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细胞凋亡及细胞程序性坏死和细胞焦亡的研究进展

2021-03-10 657 上传者：管理员

摘要：细胞死亡方式包括细胞凋亡、细胞程序性坏死和细胞焦亡。细胞凋亡属于非炎症性细胞死亡方式,形态学不涉及细胞质、细胞膜的破裂。细胞程序性坏死和细胞焦亡在形态学上可表现为细胞质、细胞膜破裂,释放一系列炎性因子,引起炎性反应,属于炎症性细胞死亡方式。三者在形态学及发生机制上有所区别,但在某些方面又存在着联系。在某些疾病的发生过程中,并非仅出现一种细胞死亡方式。本文就3种细胞死亡方式的形态学改变、发生机制及三者间关系的研究进展作一综述。

关键词：
可调控性
细胞凋亡
细胞功能
细胞焦亡
细胞程序性坏死
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细胞死亡是正常细胞的自然终点,是不可逆的细胞功能的终结。细胞死亡分为细胞凋亡和细胞坏死两大类。细胞凋亡为可调控性,由特定因子触发引起,形态学上主要表现为细胞皱缩,细胞膜起泡,凋亡小体形成。细胞坏死多为不可调控性,由外界环境等触发,形态学上表现为细胞肿胀,细胞膜、细胞质破裂,细胞内物质释放,发生炎性反应。但细胞坏死中也存在可调控的死亡方式,如细胞程序性坏死、细胞焦亡等[1]。在某些疾病的发生过程中,并非仅出现一种细胞死亡方式,如心肌缺血再灌注损伤中,细胞凋亡、细胞程序性坏死、细胞焦亡、自噬和铁死亡等均可发生[2]。细胞凋亡、细胞程序性坏死和细胞焦亡,三者在形态学及发生机制上有所区别,但在某些方面又存在关联[3]。本文就3种细胞死亡方式的形态学改变、发生过程、分子调节及三者间关系的研究进展综述如下。

1、细胞凋亡

1.1发生机制及形态学改变

细胞凋亡是一些促凋亡刺激因素如内质网应激、活性氧等激活caspase家族成员,引起的一系列细胞内不可逆改变。细胞凋亡的形态学表现为细胞内DNA降解,细胞核固缩、碎裂,凋亡小体形成,但细胞膜保持完整,不引起继发炎性反应[4]。

1.2caspase的分类及组成

caspase家族主要分为两大类[5]:一类与凋亡相关,分为激活caspase和效应caspase,前者包括caspase-2、-8、-9、-10,后者包括caspase-3、-6、-7;另一类与炎性反应相关,包括caspase-1、-4、-5、-11、-12。caspase均包含一个C末端和一个N末端。C末端主导域主要水解靶向蛋白,除主导域外,有些caspase还包括非酶解域如死亡效应域、caspase激活和招募域。几乎所有caspase的N-末端包含的是caspase激活和招募域,而caspase-8和caspase-10包含的是死亡效应域[5]。

1.3细胞凋亡的发生途径

细胞凋亡有2条途径,即内在固有途径和外在途径[5]。内在固有途径是由细胞内环境改变如内质网应激、活性氧过量以及促凋亡分子B细胞淋巴瘤-2相关X蛋白等引起线粒体膜不完整,释放细胞色素C进入细胞质,加上氧化应激或Ca2+超载,造成线粒体通透性转换孔开放,线粒体破裂,凋亡小体形成,导致细胞凋亡。此途径由caspase-9启动,激活下游caspase-3/6/7,形成凋亡小体,导致细胞凋亡。外在途径是由死亡配体与细胞膜表面的死亡受体结合而发生。死亡配体主要为肿瘤坏死因子(tumornecrosisfactor,TNF)家族成员,包括TNF受体、Fas、TNF相关的凋亡诱导配体[6],与死亡受体结合后招募Fas相关死亡结构域蛋白、caspase-8组装成死亡诱导信号复合体,最终引起线粒体破裂,导致细胞凋亡。此途径由caspase-8/10启动,进一步活化caspase-3来执行[5,7]。

2、细胞程序性坏死

2.1发生机制及形态学改变

细胞程序性坏死是细胞坏死的典型代表,由受体相互作用蛋白1/3发动,下游的混合谱系激酶结构域样蛋白来执行[8]。细胞程序性坏死形态学表现为细胞肿胀,细胞膜破裂,导致细胞质内物质流出,引起炎性反应和周围组织损伤[9]。

2.2细胞程序性坏死的发生途径

细胞程序性坏死发生有经典坏死途径和非经典坏死途径[8]。经典坏死途径中研究最多的是TNF介导的信号通路,其他死亡受体如Toll样受体-3、-4及干扰素受体被激活也可以发生细胞程序性坏死[10]。TNF与TNF受体1结合后,招募TNF受体相关死亡结构域、TNF受体相关因子2/5、细胞凋亡抑制蛋白1/2、线性泛素链组装复合体组成复合体I,引起下游受体相互作用蛋白1泛素化。而IkB激酶和转化生长因子-β激活激酶复合体也可促进受体相互作用蛋白1泛素化,通过核因子-κB或丝裂原激活蛋白激酶途径使细胞存活。在圆柱瘤蛋白或去泛素化酶A20作用下,TNF受体与受体相互作用蛋白1分离,形成复合体Ⅱ。复合体Ⅱ分为Ⅱa、Ⅱb和Ⅱc。复合体Ⅱa/b的共同组成包括Fas相关死亡结构域蛋白、caspase-8、受体相互作用蛋白1[8]。caspase-8可进一步引起下游caspase-3/7活化,从而发生caspase-8介导的细胞凋亡。复合体Ⅱc又称坏死体,由受体相互作用蛋白1、受体相互作用蛋白3、混合谱系激酶结构域样蛋白组成,三者依次发生磷酸化导致细胞膜破坏,发生程序性坏死[11]。Zhang等[12]研究发现,钙调蛋白依赖性蛋白激酶(Ca2+/calmodulin-dependentproteinkinase,CaMK)Ⅱ是受体相互作用蛋白3下游的另一个亚基。CaMKⅡ作为一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,可维持细胞中Ca2+稳态,调节细胞兴奋-收缩耦联,影响细胞生存。受体相互作用蛋白3磷酸化后激活CaMKⅡ调节L型Ca2+离子通道,下游的线粒体通透性转换孔开放,细胞通透性改变,膜破裂,导致细胞发生程序性坏死[13]。非经典坏死途径由脂多糖、巨细胞病毒、人类疱疹病毒等刺激介导发生。脂多糖通过Z-DNA结合蛋白1感受器,巨细胞病毒和人类疱疹病毒通过Toll样受体分子感受器,引起受体相互作用蛋白3磷酸化进而发生程序性坏死[14]。

3、细胞焦亡

3.1发生机制及形态学改变

细胞焦亡由caspase-1介导,激活下游的炎性小体发生组装,由gasdermin家族的gasderminD来执行[1]。细胞焦亡形态学表现为细胞膜破裂,焦亡小体形成,炎性因子释放,引起细胞死亡[4]。

3.2细胞焦亡的发生途径

细胞焦亡的发生有经典途径和非经典途径[15]。经典途径依赖于caspase-1的激活。细胞内的模式识别受体感知来自细菌、病毒、胆固醇等信号的刺激,通过招募凋亡相关斑点样蛋白与caspase-1前体结合,形成炎性体复合物进而激活caspase-1。激活的caspase-1一方面剪切gasderminD,产生相对分子质量为31000的N末端的氨基肽段和相对分子质量为22000的C末端的羧基肽段,其N末端具有亲脂性,与细胞膜内侧的脂质层作用形成10～20nm的小孔,释放炎性因子,发生炎性反应,而C末端具有亲水性,可抑制N末端氨基肽段的活化[15,16,17];另一方面,caspase-1剪切白细胞介素(interleukin,IL)-1β的前体和IL-18的前体,形成成熟的IL-1β和IL-18,并释放至细胞外,招募炎症细胞,扩大炎性反应[15]。非经典途径则依赖于caspase-11(小鼠)和caspase-4/5(人类)。模式识别受体识别革兰阴性菌脂多糖激活caspase,进而切割gasderminD,释放炎性因子,导致细胞焦亡[17]。有研究[5,16]表明,caspase-3可作用于gasderminE,使细胞膜穿孔,发生细胞焦亡。

4、细胞凋亡、细胞程序性坏死和细胞焦亡三者间联系

三者在形态学以及分子机制上有所不同,但相互关联。

4.1线粒体和线粒体通透性转换孔相关

细胞生存依赖于三磷酸腺苷(adenosinetriphosphate,ATP),而ATP的主要来源是线粒体。线粒体通透性转换孔开放引起线粒体跨膜电位△φm下降,线粒体呼吸功能破坏,ATP减少,导致细胞死亡。心肌缺血再灌注损伤中,细胞凋亡和细胞程序性坏死均有参与,而线粒体和线粒体通透性转换孔在其中起重要作用[18]。细胞凋亡过程中,2条途径最终均可释放引起线粒体外膜通透性改变的因子,导致细胞色素C进入细胞质,加上氧化应激和Ca2+超载,使线粒体通透性转换孔开放,而后者又进一步促进细胞色素C释放,加速细胞凋亡的发生。Zhang等[12]研究结果发现,受体相互作用蛋白3介导的CaMKⅡ通过线粒体通透性转换孔开放触发细胞发生程序性坏死。She等[19]在H9C2心肌细胞缺氧/复氧模型和小鼠缺血再灌注模型中发现,受体相互作用蛋白1、3及混合谱系激酶结构域样蛋白表达有所增加,且线粒体外膜磷酸甘油酸变位酶5也呈高表达,可进一步激活线粒体分裂蛋白1,引起线粒体功能障碍,而敲除磷酸甘油酸变位酶5可减少活性氧产生,维持线粒体跨膜电位,表明线粒体参与细胞程序性坏死。陈祝桂等[20]研究发现,脂多糖诱导的肺上皮细胞程序性坏死与线粒体分裂蛋白1依赖的线粒体自噬有关。因此,线粒体和线粒体通透性转换孔与细胞凋亡、细胞程序性坏死过程均有关。

4.2caspase相关

caspase-3作为一种效应caspase,通过内在固有途径或外在途径,激活下游caspase-3,介导细胞凋亡发生。有研究[16,17]表明,caspase-3也参与细胞焦亡,可剪切gasderminE,发生炎性反应。caspase-8是细胞凋亡外在途径的启动因子,在细胞程序性坏死中起重要作用,抑制caspase-8可发生由TNF介导的细胞程序性坏死。Oberst等[21]研究发现,抑制小鼠caspase-8或Fas相关死亡蛋白以及细胞FLICE抑制蛋白,可自发激活受体相互作用蛋白1和混合谱系激酶结构域样蛋白,进一步介导细胞程序性坏死发生。caspase-8也可通过剪切受体相互作用蛋白1来阻止细胞死亡以及炎症发生[3]。Sarhan等[22]研究发现,caspase-8通过剪切并激活gasderminD来介导细胞焦亡发生。因此,caspase在细胞凋亡、细胞程序性坏死以及细胞焦亡发生过程中起重要作用。

4.3CaMKⅡ相关

CaMKⅡ是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,有α、β、δ和γ4种亚型,α和β主要表达于神经组织,δ和γ主要表达于心肌组织,具有相似的催化水解和调节区域[23]。研究结果[12]发现,受体相互作用蛋白3介导的程序性坏死通过2条途径来激活CaMKⅡ:一条是通过受体相互作用蛋白3直接在苏氨酸Thr287位点发生CaMKⅡ磷酸化;一条是通过活性氧调节甲硫氨酸Met281/282氧化来实现CaMKⅡ磷酸化,随后触发线粒体通透性转换孔开放,引起线粒体破裂,发生细胞程序性坏死。然而,在细胞凋亡过程中也有CaMKⅡ的参与。线粒体或Ca2+超载介导的内在固有凋亡途径中,L型Ca2+通道打开,使肌浆网中Ca2+增多,而CaMKⅡ可感知并调节Ca2+,使CaMKⅡ持续激活,发生细胞凋亡[13]。因此,CaMKⅡ是调节细胞凋亡和细胞程序性坏死的一个共同节点。

4.4炎性小体

炎性小体的组装是发生细胞焦亡的第一步,其组装分为启动和触发两步[24],进而招募并激活caspase-1,引起细胞焦亡。目前研究较多的炎性小体主要有核苷酸结合寡聚化结构域(nucleotide-bindingoligomerizationdomain,NOD)样受体家族含吡啶结构域1/3、NOD样受体家族含caspase激活和招募域结构域4、黑色素瘤缺乏因子2以及Pyrin[25]。病原体、细菌、病毒等刺激均可激活炎性小体。细胞焦亡经典途径中,模式识别受体通过炎性小体感受器,招募凋亡相关斑点样蛋白后使NOD样受体家族含吡啶结构域3构象发生改变,完成炎性小体组装。非经典途径中,gasderminD的剪切改变了细胞膜的通透性,使K+外流,NOD样受体家族含吡啶结构域3通过感知K+的变化完成炎性小体组装,激活caspase-11从而发生细胞焦亡[17,18]。而Kang等[26]研究发现,当caspase-8失活或使用泛caspase抑制剂处理后,Toll样受体3与双链RNA结合需通过受体相互作用蛋白3-混合谱系激酶结构域样蛋白来进一步激活NOD样受体家族含吡啶结构域3炎性小体,说明受体相互作用蛋白3-混合谱系激酶结构域样蛋白介导的程序性坏死也与NOD样受体家族含吡啶结构域3炎性小体的激活有所联系。Conos等[27]研究发现,混合谱系激酶结构域样蛋白介导的细胞膜通透性改变可触发K+外流,激活NOD样受体家族含吡啶结构域3炎性小体,进一步证实NOD样受体家族含吡啶结构域3的激活与细胞程序性坏死的调节有关。此外,在细胞凋亡的发生中,不管是内在固有途径还是外在途径,均可通过激活缝隙连接蛋白-1,使K+外流来激活NOD样受体家族含吡啶结构域3[28]。说明炎性小体在3种死亡方式中均发挥重要作用。

5、结语

机体的正常生长发育有赖于细胞增殖和细胞死亡之间的动态平衡。细胞死亡是正常组织代谢的自然终点,对于维持细胞稳态,调节细胞代谢、生长发育、分裂分化有重要意义。细胞凋亡、细胞程序性坏死、细胞焦亡有所区别又有所联系,在疾病的发生、发展中可能并存且相互影响。深入研究3种细胞死亡方式的分子机制,发现三者之间的联系及调节的共同点,通过干预阻止细胞死亡,可为心肌缺血再灌注损伤等疾病的治疗提供新思路。

参考文献：

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基金:中国博士后科学基金(2017M61139)