文献速递 | 细胞生命的终结（一）——细胞死亡类型

背景

细胞死亡是一个复杂而又相互关联的过程，在维持组织内平衡和预防疾病方面起着至关重要的作用。细胞死亡有多种类型，包括坏死、凋亡、自噬等，各有不同的形态特征和分子机制。了解细胞死亡的各种过程对于了解疾病和发展新的治疗方法至关重要。本期将简要讲述细胞坏死（Necrosis）、凋亡（Apoptosis）、自噬（Autophagic）、焦亡（Pyroptosis）、铜死亡与铁死亡（Cuproptosis & Ferroptosis）。

图1 细胞坏死与细胞凋亡的主要特征

坏死是由外部刺激引起的不受控制的细胞死亡过程，以细胞肿胀、细胞膜破裂和细胞内容物释放为特征；凋亡是基因调控和控制的细胞死亡过程，涉及细胞收缩、染色质凝结、膜出血、核分裂和凋亡体形成等形态学特征。细胞凋亡形成的分裂成小膜性凋亡体，会被邻近的实质细胞、肿瘤细胞或巨噬细胞吞噬清除，而坏死细胞释放的细胞内容物能够激活免疫系统并损害邻近的细胞，导致细胞膜破裂和炎症。

图2 细胞凋亡信号通路

导致细胞凋亡主要有两种途径：外在途径和内在途径。外在途径由细胞外配体（肿瘤坏死因子TNF-α和Fas配体FasL）与死亡受体（分别为 TNF 和 Fas 受体）结合激活。细胞外配体与死亡受体结合后，形成死亡诱导信号复合物 (DISC)，并募集和激活启动蛋白酶，例如 caspase-8 和 caspase-10。然后，这些启动蛋白酶裂解并激活效应蛋白酶，例如 caspase-3、-6 和 -7，导致细胞内成分降解并诱导细胞凋亡. 内在途径由细胞内应激源激活，例如 DNA 损伤、氧化应激和生存信号丧失，导致线粒体外膜通透化。该途径受 Bcl-2 家族抗凋亡蛋白 (Bcl-2 和 Bcl-xL)、促凋亡蛋白 (Bax 和 Bak) 和 BH3 特异性蛋白 (Bim 和 Bid) 调控。在细胞内应激反应中，促凋亡 BH3 特异性蛋白的激活会抑制抗凋亡蛋白，从而使 Bax 和 Bak 形成线粒体孔并将细胞色素 c 释放到细胞溶胶中。释放的细胞色素 c 与凋亡蛋白酶活化因子 1 (Apaf-1) 形成凋亡小体并激活 caspase-9 (图2B )。这两条通路最终汇聚在 caspase 3 上，从而介导细胞凋亡的执行。

图3 显示了三种类型的自噬，即巨自噬、微自噬和分子伴侣介导的自噬。

巨自噬涉及形成双膜囊泡，这些囊泡吞噬细胞质成分和细胞器，然后与溶酶体融合形成自溶酶体；微自噬涉及将细胞质成分和细胞器直接吞噬到溶酶体中；分子伴侣介导的自噬通过分子伴侣蛋白降解特定蛋白质并将其运送到溶酶体。

自噬性细胞死亡为Ⅱ型程序性细胞死亡，区别于细胞凋亡(Ⅰ型程序性细胞死亡)，是自噬途径激活的结果。

自噬是一种细胞过程，在此过程中，细胞质成分（包括细胞器和大分子）被隔离在双膜自噬体中，并被溶酶体降解。在正常情况下，自噬有助于维持细胞稳态并循环利用营养物质，同时清除有毒的细胞成分。然而，在某些情况下，如营养缺乏、氧化应激或暴露于细胞毒性剂，自噬可能会失调并导致细胞死亡。

自噬激活的第一步是形成隔离膜或吞噬泡，它是一种双膜结构，可以隔离要降解的细胞质成分。吞噬泡的形成需要 unc-51 样激酶 1 (ULK1) 复合物的作用，该复合物由几种蛋白质组成，即 ULK1、ATG13、FIP200/RB1CC1 和 ATG101。ULK1 复合物受多种信号通路调控，包括 mTOR 通路。在正常条件下，mTOR 的激活会抑制 ULK1 复合物的形成，从而抑制自噬；然而，在压力或营养缺乏条件下，mTOR 抑制会导致 ULK1 复合物的形成和自噬的启动。吞噬泡扩张并隔离待降解的细胞质成分，然后与溶酶体融合形成自噬溶酶体，隔离的内容物在溶酶体酶的作用下降解。自噬受复杂的蛋白质网络调控，包括 ATG 蛋白家族、Beclin-1 和微管相关蛋白轻链 3 (LC3) 。ATG 蛋白参与自噬途径的各个步骤，包括吞噬泡的形成、延长和闭合。Beclin-1 蛋白是吞噬泡形成所必需的，而 LC3 蛋白参与吞噬泡的延长和闭合以及自噬体的成熟。自噬激活最初导致大型细胞质空泡的形成，进而导致自噬性细胞死亡。自噬有促进细胞存活和细胞死亡的双面性，在某些情况下，自噬会导致癌细胞对化疗产生耐药性，但也可以通过自噬可以诱导细胞死亡并抑制肿瘤生长。

细胞焦亡（pyroptosis）是一种新的程序性细胞死亡方式，其特征为依赖于半胱天冬酶-1（caspase-1），并伴有大量促炎症因子的释放。细胞焦亡作为一种新的促炎程序性细胞死亡方式，与细胞凋亡在细胞形态学改变和发生机制上都有明显区别，并与阿尔兹海默症和2型糖尿病等疾病相关。但与凋亡不同的是，细胞发生焦亡时细胞膜上形成众多1~2 nm的孔隙，使细胞膜失去完整性，导致细胞膜失去调控物质进出的能力，最终导致细胞膜溶解，释放出细胞内容物，诱发炎症反应。同时细胞在发生焦亡的同时会释放出白细胞介素-1β(IL -1β)和白细胞介素-18(IL -18)，募集更多的炎症细胞，扩大炎症反应。

图4 细胞焦亡机制

细胞焦亡机制分为经典途经和非经典途经。在经典细胞焦亡途径中，NLRP3、NLRC4、AIM2、Pyrin等炎症小体被激活后将活化并裂解Pro-Caspase-1形成具有活性的Caspase-1，Caspase-1可以裂解GSDMD蛋白形成具有活性的N端与C端，N端促使细胞膜穿孔、细胞死亡；同时Caspase-1还可以处理pro-IL-1β形成有活性的IL-1β，释放到细胞外扩大炎症反应。NLRP1炎症小体同样介导经典焦亡途径，但GSDMD蛋白是否参与依赖NLRP1炎症小体的经典焦亡途径尚不得知。在受到脂多糖(LPS)刺激后，Caspase-4、Caspase-5和Caspase-11可以与LPS直接结合并启动焦亡进程，导致细胞膜穿孔、细胞溶解死亡并出现炎症反应。细胞这种依赖于Caspase-4/5/11的细胞死亡方式称为非经典途径细胞焦亡。在非经典细胞焦亡途径中，LPS可以直接与Capase-4/5/11结合，一方面，活化的Caspase-4/5/11可以裂解GSDMD蛋白，GSDMD蛋白N端既可以介导细胞膜溶解与细胞焦亡，还可以激活NLRP3炎症小体来活化Caspase-1，最终产生IL-1β并外释；另一方面，活化的Caspase-4/5/11激活通道Pannexin-1，释放ATP以开放胞膜通道P2X7，使细胞膜形成小孔诱导细胞焦亡，激活的Pannexin-1还通过外释K+激活NLRP3炎症小体，最终产生IL-1β并外释。

图5 铜死亡与铁死亡信号通路

过量的铜会对细胞和组织产生毒性，两种线粒体蛋白毒性应激途径介导铜凋亡。线粒体铁氧还原蛋白 1 (FDX1)  催化 ES–Cu²⁺还原为 Cu⁺，并将其释放到线粒体中。FDX1 还被确定为一种新型的脂酰化效应物，有助于有毒的脂酰化二氢硫辛酰胺 S-乙酰转移酶 (DLAT) 的积累。Cu⁺与脂酰化 DLAT 结合，促进脂酰化 DLAT 的二硫键依赖性聚集，导致有毒的脂酰化 DLAT 积累，随后导致细胞死亡。这种类型的细胞死亡取决于细胞中的铜含量和三羧酸 (TCA) 循环酶的脂酰化状态。

铁死亡是由脂质过氧化物的积累引起的，脂质过氧化物是通过脂氧合酶或其他酶氧化多不饱和脂肪酸产生的。脂质过氧化物通过多不饱和脂肪酸的氧化而积累，该过程可通过铁催化的 Fenton 反应进一步放大，产生 ROS 和羟基自由基，攻击和破坏细胞成分，特别是细胞膜，导致细胞死亡（图8B）。与之相抗衡的GPX4途径，通过胱氨酸/谷氨酸反向转运系统输入胱氨酸（抗氧化剂谷胱甘肽的前体），催化谷胱甘肽中和自由基和 ROS，保护细胞免受氧化应激和脂质过氧化，因此在调节脂质过氧化物和铁的积累方面发挥重要作用。铁死亡的特征是细胞内谷胱甘肽的消耗和谷胱甘肽过氧化物酶 4 (GPX4) 活性的降低，导致未代谢的脂质过氧化物的积累和高水平 ROS 的产生。其他可以调节铁死亡的因素包括铁代谢；脂质代谢酶的活性，如酰基辅酶 A 合成酶长链家族成员 4 (ACSL4)；以及参与细胞应激反应途径的基因的表达，如 p53 途径。在癌症治疗中，抑制胱氨酸/谷氨酸反向转运系统可诱导铁死亡。此外，使用铁死亡诱导剂，如 erastin 和 RSL3，可能成为一种新的癌症治疗方法。