全 文 ：·综述与专论·
生物技术通报
B IO TECHNOLOGY　BULL ETIN 2009年第 11期
细胞程序性死亡通路的研究进展
敏云馨 1 　马忠仁 1, 2, 3
(1西北民族大学生命科学与工程学院 ,兰州 730030; 2 西北民族大学生物工程与技术国家民委重点实验室 ,兰州 730030;
3甘肃省动物细胞工程中心 ,兰州 730030)
　　摘 　要 : 　细胞程序性死亡 (p rogrammed cell death, PCD)一直被看做是细胞凋亡 ( apop tosis)。随着细胞生物学研究的深
入 ,新的细胞死亡途径逐渐被揭示出来 ,如胀亡、自噬、副凋亡等。这些通路有些是 caspase依赖的 ,有些不依赖于 caspase途
径。在细胞程序性死亡过程中 ,各种通路不是单独起作用的 ,而是相互交联的 ,有彼此重叠的机制出现。目前 , Clarke形态学
分类法是得到大多数学者认可的细胞程序性死亡的分类方式。按照该分类法 ,可将 PCD分为 3大类 ,即 : Ⅰ型细胞程序性死
亡、Ⅱ型细胞程序性死亡和 Ⅲ型细胞程序性死亡。
关键词 : 　Ⅰ型细胞程序性死亡 Ⅱ型细胞程序性死亡 Ⅲ型细胞程序性死亡
Research Advance on Programmed Cell Death Pathway
M in Yunxin1 　Ma Zhongren1, 2, 3
(1 College of L ife Science and Engineering, N orthwest University for N ationalities, Lanzhou 730030;
2 Key Laboratary of S tate E thnic Affa irs Comm ission for B ioengineering, N orthw est University for N ationalities, Lanzhou 730030;
3 Anim al Cell Engineering Center of Gansu P rovince, Lanzhou 730030 )
　　Abs trac t: 　W ith the development of cell biology, alternative models of p rogrammed cell death ( PCD ) have therefore been p ro2
posed, including oncosis, autophagy, parap tosis, some of which pathways are caspase dependent, others not. A ll of these pathways are
crosetalking, even they share same mechanism. A t p resent, Clarke morphological classification is accep ted by most of experts, by which,
PCD can be dividied into three types : type Ⅰ PCD, type Ⅱ PCD, type Ⅲ PCD.
Key wo rds: 　Type Ⅰ PCD　Type II PCD　Type Ⅲ PCD
收稿日期 : 2009207207
作者简介 :敏云馨 (19832) ,女 ,回族 ,硕士研究生 ,研究方向 :动物细胞培养在生物医学领域的应用 ; E2mail: m inyunxin2008@163. com　　细胞死亡是生物界普遍存在的现象 ,它不同于机体死亡 ,在正常人体组织中 ,每天都有千千万万个细胞死亡。细胞死亡的方式主要有两种 :坏死 ( nec2rosis)和程序性细胞死亡 ( p rogrammed cell death,PCD)。细胞坏死是细胞对外来伤害的一种被动反应 ,如局部缺血、高热、物理化学损伤和生物侵袭等 ,均可造成细胞急速死亡。细胞坏死的主要形态学特点是胞膜的破坏 ,细胞及细胞器水肿 (胞浆泡化 ) ,但染色质不发生凝集。与细胞坏死不同 ,细胞程序性死亡是受基因控制的主动性细胞死亡 ,是机体稳定内环境和平衡细胞数量的重要调节机制。它不仅在生理状态下发生 ,而且也能被细胞因子和化学药物诱导产生。细胞程序性死亡的典型形态学特征是细胞膜完整、无前炎症因子等细胞内容物逸散 ,无炎 症反应。直到上个世纪末 ,人们一直将细胞程序式死亡与细胞凋亡等同看待 ,然而 ,近年来大量的研究结果显示 ,细胞凋亡只是细胞程序式死亡中发现较早的一种死亡方式。程序性细胞死亡的分类方式大致有两种 ,即基于死亡机制的分类和基于形态学的分类。Clarke等 [ 1 ]补充了 Schweichel和 Merker对于细胞死亡的分类 ,将程序性细胞死亡分为 I类、Ⅱ类和 Ⅲ类 ,至今仍被广泛引用。1 I型细胞程序性死亡1. 1　经典的凋亡途径细胞凋亡是存在于所有哺乳动物细胞中的保守途径 ,它在胚胎发育阶段的组织形成和维持细胞动
2009年第 11期 敏云馨等 :细胞程序性死亡通路的研究进展
态平衡中有十分重要的作用。细胞凋亡又被称为
caspase依赖性凋亡途径 ,按照不同的作用机制 ,可
将其分为 3种 ,即线粒体途径、死亡受体信号途径、
以及内质网途径。
1. 1. 1　线粒体途径 线粒体途径可以被胞外刺激
或胞内刺激启动 ,包括氧化作用和细胞毒性药物刺
激。在线粒体的内外膜之间 ,存在两种主要的促凋
亡因子 :细胞色素 C ( cytochrome c, Cyt2c)和凋亡诱
导因子 ( apop tosis2inducing factor, A IF)。凋亡信号
导致 Cyt2c从线粒体内释放到细胞质中 ,进而与凋
亡蛋白酶激活因子 1 ( Apaf21)结合 ,启动一系列的
级联反应 ,最终激活脱氧核糖核酸酶 ,水解核酸和细
胞骨架蛋白 ,导致细胞凋亡。目前 ,对于线粒体凋亡
途径有两个主要的研究热点 ,即线粒体是否就是线
粒体凋亡途径的核心控制点 ,以及细胞色素 C和其
它原凋亡蛋白质是以何种形式从膜孔中释放出来。
W aterhouse等 [ 2 ]指出 ,线粒体外膜的通透性与细胞
凋亡密切相关 ,线粒体内膜的完整性不受 Cyt2c释
放的影响。Chipuk等 [ 3 ]指出 ,线粒体外膜的通透性
是线粒体外膜和胞质协同作用的结果 ,虽然线粒体
外膜上的蛋白也起重要作用 ,但对于细胞是否进入
凋亡 ,胞质内的生化反应是主要决定因素 ,线粒体不
起决定作用。线粒体的融合分裂与细胞凋亡也是密
切相关的 ,线粒体融合分裂的调节分子也参与了凋
亡过程。Karbowski等 [ 4 ]发现 ,超表达介导线粒体分
裂的分子 D rp1或 Fis1可以促进线粒体分裂 ,同时
诱导细胞凋亡 ,而抑制 D rp1或 Fis1则可以抑制凋
亡。Cao等 [ 5 ]发现 ,在细胞毒性药物引起的凋亡中 ,
c2Myc和 caspase22协同作用激活 Bax,从而介导线
粒体途径的细胞凋亡。
1. 1. 2　死亡受体途径 诱导细胞凋亡的一条重要
途径是死亡受体介导的途径。激活细胞凋亡的受体
在细胞膜上 ,它可被一些胞外配体激活。典型的死
亡受体是 Fas(又称为 CD95或 Apo21)和肿瘤坏死因
子受体 ( TNFR)。死亡受体通路的凋亡过程需要由
caspase 8活化来介导 [ 6 ]。刺激 Fas受体导致其与 Fas
配体及 Fas相关死亡域蛋白 ( FADD)结合。FADD再
与 caspase8前体结合 ,三者形成诱导死亡信号复合体
( death inducing signaling comp lex, D ISC ) , caspase8
前体再通过自身的剪切作用被活化 ,启动下游的
caspase路径 ,导致细胞凋亡 [ 7 ]。 Fluur等 [ 8 ]的研究
显示 , IL27在 Fas介导的凋亡途径中发挥促进凋亡
的作用。
1. 1. 3　内质网途径 内质网 ( endop lasm ic reticu2
lum , ER)是细胞内重要的细胞器 ,是调节蛋白质合
成及合成后折叠、聚集的场所 ,是调节细胞的应激反
应及细胞钙水平的场所。内质网功能在多种胞内和
胞外刺激下受损 ,引起内质网应激 ( endop lasm ic re2
ticulum stress, ER stress) [ 9 ] ,在应激条件下 ,细胞会
启动“未折叠蛋白应答 ”( unfolded p rotein response
UPR)来增强内质网合成蛋白质的功能。但是 ,如果
细胞长时间处于 UPR或者 UPR不足以保护细胞 ,
就会导致细胞凋亡 [ 10 ]。在内质网应激性细胞凋亡
途径中 , Caspase212作为凋亡起始因子发挥了关键
作用。内质网 Ca2 +水平的异常可直接激活 caspase2
12,活化的 caspase212进一步激活 caspase29,后者激
活下游的 caspase23进入细胞凋亡的最终通路。但
caspase212对 caspase29的激活不依赖线粒体凋亡途
径成分 Apaf21和细胞色素 C[ 11 ]。最新研究表明 cal2
pain也可能是内质网途径的参与者之一 [ 12 ]。
随着对经典细胞凋亡途径研究的不断深入 , 3
种通路之间 ,以及它们与其它程序性死亡通路之间
的联系也逐渐被揭示出来。其中 , Ca2 +是机体传递
信息重要的第二信使 ,它主要储存于线粒体和内质网
中 ,因此线粒体凋亡途径和内质网凋亡途径可以被
Ca2 +的异常波动有机地结合在一起。Sareen等 [ 13 ]发
现 ,线粒体不仅在线粒体凋亡途径中起作用 ,而且在
Ca2 +和 calpain依赖的死亡途径 ,即在内质网应激性
细胞凋亡途径中也起到关键的作用。
1. 2　丝裂灾变
1989年 , Molz等在一种对热敏感的酵母突变株
中发现 ,细胞分裂时因染色体分离发生异常而死亡。
有学者便把这种因 DNA发生损伤致使细胞无法进行
完全的分裂从而导致四倍体或多倍体的现象称为丝
裂灾变 (m itotic catastrophe)。有试验表明 ,丝裂灾变
的发生是受到多种信号通路调节的精密过程 ,其与细
胞周期检查点异常、中心体或纺锤体结构异常以及
DNA损伤存在密切联系。因此 ,许多导致上述状况
的因素都可以导致细胞发生有丝分裂灾变。David
等 [ 14 ]发现多西紫杉醇可以诱导细胞进入以丝裂灾变
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生物技术通报 B iotechnology　B u lle tin 2009年第 11期
为特征的程序性死亡。Chan等 [ 15 ]指出细胞在发生
丝裂灾变时 ,其中间过程有 caspase的参与。Mansilla
等 [ 16 ]进一步发现丝裂灾变的下游通路可以是 caspase
依赖的 ,也可以是 caspase非依赖的。这从一个侧面
反映出程序性死亡通路的多样性和复杂性。
1. 3　凋亡样细胞程序性死亡
凋亡样细胞程序性死亡的形态学特征是以细胞
质、细胞核、染色质浓缩为主。大多数情况下 ,它与
经典的细胞凋亡相似 ,不同点在于它的染色质凝集
得不够紧密 [ 17 ] ,而且是 caspase非依赖的 [ 18 ]。Math2
iasen等 [ 19 ]指出 ,在其它非依赖 caspase死亡路径
中 ,都有染色质凝集的不够紧密的现象出现 ,这说明
染色质的紧密浓缩与 caspase活化有关。
目前 ,关于凋亡样细胞程序性死亡的研究大多
数只停留在形态学观察和它的诱因的层面 [ 20 ] ,关于
机制的研究较少。 caspase是在何种机制下使染色
质紧密浓缩的程度下降 , caspase活化的程度差异是
否可以控制染色体的浓缩 ,值得进一步研究。
2 Ⅱ型细胞程序性死亡
自体吞噬作用又称为 Ⅱ型细胞死亡 ( type Ⅱ
cell death) ,其特征是自噬体的聚集。自体吞噬的主
要作用是清除细胞内异常的蛋白质和细胞器 ,在由
于分化、压力、细胞因子毒性作用引起的细胞重建中
起到起作用。细胞经历过度的自噬作用就会发生非
凋亡样的死亡 ,而在此过程中不需要 caspases的活
化 [ 21 ]。Shintani等 [ 22 ]指出 ,自体吞噬可以发挥抑制
与促进肿瘤发生的双向作用 ,在肿瘤发生过程中 ,自
体吞噬的作用可能处于变化状态中。一方面 ,肿瘤
细胞可以依赖自体吞噬在营养缺乏或者低氧状态下
生存 ;另一方面 ,自体吞噬又可以使细胞清除无用甚
至有害的蛋白质 ,防止肿瘤的发生。目前 ,自体吞噬
在哺乳动物细胞死亡中的详细通路还不清楚 [ 23 ]。
自体吞噬导致细胞死亡的过程不需要 caspase的活
化 ,而 caspase活化于线粒体的去极化密切相关 ,自
体吞噬过程中若线粒体发生变化 ,是否会激活
caspase,这也许是研究自噬与其它细胞死亡通路关
系的一个切入点。
3 Ⅲ型细胞程序性死亡
3. 1　副凋亡
1995年 , A sher等 [ 24 ]首次提出了副凋亡 ( Para2
apop tosis)的概念 , Para2的意思是“紧邻的、相关的 ”。
其典型特征是染色质浓缩、线粒体肿胀、以及细胞质
空泡化。2000年 , Sperandi等 [ 25 ]发现人胰岛素样生
长因子 1受体 ( insulin2like growth factor 1 recep tor,
IGF IR)能诱导一种与经典凋亡不同的死亡途径 ,并
定义为 Parap tosis。尽管 parap tosis是 caspase非依赖
性的 ,但 caspase29却可以诱导 parap tosis。与经典的
凋亡途径不同的是 ,副凋亡途径中不需要线粒体的
参与 ,没有细胞色素 C的释放和凋亡小体的形成 [ 26 ]。
副凋亡可以被胰岛素样生长因子 I受体、TNF受体家
族成员 TAJ /TROY诱发 ,也可以被有丝分裂原激活蛋
白激酶介导 [ 27 ]。
有关 Parap tosis的文献报道较少 ,将其与其它
PCD通路进行比较的研究更少 ,其机制有待于进一
步深入研究。
3. 2　胀亡
1995年 ,Majno等在大量研究的基础上认识到
一种不同于凋亡的细胞死亡方式 ,并将这种坏死样
的细胞死亡命名为胀亡 ( oncosis)。也有一些学者
将其称为“程序性细胞坏死 ”。胀亡细胞的形态学
特征表现为快速的细胞肿胀、细胞器肿胀、空泡化 ,
以及胞膜通透性的增加。细胞胀亡与细胞凋亡的区
别之一在于 :细胞凋亡导致细胞以脱核方式死亡 ,而
细胞胀亡则导致细胞以核溶解的方式死亡。因此 ,
对凋亡和胀亡后的细胞进行研究 ,有可能会揭开坏
死细胞的细胞 /分子特征 [ 28 ]。
有关胀亡的分子机制还没有完全被揭示出来。
Barros等 [ 29 ]研究认为 ,细胞胀亡很可能是因为细胞
膜离子通道失控、细胞内 ATP水平下降导致钠离子
大量涌入、细胞肿胀、最终死亡。Ryoke等 [ 30 ]研究
认为 ,细胞凋亡和胀亡的分子过程有一部分很可能
是重叠的 ,这一段共同通路可能就是 caspase通路。
caspase在细胞凋亡中的作用之一是介导 DNA的片
段化。但 L isa等 [ 31 ]研究发现 ,在胀亡细胞中 , DNA
片段化可以不依赖 caspase的作用。
3. 3　坏死样细胞程序性死亡
程序性细胞死亡是细胞主动的死亡过程 ,而坏
死则是细胞被动的死亡过程。坏死样细胞程序性死
亡 ( necrop tosis)则是由细胞信号通路介导的程序性
坏死。Degterev等 [ 32 ]研究认为 ,坏死样细胞程序性
22
2009年第 11期 敏云馨等 :细胞程序性死亡通路的研究进展
死亡的特点在于 : ( 1)细胞在形态上呈现坏死的特
征 ; (2)细胞膜失去完整性 ; (3)自体吞噬是坏死样
细胞程序性死亡的下游通路 ,而不是促进因子 ; (4)
活性氧种类的提高并非导致细胞坏死的重要原因 ;
(5)线粒体膜电位的丧失在坏死样细胞程序性死亡
中起至关重要的作用。
4　展望
随着近年来对于细胞程序性死亡的深入研究 ,
经典的“细胞凋亡 ”途径已经显得过于简单。Over2
holtzer等 [ 33 ]的研究显示 ,细胞还可以以自主性细胞
内吞作用 ( encotis)的方式死亡。在遭受某一种死亡
刺激时 ,细胞启动主动的自杀机制 ,而这种机制不可
能是单一途径的 ,多种通路的交叉作用才能保证细
胞杀死应该被清除的细胞 ,保证多细胞体系的正常
运转。在这些 PCD通路中 ,必然存在一种占主导地
位的死亡方式 ,目前看来 , caspase途径发挥作用最
快 ,从而使得程序性细胞死亡最常表现为凋亡。在
某些情况下 ,比如 caspase通路受阻时 ,细胞就会表
现为凋亡样或坏死样程序性细胞死亡。
关于细胞程序性死亡通路的研究是国际上生物
学研究的一个热点 ,研究成果颇丰 ,近年来也陆续发
现了几种新的程序性死亡通路。然而 ,对于这些已
经发现的通路 ,目前还缺少一种更合理的分类方法。
除此而外 ,这些途径的具体机制还不是很清楚 ,对它
们之间的相互关系知之甚少 ,对于某些通路 ,学术界
还存在较大争议 ,需要进一步广泛深入的研究。对
细胞程序性死亡的精确调控机制一旦有了深入的研
究成果 ,将对寻找恶性肿瘤、神经退行性疾病、血液
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