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细胞死亡机制:凋亡

2022-07-10 10:33:21
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  细胞的死亡可能是一个比最初想像的过程更为复杂的过程。细胞由于不同的原因以多种不同的方式过期。细胞可能在发育过程中死亡,也可能由于应激事件而死亡,例如代谢破坏、病原体入侵或生理组织损伤。

图例

  数十年来的研究已经允许对细胞可以以自毁的多种方式进行详细的表征和分类。有时,细胞的死亡可能是由快速的压倒性外部影响引起的,例如突然的生理损伤或意外的细胞死亡(ACD)。或者,细胞死亡可通过专用分子通路发生,该途径可通过药理或遗传手段控制,这被称为调节细胞死亡(RCD)。通常,根据形态变化、触发因素和涉及的生化通路,将细胞死亡分为三种不同的类型。

  凋亡(即 I 型细胞死亡)是程序性细胞死亡(PCD)的严格调控形式,可触发细胞自我毁灭而不受任何外部影响。它是生命的重要组成部分,特别是对于必须控制细胞的生长、发育和更新以维持体内平衡的多细胞生物而言。凋亡是胚胎正常发育的关键,当手指之间的细胞为了分开手指而凋亡时,可以观察到这一过程的典型例子。

  自噬(即 II 型细胞死亡)也经常被归类为一种程序性细胞死亡。

  然而,随着时间的推移,它可以促进细胞存活以及细胞死亡,这取决于环境。自噬是溶酶体吞噬细胞器和其他内容物以清除不必要或功能失调的成分的过程。该关键机制允许细胞材料的系统降解和回收。

  历史上,坏死(即 III 型细胞死亡)被认为是由于极端外部生理压力或 ACD 而偶然发生的过程。然而,近年来,研究人员阐明了特定的受调节分子机制,这些机制可在细胞处于应激状态且无法使用其他细胞死亡方法时触发。其中一些受调节的坏死细胞死亡通路,包括坏死性凋亡、焦亡、铁死亡和 NETosis。我将在本系列的后续博客中描述其中一些受调节的坏死细胞死亡通路(包括坏死性凋亡、焦亡、铁死亡),敬请期待。

  凋亡

  凋亡是程序性细胞死亡的严格控制的模式,其特征在于明显的形态变化以及特定 caspase 和线粒体控制通路的激活。可以通过内在或外在通路触发。内在通路可以通过细胞应激、DNA 损伤、发育信号、存活因子缺失被激活。通过检测来自其他细胞的细胞外死亡信号来触发外在通路。

  可以通过区分形态特征来鉴定凋亡细胞。它看起来收缩了,并显示出称为膜起泡的典型变形的膜。其特征还在于染色质浓缩和核碎裂。TUNEL 测定法通过以下方式利用这种 DNA 片段化来鉴定凋亡性细胞和组织:用与荧光团偶联的修饰 dUTP 标记片段化 DNA 的 3'OH 端。TUNEL 测定法是稳健且广泛使用的凋亡性细胞检测方法,因为它们不依赖于临时标记物。它们还兼容于抗体共标记实验步骤,以允许与免疫组织化学、流式细胞术和免疫荧光应用轻松多路复用。CST 提供三种简单易用的 TUNEL 试剂盒,它们在培养的细胞、组织和石蜡包埋样品中提供当日结果。

  膜起泡可导致在垂死细胞边缘形成小囊泡,称为凋亡小体。重要的是要注意,细胞膜在凋亡过程中保持完整。由于细胞膜在凋亡过程中保持完整性,因此防止了细胞内细胞因子和消化酶释放到细胞外空间,从而限制了邻近组织的损伤和炎症。然而,通常面对细胞质的细胞膜内的磷脂酰丝氨酸脂质翻转而暴露于细胞外空间。它们的存在是相邻吞噬细胞去除死细胞的信号。由于其与细胞膜上的磷脂酰丝氨酸脂质结合的能力,Annexin V 通常与能确认细胞膜完整性的试剂(例如碘化丙啶)一起用作早期凋亡的标志物。

  固有的凋亡通路涉及许多保守的信号转导蛋白,并取决于线粒体膜的完整性。Bcl-2 家族中蛋白质活性之间的平衡严格控制着这一过程, Bcl-2 家族蛋白由促凋亡因子(Bax、Bak、Bad、 Bid、 Puma、Bim 和 Noxa)和抗凋亡因子(Bcl-2、Bcl-xL、Bcl-w、Mcl-1)构成。当具有 BH3 结构域的促凋亡家族成员(如 BAD、BID 和 BIM)在细胞应激期间通过表达变化或翻译后修饰被激活时,就会触发凋亡。然后促凋亡蛋白 BAX 和 BAK 诱导线粒体外膜通透性(MOMP)的变化,从而导致细胞色素 c 从细胞器的膜间空间释放。然后,游离细胞色素 c 与称为凋亡小体的 Apaf-1 形成复合体,该复合物激活 caspase-9 并触发一系列凋亡事件。

  抗凋亡家族成员(例如 Bcl-2、Bcl-XL 和 MCL-1)可以结合并抑制促凋亡蛋白以防止凋亡。这些蛋白质通常在癌细胞中具有活性,因此是开发癌症治疗方法的有吸引力的靶标。转化研究集中于以不同方式靶向这些原癌蛋白。 一种策略是设计化合物以模拟含有 BH3 的促凋亡蛋白,该蛋白通过与促凋亡和抗凋亡家族成员之间的相互作用竞争来诱导凋亡。

  内在和外在的通路最终都取决于 caspase 家族特定成员的蛋白酶活性。这些 caspase 分为两个主要类别。与上游促凋亡信号和活动紧密相联系的“启动型”  caspases-2, -8、-9、-10 和 -12通过剪切下游的“执行型” caspases-3、-6、 和 -7,从而引起最终导致细胞分解的蛋白质发生改变。靶向这些 caspase 或其底物的裂解特异性抗体是鉴定细胞死亡的重要工具。例如,PARP 和 lamin A/C 等靶标可被执行型 caspase 剪切,而后成为凋亡的有用标志物。此外,凋亡抑制剂(IAP)家族的蛋白质包括 XIAP、cIAP1、C-IAP2、NAIP、Livin 和 Survivin,可阻断不同 caspase 的活性以防止细胞凋亡。例如,XIAP 与caspase-3、-7 和 -9 结合,以抑制其活性并防止关键凋亡蛋白的剪切。IAP 家族成员的表达是细胞存活增强的指标。

  当细胞外配体触发细胞表面死亡受体​激活后,Caspase 也可以通过外在通路被激活。死亡受体由 TNFR 家族成员(TNFR1/2、Fas 和  DR3/4/5)及其相关的配体(包括 TNF-α、FasL、TRAIL、TWEAK)构成。配体结合诱导受体激活,从而导致激活 pro-caspase 的死亡诱导信号转导复合体(DISC)的形成。复合体的成员包括衔接子蛋白、FADD 和 TRADD 9,它们募集并激活启动型 caspase-8 和执行型 caspase-3。有趣的是,死亡受体通路也可以通过 TNFR2 介导的 NF-κB 信号转导来诱导促存活基因 Bcl-2 和 FLIP 的表达,从而致使细胞存活。

  使用细胞死亡机制的研究者指南了解详情

  主要文献:Dickens, LS, Powley, IR, Hughes, MA, et al. (2012) Exp. Cell Res. 318, 1269–1277。 | Favaloro, B, Allocati, N, Graziano, V, et al. (2012) Aging 4, 330–349. | McIlwain, DR, Berger, T, 和 Mak, TW。(2013) Cold Spring Harb。Perspect。Biol. 5, a008656. | | Shamas-Din, A, Kale, J, Leber B 等人(2013) Cold Spring Harb。Perspect。Biol. 5, a008714.


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