线粒体在喜树碱诱导甜菜夜蛾细胞凋亡中的作用研究

Mitochondria，the "cellular power plants ", is the key mediator of apoptosis. In the intrinsic pathway of apoptosis, mitochondria sense catastrophic cellular changes and irreversibly commit cells to apoptosis by releasing death factors such as cytochrome-c into cytosol. The release of these proteins is a consequence of the integrity of the mitochondrial outer membrane permeabilization (MOMP). So far, this process has only been validated in vertebrates; it is debated in insects. Our previous studies showed that mitochondrial involved in camptothecin-induced apoptosis in Spodoptera exigua IOZCAS-Spex-II cells. Therefore, we will study mitochondrial structure and function changes with the empirical methods of immunology, molecular biology and biochemistry after Spodoptera exigua IOZCAS-Spex-II cells treated by camptothecin in this project; investigate the effect and mechanism of mitochondria changes during the apoptosis. Results of these will map out the so called "intrinsic pathway of apoptosis" regulated by mitochondrial in insect cell apoptosis throughout the process from initiation of the first apoptotic signal to the final consequential breakdown of cellular integrity. These studies will provide the new insights to explore environment-friendly pesticides and are important for researches focused on molecular mechanisms of insect cell apoptosis and insect toxicology.

线粒体被称为"细胞能量工厂"，是细胞凋亡内途径的调控中心。在脊椎动物中线粒体在凋亡信号的刺激下，跨膜电位下降，外膜通透化，释放膜间隙蛋白如细胞色素c等凋亡因子到细胞质中，它们或激活胱天蛋白酶或独立破坏核染色质，导致细胞凋亡。在昆虫中该途径仍然存在着许多争议。本课题组前期研究发现喜树碱诱导的甜菜夜蛾细胞凋亡为线粒体调控的内途径。因此，本项目围绕线粒体，采用细胞生物学、分子生物学、免疫学和荧光标记等技术研究喜树碱诱导的细胞凋亡过程中线粒体形态、结构和功能的变化；线粒体结构和功能改变在细胞凋亡过程中的作用；以及凋亡过程中线粒体结构和功能改变的机制。从而阐明喜树碱诱导的昆虫细胞凋亡过程中的线粒体的作用和机理。这对于研究线粒体的昆虫毒理学意义和喜树碱的杀虫活性机制具有重要的价值，同时该研究项目将提高我国植物源活性物质的研发水平，而且对于发现生态安全性特异靶标和环境和谐性农药都具重要的探索性。

线粒体被称为“细胞能量工厂，是生物体进行有氧呼吸、合成三磷酸腺苷（ATP）的主要细胞器，对保持正常细胞功能十分关键。线粒体内包含一些与细胞凋亡有密切关系的物质，在凋亡信号的刺激下，线粒体通透性转换孔（MPTP）开放，跨膜电位下降，释放膜间隙蛋白如细胞色素c等凋亡因子到细胞质中，它们或激活胱天蛋白酶或独立破坏核染色质，从而调控细胞凋亡。本项目围绕喜树碱及其衍生物诱导的甜菜夜蛾细胞凋亡过程中线粒体功能开展研究，发现CPT和HCPT能够引起甜菜夜蛾细胞线粒体形态、结构和分布的改变。甜菜夜蛾中肠细胞线粒体在CPT和HCPT处理后产生大量的ROS，胞质Ca2+释放，线粒体膜电位△ψm丧失，线粒体膜通透化。CPT和HCPT诱导的甜菜夜蛾细胞凋亡线粒体膜通透化具有时间性，随着线粒体功能的改变，细胞凋亡一旦发生，将以不可逆的态势继续发生，表明不依赖于线粒体通透性孔开放的凋亡路径亦同时存在。CPT和HCPT处理甜菜夜蛾细胞产生过多ROS，导致昆虫细胞DNA、脂质和蛋白都产生氧化损伤，揭示了CPT和HCPT毒性作用的机理。综上所述，CPT和HCPT处理后，线粒体内产生大量活性氧ROS，对细胞造成氧化压力，造成细胞DNA、脂质、蛋白质损伤，线粒体跨膜电位丧失即线粒体通透性转换孔进入高水平的不可逆开放状态；大量基质Ca2+释放，线粒体内膜和外膜间的一些促细胞凋亡物质，如细胞色素c释放到细胞质中，激活下游凋亡信号传导，最终导致细胞凋亡。本研究首次系统地阐明了喜树碱诱导的昆虫细胞凋亡的机理和线粒体途径，这对于研究线粒体的昆虫毒理学意义和喜树碱的杀虫活性机制具有重要的价值。