Bcl-2家族：关于细胞凋亡的原癌基因

导读

自1985年科研人员首次发现了B细胞淋巴瘤/白血病-2(B-cell lymphoma-2,Bcl-2)基因以来，又陆续发现了其他与Bcl-2高度同源的分子，这些分子都归为Bcl-2家族，其作为抗肿瘤药物靶点，现已被美国药物管理局批准用于癌症治疗。^[1]

作为细胞凋亡研究中最受重视的癌基因之一，本文就Bcl-2整理了相关研究资料供各位参考。

Bcl-2的发现与研究

1985年

Tsuji-moto等研究克隆滤泡性非何杰金B细胞淋巴瘤最常见转位t(14;18)过程中发现Bcl-2基因。

1988年

Reed等人发现Bcl-2具有致癌潜在能力，第一次确认Bcl-2是一个原癌基因。

1988年

Vaux等人发现Bcl-2具有抗凋亡活性，这是一个里程碑式的发现，奠定了未来20年关于Bcl-2的研究方向。

凋亡是细胞受到某种信号刺激后进行的一种程序化死亡，对于调节多细胞生物的个体发育，体内平衡具有重要作用 。过度的调亡与神经退行性疾病等有关，而调亡受到抑制则与肿瘤等疾病的产生有关。^[2]

01 /  Bcl-2结构与分布

图源：basic apoptosis discoveries to advanced selective BCL-2 family

Bcl-2基因位于18q21，编码26kd的Bcl-2α和22kd的Bcl-2β两种蛋白质，定位于线粒体、内质网和连续的核周膜,在胚胎组织中广泛表达。其C端的21个疏水氨基酸组成一个延伸的链状结构。Bcl-2α具有抗凋亡作用，但Bcl-2β的特性尚未完全确定。^[3-4]

02 /  Bcl-2家族结构与分类

bcl-2家族示意图/图源：cella

Bcl-2家族成员都含有1-4个Bcl-2同源结构域(BH1-4)，并且通常有一个羧端跨膜结构域。

其中BH4是抗调亡蛋白所特有的结构域，BH3是与促进调亡有关的结构域。这个链可以插到细胞的膜结构中，这一结构特点与Bcl-2调节细胞凋亡的方式和能力非常有关。已经证实Bcl-2存在于线粒体外膜、核膜和内质网膜上。

根据细胞凋亡过程中细胞发挥的生物学效应不同，Bcl-2家族可分为分为3大类：

• 抗凋亡蛋白，包括Bc-2、Bcl-x、Bcl-w、Mcl-1、A1，含有４个保守功能结构域(BH1、BH2、BH3和 BH4)，通过抑制促凋亡蛋白来保证细胞存活。

• 促凋亡蛋白，包含Bax、Bak和Bok，也含有4个保守功能结构域，发挥促凋亡功能时，会定位到线粒体膜上，形成线粒体膜通道释放细胞色素C，从而激活下游caspases引起细胞凋亡。

• 促凋亡蛋白中的特殊成员（BH3-only），包括 Bim、Bid、Bad、Bik、Puma、Beciln-1和Noxa等，只含有BH3结构域，可直接结合并活化促凋亡蛋白，也可以通过抑制抗凋亡蛋白来间接提高促凋亡蛋白表达水平，引起细胞凋亡。^[5]因为BH3结构域的存在，此类蛋白可以与前两类Bcl-2家族的蛋白相互作用，从而起到促凋亡的作用。

图：bcl2蛋白调节细胞通路

抑制细胞内Ca2 的释放

细胞内Ca2 浓度的升高是细胞凋亡的始动因素，Bcl-2定位于内质网膜中，高表达的Bcl-2蛋白可以通过质膜「Ca2 - ATPase」调控钙离子的跨膜外排，减轻高浓度钙离子对细胞的影响，防止氧化剂诱导细胞凋亡。

Bcl-2对细胞凋亡的抑制作用与内质网管内Ca2 有关，通过直接或间接地方式影响内质网内Ca2 的释放而抑制细胞凋亡。^[6]

抑制细胞凋亡相关的信号传导通路

细胞凋亡是一个受严格调控的能量依赖性的自杀程序，这就是为何细胞内发生一系列信号级联式放大导致细胞死亡而不启动炎症反应，凋亡是通过两个进化保守的信号传导途径而实现的，即内在途径和外在途径，内在途径是通过线粒体实现的，而外在途径则是通过死亡受体与相应配体结合，传递细胞凋亡信号。

过表达的Bcl-2基因可以通过抑制细胞凋亡信号传导通路而发挥抗细胞凋亡的作用。免疫共沉淀和共聚焦的实验结果证实，Bcl-2半胱氨酸能与胞外信号ERK调节激酶(ERK1/2)形成Bcl-2-ERK复合物而抑制细胞凋亡。^[7]

参与和氧自由基代谢

氧应激是细胞凋亡发生的重要原因，氧应激时生成的氧自由基可介导DNA损伤，激活poly-(ADP-核糖)转移酶和造成p53增加，诱导细胞凋亡。

Bcl-2是细胞凋亡的强反应蛋白，在细胞凋亡中起到调节器的作用。Bcl-2能通过抗过氧化反应使细胞处于氧化还原状态，提高细胞的谷胱甘肽水平，保护细胞脂质膜达到抑制细胞凋亡的目的。^[8]

与Bax的相互作用

Bax系Bcl-2家族中最具代表性的促细胞凋亡蛋白，定位于胞浆中，可以与Bcl-2结合形成同源二聚体和异源二聚体，前者能诱导细胞凋亡，而后者能抑制细胞的凋亡。

细胞凋亡的发生取决于促凋亡细胞和抑凋亡细胞的相对浓度，因而Bax和Bcl-2的构成比例形成了细胞凋亡的“分子开关”。

当细胞中异源二聚体（Bax/Bcl-2和Bax/Bcl-2)含量大于或等于50%时，则细胞耐受凋亡；而当细胞内Bax同源二聚体大于80%时且在适当信号诱导下则细胞出现凋亡。Bcl-2／bax比值对决定细胞是否进入凋亡状态有重要意义。^[9-10]

Bcl-2基因的高表达与肿瘤尤其是血液、淋巴系统恶性肿瘤有关。Bcl-2家族蛋白可以通过阻止线粒体外膜通透化（MOMP）从而抑制肿瘤细胞凋亡，其过表达与癌症的耐药性的形成密切相关。

研究发现，其参与了包括淋巴瘤、慢性淋巴细胞白血病、头颈部鳞癌、乳腺癌等多种恶性肿瘤的发生发展。^[11-12]

Bcl-2的异常表达和非霍奇金淋巴瘤肿瘤(NHL)生物学行为关系密切，Bcl-2基因在包括小淋巴细胞性淋巴瘤在内的大多数NHL中广泛表达。

研究报告提出Bcl-2表达情况与NHL恶性程度相关，低度恶性NHL中的Bcl-2表达要高于中高度恶性NHL，其原因可能系低度恶性向中至高度恶性转变过程中，肿瘤恶性程度逐渐增高，细胞增殖更加活跃，发生细胞凋亡也相应活跃，为了在较高的水平上保持相对平衡，作为抗细胞凋亡的Bcl-2蛋白表达也相应减少。^[13-14]

曾丽平等应用免疫组化对214例DLBCL患者样本组织进行检测分析，其中106例(49.5%)Bcl-2蛋白表达阳性。对比分析得出Bcl-2蛋白表达患者生存期短〔Bcl-2表达者对应中位生存时间为(31.4±3.8)个月,而不表达者则为(40.2±4.2)个月〕，死亡危险度较高，可以作为独立于临床分期和免疫类型的DLBCL预后因子。^[15]

NCCN指南（2020年*版）中明确具有c-Myc和BCL-2或BCL-6重排的高级别B细胞淋巴瘤被称为“双打击”淋巴瘤；同时具有c-Myc、BCL-2和BCL-6基因重排的，称为“三打击”淋巴瘤。这类淋巴瘤预后不良，目前缺乏有效的治疗方案。

Bachmann HS等通过免疫组化对274例浸润型乳腺癌的石蜡组织切片Bcl-2(-938C>A)基因多态性研究发现，在淋巴结阴性浸润型乳腺癌患者中，10年生存率分析发现携带AA型基因者为88.6%，携带AC型基因为78.4%，携带CC基因为65.8%，在多因素Cox回归模型分析中发现，Bcl-2(-938CC)基因型可作为淋巴结阴性乳腺癌患者死亡的一个独立危险因素。

此外，运用免疫组化检测临床检查淋巴结为阳性结果的浸润性乳腺癌患者Bcl-2的表达与患者预后呈正相关，在淋巴结检测为阴性患者中，Bcl-2(-938C>A)基因多态性及Bcl-2的表达与患者生存率也存在明显相关性。这些结果均显示Bcl-2基因（-938C>A) 多态性可作为浸润性乳腺癌患者生存预后指标。^[16]

Bcl-2基因在各种肺癌组织中的表达均十分广泛，但不同病理类型的肺癌组织中Bcl-2基因的表达具有明显差别，肺鳞癌组织中Bcl-2基因蛋白阳性表达率明显高于肺腺癌。

研究表明55%~90%的小细胞肺癌中Bcl-2存在过表达，Bcl-2的表达增强不仅改变细胞凋亡信号表达、促进肿瘤细胞的生长和存活，而且可能导致肺癌的化疗失败。^[17]

参考文献：

[1] Roberts AW, Davids MS, Pagel JM, Kahl BS, Puvvada SD, Gerecitano JF, Kipps TJ, Anderson MA, Brown JR, Gressick L, Wong S, Dunbar M, Zhu M, Desai MB, Cerri E, Heitner Enschede S, Humerickhouse RA, Wierda WG, Seymour JF. Targeting BCL2 with Venetoclax in Relapsed Chronic Lymphocytic Leukemia. N Engl J Med. 2016 Jan 28;374(4):311-22. doi: 10.1056/NEJMoa1513257. Epub 2015 Dec 6. PMID: 26639348; PMCID: PMC7107002.

[2] Thompson CB. Apoptosis in the pathogenesis and treatment of disease. Science. 1995 Mar 10;267(5203):1456-62.

[3] Meier,P.,Finch,A.&Evan,G.Apoptosis in development. Nature 407, 796–801 (2000).

[4] Warren CFA, Wong-Brown MW, Bowden NA. BCL-2 family isoforms in apoptosis and cancer. Cell Death Dis. 2019 Feb 21;10(3):177. doi: 10.1038/s41419-019-1407-6. PMID: 30792387; PMCID: PMC6384907.

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[13] Jia F, Figueroa SD, Gallazzi F, Balaji BS, Hannink M, Lever SZ, Hoffman TJ, Lewis MR. Molecular imaging of bcl-2 expression in small lymphocytic lymphoma using 111In-labeled PNA-peptide conjugates. J Nucl Med. 2008 Mar;49(3):430-8. doi: 10.2967/jnumed.107.045138. Epub 2008 Feb 20. PMID: 18287262.

[14] Leyre Bento, Gabriela, etal. Role of Bcl-2 Immunohistochemical Expression As An Independent Biological Prognostic Marker At Diagnosis of Classical Hodgkin's Lymphoma. 

[15] 曾丽平,文亦磊,马韵,王桂秋,李莹,王瑾,徐丽丽,张雪梅.凋亡抑制基因bcl-2在弥漫性大B细胞淋巴瘤中的表达及其临床意义[J].中华病理学杂志,2011,40(6):377-381.DOI:10.3760/cma.j.issn.0529-5807.2011.06.005.

[16] Bachmann HS, Otterbach F, etal. The AA genotype of the regulatory BCL2 promoter polymorphism ( 938C>A) is associated with a favorable outcome in lymph node negative invasive breast cancer patients. Clin Cancer Res. 2007 Oct 1;13(19):5790-7. 

[17] Tahir SK, Wass J, Joseph MK, etal. Identification of expression signatures predictive of sensitivity to the Bcl-2 family member inhibitor ABT-263 in small cell lung carcinoma and leukemia/lymphoma cell lines. Mol Cancer Ther. 2010 Mar;9(3):545-57.