受細胞內信號通路調控的細胞死亡機制研究進展

[摘要]細胞死亡現(xiàn)象在生物體內普遍存在。傳統(tǒng)意義上的細胞死亡包括壞死和程序性死亡兩種形式。其中程序性死亡即凋亡是一種維持自我穩(wěn)態(tài)的重要程序。一旦凋亡機制發(fā)生異常，就會導致機體發(fā)生病變，甚至是腫瘤的發(fā)生，更甚者是死亡。經(jīng)典凋亡途徑主要包括線粒體凋亡通路、死亡受體凋亡通路和內質網(wǎng)凋亡通路。近年來發(fā)現(xiàn)了一種不同于經(jīng)典凋亡概念和壞死概念的、受細胞內信號通路調控的新的細胞死亡方式，稱為壞死性凋亡。本文對受細胞內信號通路調控的細胞死亡途徑——經(jīng)典凋亡通路和壞死性凋亡通路的研究現(xiàn)狀作一綜述。

[關鍵詞]細胞凋亡;壞死;信號轉導;綜述

[中圖分類號]R329.25[文獻標志碼]A[文章編號]2096-5532（2018）06-0747-03

細胞死亡主要有病理性死亡和生理性死亡兩種形式。細胞病理性死亡也稱為壞死，壞死是由多種致病因素直接導致的，如局部缺血、理化因素及生物因子的作用導致的細胞快速死亡。壞死基本表現(xiàn)為細胞腫脹、細胞器崩解和蛋白質變性，細胞釋放出的裂解產物使周圍的正常組織產生炎癥。細胞生理性死亡即凋亡，也稱為程序性死亡。凋亡是指為了維持內環(huán)境的穩(wěn)定和正常生理活動，由特定基因所嚴格控制的細胞主動死亡方式。凋亡的細胞形態(tài)主要表現(xiàn)為DNA發(fā)生破裂、染色質產生凝聚現(xiàn)象、細胞發(fā)生皺縮、凋亡小體產生。自1964年首次提出程序性細胞死亡的概念，凋亡一直被認為是細胞唯一的程序性死亡過程，而細胞壞死則是生物體內不可控制的被動過程。然而在2005年，DEGTEREV等[1]報道了一種新的細胞死亡方式——壞死性凋亡，并將其定義為一種與壞死具有相似的形態(tài)學特征，但其細胞死亡方式為可調控的非Caspases依賴性的程序性細胞死亡，即在Caspases抑制的條件下，死亡受體與配體的結合可以觸發(fā)的壞死性凋亡。壞死性凋亡不依賴于凋亡的關鍵調節(jié)因子Caspases，在凋亡受到抑制的情況下可以介導細胞死亡發(fā)生[2]。所以，壞死性凋亡也是受細胞內信號通路網(wǎng)絡所調控的細胞死亡方式之一。壞死性凋亡的發(fā)現(xiàn)顛覆了傳統(tǒng)中將壞死僅看作是一種被動的死亡方式的觀點。YUAN等[2]對壞死性凋亡與健康做了較為詳細的綜述。本文主要對經(jīng)典細胞凋亡途徑（線粒體凋亡通路、死亡受體凋亡通路和內質網(wǎng)凋亡通路）和壞死性凋亡途徑進行綜述。

1線粒體凋亡通路

線粒體凋亡途徑也稱內源性凋亡途徑，是哺乳動物細胞凋亡主要途徑。線粒體膜上的通透性轉變孔（mPTP）與細胞凋亡的發(fā)生密切相關。外源性損傷和自身衰老是引起mPTP開放的兩個重要因素[3]。正常生理情況下，mPTP通過周期性地開放，使得線粒體膜間隙中的正離子或者質子進入細胞基質，防止膜間隙中的正離子過度聚集。當細胞在接觸到各種促凋亡的因素時，mPTP會過度開放，導致線粒體膜電位崩解，呼吸鏈解偶聯(lián)，線粒體滲透壓升高，膜內層發(fā)生腫脹，線粒體內的細胞色素C、凋亡誘導因子、核酸內切酶等凋亡相關的活性物質被釋放出來，釋放到細胞質中的細胞色素C，可以在ATP作用下與凋亡蛋白酶活化因子-1（Apaf-1）形成多聚復合體，進而活化Caspase-9前體，形成由細胞色素C、Apaf-1、以及Caspase-9組成的凋亡小體[4-5]。凋亡小體可以促使下游的Caspase-3、Caspase-7活化，使得凋亡進行[6]。Bcl-2家族與線粒體內外膜的通透性有關，主要參與調控細胞的線粒體凋亡途徑。Bcl-2家族是通過激活一系列的下游基因來發(fā)揮調控凋亡作用的[7]。Bcl-2家族包含促凋亡蛋白（如Bak和Bax）、抗凋亡蛋白（如Bcl-2和Bcl-xL）、BH3-only蛋白（Bim、Bid等）。其中BH3-only蛋白通過抑制Bcl-2的活性或者激活Bax/Bak活性來調節(jié)細胞的凋亡過程。Bcl-2家族中，Bax是線粒體途徑的主要介導者，被活化的Bax會從細胞質中轉入線粒體內，使線粒體膜通透性發(fā)生損壞，導致細胞色素C等物質的釋放，從而介導線粒體途徑的細胞凋亡。線粒體中的某些蛋白（如Smac/DIABLO、Omi/HtrA2等）進入細胞質，可以促進Caspases的活性，進一步促進凋亡[8]。Bcl-2家族中的Bcl-2、Mcl-1、Bcl-xL可以抑制Bax和Bak的活性，通過減緩線粒體膜崩解的進程來發(fā)揮抗凋亡作用。BH3-only蛋白Bim、Bid、Puma可以與線粒體的外膜及Bax、Bak同時結合，促使Bax、Bak與線粒體外膜相互作用，加快線粒體膜崩解進程，促進細胞凋亡[9]。在細胞受到某些刺激后，Caspase-2可被激活，激活的Caspase-2與P53及RAIDD形成復合物，進而裂解活化Bid和加快Bax蛋白的運輸，激活Bcl-2家族的促凋亡蛋白，引發(fā)細胞線粒體凋亡途徑的激活[10]。

2死亡受體凋亡通路

死亡受體凋亡途徑中，死亡信號的傳遞經(jīng)歷了死亡配體與受體的結合以及受體的死亡結構域與信號分子的結合過程。首先是細胞死亡信號分子黏附到細胞表面的受體上，死亡受體上的死亡結構域相互集聚，使受體被激活，從而導致Caspases酶原的聚集，構成凋亡酶體，引發(fā)凋亡。目前已發(fā)現(xiàn)了細胞表面至少有8種死亡受體，分別為Fas、TNFR1、TNFR2、DR3、DR4、DR5、DcR1和DcR2，其中最為典型的受體是Fas和TNFR1。而針對Fas和TNFR1受體，分別有Fas相關死亡域蛋白（FADD）和腫瘤壞死因子（TNF）受體相關的死亡結構域蛋白（TRADD）兩個重要的連接蛋白。

Fas/FasL介導的細胞凋亡，即是Fas與其特異性配體FasL結合后，3個Fas受體分子相互交聯(lián)形成三聚體而被激活，F(xiàn)as活化后募集FADD，導致FADD構象變化，F(xiàn)ADD與Caspase-8酶原形成二聚體，進而激活Caspase-8，產生類似線粒體途徑中凋亡小體的復合物，該復合物由FasL、Fas、FADD以及Caspase-8組成。Caspase-8釋放到細胞質中激活了Caspase-3、Caspase-6和Caspase-7，引發(fā)細胞凋亡[11]。Caspase-8可切割Bcl-2家族成員Bid，截斷的Bid有很強的促凋亡活性，能夠促進線粒體釋放細胞色素C，將死亡受體途徑和線粒體凋亡途徑聯(lián)系起來，放大了凋亡信號[12]。

TNFR1受體參與TNF介導的凋亡通路。TNF通過其受體（TNFR-1和TNFR-2）來介導細胞凋亡。TNF受體不具備酶解活性，是通過募集其他的分子來轉導信號的。當TNF與TNFR-1結合后，TNFR-1發(fā)生三聚體化，然后結合銜接蛋白TRADD，形成由TNF、TNFR-1和TRADD構成的復合物，而該復合物可以通過招募FADD活化Caspases來激活凋亡通路[13-14]。該復合物還可以通過結合TNF受體相關因子2（TRAF-2）和受體相互作用蛋白（RIP）來引發(fā)凋亡。TRAF-2和RIP可以活化NF-κB，進而誘導激酶NIK使NF-κB的抑制蛋白發(fā)生磷酸化，促進NF-κB的降解和釋放，NF-κB轉入核內，激活一系列基因的表達，從而導致細胞發(fā)生凋亡[15]。

3內質網(wǎng)凋亡通路

內質網(wǎng)通路是近些年發(fā)現(xiàn)的一種新的凋亡途徑[16]。內質網(wǎng)凋亡通路即內質網(wǎng)應激（ERS）所引起的細胞凋亡過程。輕度的ERS可促進內質網(wǎng)處理掉未折疊的及錯誤折疊的蛋白質，來達到降低損傷的目的，然而持久或嚴重的ERS可引發(fā)細胞凋亡[17]。目前，已知ERS誘導細胞凋亡的途徑有3條，分別為CHOP/GADD153基因的激活轉錄、JNK通路和Caspases通路。

3.1CHOP/GADD153基因的激活轉錄

CHOP/GADD153是ERS的一個轉錄因子。細胞在正常情況下，CHOP含量很低，主要在細胞質中存在。細胞在應激狀態(tài)下，IRE-1、PERK和ATF6的活化都能誘導激活CHOP，CHOP表達量顯著提高，CHOP在細胞核內聚集，促進細胞凋亡。

CHOP可能通過誘導TRB3的表達抑制絲氨酸-蘇氨酸蛋白激酶（AKT）的活性，促進細胞凋亡[18]。TRB3是一種激酶類似蛋白，能夠與絲氨酸-AKT直接結合，而AKT是抗凋亡信號分子。另外，CHOP還可調節(jié)Bcl-2蛋白家族。另外，CHOP可以通過上調促凋亡蛋白Bax/Bak的表達、抑制抗凋亡蛋白Bcl-2的表達，而促進細胞發(fā)生凋亡[19]。

3.2JNK通路

JNK通路可以調節(jié)凋亡相關靶基因的轉錄和凋亡蛋白的表達。JNK被激活后，從細胞質轉移到細胞核中，磷酸化激活C-Jun、C-Fos等轉錄因子，調節(jié)下游凋亡相關靶基因的表達。JNK還可以直接調節(jié)細胞質內靶蛋白的活性，介導線粒體途徑的細胞凋亡。例如，JNK可以上調BH3-only蛋白中Bim、Bid、DP5的表達，活化Bax等促凋亡蛋白，引發(fā)線粒體途徑的細胞凋亡[20]。

3.3Caspases通路

Caspase-12是Caspases家族的成員之一，僅在ERS時被激活，是產生在內質網(wǎng)中介導ERS凋亡的關鍵分子。在ERS狀態(tài)下，Caspase-12酶原被激活，協(xié)同激活Caspase-9酶原，再以Caspase-3途徑導致細胞凋亡[21]。

4壞死性凋亡通路

近年來研究表明，壞死性凋亡的細胞形態(tài)與壞死相似，但與壞死不同之處在于壞死性凋亡是受細胞內信號通路調控的。壞死性凋亡也是一種不同于凋亡的死亡形式，它不依賴于關鍵凋亡因子Caspases，在凋亡受到抑制的情況下仍可以介導細胞死亡[22]。

壞死性凋亡途徑的啟動依賴部分死亡相關受體的激活，Rip1在壞死性凋亡過程中處于重要的位置，游離Rip1的產生與TNFR1有關。當Caspase-8的激活遇到阻礙時，來自Rip1中的RHIM結構域和Rip3形成復合物Ⅱb，可以誘導細胞發(fā)生壞死性凋亡。Rip1也參與Caspase-8相關的細胞凋亡途徑。

細胞膜上的TNFR1是壞死性凋亡的啟動受體，它可以接受細胞外的信號刺激，來招募壞死性凋亡的相關蛋白，如TRADD、Rip1、cIAP1/cIAP2以及TRAF2/TRAF5，形成近膜超分子結構的復合物1[23]。復合物1能夠激活NF-κB通路，促進細胞增殖。去泛素化酶A20及CYLD可使Rip1發(fā)生去泛素化反應，引發(fā)復合物1的裂解，從復合物中游離出Rip1和TRADD，而游離的Rip1、FADD和Caspase-8形成復合物Ⅱa，激活Caspase-8，并進一步激活下游的Caspase-3等Caspases成員，誘導細胞凋亡。

死亡受體凋亡途徑中的凋亡相關蛋白FADD/Caspase-8能夠負向調控Rip1和Rip3的表達，從而可以調控壞死性凋亡 [24-25]。Rip1在壞死性凋亡過程中處于重要位置的具體表現(xiàn)是：①當Rip1的活性被抑制后能夠阻礙復合物Ⅱb的形成，繼而抑制細胞壞死性凋亡;②當LUBAC等泛素化修飾Rip1后可以激活NF-κB通路，抑制壞死性凋亡的發(fā)生;③當Rip3與Rip1結合后可以激活MLKL，促進壞死性凋亡;④Rip1與Caspase-8結合可誘導下游分子作用，從而介導細胞發(fā)生凋亡。

5展望

細胞凋亡是一種復雜的生理及病理現(xiàn)象，不同的誘導因素可通過相同的信號傳導途徑來誘發(fā)細胞凋亡，不同的凋亡信號途徑也是緊密聯(lián)系和相互作用的。腫瘤的發(fā)生不僅僅是細胞的異常增殖和分化引起的，還和腫瘤細胞的凋亡過程受到抑制有關。腫瘤的生長處在細胞增殖過程和細胞死亡過程的動態(tài)平衡狀態(tài)，促進腫瘤細胞發(fā)生凋亡而導致腫瘤細胞死亡，就能夠達到顯著減少腫瘤細胞的目的，這是研究治療腫瘤藥物的一個重要方向。隨著對凋亡機制的不斷深入研究，從凋亡通路中尋找有效的治療腫瘤的靶點，使腫瘤細胞快速凋亡，可達到控制和治療腫瘤的目的。

[參考文獻]

[1]DEGTEREV A， HUANG Z H， BOYCE M， et al. Chemical inhibitor of nonapoptotic cell death with therapeutic potential for ischemic brain injury[J]. "Nature Chemical Biology， 2005，1（2）：112-119.

[2]ZHOU Wen， YUAN Junying. Necroptosis in health and diseases[J]. "Seminars in Cell amp; Developmental Biology， 2014，35：14-23.

[3]吳偉，徐蔚. 線粒體通透性轉換孔結構和功能的研究進展[J]. "醫(yī)學信息（上旬刊）， 2011，24（3）：1753-1754.

[4]LI L Y， LUO X， WANG X. Endonuclease G is an apoptotic DNase when released from mitochondria[J]. "Nature， 2001，412（6842）：95-99.

[5]MONDAL J， DAS J， SHAH R， et al. A homeopathic nosode， Hepatitis C 30 demonstrates anticancer effect against liver cancer cells in vitro by modulating telomerase and topoisome-rase Ⅱ activities as also by promoting apoptosis via intrinsic mitochondrial pathway[J]. "Journal of Integrative Medicine， 2016，14（3）：209-218.

[6]DONEPUDI M， MAC SWEENEY A， BRIAND C， etal. Inslghts into the regulatory mechanism for caspase-8 activation[J]. ""Mol Cell， 2003，11：543-549.

[7]TSUKAHARA S， YAMAMOTO S， AHMED S， et al. Inhalation of low-level formaldehyde increases the Bcl-2/Bax expression ratio in the hippocampus of immunologically sensitized mice[J]. ""Neuroimmunomodulation， 2006，13（2）：63-68.

[8]MUNOZ P C， GUIO C A， GOLDSTEIN J C， et al. Different mitochondrial intermembranespace proteins are released during apoptosis in a manner that is coordinately initiated but can vary in duration[J]. "Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America， 2006，103（31）：11573-11578.

[9]GARCIA-SAEZ A J. The secrets of the Bcl-2 family[J]. "Cell Death Differ， 2012，19（11）：1733-1740.

[10]PARK H H. Structural features of caspase-activating complexes[J]. "International Journal of Molecular Sciences， 2012，13（4）：4807-4818.

[11]JIA Lintao， CHEN Siyi， YANG An′gang. Cancer gene therapy targeting cellular apoptosis machinery[J]. "Cancer Treatment Reviews， 2012，38（7）：868-876.

[12]YUAN S Y， CHENG CHENLI， HO H C， et al. Nortriptyline induces mitochondria and death receptor-mediated apoptosis in bladder cancer cells and inhibits bladder tumor growth in vivo[J]. "European Journal of Pharmacology， 2015，761（761）：309-320.

[13]BAUD V， KARIN M. Signal transduction by tumor necrosis factor and its relatives[J]. "Trends in Cell Biology， 2001，11（9）：372-377.

[14]SHEN H M， PERVAIZ S. TNF receptor superfamily-induced cell death：redox-dependent execution[J]. "FASEB Journal， 2006，20（10）：1589-1598.

[15]TANG Wanhu， WANG Weimin， ZHANG Yaxi， et al. Tumour necrosis factor-related apoptosis-inducing ligand（TRAIL）-induced chemokine release in both TRAIL-resistant and TRAIL-sensitive cells via nuclear factor kappa B[J]. "FEBS Journal， 2009，276（2）：581-593.

[16]LOGUE S E， CLEARY P， SAVELJEVA S， et al. New directions in ER stress-induced cell death[J]. "Apoptosis：an International Journal on Programmed Cell Death， 2013，18（5）：537-546.

[17]RAJAN S S， SRINIVASAN V， BALASUBRAMANYAM M， et al. Endoplasmic reticulum （ER） stress amp; diabetes[J]. "In-dian Journal of Medical Research， 2007，125（3）：411-424.

[18]關麗英，許彩民，潘華珍. 內質網(wǎng)應激介導的細胞凋亡[J]. "生物化學與生物物理進展， 2007，34（11）：1136-1141.

[19]FU H Y， OKADA K I， LIAO Y L， et al. Ablation of C/EBP homologous protein attenuates endoplasmic reticulum-mediated apoptosis and cardiac dysfunction induced by pressure overload[J]. "Circulation， 2010，122（4）：361-369.

[20]ZHONG Fei， TONG Zhuting， FAN Lulu， et al. Guggulsterone-induced apoptosis in cholangiocarcinoma cells through ROS/JNK signaling pathway[J]. "American Journal of Cancer Research， 2016，6（2）：226-237.

[21]劉春蕾，何昆侖，王莉莉. 基于內質網(wǎng)應激途徑的細胞保護策略的研究進展[J]. "中國藥理學通報， 2011，27（4）：455-458.

[22]余永晟，李金，黃海，等. 壞死性凋亡在惡性腫瘤中的研究進展[J]. "嶺南現(xiàn)代臨床外科， 2016，16（1）：111-114.

[23]MICHEAU O， TSCHOPP J. Induction of TNF receptor Ⅰ-mediated apoptosis via two sequential signaling complexes[J]. "Cell， 2003，114（2）：181-190.

[24]OFENGEIM D， YUAN J Y. Regulation of RIP1 kinase signalling at the crossroads of inflammation and cell death[J]. "Nature Reviews Molecular Cell Biology， 2013，14（11）：727-736.

[25]WENG D， MARTY-ROIX R， GANESAN S， et al. Caspase-8 and RIP kinases regulate bacteria-induced innate immune responses and cell death[J]. "Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America， 2014，111（20）：7391-7396.