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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,在一定情况下,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的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(autophagiccelldeath)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)-dependentcelldeath）等。起初人们认为不同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,在一定情况下,这些细胞死亡方式之间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[3]。1.1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%的同源性。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Ⅲ型PI-3激酶和Apg6,3-甲基腺嚷吟因抑制Ⅲ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。1.3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。近年来还发现在心力衰竭中也存在心肌细胞的过度自噬现象[4]。许多抗肿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,三氧化二砷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,意为肿胀。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]。2.1胀亡的形态学特征胀亡细胞的形态学表现为细胞肿胀,体积增大,胞浆空泡化,胞浆内出现致密颗粒,内质网肿胀,线粒体早期可出现致密化,后期肿胀,絮状改变或出现高致密颗粒,嵴破坏[6]；细胞肿胀波及核,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,类似于细胞浊肿、水变性、气球样变,继而发展为溶解性坏死的形态学改变。2.2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ATP水平的降低.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,依赖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﹢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ATP大量消耗,也可能会引起细胞内质网的Ca﹢库释放大量Ca﹢。细胞内的Ca﹢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,从而导致细胞肿胀,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,发现细胞肿胀,然后皱缩,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(programmedcelldeath,PCD)的一种方式,是一个受紧密调节的过程,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清除多余、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。3.1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梯状区带,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(programmedcelldeath,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DNA损伤、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DNA受损,在一些肿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Apaf-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,典型的如FAS/CD95、引起调节蛋白FADD(Fas-associatrddeathdomain)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,Bid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[8]。由于免疫系统的选择作用,95%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。4.1形态学特征细胞坏死表现为细胞肿胀,细胞膜的快速崩