及其浓度决定了占优势的二聚体的类别，最终决定了细胞的命运。
2 Bcl-2家族对细胞凋亡的调控机制
2.1 Bax对细胞凋亡的调控：Bax蛋白与Bcl-2具有53%的同源性，细胞中的Bax蛋白
的高表达可加速细胞凋亡，Bcl-2与Bax的比例不同可调节细胞凋亡。在体内外，B
cl-2与Bax可形成二聚体，当细胞中Bax蛋白高表达时形成同源二聚体，这样可加速
, 百拇医药
细胞凋亡。Bax基因调控细胞凋亡的分子机制目前尚不清楚，普遍认为，Bax基因的
表达并不立即导致细胞凋亡，而是仅在细胞接受死亡信号之后Bax才开始发挥作用
，通过抑制Bcl-2的作用而导致细胞凋亡〔1〕。
2.2 Bak对细胞凋亡的调控：Bak作为新发现的基因，在细胞中对Bcl-2有抑制作用
，类似Bax/Bcl-2。但Bak不能与Bcl-2形成异源二聚体，同样Bak蛋白也不能与Bcl
-xs形成同源二聚体。Bak蛋白对Bcl-2的抑制可能是通过其它蛋白质信号传递途径
为中介而起作用。在酵母细胞中，Bak蛋白与E1B19K和Bcl-xL蛋白形成异源二聚体。大量实验证明，引起异源二聚体的作用可能具有细胞特异性。由于Bcl-xL分布不
, 百拇医药
及Bak广泛，在细胞中可能存在与Bak相互作用且至今尚未发现的Bcl-2家族新成员
，由于Bak可与E1B19K蛋白相互作用，而后者参与核骨架中核纤层作用，因此认为
Bak可能通过E1B19K蛋白或其它蛋白与核物质作用调控细胞凋亡。
2.3 Bcl-x对细胞凋亡的调控：Bcl-x分为2类：Bcl-xL与Bcl-xs。前者与Bcl-2有7
4%的同源性可调控细胞死亡，Bcl-xs较Bcl-xL少一段由63个氨基酸组成的Bcl-2和
Bcl-xL有高度同源性的序列。研究发现Bcl-xs的作用与Bcl-2和Bcl-xL相反，并通
过抑制后二者的作用而引起细胞凋亡。近来认为Bcl-xs可能是作为Bcl-2的结构抑
, 百拇医药
制因子通过对其下游的调节而抑制Bcl-2的功能。
2.4 Bcl-2对细胞凋亡的调控：
2.4.1 Bcl-2蛋白的细胞定位：Bcl-2是一种与细胞器特别是线粒体膜相关联的稳定
蛋白，它主要位于线粒体外膜、被膜和内质网膜。电镜实验发现Bcl-xL的细胞分布
与Bcl-2相似，提示两种蛋白以类似的方式在阻断细胞凋亡中起作用。Bcl-2定位于
细胞器外膜，其生物学功能意义仍不清楚。去除Bcl-2的疏水C′-末端部分可破坏
其许多保护功能〔2〕。
2.4.2 Bcl-2相互作用蛋白：近来发现Bcl-2还可以与Bax结合，Bax表达水平增加可
, 百拇医药
拮抗Bcl-2作用，促进凋亡。Bcl-2的BH1结构域的Glg145或BH2结构域的Trp88的置
换可导致该蛋白功能丧失〔3〕，这些突变体不能结合Bax，但仍然形成Bcl-2同源
二聚体，这一结果尚没有明确的解释。
2.4.3 Bcl-2与氧自由基代谢：有人提出Bcl-2通过起一种氧化剂的作用或通过抑制
氧自由基的产生而抑制细胞死亡〔4〕，在接受不同的凋亡信号后发生凋亡的造血
细胞中，Bcl-2的过度表达与细胞组分氧化损伤的降低相关联，但与活性氧中间体
生成减少无关〔4〕。然而，在因缺乏谷胱甘肽而发生坏死的神经元细胞中，Bcl-
, 百拇医药
2的表达与氧自由基生成减少和对细胞组分的氧化损伤的降低均相关。因此，Bcl-
2似乎起一种抗氧化剂的作用，但仍不清楚Bcl-2是否保护由活性氧物质特异地诱导
的细胞死亡。
2.4.4 Bcl-2和细胞内钙离子：Bcl-2可通过改变胞内细胞器的Ca2+内流而抑制凋
亡。在某些实验体系中，从位于内质网的可兴奋小池释放Ca2+与凋亡有关。Bcl
-2定位于内质网膜中。其过度产生可能干扰正在发生凋亡的细胞中的穿越膜的Ca2
+外流〔5〕。
2.4.5 Bcl-2与细胞转运：Bcl-2在核转运中可能起某种作用，这种想法来自免疫组
, 百拇医药
化研究，免疫组化提示Bcl-2可能定位于核孔。新近证明Bcl-2可改变p53和CDC2细
胞周期调节蛋白的核-胞浆转运〔6〕。Bcl-2与p53基因的共表达延缓p53诱导的凋
亡，但不影响p53诱导的生长停止，且不影响p53的共表达延缓p53至核的转运。Bc
l-2和myc协同地封闭p53进入核中，从而阻断p53诱导的凋亡和生长停止。
3 Bcl-2基因家族在脑缺血中的表达
利用Bcl-2蛋白单克隆抗体对缺血-再灌注后海马区进行免疫组织化学染色，缺
血1分钟无Bcl-2表达，即未能诱导耐受性，缺血2分钟后CA1区出现阳性表达，缺血
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5分钟未见阳性表达，即2分钟可诱导耐受性，5分钟缺血未能阻止细胞死亡，当将
Bcl-2基因导入神经细胞时，可大大减小梗死面积〔7〕。大鼠全脑缺血15分钟再灌
注期，Bcl-2、Bcl-xL mRNA在CA1、CA3、齿状回均有表达，但其相应蛋白仅出现在
CA3与齿状回〔8〕。Honkaniomi等〔9〕利用聚合酶链反应(PCR)技术发现，全脑缺
血5或10分钟再灌注24～72小时，海马组织Bcl-xL mRNA与 Bcl-xsmRNA表达比值下
降，提示由抑制凋亡基因向促凋亡基因转换为缺血后细胞凋亡的重要机制。Simon
等〔10〕发现大脑中动脉缺血再灌注24小时后分别于背外侧皮质的宽大区域和大脑
, 百拇医药
前动脉供血区边缘带有Bcl-2蛋白表达阳性反应，梗死周边区的胶质细胞也表达Bc
l-2。在缺血耐受模型，于远离缺血区的背侧皮质可见Bcl-2表达，而在正常鼠脑组
织不表达Bcl-2。Chen等〔11〕在大鼠局灶性脑缺血60和120分钟，再灌注24小时，发现皮层有Bcl-2表达，在缺血120分钟梗死区边缘也存在Bcl-2表达，指出在缺血
性损害中， Bcl-2表达在决定神经元生存中起重要作用，即在存活的神经细胞中B
cl-2蛋白表达增高。在另外一些实验中，过度表达Bcl-2基因的转基因小鼠中，Bc
l-2蛋白能降低大脑中动脉阻塞的缺血性脑损伤〔12〕。Lawrence等〔13〕的实验
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表明，过度表达人类Bcl-2转基因大鼠中，Bcl-2蛋白能保护脑缺血所致的神经细胞
损害，过度表达Bcl-2培养的海马神经细胞，Bcl-2蛋白能降低谷氨酸所致的损害。
Hara等〔14〕利用前脑缺血模型，对缺血5分钟在48、72、96小时及7日后脑片用B
ax和 Bcl-2特异单抗进行免疫组织化学染色，发现Bax在CA1神经元内表达的浓度随
时间增加，72小时达高峰，并在96小时突然消失，在所有检测时间内CA1神经元内
无Bcl-2表达。Gillardon等〔15〕在永久性大脑中动脉模型实验中，应用免疫组织
化学方法发现在缺血皮质见到Bcl-2、Bcl-x免疫反应降低而Bax免疫反应增高，RT
, 百拇医药
-PCR方法检测同侧大脑半球Bcl-2 mRNA水平显著降低，而Bax mRNA水平则增高，表
明细胞凋亡抑制因子Bcl-2和细胞凋亡促进因子Bax的比率的转变，可能促进了神经
元的凋亡。Dixon等〔16〕发现严重的全面性鼠脑缺血后低水平的Bcl-x表达将得到
提高。Ferrer等〔17〕用免疫组织化学方法及Western印迹分析研究了新生鼠对照
组及低氧性缺血性小鼠的Bcl-2、Bax及Bcl-x的表达，在几乎大多数对照组神经元
有Bcl-2族的表达，在坏死细胞中，Bcl-2、Bax及Bcl-x免疫反应性降低。Ferrer〔
18〕和Antonawich等〔19〕在大鼠及沙土鼠前脑缺血模型中用免疫组织化学方法及
, 百拇医药
Western印迹法分析也对缺血后Bcl-2、Bax及Bcl-x之间的相互作用进行了研究。在
局灶性缺血模型中，对Bcl-2家族在缺血中表达研究较少，有待进一步研究。
4 展 望
Bcl-2家族在细胞凋亡中起重要作用，它们共同构成一个非常复杂的相互作用
网络，调控细胞凋亡。随着Bcl-2、Bax、Bcl-x等Bcl-2家族的生物学功能的深入研
究，利用细胞凋亡机制对缺血性脑损伤进行干预是当今脑血管病研究的重要趋势。
由于细胞凋亡是一个主动过程，人们有可能在Bcl-2基因家族的网络系统中发现某
一终止细胞凋亡的关键点，这为缺血性脑血管病的防治提供了新的途径。
, 百拇医药
参考文献
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after transient global ischemia.J Cereb Blood Flow Metab,1998,18:882-8
86.
作者简介：徐忠信(1965-)，男(汉族)，吉林省人，医学博士，副教授，副主任医师，硕士研究生导师。主要从事脑血管病基础与临床研究。, 百拇医药(徐忠信 包晓群 饶明俐)
徐忠信 吉林大学中日联谊医院神经内科，吉林 长春 130031
包晓群 饶明俐 吉林大学第一医院神经内科，吉林 长春 130021
研究表明原癌基因Bcl-2是调节细胞凋亡途径中的一个重要调节基因。随着研
究的不断深入，又发现许多基因结构与Bcl-2相似，具有保守的BH1和BH2区，序列
却与Bcl-2均具有不同程度同源性的基因参与细胞凋亡的调节，它们通过相互作用
，正向或反向调节细胞的凋亡，因此将这些基因统称为Bcl-2基因家族。根据它们
对细胞凋亡作用结果的不同，可将Bcl-2家族成员分为两类，一类能促进细胞凋亡
, 百拇医药
，有Bax、Bcl-xs、Bad、Bak；另一类能抑制细胞凋亡，有Bcl-2、Bcl-xL、Mcl-2
、Bag-l、Al、ced-9和一些病毒基因。研究表明，Bcl-2基因及其家族成员在细胞
凋亡中起重要作用，它们共同构成一个非常复杂的相互作用网络，调控细胞凋亡。
1 Bcl-2家族成员间的相互作用
Bcl-2家族内部成员之间可形成同源二聚体或异源二聚体，这种二聚体反应可
以调节细胞的死亡和存活信号的平衡状态，是决定细胞存亡的关键事件。对二聚体
形成的分子基础目前有了一定的了解。对Bcl-xL的三维结构进行分析，发现它含有
, 百拇医药
一个由2个α-螺旋组成的核心结构，每个螺旋周围又被5个中性两极的螺旋包围着
，3个Bcl-2同源区BH1、BH2和BH3在空间结构上互相靠近，形成一个疏水性的“夹
子”(cleft)，也许正是这个夹子成为其它Bcl-2家族成员结合的位点。BH2和BH
3所形成的疏水“夹子”上，与Bcl-xL通过疏水性相互作用和静电作用形成一个α
-螺旋，当Bak和Bcl-xL的疏水性残基，利用酵母双杂交系统，Bcl-2家族成员间异
源二聚体的形成具有特异性，Bax和Bcl-2、Bcl-xL、Mcl-1、Al发生强烈的结合，表明Bax在调节细胞死亡中是这些分子的共同伴侣分子，而Bcl-xs只能与Bcl-xL和
, 百拇医药
Bcl-2形成异源二聚体，Bak与Bcl-xL形成二聚体的能力比Bcl-2强，这种选择性目
前认为与BH3区有关。这些结果表明 Bcl-2家族成员形成异源二聚体具有选择性，而且不同的伴侣分子间结合的强度也不同。因此，在一个特定的哺乳动物细胞，每
个成员是否存在及其浓度决定了占优势的二聚体的类别，最终决定了细胞的命运。
2 Bcl-2家族对细胞凋亡的调控机制
2.1 Bax对细胞凋亡的调控：Bax蛋白与Bcl-2具有53%的同源性，细胞中的Bax蛋白
的高表达可加速细胞凋亡，Bcl-2与Bax的比例不同可调节细胞凋亡。在体内外，B
cl-2与Bax可形成二聚体，当细胞中Bax蛋白高表达时形成同源二聚体，这样可加速
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细胞凋亡。Bax基因调控细胞凋亡的分子机制目前尚不清楚，普遍认为，Bax基因的
表达并不立即导致细胞凋亡，而是仅在细胞接受死亡信号之后Bax才开始发挥作用
，通过抑制Bcl-2的作用而导致细胞凋亡〔1〕。
2.2 Bak对细胞凋亡的调控：Bak作为新发现的基因，在细胞中对Bcl-2有抑制作用
，类似Bax/Bcl-2。但Bak不能与Bcl-2形成异源二聚体，同样Bak蛋白也不能与Bcl
-xs形成同源二聚体。Bak蛋白对Bcl-2的抑制可能是通过其它蛋白质信号传递途径
为中介而起作用。在酵母细胞中，Bak蛋白与E1B19K和Bcl-xL蛋白形成异源二聚体。大量实验证明，引起异源二聚体的作用可能具有细胞特异性。由于Bcl-xL分布不
, 百拇医药
及Bak广泛，在细胞中可能存在与Bak相互作用且至今尚未发现的Bcl-2家族新成员
，由于Bak可与E1B19K蛋白相互作用，而后者参与核骨架中核纤层作用，因此认为
Bak可能通过E1B19K蛋白或其它蛋白与核物质作用调控细胞凋亡。
2.3 Bcl-x对细胞凋亡的调控：Bcl-x分为2类：Bcl-xL与Bcl-xs。前者与Bcl-2有7
4%的同源性可调控细胞死亡，Bcl-xs较Bcl-xL少一段由63个氨基酸组成的Bcl-2和
Bcl-xL有高度同源性的序列。研究发现Bcl-xs的作用与Bcl-2和Bcl-xL相反，并通
过抑制后二者的作用而引起细胞凋亡。近来认为Bcl-xs可能是作为Bcl-2的结构抑
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制因子通过对其下游的调节而抑制Bcl-2的功能。
2.4 Bcl-2对细胞凋亡的调控：
2.4.1 Bcl-2蛋白的细胞定位：Bcl-2是一种与细胞器特别是线粒体膜相关联的稳定
蛋白，它主要位于线粒体外膜、被膜和内质网膜。电镜实验发现Bcl-xL的细胞分布
与Bcl-2相似，提示两种蛋白以类似的方式在阻断细胞凋亡中起作用。Bcl-2定位于
细胞器外膜，其生物学功能意义仍不清楚。去除Bcl-2的疏水C′-末端部分可破坏
其许多保护功能〔2〕。
2.4.2 Bcl-2相互作用蛋白：近来发现Bcl-2还可以与Bax结合，Bax表达水平增加可
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拮抗Bcl-2作用，促进凋亡。Bcl-2的BH1结构域的Glg145或BH2结构域的Trp88的置
换可导致该蛋白功能丧失〔3〕，这些突变体不能结合Bax，但仍然形成Bcl-2同源
二聚体，这一结果尚没有明确的解释。
2.4.3 Bcl-2与氧自由基代谢：有人提出Bcl-2通过起一种氧化剂的作用或通过抑制
氧自由基的产生而抑制细胞死亡〔4〕，在接受不同的凋亡信号后发生凋亡的造血
细胞中，Bcl-2的过度表达与细胞组分氧化损伤的降低相关联，但与活性氧中间体
生成减少无关〔4〕。然而，在因缺乏谷胱甘肽而发生坏死的神经元细胞中，Bcl-
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2的表达与氧自由基生成减少和对细胞组分的氧化损伤的降低均相关。因此，Bcl-
2似乎起一种抗氧化剂的作用，但仍不清楚Bcl-2是否保护由活性氧物质特异地诱导
的细胞死亡。
2.4.4 Bcl-2和细胞内钙离子：Bcl-2可通过改变胞内细胞器的Ca2+内流而抑制凋
亡。在某些实验体系中，从位于内质网的可兴奋小池释放Ca2+与凋亡有关。Bcl
-2定位于内质网膜中。其过度产生可能干扰正在发生凋亡的细胞中的穿越膜的Ca2
+外流〔5〕。
2.4.5 Bcl-2与细胞转运：Bcl-2在核转运中可能起某种作用，这种想法来自免疫组
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化研究，免疫组化提示Bcl-2可能定位于核孔。新近证明Bcl-2可改变p53和CDC2细
胞周期调节蛋白的核-胞浆转运〔6〕。Bcl-2与p53基因的共表达延缓p53诱导的凋
亡，但不影响p53诱导的生长停止，且不影响p53的共表达延缓p53至核的转运。Bc
l-2和myc协同地封闭p53进入核中，从而阻断p53诱导的凋亡和生长停止。
3 Bcl-2基因家族在脑缺血中的表达
利用Bcl-2蛋白单克隆抗体对缺血-再灌注后海马区进行免疫组织化学染色，缺
血1分钟无Bcl-2表达，即未能诱导耐受性，缺血2分钟后CA1区出现阳性表达，缺血
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5分钟未见阳性表达，即2分钟可诱导耐受性，5分钟缺血未能阻止细胞死亡，当将
Bcl-2基因导入神经细胞时，可大大减小梗死面积〔7〕。大鼠全脑缺血15分钟再灌
注期，Bcl-2、Bcl-xL mRNA在CA1、CA3、齿状回均有表达，但其相应蛋白仅出现在
CA3与齿状回〔8〕。Honkaniomi等〔9〕利用聚合酶链反应(PCR)技术发现，全脑缺
血5或10分钟再灌注24～72小时，海马组织Bcl-xL mRNA与 Bcl-xsmRNA表达比值下
降，提示由抑制凋亡基因向促凋亡基因转换为缺血后细胞凋亡的重要机制。Simon
等〔10〕发现大脑中动脉缺血再灌注24小时后分别于背外侧皮质的宽大区域和大脑
, 百拇医药
前动脉供血区边缘带有Bcl-2蛋白表达阳性反应，梗死周边区的胶质细胞也表达Bc
l-2。在缺血耐受模型，于远离缺血区的背侧皮质可见Bcl-2表达，而在正常鼠脑组
织不表达Bcl-2。Chen等〔11〕在大鼠局灶性脑缺血60和120分钟，再灌注24小时，发现皮层有Bcl-2表达，在缺血120分钟梗死区边缘也存在Bcl-2表达，指出在缺血
性损害中， Bcl-2表达在决定神经元生存中起重要作用，即在存活的神经细胞中B
cl-2蛋白表达增高。在另外一些实验中，过度表达Bcl-2基因的转基因小鼠中，Bc
l-2蛋白能降低大脑中动脉阻塞的缺血性脑损伤〔12〕。Lawrence等〔13〕的实验
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表明，过度表达人类Bcl-2转基因大鼠中，Bcl-2蛋白能保护脑缺血所致的神经细胞
损害，过度表达Bcl-2培养的海马神经细胞，Bcl-2蛋白能降低谷氨酸所致的损害。
Hara等〔14〕利用前脑缺血模型，对缺血5分钟在48、72、96小时及7日后脑片用B
ax和 Bcl-2特异单抗进行免疫组织化学染色，发现Bax在CA1神经元内表达的浓度随
时间增加，72小时达高峰，并在96小时突然消失，在所有检测时间内CA1神经元内
无Bcl-2表达。Gillardon等〔15〕在永久性大脑中动脉模型实验中，应用免疫组织
化学方法发现在缺血皮质见到Bcl-2、Bcl-x免疫反应降低而Bax免疫反应增高，RT
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-PCR方法检测同侧大脑半球Bcl-2 mRNA水平显著降低，而Bax mRNA水平则增高，表
明细胞凋亡抑制因子Bcl-2和细胞凋亡促进因子Bax的比率的转变，可能促进了神经
元的凋亡。Dixon等〔16〕发现严重的全面性鼠脑缺血后低水平的Bcl-x表达将得到
提高。Ferrer等〔17〕用免疫组织化学方法及Western印迹分析研究了新生鼠对照
组及低氧性缺血性小鼠的Bcl-2、Bax及Bcl-x的表达，在几乎大多数对照组神经元
有Bcl-2族的表达，在坏死细胞中，Bcl-2、Bax及Bcl-x免疫反应性降低。Ferrer〔
18〕和Antonawich等〔19〕在大鼠及沙土鼠前脑缺血模型中用免疫组织化学方法及
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Western印迹法分析也对缺血后Bcl-2、Bax及Bcl-x之间的相互作用进行了研究。在
局灶性缺血模型中，对Bcl-2家族在缺血中表达研究较少，有待进一步研究。
4 展 望
Bcl-2家族在细胞凋亡中起重要作用，它们共同构成一个非常复杂的相互作用
网络，调控细胞凋亡。随着Bcl-2、Bax、Bcl-x等Bcl-2家族的生物学功能的深入研
究，利用细胞凋亡机制对缺血性脑损伤进行干预是当今脑血管病研究的重要趋势。
由于细胞凋亡是一个主动过程，人们有可能在Bcl-2基因家族的网络系统中发现某
一终止细胞凋亡的关键点，这为缺血性脑血管病的防治提供了新的途径。
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作者简介：徐忠信(1965-)，男(汉族)，吉林省人，医学博士，副教授，副主任医师，硕士研究生导师。主要从事脑血管病基础与临床研究。, 百拇医药(徐忠信 包晓群 饶明俐)