細(xì)胞死亡的表觀形態(tài)學(xué)和病理機(jī)制

細(xì)胞死亡的表觀形態(tài)學(xué)和病理機(jī)制

根據(jù)表觀形態(tài)，可分為：細(xì)胞興衰、壞死、細(xì)胞自我排斥；它也可以分為半胱天冬酶參與的細(xì)胞死亡、中度鈣激活酶參與的細(xì)胞死亡、以組織酶和谷胺轉(zhuǎn)酶為主的細(xì)胞死亡。此外，根據(jù)其功能，它可以分為：過程性細(xì)胞死亡、意外細(xì)胞死亡、生理細(xì)胞死亡或病理細(xì)胞死亡。或者根據(jù)免疫特性，它可以分為免疫原性細(xì)胞死亡或無免疫原性細(xì)胞死亡。2009年細(xì)胞死亡命名委員會(huì)(NomenclatureCommitteeonCellDeath,NCCD)建議統(tǒng)一根據(jù)形態(tài)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)定義和分類細(xì)胞死亡,目前發(fā)現(xiàn)細(xì)胞死亡種類有凋亡(Apoptosis)、自噬性細(xì)胞死亡(Autophagiccelldeath)、壞死(Necrosis)、角化性細(xì)胞死亡(Cornification)、非典型細(xì)胞死亡,包括有絲分裂崩潰(Mitoticcatastrophe)、失巢凋亡(Anoikis)、沃勒變性(Walleriandegeneration)、副凋亡(Paraptosis)、細(xì)胞焦亡(Pyroptosis)、內(nèi)亡(Entosis)、興奮性中毒(Excitotoxicity)、鐵死亡(Ferroptosis)。死亡細(xì)胞的有效清除對一個(gè)有機(jī)體的存活是必要的。正在死亡的或者已經(jīng)死亡細(xì)胞的通過吞噬作用清除,根據(jù)不同的細(xì)胞死亡模式即凋亡、自噬和壞死,存在不同的機(jī)制來保證細(xì)胞殘骸的清除。1細(xì)胞死亡類型1.1凋亡小體的發(fā)生細(xì)胞凋亡是指為維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定,由基因控制的細(xì)胞自主、有序的死亡方式。凋亡細(xì)胞膜發(fā)生皺縮、凹陷,染色質(zhì)固縮,最后核碎片,很少或根本沒有細(xì)胞器超微結(jié)構(gòu)改變,細(xì)胞膜將細(xì)胞質(zhì)分割包圍,有些包圍了染色質(zhì)片段,形成多個(gè)膜結(jié)構(gòu)尚完整的泡狀小體,稱為凋亡小體。由于介紹文獻(xiàn)很多,本文不再累述。1.2自噬細(xì)胞的形成和細(xì)胞活力1962年Ashford和Porter在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)自食(self-eating)現(xiàn)象,比利時(shí)細(xì)胞學(xué)家和生物化學(xué)家、1974年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者DeDuve在1963年提出自噬(Autophagy)的概念。自噬發(fā)生在生理狀態(tài)下,參與細(xì)胞的基本生理過程,但是也可由不同應(yīng)激所引發(fā),自噬活性可成倍增加。自噬在細(xì)胞重塑、清除受損的或多余的細(xì)胞器、維持細(xì)胞動(dòng)態(tài)平衡等過程中扮演重要角色,但是細(xì)胞利用自噬機(jī)制降解外來和自身物質(zhì)的識(shí)別機(jī)制還不清楚。自噬按其發(fā)生的方式不同,可以分為大自噬(Macroautophagy)、小自噬(Microautophagy)和分子伴侶介導(dǎo)的自噬(Chaperonee-mediatedautophagy)。自噬是細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)利用溶酶體被降解的總稱,它是真核細(xì)胞所特有的。細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)主要有兩種降解途徑,一種通過蛋白酶體被降解,另一種通過自噬作用。蛋白酶體主要降解胞內(nèi)短壽命蛋白,而自噬負(fù)責(zé)長壽命蛋白和一些細(xì)胞器的降解。雖然毫無疑問,自噬促進(jìn)細(xì)胞存活,在多種生理情況和實(shí)驗(yàn)中觀察到死亡誘導(dǎo)刺激撤出后“自噬性細(xì)胞死亡”仍然可以恢復(fù)細(xì)胞活性。自噬性細(xì)胞死亡的定義:細(xì)胞死亡過程中不發(fā)生染色質(zhì)凝集,但伴隨著胞內(nèi)出現(xiàn)大量自噬空泡(Autophagicvaculization,AV)。與凋亡的細(xì)胞不同,在體內(nèi)發(fā)生的自噬性細(xì)胞死亡很少或沒有吞噬細(xì)胞參與清除。1.3細(xì)胞死tlr壞死(Necrosis)定義為細(xì)胞死亡過程中伴隨細(xì)胞體積增大(Oncosis),細(xì)胞器腫脹,質(zhì)膜破裂,細(xì)胞內(nèi)成分丟失。很長一段時(shí)間,壞死一直被認(rèn)為是一種不可控的非程序性細(xì)胞死亡機(jī)制,但是現(xiàn)在認(rèn)為部分類型的細(xì)胞壞死是可以被信號(hào)傳導(dǎo)通路所控制。例如,死亡域受體(如TNFR1、Fas/CD95和TRAIL-R)和Toll樣受體(例如TLR3和TLR4)已被證明引起壞死,特別是在半胱天冬酶抑制劑的存在的條件下,這些分子介導(dǎo)的細(xì)胞死亡依賴于RIP1激酶。程序性細(xì)胞壞死機(jī)制研究得不是很清楚,如下細(xì)胞器和小分子與細(xì)胞壞死過程相關(guān)。線粒體改變:解偶聯(lián)、產(chǎn)生活性氧、一氧化氮和線粒體膜通透性改變;溶酶體的變化:ROS、溶酶體膜通透性改變;細(xì)胞核變化:過度活躍PARP-1和隨之而來的水解的NAD+;脂質(zhì)降解:激活后磷脂酶、脂氧合酶和鞘磷脂;增加胞漿鈣離子(Ca2++)的濃度,導(dǎo)致線粒體過載和激活鈣激活中性蛋白酶、組織蛋白酶。1.4皮膚角化層的結(jié)構(gòu)組織學(xué)上角化(Cornification)是鱗狀表皮組織形成表皮屏障的過程。在細(xì)胞水平,角化性細(xì)胞死亡(Cornification)是發(fā)生在表皮程序性細(xì)胞死亡的一個(gè)非常具體的形式,形態(tài)和生化特征與凋亡明顯不同。角化伴隨角蛋白L、兜甲蛋白(Loricrin)、富脯氨酸蛋白(Smallproline-richproteins)和外皮蛋白(involucrin)和脂類———例如脂肪酸和ω-羥基神經(jīng)酰胺,這些是皮膚角化層的功能的產(chǎn)生。角化過程中,類似于其他脫核的組織———晶狀體上皮細(xì)胞和成熟紅細(xì)胞,細(xì)胞核和細(xì)胞器消失,在終末階段,細(xì)胞代謝停滯,細(xì)胞完全被角蛋白和較大的角蛋白中間纖維充斥。與角質(zhì)細(xì)胞不同,無論是成熟紅細(xì)胞和還是晶狀體上皮細(xì)胞在一定條件下不導(dǎo)致細(xì)胞死亡,角化被視為一個(gè)真正的細(xì)胞死亡程序。在分子水平上,角化是上皮細(xì)胞分化在外部環(huán)境和內(nèi)部酶和底物相互作用下形成的。通過交聯(lián)的酶如鈣依賴性轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶-1、3、5(Transglutaminase)作用于多個(gè)底物(例如兜甲蛋白,富脯氨酸蛋白,套膜蛋白和SP100),以及通過特殊脂類的合成并被釋放到細(xì)胞外基質(zhì)和蛋白酶。1.5非典型細(xì)胞死亡1.5.1細(xì)胞有絲分裂開裂細(xì)胞周期是由一系列連續(xù)事件按精確的時(shí)間順序進(jìn)行的動(dòng)態(tài)過程,受到DNA損傷檢查點(diǎn)和紡錘體組裝檢查點(diǎn)等細(xì)胞周期檢查點(diǎn)的精密調(diào)控。當(dāng)DNA受到損傷或紡錘體結(jié)構(gòu)破壞,細(xì)胞會(huì)通過一系列的信號(hào)通路激活細(xì)胞周期檢查點(diǎn),使細(xì)胞周期停滯,對DNA損傷進(jìn)行修復(fù),如果損傷太大無法修復(fù),細(xì)胞便啟動(dòng)死亡通路,導(dǎo)致細(xì)胞有絲分裂崩潰(Mitoticcatastrophe)。有絲分裂崩潰是一種細(xì)胞死亡模式,在有絲分裂期間或之后不久發(fā)生的有絲分裂異常狀態(tài),可伴有形態(tài)學(xué)改變,包括微核和多核(胞質(zhì)分裂缺陷導(dǎo)致存在兩個(gè)或兩個(gè)以上相似或異構(gòu)的核)。然而并沒有將這一廣泛使用的術(shù)語達(dá)成共識(shí),有絲分裂崩潰可導(dǎo)致細(xì)胞凋亡、壞死和衰老。細(xì)胞有絲分裂崩潰是由多種分子調(diào)控的過程,其死亡信號(hào)傳遞有很大一部分與凋亡相重疊。在發(fā)生機(jī)制上,PI3K/AKT、CDK1、P53及生存素等參與有絲分裂崩潰的調(diào)控。1.5.2特殊的結(jié)構(gòu)化細(xì)胞死亡形式失巢凋亡(Anoikis),一種特殊的細(xì)胞程序性死亡,是由于細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)或相鄰細(xì)胞脫離接觸而誘發(fā)的。失巢凋亡作為一種特殊的程序化細(xì)胞死亡形式,在機(jī)體發(fā)育、組織自身平衡、疾病發(fā)生和腫瘤轉(zhuǎn)移中起重要作用。由于歷史文獻(xiàn)庫相當(dāng)量的文獻(xiàn)使用失巢凋亡一詞,NCDD建議保留。失巢凋亡通過傳統(tǒng)的細(xì)胞凋亡途徑誘導(dǎo)細(xì)胞死亡。整合蛋白感知和傳導(dǎo)細(xì)胞外基質(zhì)信號(hào)而控制細(xì)胞的黏附和存活,Bcl-2和某些Bcl-2相關(guān)蛋白廣泛參與細(xì)胞失巢凋亡的調(diào)節(jié),多種蛋白激酶信號(hào)分子參與失巢凋亡的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。1.5.3分解代謝特征沃勒變性(Walleriandegeneration)是發(fā)生在神經(jīng)系統(tǒng)中的一種少見形式的細(xì)胞自食,其特征主要在于細(xì)胞的分解代謝,如,一個(gè)神經(jīng)元軸突發(fā)生部分退化,但并不影響神經(jīng)元胞體。沃勒變性并不是嚴(yán)格意義上的細(xì)胞死亡,因?yàn)槲掷兆冃陨窠?jīng)元仍然未死,只是軸突變性死亡。1.5.4副凋亡的tunel形態(tài)特征副凋亡(Paraptosis)這個(gè)術(shù)語最初是用來描述形態(tài)和PCD的一種形式,是Ⅲ型程序性細(xì)胞死亡中的典型代表。副凋亡典型特征是由線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腫脹造成的胞漿空泡化。與壞死不同的是,副凋亡并不出現(xiàn)細(xì)胞膜的破壞。副凋亡由胰島素樣生長因子受體1的表達(dá)所激發(fā),線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腫脹造成的胞漿空泡化,但是沒有凋亡的其他形態(tài)特征。半胱天冬酶抑制劑和過表達(dá)抗凋亡蛋白BCL2-XL不能抑制副凋亡,副凋亡TUNEL陰性。可能是絲裂原活化蛋白激酶的成員介導(dǎo)副凋亡發(fā)生。副凋亡與凋亡也有一些共同點(diǎn),如細(xì)胞膜表面磷脂酰絲氨酸外翻、線粒體跨膜電位下降。1.5.5apaf-1和工細(xì)胞毒性事件的發(fā)生首先在感染沙門氏菌巨噬細(xì)胞時(shí)發(fā)現(xiàn)細(xì)胞焦亡(Pyroptosis),它涉及半胱天冬酶-1而不是半胱天冬酶-3的活化,半胱天冬酶-1被稱為白細(xì)胞介素-1β(IL-1β)的轉(zhuǎn)化酶。傷寒沙門氏菌(和其他病原體,如綠膿桿菌和志賀氏菌福氏志賀菌)通過IPAF———一種Apaf-1相關(guān)NLR蛋白,誘導(dǎo)胱天蛋白酶-1的活化;炭疽芽孢桿菌致死毒素通過Nalp1誘發(fā)IPAF,不需要Apaf-1。此外,脂多糖處理的巨噬細(xì)胞經(jīng)過細(xì)胞焦亡的接頭蛋白介導(dǎo)的ASC,ASC與胱天蛋白酶-1一起形成超分子的細(xì)胞質(zhì)復(fù)合體———細(xì)胞焦亡體(Pyroptosome)。因此,不同的途徑誘導(dǎo)胱天蛋白酶-1活化導(dǎo)致細(xì)胞焦亡。這種細(xì)胞死亡形式導(dǎo)致釋放的IL-1β(這是一個(gè)主要發(fā)熱誘導(dǎo)細(xì)胞因子或熱原)和IL-18可能會(huì)起到相應(yīng)的局部和全身炎癥反應(yīng)。巨噬細(xì)胞焦亡無細(xì)胞凋亡形態(tài)特征,但是顯示了一些壞死相關(guān)性狀。1.5.6細(xì)胞侵入性死亡內(nèi)亡(Entosis)或叫侵入性細(xì)胞死亡最初描述亨廷頓氏病患者細(xì)胞自相殘殺的一種形式,是一個(gè)新的細(xì)胞死亡方式,其中一個(gè)細(xì)胞吞噬另一個(gè)活細(xì)胞,被吞噬細(xì)胞最后死于吞噬小體。在侵入性死亡過程中,細(xì)胞通過鈣黏著蛋白介導(dǎo)的細(xì)胞間連接作用,經(jīng)內(nèi)化過程侵入臨近的宿主細(xì)胞空泡內(nèi),被溶胞體酶系降解而導(dǎo)致死亡。細(xì)胞侵入性死亡可能在抑制腫瘤細(xì)胞的增殖中發(fā)揮作用,并已在乳腺癌細(xì)胞中得到初步證實(shí)。細(xì)胞侵入性死亡最有效的細(xì)胞模型是MCF-7乳腺癌細(xì)胞,MCF-7既無半胱天冬酶-1也無Beclin-1,因此是凋亡和自噬無能細(xì)胞。細(xì)胞侵入性死亡既不被BCL-2也不被Z-VAD-fmk所抑制,內(nèi)吞細(xì)胞最初是活的,隨后被溶胞體酶系降解而導(dǎo)致死亡。1.5.7興堅(jiān)性氨基酸的信號(hào)興奮性中毒(Excitotoxicity)是神經(jīng)元死亡的一種形式,神經(jīng)元受到興奮性氨基酸如谷氨酸的刺激,導(dǎo)致N-甲基-D-天門冬氨酸鈣離子滲透通道的開放,導(dǎo)致胞內(nèi)鈣超載和死亡信號(hào)激活,興奮性中毒的信號(hào)與細(xì)胞凋亡和壞死信號(hào)重疊,MMP的參與是其關(guān)鍵點(diǎn),一氧化氮參與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。興奮性中毒不能被認(rèn)為是作為一個(gè)單獨(dú)的細(xì)胞死亡方式。1.5.8ht-400細(xì)胞在細(xì)胞內(nèi)的表達(dá)2012年,Dixon等提出了一種叫做鐵死亡(Ferroptosis)的鐵依賴性的細(xì)胞死亡形式,該死亡方式受細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路的嚴(yán)密調(diào)節(jié),鐵死亡典型的特征為線粒體變小,但雙層膜的密度增加,同時(shí)表現(xiàn)為細(xì)胞質(zhì)以及脂質(zhì)活性氧自由基增多。用erastin孵育N-RAS基因突變的人纖維肉瘤細(xì)胞系HT-1080細(xì)胞,研究發(fā)現(xiàn),細(xì)胞的ROS和死亡率增加,同時(shí)加入去鐵胺共孵育降低了細(xì)胞ROS聚集和細(xì)胞死亡。鐵死亡與RAS腫瘤細(xì)胞的死亡和神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生有密切關(guān)系。2織結(jié)構(gòu)紊亂,血管栓塞凋亡和壞死通過不同的機(jī)制來保證細(xì)胞殘骸的清除,如不能有效清除,就會(huì)導(dǎo)致組織結(jié)構(gòu)紊亂,血管栓塞,引起炎癥和自身免疫反應(yīng)。臨床上系統(tǒng)性紅斑狼瘡、慢性阻塞性肺疾病、動(dòng)脈粥樣硬化等均存在凋亡和壞死細(xì)胞清除障礙。由于死亡細(xì)胞的清除研究剛剛起步,研究較多的是凋亡和壞死細(xì)胞的清除,故此文重點(diǎn)介紹這兩方面。2.1ps與肉質(zhì)增生劑過去十五年凋亡的分子機(jī)制的闡明較充分,但是凋亡細(xì)胞碎片的清除機(jī)制研究較少。凋亡的細(xì)胞或者凋亡小體最初是被完整的質(zhì)膜包裹的,如果它們不能在短的時(shí)間內(nèi)被清除,它們將繼發(fā)壞死,釋放有免疫原性的細(xì)胞內(nèi)成分到細(xì)胞外。在實(shí)體器官,死亡的細(xì)胞在大多數(shù)情況下由鄰近的細(xì)胞吞噬清除。眾所周知,在凋亡的過程中新的分子會(huì)出現(xiàn)在細(xì)胞的表面。最熟知的就是磷脂酰絲氨酸(PS)從細(xì)胞膜的內(nèi)表面進(jìn)入外表面。PS對巨噬細(xì)胞識(shí)別和吞噬的重要性首先發(fā)現(xiàn)于紅細(xì)胞,衰老的紅細(xì)胞清除跟凋亡細(xì)胞類似,依賴Fas-半胱天冬酶-3/半胱天冬酶-8信號(hào)導(dǎo)致的PS外翻;還有N-乙酰葡萄糖胺和巖藻糖的表達(dá)增加。這些變化累積成一個(gè)對吞噬細(xì)胞來說代表強(qiáng)烈的“吃我”信號(hào)的凋亡特異性的表面模式。吞噬細(xì)胞必須被凋亡細(xì)胞分泌的所謂的“找我”信號(hào)像溶血磷脂(LPC)所趨化。在炎癥過程中釋放的潛在的“找我”信號(hào)或者介質(zhì),是膜聯(lián)蛋白Ⅰ和/或者脂氧素。吞噬就是攝入大小超過0.5μm顆粒。在這個(gè)過程中,巨噬細(xì)胞通過細(xì)胞骨架重排包圍即將被消化的顆粒,形成一個(gè)所謂的吞噬環(huán)。環(huán)繞顆粒完成后,顆粒就被包埋在質(zhì)膜小囊中,形成了吞噬小體,隨后它成熟為吞噬溶酶體。大多數(shù)關(guān)于凋亡細(xì)胞被巨噬細(xì)胞吞噬后的免疫學(xué)結(jié)局是沒有炎癥反應(yīng)或者一個(gè)已經(jīng)存在的促炎反應(yīng)在吞噬發(fā)生后被下調(diào)。巨噬細(xì)胞消化凋亡細(xì)胞后的抗炎效應(yīng)的發(fā)揮主要是分泌及上調(diào)TGF-β,血小板活化因子,IL-10和前列腺素E2。許多研究揭示未成熟的樹突狀細(xì)胞(iDCs)在消化凋亡的細(xì)胞后并不能成熟為向T細(xì)胞提呈自身抗原的抗原提呈細(xì)胞。2.2死中性細(xì)胞誘導(dǎo)促炎反應(yīng)原發(fā)性的或者繼發(fā)性的壞死細(xì)胞的最終去處:(1)調(diào)理壞死細(xì)胞及其細(xì)胞碎片像凋亡細(xì)胞樣被清除;(2)壞死的細(xì)胞碎片被細(xì)胞外的蛋白水解酶和核酶水解消化,隨后降解的大分子被重吸收。已經(jīng)證實(shí)的是壞死的細(xì)胞也能通過吞噬移除。與凋亡細(xì)胞不同,壞死細(xì)胞經(jīng)歷了胞膜的破壞被裂解后導(dǎo)致細(xì)胞成分?jǐn)U散進(jìn)入細(xì)胞外間隙,這樣使巨噬細(xì)胞很難收集碎片。與凋亡的細(xì)胞相比,壞死的細(xì)胞的吞噬不是那么有效,而且發(fā)生較晚。壞死細(xì)胞吞噬的機(jī)制被認(rèn)為是巨胞飲作用,胞膜完整與否不重要。巨噬細(xì)胞形成廣泛的膜皺褶最后形成一個(gè)長的細(xì)的突起,后者蜿蜒包裹壞死的碎片,促使壞死細(xì)胞碎片與細(xì)胞外液體一起在巨胞飲體中被消化。而凋亡細(xì)胞被消化是通過吞噬過程中拉鏈樣的機(jī)制,這個(gè)過程的發(fā)生需要一個(gè)未受損的質(zhì)膜的存在。壞死細(xì)胞被吞噬后的免疫結(jié)果與凋亡細(xì)胞不同,壞死細(xì)胞的攝入僅能增強(qiáng)但是不能有效誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞的活化。壞死裂解的中性粒細(xì)胞誘導(dǎo)促炎反應(yīng),通過釋放巨噬細(xì)胞炎癥蛋白2(Macrophageinflammatoryprotein-2)。在壞死中性粒細(xì)胞細(xì)胞攝取過程中,從壞死中性粒細(xì)胞釋放的絲氨酸蛋白酶彈性蛋白酶作為一個(gè)促炎危險(xiǎn)信號(hào)。高遷移率族蛋白1(HMGB1)被認(rèn)為作為一個(gè)危險(xiǎn)信號(hào),它的炎癥效應(yīng)不僅是由于作為趨化因子的作用,也是由于它誘導(dǎo)促炎細(xì)胞因子的能力。熱休克蛋白Hsp72是另一個(gè)危險(xiǎn)信號(hào)因子,與LPS單獨(dú)作用相比,Hsp72與LPS協(xié)同刺激巨噬細(xì)胞產(chǎn)生一個(gè)更強(qiáng)的細(xì)胞因子反應(yīng)。幾個(gè)比較壞死細(xì)胞與凋亡細(xì)胞被iDCs吞噬的研究揭示:與凋亡細(xì)胞不同,原發(fā)性和繼發(fā)性壞死細(xì)胞的消化導(dǎo)致iDCs的成熟,表達(dá)遷移到次級(jí)淋巴器官所需的趨化因子受體,有效地將抗原提呈到CD4+和CD8+的T細(xì)胞。2.3細(xì)胞死cq的功能壞死細(xì)胞碎片清除的第二個(gè)主要方式