花10分钟就能全面了解凋亡，铁死亡，坏死，焦亡和自噬的区别

前言

程序性细胞死亡(Programmed Cell Death，PCD)在生命体发育过程中普遍存在，是由基因决定的细胞主动有序的死亡方式，维持组织稳态中起着重要作用。这一过程异常调控与多种疾病发生有关，包括免疫学和发育障碍、神经系统疾病和癌症等。不同的程序性细胞死亡有其特异的生化特征，形态特征及核心靶点基因等。

01常见PCD的类型

细胞凋亡（Apoptosis）

细胞自噬（Autophagy）

细胞铁死亡（Ferroptosis）

细胞坏死（Necroptosis）

细胞焦亡（Pyroptotic Death）

细胞死亡途径和相关的形态及其生化标志特征



02细胞凋亡、坏死性凋亡



图一：细胞凋亡和坏死性凋亡的分子途径

细胞凋亡

细胞凋亡是一种形态学现象。在光学或电子显微镜下观察其特征包括：染核破裂、质膜起泡、细胞皱缩。最终细胞分裂成凋亡小体，这些凋亡小体被吞噬作用清除， 不会引发炎症反应。

细胞凋亡有两种不同的途径：

01 外在途径（死亡受体途径）

由细胞表面的死亡受体及相关配体引发。

死亡受体由TNFR 家族成员（TNFR1/2、Fas和DR3/4/5等）组成，其相关配体包括TNF-α、FasL、TRAIL、TWEAK等。配体结合诱导受体激活，导致死亡诱导信号复合物 (DISC) 的形成，从而激活pro-caspase。该复合体的成员包括衔接蛋白 FADD 和 TRADD，它们招募和激活caspase-8/caspase-10，然后可以激活下游效应器caspase（caspase-3、caspase -7）。激活后的caspase可直接降解细胞内的结构蛋白和功能蛋白，引起凋亡。

02 内在途径（线粒体途径）

涉及许多保守的信号蛋白，并取决于线粒体的完整性。

这个过程受到 Bcl-2 家族中蛋白质活性之间平衡的严格调节，Bcl-2家族由促凋亡（Bax、Bak、Bad、Bid、Puma、Bim 和 Noxa）和抗凋亡（Bcl-2 Bcl-2, Bcl-xL, Bcl-w, Mcl-1) 因子。当具有 BH3 结构域（如 BAD、BID 和 BIM）的促凋亡家族成员在细胞应激期间通过表达变化或通过翻译后修饰被激活时，会触发细胞凋亡。然后促凋亡蛋白 BAX 和 BAK 诱导线粒体外膜通透性 (MOMP) 发生变化，导致细胞色素 c 从细胞器的膜间隙释放。然后游离细胞色素 c 与 Apaf-1 形成称为凋亡小体的复合物，它激活 caspase-9 并触发一系列凋亡事件。

内在和外在途径最终都依赖于半胱天冬酶家族特定成员的蛋白酶活性。

半胱天冬酶分为两大类:“启动者”caspases-2、-8、-9、-10和 -12与上游促凋亡信号紧密耦合，并通过切割和激活下游“执行者”caspases-3、-6和-7起作用，修饰最终负责细胞分解的蛋白质。



图二：细胞凋亡的分子机制

细胞凋亡信号通路部分相关基因



坏死性凋亡

坏死性凋亡也是PCD的一种形式，由各种细胞因子和模式识别受体 (PRR) 介导。

因坏死性凋亡而死亡的细胞表型包括肿胀、膜破裂及染色体凝聚，并释放损伤相关分子模式 (DAMP)、炎症细胞因子和趋化因子，从而介导极端炎症反应。

坏死性凋亡信号通路主要通过受体相互作用蛋白激酶 3 (RIPK3) 的激活进行调节，RIPK3 磷酸化混合谱系激酶结构域样蛋白 (MLKL)，介导 MLKL 寡聚化。在坏死性凋亡过程中，这些蛋白质通过磷酸化、泛素化、糖基化和蛋白质-蛋白质相互作用通过翻译后调节进行微调。

大多数关于坏死性凋亡分子机制的研究涉及肿瘤坏死因子（TNF）信号通路。通常，TNF通过 NF-κB信号传导激活促炎基因来诱导炎症反应。将TNF与其受体TNFR1连接后，复合物I由TNFR1相关死亡域蛋白TRADD、TRAF2、RIPK1、细胞凋亡抑制剂（cIAP1 或 cIAP2）组成)和线性泛素链组装复合物 (LUBAC) 被招募。在复合物I中，cIAPs和 LUBAC通过K63连接的线性泛素链促进RIPK1泛素化，为招募下游蛋白质如 TAK1、TAB2/3提供平台，以及由 IKKα、IKKβ和NFκB必需调节剂 (NEMO)组成的IκB激酶 (IKK) 复合物。募集的下游复合物激活NF-κB和MAPK通路，导致促炎基因表达增加。

然而在某些条件下（例如复合物 I 的不稳定或 RIPK1 泛素化的抑制）TNF可以触发胞质凋亡复合物（complex II a or II b）的形成，包括Fas相关蛋白与死亡域 (FADD)和 caspase-8，这个复合体执行细胞凋亡。



图三：坏死性凋亡的分子机制

坏死性凋亡信号通路部分相关基因



03铁死亡及焦亡

铁死亡及焦亡作为最近热门研究方向，我们也先从图开始进行详细介绍吧！



图四：铁死亡和细胞焦亡的分子途径

细胞铁死亡

铁死亡是最近研究热门的一种受调节的细胞死亡形式。

当细胞发生铁死亡时会存在比正常线粒体更小的线粒体膜密度浓缩、线粒体嵴减少或消失以及线粒体外膜破裂。

参与铁死亡过程包括线粒体电压依赖性阴离子通道和丝裂原活化蛋白激酶的激活、内质网应激的上调和胱氨酸/谷氨酸逆向转运蛋白的抑制。该过程的特点是脂质过氧化产物和来自铁代谢的致死活性氧 (ROS) 的积累，并且可以通过铁螯合剂和脂质过氧化抑制剂。GPX4、HSPB1和NRF2分别通过限制 ROS 产生和减少细胞铁摄取来作为铁死亡的负调节因子。

相比之下，NOX和P53分别通过促进ROS产生和抑制 SLC7A11的表达而作为铁死亡的正调节剂。铁死亡调节异常与多种生理和病理过程有关，包括癌细胞死亡、神经毒性、神经退行性疾病、急性肾功能衰竭、药物诱导的肝毒性、肝和心脏缺血/再灌注损伤和 T 细胞免疫。



图五：(a)铁死亡的核心分子机制；(b)铁代谢的作用；

(c)ROS代谢；(d)铁死亡中的MAPK通路。

细胞铁死亡信号通路部分相关基因



细胞焦亡

细胞焦亡是由炎症小体组装介导的，伴随着GSDMD裂解和IL-1β和IL-18的释放。

炎症小体是多分子复合物，当宿主对微生物感染有抵抗力时会被激活，也促进适应性的发展免疫反应。此外，炎症小体还与非微生物疾病有关。炎性体的组装始于细胞溶质模式识别受体（PRR，也称为炎性体传感器），它们是能够识别病原体相关分子模式和危险相关分子模式（PAMPs和DAMPs）。PRRs的激活促进下游信号通路并导致I型干扰素的产生和促炎细胞因子的释放。PRRs与pro-caspase-1和ASC在细菌和病毒等信号分子刺激细胞后形成炎性体。

在经典途径中

PAMPs 和 DAMPs 接受细胞内信号分子刺激并与 pro-caspase-1和ASC组装形成炎症小体和活性caspase-1。Cleaved-caspase-1 裂解 GSDMD 和 pro-IL-1β/18。N-GSDMD 通过形成非选择性孔来穿透细胞膜，进一步导致水流入、裂解和死亡。此外，IL-1β和IL-18是从N-GSDMD形成的孔中分泌出来的。

在非经典途径中

胞质LPS激活caspase-4/5和caspase-11，通过裂解 GSDMD触发细胞焦亡。然而oxPAPC与LPS竞争结合 caspase-4/1，从而抑制细胞焦亡。

此外GSDMD的切割导致K+外流，最终介导NLRP3炎性体的组装，导致pro-IL-1β和pro-IL-18的切割。活化的 caspase-11还裂解 Pannexin-1，诱导ATP释放和P2X7R相关的细胞焦亡。

在caspase-3介导的通路中，活性caspase-3裂解GSDME形成N-GSDME，诱导细胞焦亡。在caspase-8 介导的通路中，抑制TAK1会诱导caspase-8的激活，后者裂解GSDMD，导致细胞焦亡。

而且在缺氧条件下，PD-L1被转移到细胞核，与p-Stat3一起调节GSDMC的转录，导致TNFα激活caspase-8后细胞凋亡转化为细胞焦亡。在颗粒酶介导的通路中，CAR T细胞通过释放GzmB迅速激活靶细胞中的caspase-3，然后GSDME被激活，引起广泛的细胞焦亡。此外细胞毒性淋巴细胞中的GzmA和GzmB通过穿孔素进入靶细胞并诱导细胞焦亡。GzmA水解GSDMB，GzmB直接激活GSDME。



图六：细胞焦亡的分子机制

细胞焦亡信号通路部分相关基因



04细胞自噬

自噬是一种自我降解过程，对于平衡发育关键时期的能量来源和应对营养压力非常重要。

自噬还在去除错误折叠或聚集的蛋白质、清除受损细胞器（如线粒体、内质网和过氧化物酶体）以及消除细胞内病原体方面发挥作用。自噬还促进细胞衰老和细胞表面抗原呈递，防止基因组不稳定并防止坏死，使其在预防癌症、神经变性、心肌病、 糖尿病、肝病等疾病中发挥关键作用。

自噬分为三种定义类型：巨自噬、微自噬和分子伴侣介导的自噬，所有这些都促进溶酶体中细胞溶质成分的蛋白水解降解。

巨自噬：通过双膜结合囊泡（称为自噬体）的中介将细胞质货物输送到溶酶体，该囊泡与溶酶体融合形成自溶酶体。

微自噬：溶酶体本身通过溶酶体膜的内陷直接吸收细胞溶质成分。宏观和微观自噬都能够通过选择性和非选择性机制吞噬大型结构。

分子伴侣介导的自噬 (CMA)：靶蛋白与可被溶酶体膜受体溶酶体相关膜蛋白 2A (LAMP-2A) 识别的伴侣蛋白（如 Hsc-70）形成复合物跨溶酶体膜易位，导致它们的折叠和降解。

自噬发生在四个阶段：诱导、成核、延伸、融合，每个步骤都有调节点。

诱导：自噬的抑制被许多可能的起始信号级联反应之一解除，涉及 I 类PI3K/Akt/mTOR)、AMPK)、eIF2α、p53、JNK1、IRE-1、IP3R或细胞内钙。

成核：囊泡成核发生在第二步，导致吞噬细胞的组装，吞噬细胞的双膜囊泡将吞噬细胞溶质。吞噬细胞在由Vps34 和Vps15 和 Beclin1 组成的蛋白质复合物组装后开始形成，其启动 Vps34 酶活性以磷酸化磷脂酰肌醇以生成 3-磷酸磷脂酰肌醇 (PI3P)。PI3Ps 的存在将含有 FYVE 和 PX 结构域的蛋白质募集到膜上，将其标记为自噬细胞。

延伸：自噬细胞在自噬的第三步通过泛素 E3 连接酶复合物延长，该复合物由自噬蛋白 (Atg) Atg5、Atg12 和 Atg16L1 组成，将磷脂酰乙醇胺 (PE) 与微管相关蛋白 1A/1B、轻链 3 (LC3 ）。LC3-PE 保持与吞噬细胞的内膜和外膜结合，因为它在长度上延伸，直到它完全吞没其货物成为自噬体。

融合：自噬体与溶酶体融合形成自溶酶体，自噬溶酶体通过水解酶降解其内容物，并将剩余物质输出到细胞质中以供再利用。



图七：细胞自噬分子机制。 

(A) 非选择性巨自噬；(B) 以线粒体自噬为例的选择性/靶向巨自噬；(C) 微自噬；(D) 伴侣介导的自噬；

细胞自噬信号通路部分相关基因



结语

目前大部分研究都集中在对各种类型细胞死亡的分子机制上，但是现在明显发现，不同的PCD不是独立运行的，如细胞凋亡、细胞焦亡和坏死性凋亡构成了一个单一的、协调的细胞死亡系统，其中一个途径可以灵活地补偿另一个途径。 

这种备用系统还具有显着的可塑性，使经典的凋亡触发器能够诱导细胞焦亡，而炎症性半胱天冬酶可以诱导细胞凋亡，这进一步模糊了所谓的细胞凋亡死亡的“免疫沉默”特征与细胞焦亡或坏死性凋亡的高度炎症后果之间的界限。PCD 与多种人类疾病有关，许多死亡调节基因对于不止一种通路是共有的； 

因此PCD应该被视为一个相互连接的模块网络，其靶向可能具有治疗益处。对细胞凋亡、坏死性凋亡、铁死亡、焦亡及自噬的关键研究，为PCD通路在癌症等疾病治疗中存在可能的靶向药物靶点提供研究思路。

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细死和相关的形态及其生化标志特

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