1、细胞自噬、凋亡与焦亡之间的相互调控摘要：细胞死亡是一个复杂的过程。细胞的死亡形式也是多种多样的，其中包括自噬性死亡、凋亡、焦亡、胀亡、程序性坏死、铁死亡和坏死等。细胞程序性死亡是细胞自主调控的一种死亡方式，他们可以被多种刺激共同激活，也可被同一个调节分子及信号通路调控，甚至可以互相协调转化。自噬、凋亡和焦亡等参与了感染、肿瘤及一些炎性疾病的发病过程，他们三者之间存在着复杂的相互调控。深入研究这些交互作用，有利于进一步揭示这些疾病的发病机制，为临床疾病防治提供参考。关键词：细胞自噬；细胞凋亡；细胞焦亡；调控作用细胞自噬是在2016年由诺贝尔生理学或医学奖获得者大隅良典首次提出的。它是存在于真核生
2、物中一种高度保守的蛋白质或细胞器降解过程，对于维持细胞的稳态以及细胞内的物质循环是至关重要的。在该过程中一些过剩或错误折叠的蛋白质、衰老损伤的细胞器以及胞质中的细菌等成分均可被双层膜的自噬小体包裹，然后运送到溶酶体将其降解，产生的氨基酸可以用于细胞中的物质循环1。它是细胞受到伤害后启动的自我保护的过程。因此它在细胞代谢、细胞分化发育、细胞退行性疾病以及衰老相关的病理过程中均起着重要的作用2。细胞凋亡是在1965年由澳大利亚科学家提出，它是由基因调控的细胞程序性死亡，它与细胞坏死不同，是主动的细胞死亡过程，在这一过程中涉及一系列基因的激活、表达、调控，如Bcl-2家族，Caspase家族，癌基因
3、如C-myc、抑癌基因如P53等3。它的主要形态学特征是细胞体积缩小，胞膜有小泡形成，膜内测磷脂酰丝氨酸外翻到细胞膜表面，线粒体膜电位消失，通透性增加，释放细胞色素C到胞浆，细胞核固缩，核膜核仁碎裂，DNA被降解成了小片段，但凋亡细胞的细胞膜是完整的，最后可将细胞遗骸分割包裹为几个凋亡小体。细胞凋亡无细胞内容物的释放，因此不引起周围细胞的炎症4。细胞焦亡是由Brennan和Cookso在沙门氏菌体感染巨噬细胞后发现的一种新的细胞程序性死亡方式，其特征是细胞不断胀大，最后细胞破裂，导致细胞内容物的释放而引起强烈的炎症反应5。它主要通过炎性小体激活caspase-1等多种蛋白激酶，使GSDMD发生
4、降解产生C末端和N末端片段，后者会在细胞膜上穿孔，水分子进入细胞，细胞肿胀，发生焦亡6。此外，最近的一项研究表明，GSDME可被Caspase3切割并激活，从而导致细胞焦亡7。这一机理性的发现重新将细胞焦亡定义为gasdermin介导的程序性坏死，它们改变了我们对程序性细胞死亡的基本理解。1 细胞自噬与细胞焦亡的相互调控1.1 NF-B-p62-mitophagy参与细胞自噬与焦亡的相互调控P62是一种泛素结合蛋白，也称为SQSTM1蛋白，它参与细胞自噬的调控过程。它包括4个结构域，分别是PB1、TB、LIR、UBA。其中LIR结构域负责与自噬受体蛋白 Atg8/LC3结合。UBA结构域可以招
5、募泛素化蛋白，尤其是当蛋白被暴露在氧化剂和蛋白酶体抑制剂时8。NLRP3激活剂处理巨噬细胞，会导致线粒体的损伤，损伤的线粒体会释放mtDNA和mtROS，它们会直接激活NLRP3炎性小体，激活的NLRP3炎性小体会导致线粒体膜破裂，这会进一步加剧线粒体的损伤以及IL-1依赖的炎症9。受损的线粒体在Parkin的参与下被泛素化修饰，P62通过其UBA结构域特异性的与泛素化修饰的损伤线粒体结合，最后被自噬溶酶体降解10。NF-B-p62-mitophagy通路位于Caspase-1上游，限制Caspase-1的激活，抑制焦亡的发生，实现细胞自噬与细胞焦亡的相互调控9。 线粒体ROS如何参与NLRP
6、3炎性小体活化，以及自噬如何调控这一过程，目前尚不完全清楚,但已有几种假说得到了验证。第一种假说认为，当NLRP3炎症小体被其激动剂nigericin、尿酸钠单晶或明矾(氢氧化铝和磷酸铝佐剂)激活时，NLRP3会转位到线粒体和线粒体相关内质网膜(MAMs)，使其接近新生成的线粒体ROS11。另一种假说涉及硫氧化还原蛋白相互作用蛋白(TXNIP)和NLRP3之间的相互作用，这已被证明对氧化还原应激介导的炎性小体激活至关重要12。在这种情况下，当NLRP3以一种依赖于ros的方式激活后，TXNIP会转位到MAMs/线粒体，从而使其可能与NLRP3结合。然而，NLRP3炎性小体的激活，对于通过自噬清
7、除损伤的线粒体是至关重要的，而且自噬也可以减少NLRP3炎性小体的过度激活13。1.2 AMPKmTOR通路参与细胞自噬与焦亡的相互调控肾上腺髓质素(ADM)可以通过促进间质细胞自噬来保护脂多糖（LPS）对间质细胞诱导的焦亡。当用自噬抑制剂3-MA处理后，会发现LPS诱导的间质细胞的焦亡更严重。雷帕霉素（Rap）通过抑制mTOR的表达来诱导细胞自噬， ADM与Rap具有相似的作用，也通过抑制AMPK/mTOR信号通路诱导间质细胞自噬来减轻间质细胞的焦亡14。NLRP3炎性小体可在糖尿病心肌病中被激活，二甲双胍（DCM）可通过AMPK/mTOR信号通路促进自噬来抑制NLRP3炎性小体的激活，起到
8、对心脏保护的作用15。NLRP3炎性小体也可以在肝癌细胞中被激活，雌二醇(E2)可以通过E2 / ER/ AMPK / mTOR信号通路抑制肝癌细胞自噬，促进肝癌细胞焦亡，来控制肝癌的进展16。在不同的疾病中，自噬与焦亡通过AMPKmTOR通路相互调控，实现对疾病的防治。1.3 ASC参与细胞自噬与焦亡的相互调控细菌病原相关分子模式(PAMPs)的识别是由多种宿主分子介导的，包括存在细胞表面的toll样受体(TLRs)，以及感知胞质中PAMPs的核苷酸结合寡聚域(NOD)样受体(NLRs) 17。志贺菌感染可引起细菌性痢疾，诱导巨噬细胞自噬与焦亡，核苷结合寡聚域(NOD)样受体(NLR)家族的
9、胞质模式识别受体（Ipaf）对这一过程起调控作用。在缺乏lpaf的巨噬细胞中，细胞焦亡减弱而细自噬增强，这说明志贺菌诱导巨噬细胞的自噬可保护其免受其焦亡18 。克罗恩疾病相关分子IRGM具有抗炎的作用，它主要是通过调节P62依赖的自噬对NLRP3和ASC的选择性降解，来发挥抗炎作用19。 2 细胞凋亡与细胞焦亡的相互调控2.1 GSDMD参与细胞凋亡与焦亡的相互调控巨噬细胞发生焦亡时Caspase1会在275的位置降解GSDMD产生 p22 GSDMD 和p30 GSDMD的片段，而巨噬细胞发生凋亡时 Caspase3和Caspase7会在87的位置降解GSDMD产生 p43 GSDMD 的片
10、段。P30 GSDMD片段有很高的细胞毒性，而p43 GSDMD 片段没有细胞毒性。因此，在 87的位置降解GSDMD可以抑制焦亡的发生而促进凋亡的发生20。也有研究表明，凋亡细胞中的GSDMD的活性受到Caspase-3的负向调控。Caspase-3通过切割GSDMD的N端结构域，产生失活的N端片段，抑制焦亡的发生21。单核和巨噬细胞凋亡和焦亡通路之间的双向干扰，进一步也说明了先天免疫系统细胞死亡通路之间的复杂相互作用。2.2 .GSDME诱导细胞凋亡向细胞焦亡转化 人类和小鼠GSDME的基因区都有一个caspase 3裂解基序。因此，有研究表明，细胞发生凋亡时 caspase 3活化后，G
11、SDME在该位点被裂解。基于这一发现，有人提出GSDME在细胞进入凋亡后会引起细胞焦亡和细胞膜完整性的丧失21，22。GSDME也是常染色体显性非综合症性听力障碍相关基因，属于gasdermin超家族，它在皮肤和胃肠道上皮细胞中以高度组织特异性的方式表达，在胃、结肠和乳腺肿瘤中扮演着抑癌基因的角色23。将不表达GSDME的癌细胞用DNA甲基化酶抑制剂地西他滨处理，可诱导GSDME表达，这会使得癌细胞以焦亡的方式死去。与癌细胞不同的是，很多正常组织和细胞GSDME的表达水平很高，用化疗药物处理这些GSDME高表达的正常细胞，发现它们也以焦亡的形式死去，同时伴有Caspase3依赖的GSDME的切
12、割22。传统癌症的化疗药物会产生很大的毒副作用，所以GSDME介导的焦亡很可能是化疗药物产生毒副作用的重要原因。如果真如此，GSDME的表达调控可能成为控制炎症进而控制化疗不良副作用的有效手段这也打破了Caspase3介导细胞凋亡的经典理念。2.3 IFN-JAK-STAT参与细胞凋亡与焦亡的调控在人癌支气管上皮细胞(PL16T)中， I型IFN信号通路通过其介导的JAK-STAT信号通路诱导Bcl-xL抗凋亡基因的表达抑制细胞凋亡，从而促使细胞从凋亡转向焦亡来发挥抗病毒的作用 24。流感病毒中的NS1是一种多功能RNA结合蛋白，是宿主免疫反应和细胞凋亡的重要调控因子。NS1通过与磷脂酰肌醇3
13、激酶(PI3K)的p85调节亚基结合激活PI3K，这导致Akt激酶的活化，活化的Akt蛋白磷酸化抗凋亡Bcl-2家族蛋白，也会抑制凋亡的发生25。但是NS1不仅可以抑制蛋白激酶R (PKR)的活化还可以通过与TRIM25的相互作用抑制RIG - I的活性，从而抑制IFN-的产生，发挥促凋亡的作用26。虽然一小部分感染细胞可能通过抗凋亡病毒蛋白NS1逃脱凋亡，但I型IFN可能通过诱导细胞焦亡来抑制病毒传播。2.4 Caspase-8参与细胞凋亡与焦亡的相互调控toll样受体接收到感染信号后，激活NF-B和MAPK依赖的基因，这一过程在宿主抗菌防御反应中发挥重要作用27。而鼠疫的毒性因子YopJ会
14、抑制NF-B 和MAPK信号传导，抑制NF-B相关细胞因子的生产，促进靶细胞的死亡28。YopJ也会诱导机体caspase1的合成，而不受炎性小体和ASC的影响。但caspase-1的激活必须有caspase-8、苏氨酸激酶1 (RIPK1)和FADD的参与。激活的caspase-8会促进机体对病原菌的免疫防御作用，且这一防御作用会更强于YopJ对NF-B 和MAPK信号传导的抑制，更有利于机体对病原体的清除29 。虽然这种凋亡与焦亡的相互调控并没有典型的炎性小体参与，但这对于病原体感染的免疫防御仍有重要的意义。在体外Caspase-8可以直接切GSDMD 30。也有研究表明，由caspase
15、 8驱动的GSDMD孔隙形成过程是造成凋亡细胞钾外流和NLRP3炎性小体活化的原因31，但也有其它的研究指出，这一过程是由 caspase驱动的pannexin-1通道活化介导的30。2.5 FADD参与细胞焦亡与凋亡的相互调控FADD不仅是多种死亡信号通路的重要组成部分，还参与多种生理病理过程，包括癌症的发生、先天免疫和炎症32。在炎症的发生过程中，FADD会激活NLRP3，诱导焦亡的发生33。在体内外激活NLRP3炎性小体也会诱导FADD的分泌，在体外这一过程必须有K离子外流和细胞外葡萄糖的存在，在体内痛风患者的滑膜液中也观察到高水平的FADD，确认NLRP3炎性小体的激活在体内也可导致F
16、ADD的分泌34。FADD的分泌会激活Caspase-8,活化的Caspase-8会激活Caspase1、3、7，从而实现细胞焦亡与细胞凋亡的相互调控35。总结：细胞自噬、凋亡、焦亡是一个基本的生物学过程，因此对三者之间调控的研究对生理和病理过程均有着重大意义。目前已经有较多的文献表明细胞自噬、凋亡、焦亡之间存在双向调控，而这种双向调控在宿主免疫防御、炎症疾病以及肿瘤发生过程中能够很好的维持细胞稳态。随着我们对细胞自噬、凋亡、焦亡信号通路的研究，发现NF-B-p62-mitophagy、AMPKmTOR、IFN-JAK-STAT等这些重要通路参与了它们之间的相互作用。我们也发现了炎症反应的多级
17、调控，这三者之间的相互调控很有可能决定细胞的命运，是帮助细胞在炎症反应或者损伤中存活还是将其推向某种形式的细胞死亡。这其中许多结果取决于所涉及细胞的类型和具体条件，当然最重要最直接的还是这三者之间的相互调控作用。这种高度可变的调控作用意味着我们可以从多方面对其进行干预，但仍有大量的细胞自噬、凋亡、焦亡相互调控的具体细节尚未阐明，因此从这三者相互调控的角度进行更深入的研究，将会为临床炎症以及肿瘤等疾病的预防和治疗带来重大突破。1 Menzies F M , Fleming A , Caricasole A , et al. Autophagy and Neurodegeneration: Pat
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