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实用医药杂志2006年l0月第23卷第l0期Prac J Med&Pharm.Vol 23.2006—10 No.10 ・综述与讲座・ 关于细胞死亡方式的研究进展 汪静①汪 芳② (①武汉理工大学生物中心,湖北武汉【关键词】细胞死亡方式 【中图分类号】 R329、28 430070;②宜昌市中IK院17:腔科,湖北宜昌坏死 【文献标识码】A 443000) 凋亡 细胞死亡过程一直都为研究者所关注。通过对细胞死亡 方式的研究不仅可以弄清细胞死亡的方式和机制.同时也为 人们寻找和研究新的疾病治疗方法提供科学的理论依据。特 别是在肿瘤治疗方面.通过对细胞死亡的研究,了解药物对 肿瘤细胞的作用已经取得了显著的成绩。过去一直都认为细 胞存在凋 ̄(apoptosis)和坏死(necrosis)两种死亡方式,近年 来随着研究的深入,许多研究者先后发现在体内还存在其它 的死亡方式:oncosis、autoschizis、paraptosis等。 1凋亡 1.1形态学特征细胞皱缩,细胞问的连接消失,同时细胞 问的密度增加,核质浓缩成一个或几个大的包团,染色质迁 移至核模周边形成新月形凝集,进而细胞核裂解为碎块,进 而细胞膜内陷自行分割成几个由细胞膜包裹的,表面光滑的 凋亡小体(Apoptotic body);DNA被特异性的核酸内切酶分 解成180 220bp的片断,琼脂糖电泳出现特征性的DNA梯 状区带.在细胞凋亡早期需要大量的A l。 1.2凋亡的机制凋亡又称程序性的死(Programmed cell death,PCD)' 。凋亡除了发生在正常的细胞外,凋亡的诱发可 以病理性的原因引起或巾环境刺激引起,例如,DNA损伤、氧 化压力、激素、病毒、毒素、药物、营养不良等,当然凋亡既可由 病理性的原因引起,也可以是正常的细胞死亡161。形成的凋亡 小体最后被附近的细胞吞噬,因而避免了体内炎症的产生n。 细胞凋亡主要有两种途径:一种是外源性的(即经细胞 死亡因子受体介导的细胞凋亡),另一种是内源性的(即经线 粒体途径)。虽然经过两种不同的途径,但最终都必须经过一 种为caspases的家族成员介导的蛋白酶级联反应过程,作用 于底物而导致凋亡【8】。也有报道在组织缺氧和酸毒症作用于 心肌细胞时,细胞凋亡并不激活caspases191。 内源性的途径:例如DNA受损,在一些肿瘤细胞发生凋 亡以前,p53可以引起细胞DNA的损伤【101从而改变体内一 种称为Bcl一2的蛋白家族成员的微平衡,这种Bcl一2蛋白家 族成员控制线粒体外膜的完整性。一些Bcl一2家族蛋白成 员,例如,Bcl—xl和Bcl一2本身,它们定位在线粒体外膜上,协 助维持线粒体外膜的完整。而另外一些因子如Bax、Bak、 “BH3一only”.它们可以抑制Bcl—XL的活性。“BH3一only”家族 成员可以诱发Bax、Bak的活性或者抑制Bcl—XL的活性而破 坏线粒体外膜的完整性,从而释放凋亡介导因子cyto c(细胞 色素C),细胞色素C和Apaf_l(凋亡蛋白酶激活因子)、 pmcaspase一9(前caspase一9)形成复合物,复合物的形成有利 于caspase一9的产生,从而激活caspase一3,开始一系列 caspases的活化ISl。 外源性途径:主要通过一系列死亡受体的激活.典型的 如FAS/CD95、CD95引起调节蛋白FADD(Fas—associated death domain)的活性恢复,该蛋白能和caspase一8相互连接 作用,活化caspase一8酶。在I型细胞中,引起caspase一3的 大量释放.足以杀死细胞。在Ⅱ型细胞中.例如肝细胞, caspase一8使BH3-only家族成员Bid裂解成两个片断.Bid 的两个片断移至线粒体,它可以诱发Bax、Bak的聚集,从而 破坏线粒体膜,释放细胞色素c,激活caspase一3mJ。 2胀亡(oncosis) oncosis又名onkos.肿胀的意思,最初用来形容缺血的 骨细胞的坏死I”】。 2.I形态学特征胀亡细胞的形态学表现为细胞器官肿胀. 空泡形成,膜通透性增加,核溶解,内质网肿胀。线粒体早期 可出现致密化,后期肿胀,絮状改变或出现高致密颗粒,嵴破 坏;细胞肿胀波及核,核内染色质分散,凝集在核膜、核仁周围, 有时聚集成团块;胞膜起泡发生在胀亡的早期,随之胞膜通透 性增加,胞膜崩解…】。与凋亡通常出现核碎裂不同,胀亡细胞 后期往往表现为核溶解,由于细胞内容物外溢,胀亡细胞周围 有明显炎症反应。凋亡细胞DNA裂解为有规律的DNA片断 (180 220bp).而胀亡细胞DNA裂解为没有规律的片断。 2.2胀亡的机制细胞胀亡多为缺血、毒素引起㈣。有研究 表明胀亡缘于细胞膜表面的离子泵和细胞内ATP水平的降 低㈣。局部缺血、缺氧或者线粒体被抑制可以抑止ATP的产 生。当ATP含量降低,蛋白激酶不能够进行磷蛋白磷酸化, 依赖ATP的离子泵被抑制。氧化磷酸化功能的丧失和ATP 的减少,都会引起细胞胀亡和凋亡【I|I。 Harriman等【】 l用抗霉素A作用于肾近端小管细胞,从而 激活PLC,生成IP3,1P3与内质的IP3受体结合,从而引起细 胞内质网的Ca“库释放大量Ca2 ̄,而内质网膜的Ca +-ATPase 功能受阻,同时细胞内线粒体内的ATP大量消耗,也可能会 引起细胞内质网的Ca2’库释放大量Ca2’。细胞内的Ca2’水平 增加,细胞外的ca +大量涌人,细胞的ca 含量持续增加,从 而激活一种ca依赖性的中性蛋白酶calpains,calpains再次 诱导细胞外的ca +涌人,从而导致细胞肿胀.失去膜的完整 性,进而导致细胞胀亡。有人用anti—Porimin作用于Jurkat细 胞发现。细胞迅速聚集,细胞形态发生变化.细胞表面有孔形 成,膜通透性增加,细胞表面微绒毛消失,出现细胞膜疱,最 后细胞死亡㈣。更为重要的是。在细胞死亡之前,发现细胞肿 胀,然后皱缩,膜疱产生,表面起皱或凹陷。 3 Paraptosis 也被命为“non—classic apoptosis”.“para—apoptosis”或
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实用医药杂志2006年l0月第23卷第l0期Prac J Med&Pharm.v01 23,2006_.0 Q.!Q ・1251. “paraptosis”I I。Para意思为“下一个”,“其次”和apoptosis 合起来组成为“paraptosis”,称为非凋亡性程序性死亡,和凋 亡一样都是程序性死亡,paraptosis也有基因的表达 。也有 人认为paraptosis属于caspase非依赖性程序性死亡【I 。 3.1 形态学特征有研究报道用肿瘤坏死冈子受体TAJ/ TROY诱导T293细胞死亡时发现,有些细胞在死亡过程巾, 发生在形态学上和paraptosis极为相似的死亡方式,表现为 细胞质内有大量空泡形成,线粒体肿胀,caspases活性丧失, 当用PDCD5(pmgrammed cell death 5)作用于T293细胞时, 可以促进TAJ/TROY诱导T293细胞的paraptosis 119]。通常 paraptosis与细胞凋亡可相伴发生,其形态特征不同于凋亡, 没有染色质的凝集,也无凋亡小体的形成,但细胞质有空泡形 成.空泡主要来自于内质网.在晚期并伴有线粒体的肿胀Im。晚 期细胞进一步变性,细胞质和细胞核的密度增加,最后染色质 出现浓缩、断裂,在核膜处形成接缝样凝集12Ol。 3.2 paraptosis的机制Sperandio等I 观察到.IGFIR(人类 胰岛素生长因子I受体)诱导细胞死亡,虽然paraptosis是 caspases非依赖性的,但paraptosis的产生需要caspase一9,同 时paraptosis也需要转录和翻译,caspase一9不仅可以诱导 apoptosis.也可以诱导pamptosis.1GFIR诱导paraptosis主要 通过caspase一9介导。paraptosls具体的机制还不是很清楚。 4 Autoschizis Autoschizis首先由Gilloteaux等 于1993年在前列腺癌 的肿瘤细胞中发现。1998年Gilloteaux命名为“Autoschizis”1221。 我国有文献报道称之为“胞体割裂” 。 4.1 形态学特征细胞割裂表现为细胞膜的损伤,通过一 系列的自我修剪造成渐近性的细胞质大量丢失,被丢掉的细 胞浆不含细胞器。在细胞割裂过程中,细胞体积只有原来的 1/3~1/2,随着细胞的变小,细胞核逐渐变小,直到形成只剩下 一个表面完整的细胞核,外面包裹一层薄薄的细胞质,细胞 质中包涵着大量被破坏的细胞器(滑面内质网,粗面内质网, 线粒体,溶酶体,脂滴)以及一些未损坏的线粒体。后期核皱 缩.核质密度均匀.核保持完整,直到最后核仁被溶解。最后 细胞死亡 I。 4.2 Autoschizis机制 Autoschizis的产生可能有两种原因: 一是Autoschizis本身就是一种不完全的凋亡程序.用VC和 VK3的混合物作用肿瘤细胞时,产生了H20:或者其它的 ROS.氧化了CASPAS的催化位点而不能激活CASPASE:另 外一种可能是因为ATP的大量减少而不能够形成凋亡复合 物.因而导致Autoschizist ̄。James用VC和VK3作用于细 胞,发现产生了大量的H10:,脂类过氧化反应加强,细胞内 Ca:+增加,破坏了线粒体胞膜,释放细胞色素c,最终引 Autoschizist --- 5 Necrosis(坏死1 5.1形态学特征细胞坏死表现为细胞肿胀.细胞膜的快 速崩解.细胞器的崩溃。细胞膜的崩解使得细胞内容物溢出, 导致细胞周围的炎症反应I I。细胞核在坏死过程中的主要变 化为:①核浓缩(Pyknosis):即核体积变小,染色质浓缩、深染; ②核碎. ̄(.Karyorrhexis):即核染色质凝集,崩解呈碎粒状聚体 在核膜处,随着核膜的破裂,染色质的颗粒就直接地分散于胞 浆中.倘若细胞膜亦破坏,则核碎粒就可分布于细胞外;③核 溶解(Karyolysis)t驯o 5.2坏死的机制坏死一般认为是病理性的原因造成,是 一种无规则的细胞死亡方式.通常受到严重和急性的损伤 (比如急性的缺氧和突然的营养供给不足等),严重的物理化 学伤害(热、清洗剂、强碱、辐射等)都会引起细胞的坏死。细 胞内的ATP含量的降低,高浓度的ROS(氧化物),BCL一2的 大量表达引起的BCL家族蛋白表达的失衡,caspases活性被 抑制,都可能会造成细胞的坏死途径13ol。 6小结 在细胞的研究中.随着作用条件的不同.以及细胞的种 类,人们的研究方法的不同,因而细胞会产生不同的死亡方 式.表现出不同的形态.在分子机制上以及死亡机制都有各 自明显的特征,但在很多方面也存在诸多相似和交叉。『11于 实验条件的复杂性和科学技术的局限性.不能真实地反映体 内的环境,因此在许多方面还有待于进一步研究,具体表现 在以下几个方面:①具体死亡机制尚未弄清:到目前为止,各 种细胞死亡方式的机理还没有彻底的弄清楚.特另U是细胞内 一些分子对细胞死亡的作用机制,细胞死亡途径还有争论, Daniel等 认为凋亡的途径包括三种(线粒体介导的,内质网 介导的,死亡受体介导).而不是如前所述两种;②可能存在其 它的细胞死亡方式:随着研究的发展,细胞内还有没有其它 的死亡方式的存在,还有等于进一步研究;③细胞死亡的定 义和分类还有待于进一步探讨:细胞的坏死到底属于最终结 果,还是属于一种细胞死亡方式,已引起广泛的关注,已有研 究表明细胞坏死通常也发生在细胞凋亡之后Il1. ̄:1997年美 国毒理病理学家学会细胞死亡命名委员会建议,在应用中将 坏死名称作为一种诊断,坏死前细胞如表现凋亡特征则称之 为凋亡样坏死(apoptoticnecrosis);若出现的是胀亡特点,则称 为肿胀样坏死(oncoticnecrosis)t I:④各种细胞死亡方式的交 叉:从上述的几种细胞死亡方式来看,各种细胞死亡方式机 理之间存在着交叉.同时还可以互相发生转变,例如凋亡在 一定条件下可以转变为坏死/32-34.3aI:⑤细胞种类、环境可产生 不同的细胞死亡方式:同一种细胞由于不同的环境刺激可以 存在不同的细胞死亡方式;不同种类细胞受同一环境的刺激 所产生的细胞死亡方式也可能不同;同一环境下,同种类细 胞,外界作用因子的剂量的大小,也可造成不同的细胞死亡方 式;即使同一环境,同种类细胞也可以产生两种或两种以上 的细胞死亡方式.有研究报道用一种名为Phx的化合物作用 于人类B淋巴母细胞时.凋亡和坏死现象同时产生l ̄l;James 等用VK3和VC以1:100的比例作用肿瘤细胞时.同时观察 到了apoptosis和autoschizisI I:Farid Moinfart等1361发现在在 粉刺状乳房导管原位癌细胞中同时存在凋亡、胀亡、坏死三 种方式:⑥体内和体外存在差异:目前许多细胞的死亡方式 的研究都是在体外进行.细胞释放的一些抗原、因子等在体 外实验过程中由于各种原因可能被稀释或破坏;同时体内的 免疫系统也影响细胞死亡方式.因此体内和体外的环境差异 可能产生不同的结果1371。这些都有待于进一步的研究。 参考文献 1 Enari M,Sakahira H,Yokoyama H.et a1.A caspase—activated
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・l252・ 塞屋医垫 查2Q 生!Q 墓23鲞笫!Q期Prae J M困 Pharm.Vo1 23,2006—10 No.10 DNase that degrades DNA during apoptosis,and its inhibitor 1CAD.Nature,1998,391:43 2 Susin SA。Lorenzo HK。Zamzami N,et a1.Moleeular characterization of mitcohondrial apoptosis—inducing factor.Nature,1999。397:44l 3 Sahara S。Aoto M,Eguehi Y,et a1.Aeinus is a caspase一3一 activated protein required for apoptotie chromatin.Nature,1999。 401:168 4 Zamzami N,Kroemer G.Condensed matter in cell death.Nature。 l999.401:127 5 Martin S,Green D.Protease activation during apoptosis:death by a thousand cuts?Cell,1995,82:349 6 Behl C.Apoptosis and Ahheimer s disease(review).Journal of Neural Tmnsmission,2Ooo。107:l 325 7 Wiliams GT,Smith CA.Molecular regulation of apoptoisi:genetie eontlois on eell death.Cell。74:777 8 Jan P。Tuekermann,Anna KIeiman,et a1.Moleeular mechanisms of glueocortieoids in the contorl of inflammation and lymphocyte apoptosis.Critical Reviews in Clinical Laboratory Sciences,2005, 42(1):7l 9 Leri A,Kubasiak。Olga M.et a1.Hypoxia and acidosis activate cardiac myocyte death through the Bcl-2 family protein BNIP3. 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