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細胞自噬、凋亡和壞死性凋亡的分子關系

作者:未知

  摘要:大量潛在的致死因素能夠對細胞造成損傷,這些因素可以通過激活特殊的分子通路進而殺死細胞。有些死亡方式是根據細胞的形態學變化來定義的,但更多的是通過相關調控分子的作用而進行明確定義。隨著對細胞死亡越來越深入透徹的研究,多種不同的細胞死亡通路也得到了更加全面、徹底的闡述,它們之間存在的分子關系也成為研究和爭議的熱點。本文通過闡明自噬和壞死性凋亡的分子通路及發生原理,對兩者控制細胞死亡的特殊分子途徑的不同特征及它們之間的分子關系進行了詳細描述。
  關鍵詞:自噬;凋亡;壞死性凋亡;半胱天冬酶
  中圖分類號: Q255文獻標志碼: A文章編號:1002-1302(2019)16-0006-03
  收稿日期:2018-04-09
  自噬是一種“自食”的胞內機制。在這一過程中,蛋白和細胞器被特殊的胞內囊泡包裹,并在溶酶體內蛋白酶的作用下徹底裂解后供細胞重新利用。大多數細胞在休眠狀態下會發生低水平的自噬。某些刺激因素能夠提高自噬的概率,如營養匱乏等。自噬小體的囊泡能夠以非特異性(如大自噬)或特異性(如線粒體自噬)的方式包裹細胞質內容物。UNC-51樣激酶(UNC-51-like kinase,簡稱ULK)蛋白復合體能夠誘導自噬小體的形成,也會受到哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,簡稱mTOR)途徑的負調控,而mTOR是1個主要的營養傳感器。因此,生長因子和氨基酸的缺失以及化學抑制劑雷帕霉素都可以利用這一通路引發細胞自噬。ULK能夠促進自噬小體膜的形成,并激活磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatylinositol 3-kinase,簡稱PI3K)復合體Ⅲ,PI3K抑制劑能夠在早期抑制自噬的發生。
  1自噬與細胞死亡的關系
  促生存BCL-2蛋白家族成員(the pro-survival B cell lymphoma 2 family members)是BH3(BCL-2 homology 3)擬態混合物ABT-737的靶標,這些家族成員能夠通過結合自噬蛋白Beclin1(BECN1/ATG6/VPS30)的BH3樣結構域直接抑制細胞自噬。當Beclin 1過表達時,BCL-2能夠與Beclin 1發生免疫共沉淀。然而最近的研究發現,促生存的BCL-2蛋白家族對自噬的抑制主要依賴于固有凋亡途徑功能的完整性。當固有凋亡途徑由于BAX基因和BAK基因的敲除而徹底失去功能時,抗凋亡BCL-2家族成員的過表達便無法通過一系列刺激阻止自噬的激活[1]。因此,與BAX和BAK基因對自噬的獨立調控相反,BCL-2家族成員或BH3擬態對自噬的調控是間接的。在BAX和BAK基因敲除的細胞中,DNA嵌入劑依托泊苷也能夠引起自噬反應,然而,藥物是否會因為自噬而引起細胞死亡尚未知。關鍵自噬基因的敲除是將自噬的功能作為一種細胞死亡類型最清晰的方式。例如,可以通過將Bax-/-、Bak-/-和ATG5-/-型細胞與3種基因均缺陷的細胞進行比較,從遺傳學上區分自噬性細胞死亡。有研究表明,在果蠅發育期間移除中腸結構后,即使在缺乏含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶(caspase)的情況下,也能夠發生自噬現象。在這些試驗條件下對自噬基因進行沉默,結果表明,自噬的發生主要是為了消除細胞,并不依賴于caspase的活性。總的來說,自噬途徑是一種細胞保存和重復利用資源的機制,可促進細胞死亡。有研究表明,外在的細胞死亡途徑中的分子可在自噬的調控中起作用。因此可見,細胞死亡途徑和自噬途徑應該可以在多水平上互作。
  2凋亡與壞死性凋亡的關系
  壞死是一種不可調控的細胞毒素性損傷結果,其發生不需要特殊的分子作用。然而,在最近10年中,人們發現了1種可調控形式的壞死性細胞死亡,并將其稱為壞死性凋亡,因為它兼具凋亡和壞死的特征。壞死性凋亡不僅是一種特定的分子級聯反應控制的過程,也具有細胞和細胞器腫脹導致細胞裂解的特征。裂解后釋放的大量細胞內容物可作為損傷相關分子模型(damage-associated molecular patterns,簡稱DAMPs),例如mt DNA、HMGB1、IL-33、IL-1或S100a9等,均能增強炎癥反應[2]。壞死性凋亡與大量的炎癥病理相關,如胰腺炎、腸炎和疾病感染等[3-7]。
  1998年,Vercammen等首次在以腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor α,簡稱TNF-α)或Fas L以及caspase抑制劑處理的鼠科L929纖維原細胞中發現了壞死性凋亡特征[7-8]。后來的研究表明,在出現多種刺激的情況下,如TNF受體的信號通路、T細胞受體刺激、干擾素、一些抗癌藥物、病原相關分子模式激活RIG-Ⅰ樣或Toll樣受體、遺傳毒性或氧化應激、病毒介導的干擾素(IFN)調控因子的DNA依賴性激活劑(DNA-dependent activator of IFN-regulatory factors,簡稱DAI)的激活等,尤其是caspase8的抑制能夠引起壞死性凋亡的發生[9-10]。壞死性凋亡的發生過程需要絲氨酸/蘇氨酸受體互作蛋白激酶1(receptor interacting protein kinases 1,簡稱RIPK1)和RIPK3,以及混合系列蛋白激酶樣結構域(mixed lineage kinase like,簡稱MLKL)的參與。目前認為,壞死性凋亡是一種由受體互作蛋白(receptor interacting protein,簡稱RIP)激酶和混合系列蛋白激酶樣結構域(mixed lineage kinase like,簡稱MLKL)介導的caspase依賴性細胞死亡。從試驗角度來講,這通常與caspase抑制劑的使用或RIPK3/MLKL的敲除、沉默有關。
  大多數報道的壞死性凋亡刺激都是由于腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,簡稱TNF)的產生和與腫瘤壞死因子受體1(tumor necrosis factor receptor 1,簡稱TNFR1)相關信號通路的激活能夠刺激壞死性凋亡的發生。在試驗設置中,TNFR1的信號通路中caspase8和cIAPs的活性受到抑制時會促進壞死性凋亡的發生。TNF與TNFR1的結合會導致cIAPs作用下的受體互作蛋白激酶Ⅰ(receptor interacting protein kinase Ⅰ,簡稱RIPK1)的多聚泛素化,從而在空間上限制RIPK1形成細胞死亡復合體。當cIAPs缺失或利用凋亡抑制劑(inhibitor of apoptosis,簡稱IAP)處理降解cIAPs后,1種稱作RIPoptosome的細胞死亡信號復合體就會形成,由去泛素化的RIPK1、Fsa相關死亡結構域(fas associated death domain,簡稱FADD)、caspase8和FADD樣白介素1β轉化酶抑制蛋白[FADD like interleukin-1β converting enzyme (FLICE) inhibitory protein,簡稱cFLIP]組成[11-12]。在這種動態變化中,細胞的存活主要依賴于caspase8的活性。RIPK1和RIPK3是caspase8的底物,在胚胎發育和炎癥反應中,它們的裂解能夠引發凋亡,阻止大面積的壞死[13-14]。   在caspase8失活的情況下,RIPK1和RIPK3不再發生裂解,兩者能夠通過其RHIM結構域發生互作,并作為激酶啟動壞死性凋亡[15]。壞死小體是由RIPK1、RIPK3與MLKL共同組成的復合物[16]。其中,RIPK1能夠使RIPK3發生磷酸化,進而使MLKL磷酸化,直接引發細胞死亡。一旦發生磷酸化,假激酶MLKL會發生構象改變,從而將1個特殊的4螺旋束結構域插入細胞質膜,破壞質膜的完整性[17-19]。最新的研究表明,RIPK1可以通過控制RIPK3的寡聚化抑制自發的RIPK3激活。然而,缺乏RIPK1的細胞會增加自發的RIPK3依賴性的壞死性凋亡,而以壞死性凋亡抑制劑處理后的細胞就不會發生壞死性凋亡[20-21]。圍產期致命性的Ripk1基因缺陷小鼠在缺失Ripk3或Mlkl后會得到改善,這就表明RIPK1非依賴性(RIPK3/MLKL依賴性)壞死性凋亡的存在,這與前面的結論一致。Ripk1基因的敲除不能治療caspase8缺陷型小鼠,而RIPK3的基因缺失可以治療,這一事實就證明了上述想法[22-23]。進一步的研究表明,由TLR3/4或MCMV引起的壞死性凋亡不依賴于RIPK1[10,24]。
  由RIP蛋白凋亡體的組分造成的caspase依賴性和非依賴性的死亡應答,仍存在其他水平上的交叉調控,目前很多RIP蛋白凋亡體還沒有研究透徹。例如,cFLIP的長同分異構體cFLIPL與caspase8形成了1種具有催化活性的異質二聚體,能夠改變caspase8底物特異性的光譜[25]。該二聚體能夠通過抑制RIPK3來抑制壞死性凋亡[26]。相反,cFLIP的短同分異構體cFLIPs可抑制caspase8的活性并能在缺乏cIAPs的情況下促進壞死性凋亡復合體的形成[11-12]。最新研究表明,RIPK3和FADD的共缺失能夠使cFLIP致死性基因型敲除小鼠存活,但若僅其中1個缺失,小鼠便會死亡[27]。凋亡與壞死性凋亡的另1個分子共調控的例子就是頭帕腫瘤綜合征蛋白(cylindromatosis,簡稱CYLD)基因。這一基因編碼了1種具有去泛素化功能的細胞質蛋白,在全基因組掃描中將其作為一種壞死調節器。CYLD能夠通過促進RIPK1在TNFR1膜受體復合物中的去泛素化而促進壞死性凋亡[28]。caspase8能夠通過裂解CYLD抑制壞死性凋亡[29]。總的來說,這些例子可以表明,壞死性凋亡和固有的凋亡途徑以一種復雜而有趣的方式進行緊密結合并相互協調。各種細胞死亡方式之間的共調控與這些復雜的互作之間的不同作用都有待研究。
  3自噬和壞死性凋亡的分子關系
  在多種細胞死亡方式的復雜關系網中,自噬和壞死性凋亡途徑之間的互作關系目前尚不十分清楚。不過,已經有數據證明了這些互作關系。在小鼠纖維原L929細胞的研究中,僅僅是pan-caspase抑制劑zVAD處理就可以引發細胞死亡。部分特征就是自噬小體液泡的形成。由于RIPK1、ATG7或Beclin-1表達量的降低抑制了死亡應答,所以試驗數據一方面說明了這些自噬基因有助于壞死性凋亡細胞死亡,另一方面說明caspase激活能夠抑制自噬性細胞死亡。對遺傳改良小鼠T細胞的研究表明,T細胞激活后,1個由FADD和caspase8構成的DISC樣復合體會與RIPK1在自噬小體膜上進行組裝。ATG5和FADD之間的蛋白-蛋白互作是這一復合體組裝的關鍵。在功能的水平上,這一模型表明,自噬的某些水平需要正常增殖的T細胞應答。FADD、caspase8和RIPK1都調控著應答的程度,因為FADD和caspase8的敲除增強了自噬,鈍化了增殖,同時壞死性凋亡抑制劑對RIPK1的抑制能夠在缺乏正常FADD功能的T細胞中恢復增殖應答。最新的研究表明,RIPK3的缺失也能夠重建細胞增殖[30]。這一調控水平可檢測在克隆繁殖中1種引起T細胞死亡的非調控性自噬發生的可能性。此外,這些數據表明,caspase8活性的調控在T細胞增殖應答的調控中具有重要作用。其他受體信號系統中的自噬和壞死性凋亡途徑交叉調控仍需要進一步的研究。
  4結論
  相同的有害損傷能夠通過不同的分子途徑導致細胞死亡。一些信號途徑通過相同的分子匯集起來,這些交叉點都是可調控的,細胞可能通過這些點決定它們的死亡方式[31]。同時,有證據表明,某些胞內應激總是利用一種特定的細胞死亡途徑,例如BCL-2調控途徑。很明顯,其他細胞毒素應答也參與多種機制,細胞死亡可以通過這些機制被引發。自噬和壞死性凋亡的交叉點是分子病理學中比較有趣而且容易擴展研究的部分。有時生理學結果是細胞死亡,而激活細胞死亡途徑的因子表達量的降低,影響了炎癥反應的發生。自噬性細胞死亡和壞死性凋亡反應的結果都是導致細胞死亡,但兩者對相似刺激是否有不同的生理學結果仍有待確定,這仍是進一步研究的熱門話題。
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