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在一个复杂的组织中，细胞的死亡并不是一件令人惊讶的事，每个有生命的物体最终都将死亡。出人意料的是，在发育的过程中，一些细胞的死亡却是以一种“程序性”的方式来实现的【1】。在机体发育的过程中，细胞死亡能够被诱导或者预测，而且这些过程中涉及到许多物质的参与，这引起了研究人员们的兴趣，以探究细胞死亡背后的基因或者生物学过程。随着分子生物学技术的进步，细胞死亡的研究进入了高速发展时期，在1990-2010这20年里，关于细胞死亡的调控研究文章获得大量发表，细胞死亡领域成为科学研究中的一个热点问题。但在接下来的十年中，细胞死亡方面的研究虽有所减缓，但依然获得了大量的关注，如图1所示。 图1 关于细胞死亡的文章发表情况 而在关于细胞死亡研究的下一个十年将要开启的时候，认清现状和找到一些基础性的问题将对以后的研究起到非常重要的作用。俗语说，问题是我们前进的动力，一个好的问题等于知识的一半。 来自美国圣约翰儿童医院的Douglas R. Green博士于2019年5月16日在Cell杂志以The Coming Decade of Cell Death Research: Five Riddles为题刊文，对细胞死亡领域当前面临的问题做了一个总结，作者准备了五个问题，希望对未来细胞死亡领域的研究能有所启发： 1 什么程度的死亡是细胞死亡？ 细胞死亡过程中不可逆的点在哪里？而正在死亡的细胞到什么程度的时候仍然能够被拯救呢？ 在三种受调控的坏死过程（程序性坏死、细胞焦亡、细胞铁死亡）中，当细胞膜的完整性被破坏到无法修复时，细胞死亡。细胞膜的修复能够对抗细胞的死亡过程。细胞铁死亡主要是由膜脂修复酶——谷胱甘肽过氧化物酶（GPX4, glutathione peroxidase 4）失效造成的【2】，这个过程一旦起始，没有其他的机制能够阻止之后的细胞死亡。而另外两种受调控的坏死形式，细胞焦亡和程序性坏死，它们主要是由膜孔形成蛋白GSDMD（gasdermin D）和MLKL（mixed lineage kinase domain-like protein）的作用来实现的，这两个蛋白能够破坏细胞膜。而ESCRT（endosomal sorting complexes required for transport）在钙离子流的辅助作用下可以对细胞膜上的孔洞进行修复，这种修复维护了细胞膜的完整性，抑制了一些胞内物质的释放，进而抑制了细胞的死亡【3】。 而考虑到细胞凋亡时，一般认为线粒体外膜通透化（MOMP, mitochondrial outer membrane permeabilization）将导致细胞的死亡，这种形式的死亡甚至不需要caspases的激活【4】。不过，当糖酵解途径加强或者自噬途径降解了受损的线粒体时，由线粒体诱导的细胞凋亡能够被抑制。然而，也有证据表明，由死亡受体介导的caspase激活即使很少量，或者少数线粒体发生了外膜通透化，在这种情况下都会导致CAD（caspase-activated DNase）的产生以及DNA损伤。这样的细胞即使最终存活，但因为细胞体内产生的CAD，它们的基因组也将变得不稳定。 2 什么情况下对细胞有毒的物质不再起作用？ 当一群细胞面对能够诱导细胞死亡的刺激物时，为什么其中一些细胞最终死亡，而一些细胞却存活着？一些死亡诱导因子在处理细胞时，很难杀死所有细胞的现象经常发生，这不是由于某些细胞能够对抗死亡诱导因子，而是由这些因子起始细胞死亡的相对敏感性决定的。 如果一个突变能够影响基因的表达或者功能，进而抑制诱导细胞死亡的处理，那么对细胞持续进行这种处理，便能将这种突变筛选出来。然而，近年来人们发现，当对细胞进行毒性处理时，一些细胞能够通过变成一种短暂的“persistence”状态，进而逃脱毒性伤害，这些存活的细胞我们称之为抗性细胞，这与之前的基因突变的筛选是完全不同的。我们对于在处理过程中死亡的细胞了解的很多，但对于那些能够表现出抗性而存活下来的细胞却知道的很少。这两种细胞之间到底有什么样的不同呢，细胞的抗性是在细胞接受处理前就存在的吗？ 一些多功能的蛋白，例如p53，能够诱导细胞凋亡，但同时它也能够引发细胞周期停滞和DNA修复，进而保护细胞。而p53的表达量的改变或许可以让细胞的命运发生不同，但这并不是细胞抗性产生的根本原因，因为那些没有p53表达的细胞同样也能产生抗性。另外，内质网应激对细胞命运的影响以及TRAIL同时诱导细胞凋亡和存活等模型都不能解释细胞面对毒性处理时获得的抗性。 最近一项研究发现，给细胞进行不同的化学药物处理时，存活下来的细胞会对GPX4的抑制剂敏感，但是对照组细胞，即没有进行化学药物处理的细胞对于GPX4的抑制剂不敏感。然而，如果先对细胞进行GPX4抑制剂处理，去除那些对GPX4抑制剂敏感的细胞后，再对细胞进行各种化学药物处理时，细胞的表现没有发生太大变化，这些化学药物导致的细胞死亡的比例与没有进行GPX4预先处理时一样【5】。这个实验说明，细胞的抗性并不是预先存在于细胞中的某种机制，而是在细胞面对毒性化学药物处理时获得的。 3 细胞死亡到底有多重要？ 许多文章和综述都宣称细胞死亡，尤其是细胞凋亡，对于机体发育以及组织稳态是非常关键的。在谷歌学术上以“apoptosis is essential for development”搜索，粗略一看都能找到50篇以上的相关文章，而以“apoptosis is essential”搜索时则能找到3500篇相关文章。虽然事实上，细胞凋亡与多细胞动物的发育密切相关，但细胞凋亡或者细胞死亡对于生物的发育到底起到了什么样的作用呢？ 线粒体凋亡通路中的一些关键蛋白的缺失往往会导致动物胚胎致死或者寿命缩短，只有一小部分的个体能够活到成年【6】。这些存活的个体，它们往往表现出淋巴细胞的过度积累，但那些人们认为的在发育过程中与凋亡相关的器官和组织却都比较正常，它们体内也没有细胞死亡的其他补偿效应。 那么，细胞的死亡到底是为了什么呢？或者说，一个细胞什么时候自杀是必须的呢？从进化的观点看，活细胞的自杀行为有可能是为了限制其内部的寄生生物向同类细胞的传染。有些细胞则因为周围营养的限制选择“无私的”自杀行为。为了对抗感染而导致的受调控细胞死亡行为在细胞焦亡的模式里比较明显，在这种情况下细胞的死亡显然是至关重要的。 4 一个细胞的死亡会对周围的细胞产生影响吗？ 细胞的死亡对周围细胞以及整个机体的生理活性产生怎样的影响呢？细胞死亡之后会否有后续的反应？ 一般来说，细胞的死亡将产生两种类型的影响：它可以诱导或者抑制免疫反应；它能促进其余活细胞的增殖。前面一种影响在哺乳动物体内研究较为清楚，而后一种影响在果蝇中得到了详细的研究。 在创伤愈合模型中，死亡的细胞会被吞噬，这个过程对于创伤愈合是非常重要的【7】。细胞坏死会导致炎症反应，而细胞凋亡则抑制炎症反应，这是两种细胞死亡方式的区别之一。一般情况下，死亡的细胞会释放DAMPs（damage-associated molecular patterns），这些物质主要包括HAMGB1、ATP、尿酸、热激蛋白、组氨酸、线粒体蛋白和核苷酸等，这些物质大多能促进炎症反应和适应性T细胞免疫。另外，死亡细胞还能产生一型干扰素（type I interferons, IFNs），这个过程涉及到STING（stimulator of interferon genes）的活化，它是胞质DNA的感受器。凋亡细胞的被吞噬并不诱导STING和一型干扰素的产生。细胞凋亡的另一种结果是补偿性的细胞增殖，这是由于凋亡细胞或者被吞噬细胞能产生PGE2（prostaglandin E2），它能组织干细胞的补偿性增殖。 5 细胞死亡到底有多少形式？ 细胞有多少种死亡的方式？打断任何对细胞存活关键的过程都会导致细胞死亡，如果这个过程与细胞的生理状态密切相关，同时，这种打断能被细胞的自杀方式感知到进而导致细胞死亡，那么这种死亡方式便能成为一种新的细胞死亡方式。打断有些非关键的过程也能导致细胞死亡，在一些情况中，细胞死亡的过程可能不同寻常，但除非这些死亡方式能够被总结归纳为几种情况，或者其诱导条件非常重要，否则这些死亡方式不会有太大价值。一些新的死亡方式比如parthanatos以及辅助自杀（assisted suicide）等都是今年来发现的细胞新的死亡方式。 以上列举的这些疑惑可能看起来有些肤浅，但其潜在的一些问题以及未来的答案却非常重要。细胞死亡是生物过程里的一个基础性问题，对它的研究已经且将继续为我们理解生物生理过程发挥重要的影响。有人说细胞死亡的研究正在衰弱，而作者则希望对于细胞死亡机制的研究能够越来越好，越来越兴旺！ 原文链接： https:///10.1016/j.cell.2019.04.024 制版人：珂 参考文献 1 Ellis, H.M., and Horvitz, H.R. (1986). Genetic control of programmed cell death in the nematode C. elegans. Cell44, 817–829. 2 Stockwell, B.R., Friedmann Angeli, J.P., Bayir, H., Bush, A.I., Conrad, M., Dixon, S.J., Fulda, S., Gasco´ n, S., Hatzios, S.K., Kagan, V.E., et al. (2017). Ferroptosis: a regulated cell death nexus linking metabolism, redox biology, and disease. Cell171, 273–285. 3 Scheffer, L.L., Sreetama, S.C., Sharma, N., Medikayala, S., Brown, K.J., Defour, A., and Jaiswal, J.K. (2014). Mechanism of Ca2⁺-triggered ESCRT assembly and regulation of cell membrane repair. Nat. Commun. 5, 5646. 4 Lartigue, L., Kushnareva, Y., Seong, Y., Lin, H., Faustin, B., and Newmeyer, D.D. (2009). Caspase-independent mitochondrial cell death results from loss of respiration, not cytotoxic protein release. Mol. Biol. Cell20, 4871–4884. 5 Hangauer, M.J., Viswanathan, V.S., Ryan, M.J., Bole, D., Eaton, J.K., Matov, A., Galeas, J., Dhruv, H.D., Berens, M.E., Schreiber, S.L., et al. (2017). Drugtolerant persister cancer cells are vulnerable to GPX4 inhibition. Nature551, 247–250. 6 Ke, F.F.S., Vanyai, H.K., Cowan, A.D., Delbridge, A.R.D., Whitehead, L., Grabow, S., Czabotar, P.E., Voss, A.K., and Strasser, A. (2018). Embryogenesis and adult life in the absence of intrinsic apoptosis effectors BAX, BAK, and BOK. Cell173, 1217–1230.e17. 7 Bosurgi, L., Cao, Y.G., Cabeza-Cabrerizo, M., Tucci, A., Hughes, L.D., Kong, Y., Weinstein, J.S., Licona-Limon, P., Schmid, E.T., Pelorosso, F., et al. (2017). Macrophage function in tissue repair and remodeling requires IL-4 or IL-13 with apoptotic cells. Science356, 1072–1076. |
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