细胞信号转导

1、细胞死亡方式研究进展摘要：起初人们认为不同细胞死亡方式之间潜在的细胞调节是不同的，然而，近来的研究显示细胞死亡的潜在机制较复杂，在一定，f#况下，不同细胞死亡方式之间相互联系甚至相互转化。对几种细胞死亡方式之间白区别和联系进行了回顾，有助于评价关键的细胞死亡途径，发现新的治疗干预措施。关键词：自噬胀亡凋亡坏死副凋亡包体割裂PARP-依赖性细胞死亡随着细胞死亡方式的研究不断地向微观深入，使人们在微观上日益深入地认 识各种疾病以及生命现象的本质；另一方面，现代医学研究也重视生命科学的复杂 性和整体性，这有利于全面、客观地认识人类健康和疾病，采用更为综合有效的措 施来防治疾病，人们对细胞死亡过程的认

2、识就体现了现代医学研究的特点。在一定 的病理条件下，细胞死亡在形态学上分为几种不同的方式，其中凋亡(apoptosis) 和坏死(necrosis)是两种为人们所熟悉的细胞死亡方式，而自噬性细胞死亡(autophagic cell death)和胀亡(oncosis)也已经为人们所认识1。随着研究的不 断深入，人们还发现了副凋亡(paraptosis )、PARP依赖的细胞死亡 (polymerase(PARP)-dependent cell death )等。起初人们认为不同死亡方式之 问潜在的细胞调节是不同的，然而，近来的研究显示细胞死亡的潜在机制较复杂，在一定情况下，这些细胞死亡方式之间

3、相互联系甚至相互转化2。在临床或实验相 关条件下评价关键的细胞死亡途径是很重要的，因此本文对这些细胞死亡方式各 自的特点进行了总结，以利于对这些死亡方式的进一步了解及新的治疗干预措施 的探索。1自噬自噬(autophagy)是一种细胞生物学过程，从粗面内质网的无核糖体附着区脱 落的双层膜包裹部分的胞浆和细胞内需降解的细胞器、蛋白质等成分形成自噬小 体，自噬小体形成后很快与溶酶体融合形成自噬溶酶体并降解其内成分网o. 1自噬的形态学特征凋亡的形态学特点为细胞皱缩，染色质边集，核碎裂，并以凋亡小体形成和切 冬酶激活为特征，最后被吞噬细胞的溶酶体消化降解而自噬性细胞死亡以胞质中 出现大量自噬体和自噬

4、溶酶体为特征，最后细胞是由自身的溶酶体消化降解，既不 激活切冬酶，也不形成凋亡小体。Chau等发现内皮他丁诱导内皮细胞死亡时细胞内出现大的自噬体和自噬溶酶体，用切冬酶抑制剂并不能阻止细胞死亡，而自噬抑制剂3-甲基腺嗦吟能阻止细胞死亡，提示内皮细胞是自噬性死亡而非凋亡.1.2自噬的分子机制自噬体膜上的蛋白质非常少,目前尚未鉴别出隔离膜的来源。在自噬体膜的延 伸过程中，有2个主要的蛋白结合系统，一个是Atg12-Atg15结合系统,另一个是 Atg8脂化系统。自噬体膜的延伸有赖于两者的协同作用，但前者在自噬体形成后即从表面脱落至胞浆，而后者在自噬体形成后仍位于自噬体膜上,因此，它是研究自噬的很好的

5、标记物。微管相关蛋白LC3(MAP-LC3是Atg8在哺乳动物中的同 类物之一，它们在氨基酸序列上28%勺同源性。经过翻译后修饰形成主要位于胞 浆的LC3-I和主要位于自噬体和自噬溶酶体膜上的LC3-II。PI-3激酶复合物在早期参与自噬体膜形成，包括m型PI-3激酶和Apg6,3-甲基腺嚷吟因抑制m型PI-3 激酶活性而长期以来被用作自噬抑制剂。营养缺乏或激素均能激活自噬，但自噬的信号转导途径迄今仍未明了。研究 发现mTor激酶能感受细胞内氨基酸 ATP水平，营养充足时,mTor过磷酸化Apg13 , 使其与Apg1的结合能力下降，营养缺乏或用药物雷帕霉素(rapamycin)抑制mTor

6、活性时,Apg13迅速去磷酸化，结合Apg1促进自噬，这些结果提示mTor激酶在自噬 信号转导途径中可能起着重要作用，但其间具体调控机制并未明了。. 3自噬的生理及病理意义自噬既广泛存在于正常的生理过程中，如清除细胞废物、结构重建、生长分化 等，又是细胞对不良环境的一种防御机制，如对抗营养缺乏、电离辐射，同时还参与 多种疾病的病理过程，无论是自噬过度还是自噬不足都可能导致疾病发生。随着对 自噬这种细胞死亡方式认识的深入，发现许多凋亡相关性疾病的发病机制也涉及 自噬，如帕金森病、阿尔茨海默病、亨廷顿舞蹈症等多种神经系统退行性疾病中，除发现大量神经元凋亡外，还可检测到自噬作用的激活。近年来还发现在

7、心力衰竭 中也存在心肌细胞的过度自噬现象4 O许多抗月中瘤药物也是通过诱导自噬的途径来 发挥其抗癌效应的，如他莫昔芬可诱导人乳腺癌细胞株MCF-7发生自噬，三氧化二种缓解早幼粒细胞性白血病和多发性骨髓瘤病情的作用也是通过诱导细胞自噬。因此，一定范围及程度的自噬可能是细胞力图在从恶劣条件下得以生存的保 护性机制；过度的自噬则相反，导致细胞走向死亡。2细胞胀亡1995年Majno等首次提出细胞胀亡（onocosis）的概念,oncosis 一词源于希腊 文onkos,意为月中胀。1997年3月美国毒理病理学家学会的细胞死亡命名委员会建 议将坏死作为一种诊断用语，可继发于凋亡或胀亡。一般细胞形态学意

8、义上的细胞 死亡就是坏死，死亡的过程则包括凋亡、自噬和胀亡等多种类型 5。胀亡的形态学特征胀亡细胞的形态学表现为细胞月中胀，体积增大，胞浆空泡化，胞浆内出现致密颗粒，内质网月中胀，线粒体早期可出现致密化，后期月中胀，絮状改变或出现高致密颗 粒,崎破坏6;细胞月中胀波及核，核内染色质分散，凝集在核膜、核仁周围，有时聚集 成团块；胞膜起泡是胀亡早期事件，随之胞膜通透性增加，胞膜崩。与凋亡通常出 现核碎裂不同，胀亡细胞后期往往表现为核溶解，由于胞内容物外溢，胀亡细胞周 围有明显炎症反应。一般认为，胀亡是一种由强烈刺激造成的被动细胞死亡方式，类似于细胞浊月中、水变性、气球样变，继而发展为溶解性坏死的形

9、态学改变。胀亡的机制细胞胀亡多为缺血、毒素引起。有研究表明胀亡缘于细胞膜表面的离子泵和 细胞内ATPK平的降低.局部缺血、缺氧或者线粒体被抑制可以抑止 ATP的产生。 当ATP含量降低，蛋白激酶不能够进行磷蛋白磷酸化，依束ATP的离子泵被抑制。 氧化磷酸化功能的丧失和ATP的减少，都会引起细胞胀亡和凋亡。Harriman等用抗 霉素A作用于肾近端小管细胞，从而激活PCL,生成IP3,IP3与内质的IP3受体结合， 从而引起细胞内质网的Ca十库释放大量Ca+，而内质网膜Ca+ -ATPase功能受阻 同时细胞内线粒体内的AT吠量消耗，也可能会引起细胞内质网的Ca十库释放大量 Ca+。细胞内的Ca

10、+水平增加，细胞外的Ca+大量涌人，细胞的Ca+含量持续增加 从而激活一种Ca+依赖性的中性蛋白酶calpains, calpains再次诱导细胞外的Ca+涌人，从而导致细胞月中胀，失去膜的完整性，进而导致细胞胀亡。有人用 anti-Porimin 作用于Jurkal细胞发现，细胞迅速聚集，细胞形态发生变化，细胞表 面有孔形成，膜通透性增加，细胞表面微绒毛消失，出现细胞膜疙，最后细胞死亡。 更为重要的是，在细胞死亡之前，发现细胞月中胀，然后刍缩，膜疙产生，表面起皱或 凹陷。3细胞凋亡细胞凋亡为编程性细胞死亡(programmed cell death, PCD) 的一种方式,是一 个受紧密调节

11、的过程，既可以作为生理性死亡过程发生，是机体在生长、发育和受 到外来刺激时消除多余、衰老和受损细胞以保持机体内环境平衡的一种自我调节 机制7,也可以在受到各种侵害时作为病理性死亡过程发生，在某种病理条件下，这个本来正常受抑制的过程被激活，导致细胞死亡和功能障碍。形态学特征细胞皱缩，细胞间的连接消失，同时细胞间的密度增加，核质浓缩成一个或几 个大的包团，染色质迁移至核模周边形成新月形凝集，进而细胞核裂解为碎块，进而细胞膜内陷自行分割成几个由细胞膜包裹的，表面光滑的凋亡小体(Apoptoticbody); DNA被特异性的核酸内切酶分解成180-220bp的片断，琼脂糖电泳出现特征性的DNA相状区

12、带，在细胞凋亡早期需要大量的 ATP 3.2凋亡的机制凋亡又称程序性的死亡(programmed cell death, PCD)。凋亡除了发生在正 常的细胞外，凋亡的诱发可以病理性的原因引起或由环境刺激引起，例如DN战伤、氧化压力、激素、病毒、毒素、药物、营养不良等，当然凋亡既可由病理性的原因引起，也可以是正常的细胞死亡。形成的凋亡小体最后被附近的细胞吞噬，因而避免了体内炎症的产生代。细胞凋亡主要有两种途径：一种是外源性的(即经细胞死亡因子受体介导的 细胞凋亡)，另一种是内源性的(即经线粒体途径)。虽然经过两种不同的途径， 但最终都必须经过一种为 caspase的家族成员介导的蛋白酶级联反应

13、过程，作用于底物而导致凋亡。也有报道在组织缺氧和酸毒症作用于心肌细胞时，细胞凋亡并不激活caspase。内源性的途径：例如 DNAS损，在一些月中瘤细胞发生凋亡以前，p53可以引起 细胞DNA的损伤，从而改变体内一种称为Bcl-2的蛋白家族成员的微平衡，这种Bcl-2蛋白家族成员控制线粒体外膜的完整性。一些 Bcl-2家族蛋白成员，例如 Bcl-xl,和Bcl-2本身，它们定位在线粒体外膜上，协助维持线粒体外膜的完整。而 另外一些因子如Bax、Bak、”BH3-only” ,它们可以抑制Bcl-xl的活性而破坏线 粒体外膜的完整性，从而释放凋亡介导因cytoc(细胞色素 C),细胞色素 C和A

14、paf-1(凋亡蛋白酶激活因子)、procaspase-9(前caspase-9)形成复合物，复合物 的形成有利于caspase-9的产生，从而激活caspase-3,开始一系列caspase的活 化。外源性途径：主要通过一系列死亡受体的激活，典型白如FAS/CD95引起调节 蛋白 FADD(Fas-associatrd death domain) 的活性恢复，该蛋白能和 caspase-8 相 互连接作用，活化caspase-8酶。在I型细胞中，引起caspase-3的大量释放，足 以杀死细胞。在II型细胞中，例如肝细胞,caspase-8使BH3-only家族成员Bid裂 解成两个片断，B

15、id的两个片断移至线粒体，它可以诱发Bax、Bak的聚集，从而破 坏线粒体膜,释放细胞色素C,激活caspase-3。3.3细胞凋亡的生物学意义细胞凋亡是多细胞动物生命活动过程中不可缺少的组成内容，为保证个体发育成熟所必需，为清除不再需要的细胞提供了一个有效的机制。这些细胞通常是正 常的，但出于某种原因不再需要了。它们可能产生得过多了，如许多脊椎动物的神经元那样；它们可能于进化和发育过程中的某些时候是有功能的，然而在往后的发 育过程中不再需要了，如变态时的蟒鲜尾部细胞；有些细胞在一种性别中是有用的 在另一种性别中便无用了 ，如哺乳类的穆勒氏管只有雌性有用，在雄性无用；这些 细胞在形成某些特殊结

16、构过程中必须做出牺牲，如动物指或趾间的区域；那些迁移 至异常位置的细胞也可因自杀而消失。又如淋巴细胞不再产生有功能的抗原特异 性受体，因此不再有用，或是产生了高亲和性的自身反应性受体，对机体具有潜在的危害，都会自杀网。由于免疫系统的选择作用,9 5 % 的前淋巴细胞均要死亡，而 成熟的白细胞寿命也仅一天,死亡一批，再生一批，互相交替，非常严格有序。否则 就会发生白血病、自身免疫病等。4细胞坏死细胞死亡通常指当细胞受到一定损伤而出现结构破坏、功能丧失等一系列不 可逆变化的现象。细胞死亡具有不同的特点和形式，过去一直将其分为坏死和凋亡两种模式。坏死是人们早期从病理形态学上的特点来认识和定义细胞的一

17、种死 亡方式，它是一种在外界巨大压力下所导致的细胞被动死亡；凋亡则是一种调控 性的细胞死亡机制，有的将其称作“程序性细胞死亡”或“自杀性细胞死亡”。 然而,越来越多的研究表明坏死也可以作为一种程序性死亡途径9: (1)具有坏死样表征的细胞死亡有助于维持胚胎发育和成年组织内环境稳态；(2)坏死样细胞死亡可以通过配体结合到其特异性膜受体而被诱导产生；(3)坏死可以被遗传、表观遗传以及药理学的因素来调控；(4) caspase的失活可使凋亡转变为具有凋亡样 和坏死样混合特征的细胞死亡或者完全性坏死。此外,对死亡受体(DR)的研究也 进一步支持了这种观点。形态学特征细胞坏死表现为细胞月中胀,细胞膜的快

18、速崩解,细胞器的崩溃。细胞膜的崩解 使得细胞内容物溢出，导致细胞周围的炎症反应。细胞核在坏死过程中的主要变化 为核浓缩(Pyknosis )即核体积变小，染色质浓缩、深染核碎裂(Karyorrhexis) 即核染色质凝集，崩解呈碎粒状聚体在核膜处，随着核膜的破裂，染色质的颗粒就 直接地分散于胞浆中，倘若细胞膜亦破坏，则核碎粒就可分布于细胞外核溶解 (Karyolysis)10。细胞坏死的机制坏死一般认为是病理性的原因造成，是一种无规则的细胞死亡方式，通常受到 严重和急性的损伤(比如急性的缺氧和突然的营养供给不足等)，严重的物理化学伤害(热、清洗剂、强碱、辐射等)都会引起细胞的坏死。细胞内的 A

19、TP含量的 降低，高浓度的ROS(氧化物)，Bcl-2的大量表达引起的BCL家族蛋白表达的失 衡,caspase活性被抑制，都可能会造成细胞的坏死途径。5副凋亡副凋亡 (paraptosis ) 也被命为 “non-classic apoptosis ”， “para-apoptosis ” 或 “paraptosis 。Para 意思为“下一个“、“其次”,和 apoptosis合起来组成为“paraptosis ,称为非凋亡性程序性死亡，和凋亡一样都 是程序性死亡，paraptosis 也有基因的表达。也有人认为paraptosis 属于caspase 非依赖性程序性死亡。副凋亡形态学特征

20、有研究报道用月中瘤坏死因子受体 TAJ/TROYW导T293细胞死亡时发现，有些细 胞在死亡过程中，发生在形态学上和paraptosis极为相似的死亡方式，表现为细 胞质内有大量空泡形成，线粒体月中胀,caspase活性丧失，当用PDCD5(programmed cell death) 作用T293细胞时，可以促进TAJ/TROYW导T293细胞的paraptosis。 通常paraptosis与细胞凋亡可相伴发生，其形态特征不同于凋亡，没有染色质的 凝集，也无凋亡小体的形成，但细胞质有空泡形成，空泡主要来自于内质网，在晚期 并伴有线粒体的月中胀。晚期细胞进一步变性，细胞质和细胞核的密度增加，

21、最后一 染色质出现浓缩、断裂，在核膜处形成接缝样凝集。副凋亡的机制Sperandio等观察到IGFIR（人类胰岛素生长因子I受体）诱导细胞死亡，虽然 paraptosis 是 caspase 非依赖性的,但 paraptosis 的产生需要 caspase-9,同时 paraptosis 也需要转录和翻译,caspase-9 不仅可以诱导 apoptosis,也可以诱导 paraptosis,IGFIR 诱导 paraptosis 主要通过 caspase-9 介导。paraptosis 具体 的机制还不是很清楚。6胞体割裂胞体割裂（Autoschizis） 首先由Gilloteaux 等于1

22、993年在前列腺癌的月中瘤细 胞中发现。1998年Gilloteaux 命名为“Autoschizis 0我国有文献报道称之为 “胞体割裂”。胞体割裂形态学特征细胞割裂表现为细胞膜的损伤，通过一系列的自我修剪造成渐近性的细胞质 大量丢失，被丢掉的细胞浆不含细胞器。在细胞割裂过程中，细胞体积只有原来的1/3-1/2 ,随着细胞的变小，细胞核逐渐变小，直到形成只剩下一个表面完整的细胞 核，外面包裹一层薄薄的细胞质，细胞质中包涵着大量被破坏的细胞器（滑面内质 网，粗面内质网，线粒体，溶酶体,脂滴）以及一些未损坏的线粒体。后期核皱缩，核 质密度均匀。核保持完整，直到最后核仁被溶解，最后细胞死亡。包体割

23、裂机制Autoschizis的产生可能有两种原因一是Autoschizis本身就是一种不完全的 凋亡程序,用VC和VK3的混合物作用月中瘤细胞时，产生了 H2O2者其它的ROS氧 化了 CASPAS勺催化位点而不能激活CASPAS另外一种可能是因为ATP的大量减 少而不能够形成凋亡复合物，因而导致Autoschizis。James用VC和VK3作用于细 胞,发现产生了大量的H2O2脂类过氧化反应加强，细胞内Ca+增加,破坏了线粒体 胞膜，释放细胞色素C最终引Autoschizis。7.PARP-1依赖性细胞死亡最近发现一种多聚 ADP核糖聚合酶-1(Poly (ADP-ribose) poly

24、merase-1,PARP-1/赖性细胞死亡，为了与其他形式的细胞死亡进行区分,Harraz等将这种由PARP-1激活导致的细胞死亡 (thanatos:希腊神话中死亡的象征)命名为 Parthanatos。Parthanatos 具有明显的生化特征，例如PARP-1的快速激活、早 期PAR的积累、线粒体通透性的改变、早期凋亡诱导因子(Apoptosis-inducingfactor, AIF)由线粒体向细胞核的迁移、细胞内NADffi ATP的消耗、晚期半胱天冬酶(Caspase)激活、细胞萎缩、稠核和膜裂解等11。虽然Caspase在Parthanatos 中发生激活，但是广谱的Caspa

25、se卬制剂并不能抑制Parthanatos,因此有人推测在 此过程中Caspase并没有起到实质性的作用。PARP-1依赖性细胞死亡形态学特征Parthanatos 与凋亡和坏死有一些相同的细胞学和形态学特征，但也存在明显的区别。与凋亡相比，Parthanatos不能形成凋亡小体和小片段的 DNA卒片；与 坏死相比，Parthanatos 不能诱导细胞膨胀；与自噬相比，Parthanatos 没有自噬泡 结构和溶酶体的降解作用；与程序性坏死 (Necroptosis)相比，Parthanatos 不能 够引起细胞膜和细胞器膨胀，以及细胞溶解，也没有受体相互作用蛋白激酶-1(Receptor-

26、interacting protein kinase 1, RIP1)的激活等反应12。PARP-1依赖性细胞死亡的机制PARP-1是PARPC族成员中被广泛研究的细胞核内的酶类，大约占细胞内PARP 活性的90%以上。在正常生理条件下，PARP-1对DNA伤起到修复功能；在病理条 件下，例如中风、外伤性脑损伤和缺血再灌注损伤中，PARP-1大量激活并导致Parthanatos3。关于Parthanatos作用机制研究还存在着很大的争议，最早有人 提出Parthanatos 引起的细胞死亡是由细胞内能量衰竭导致的。最近又有人发现，由PARl Calpain介导线粒体释放 AIF可能是引发Par

27、thanatos的主要原因。展望量变和质变是事物发展变化的两种状态，量变是事物数量的增减和场所的变 更，质变是事物根本性质的变化，是事物由一种状态向另一种状态的飞跃。量变和 质变相互联系，相互渗透，并在一定条件下相互转化。量变是质变的必要准备 ，质变 是量变的必然结果；总的量变过程中包含着部分质变，它又区分为阶段性部分质变 和局部性部分质变两种情况，在质变过程中，具有量的扩张，即新质要素在数量上迅速扩大，直至新质完全代替旧质；在量变基础上发生的质变 ，体现和巩固着量变 的成果,并在新质的基础上开始新的量变。如此量变、质变 ，新的量变，质变相互转 化和交替，这就是事物发展变化的普遍规律，即质量互

28、变规律。对细胞死亡方式的 研究给我们很多启示，各种细胞死亡方式之间既相互区别，又处于相互联系的过程 之中，并在一定条件在相互转化，其转化条件为损伤刺激的强度、续时间及细胞能 量供给缺乏的程度，对这些过程的了解有利于我们能较全面地认识某病理过程，并且在探索治疗干预措施时能制定出更合理的方案。参考文献Tng PS, Mura M, Seth R, et al . Acute lung injury and cell death: how many ways can cells die?. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol, 2008, 294( 4) : L63

29、2- 641.Nishida K, Otsu K. Cell death in heart failure J . Circ J, 2008,72 ( Suppl A) : A17- 21.Dunn JR. S tudies on them echanisms of autophage : formation of autophagy vacuole J . J Biol , 1990, 110( 6 ) : 1923-1933HiroshiA, Shinji K, Hiroaki S , et a.l Diphtheriatox in induced autophagic card iomyocyte death plays a pathogenic role inmousem odel of heart fairlure J . J B iological Chemistry, 2004, 279 ( 39 ):41095 -41103.H ei n S , A rnon E, Kos tin S, et a. l Progression from compensated hypertrophy to failure in the pressure overload huma