今天就从大家平时接触最多,也最熟悉的细胞程序性死亡开始说起。
目前常见的细胞程序性死亡方式按大类可分为细胞凋亡(Apoptosis)、坏死性凋亡(Necroptosis)、焦亡(Pyroptosis)、铁死亡(Ferroptosis)、铜死亡(Cuproptosis)、泛凋亡(PANoptosis)以及粒细胞特有的死亡方式--胞外诱捕网死亡(ETosis)等。其它按诱导因素来分的死亡方式还有:自噬依赖的细胞死亡、溶酶体依赖的细胞死亡、有丝分裂障碍引起的细胞死亡、免疫原性细胞死亡等等。
(细胞程序性死亡方式总结。图片来源:参考文献1)
凋亡是最早发现,也是最广为人知的细胞程序性死亡方式,如果细分还可以分为内源性凋亡、外源性凋亡、失巢凋亡。凋亡既可以是由内外压力引起的病理性死亡,也可以是因发育需要介导的生理性凋亡,凋亡程序激活后通常会形成凋亡小体。
坏死性凋亡是2005年才被正式定义为程序性死亡的,区别于以往认为不受调控的细胞坏死,具有凋亡和坏死的特征,但激活通路有差异,主要标志是MLKL蛋白的磷酸化。
细胞焦亡是一种炎症性的程序性死亡,以炎性小体活化为主要特征,通常受到PAMP(病原体相关分子模式)/DAMP(损伤相关分子模式)的诱导。
需要注意的是,以上三种程序性死亡关系密切,凋亡和坏死性凋亡都能由TNF因子诱导,而坏死性凋亡也能通过激活NF-κB通路介导炎症因子的合成与释放。三种死亡方式若同时出现,重叠和交叉,就是我们近年来常看到的泛凋亡概念。
铁死亡是由铁离子依赖的脂质过氧化作用驱动的死亡,参与其中的主要通路有3条,分别是铁离子代谢通路,谷胱甘肽(GSH)合成和转化通路以及脂质代谢通路。
铜死亡是2022年3月才正式定义的死亡方式,主要由细胞内高浓度铜离子和高表达的FDX介导的蛋白硫辛酰化作用引起细胞毒性造成死亡。
最后,粒细胞的胞外诱捕网死亡,我们最熟悉的是中性粒细胞胞外诱捕网(NETs),而中性粒细胞死亡(NETosis)则是NETs形成过程中中性粒细胞特有的死亡方式。
那么以上几种常见的细胞程序性死亡方式,如何能关联我们所做的疾病或临床方向呢?这就需要我们首先来看一看各种细胞程序性死亡的特点。除了NETosis以外,其他的程序性死亡几乎在所有细胞类型中都有可能发生。因此我们可以从诱导因素和疾病特征两个方向来考虑如何选择。
通常诱导因素分为外部和内部两种。外部诱导因素包括病原体、压力(比如高渗透压、机械力等)、物理损伤、化学物质(损伤)、细胞因子等,这些诱导因素常常诱导凋亡、坏死性凋亡、焦亡、铁死亡的发生;也有内源性因素,比如DNA损伤、发育信号、ROS等,这些也常与以上死亡相关。具体来说,TNF信号能同时诱导凋亡和坏死性凋亡;DAMP和PAMP能诱导焦亡;ROS能诱导铁死亡,而铜死亡的诱导因素通常是铜离子过载。诸如此类,可以根据所选疾病方向面临哪种诱导因素而选择程序性死亡种类。
从疾病特征考虑,坏死性凋亡和焦亡都是炎性细胞死亡方式,即发生后会释放炎症因子。因此炎症性疾病病理部位的细胞通常都会出现细胞坏死性凋亡或焦亡。而治疗方法,如放疗、化疗都和DNA损伤相关,通常可以关联凋亡和铁死亡。此外,如果疾病病理特征复杂,那么多半会复合多种细胞死亡方式,因此泛凋亡是可以考虑的表型方向。
一旦通过以上方法对细胞死亡方式进行初步的推测和选择,就需要通过基础的实验进行验证。最直观的方法是观察表型,即通过透射电镜观察细胞是否有不同程序性死亡的特征。此外,除了直接观察,有些细胞死亡特征不显现,那么最为靠谱的方法是检测不同程序性死亡的标志物。
尽管以上两项就能够使我们初步确定和选择疾病相关的细胞程序性死亡方式,但遗憾的是,大多数情况下我们都会面临同一种疾病,同一种细胞类型发生2种以上的程序性死亡。那么这个时候就需要我们对其进行区分,判断哪种细胞程序性死亡方式在我们所研究的疾病和细胞类型中占主导。这个时候,一种有效的工具--抑制剂就成为了我们很好的帮手。
(《Science》上的铜死亡论文利用不同抑制剂筛选表型。图片来源:参考文献4)
下一回我们就来说一说,以上各种常见的程序性死亡方式具体有哪些检测方法,它们之间的区别和联系是什么,以及如何通过合理使用抑制剂,筛选和确定我们最终研究的细胞程序性死亡表型。
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参考文献:
[1] Galluzzi Lorenzo,Vitale Ilio,Aaronson Stuart A et al. Molecular mechanisms of cell death: recommendations of the Nomenclature Committee on Cell Death 2018. Cell Death Differ, 2018, 25: 486-541.
[2] Weinlich Ricardo,Oberst Andrew,Beere Helen M et al. Necroptosis in development, inflammation and disease. Nat Rev Mol Cell Biol, 2017, 18: 127-136.
[3] Zheng Min,Kanneganti Thirumala-Devi,The regulation of the ZBP1-NLRP3 inflammasome and its implications in pyroptosis, apoptosis, and necroptosis (PANoptosis). Immunol Rev, 2020, 297: 26-38.
[4] Tsvetkov Peter,Coy Shannon,Petrova Boryana et al. Copper induces cell death by targeting lipoylated TCA cycle proteins. Science, 2022, 375: 1254-1261.