细胞凋亡系列篇【1】什么是细胞凋亡

在前面的干货系列文章中，我们介绍了包括DNA甲基化、组蛋白甲基化和乙酰化以及RNA甲基化等表观遗传修饰相关的内容，从本期开始，我们将开启一个新的干货系列——细胞凋亡，本系列将带领大家详细了解细胞凋亡的分子机制及其在疾病中的作用研究进展。本期我们先从什么是细胞凋亡以及细胞凋亡的主要途径开始介绍，在接下来的几期文章中，我们将逐一介绍介导细胞凋亡的重要分子及相关信号通路，希望能为大家的科研探索提供灵感和帮助。

细胞凋亡（Apoptosis），指机体在生理或病理条件下，为了维持自身内环境稳态，通过基因调控而产生的主动、有序的细胞死亡，在维持组织稳态、胚胎发育和免疫系统功能中起重要作用。细胞凋亡与细胞坏死等非程序性细胞死亡方式不同，它不是一件被动的过程，而是主动过程，它涉及一系列基因的激活、表达以及调控等作用，它并不是病理自体损伤的一种现象，而是为更好地适应生存环境而主动争取的一种死亡过程。

自1972年Kerr等人[1]首次提出细胞凋亡概念以来，这一领域的研究取得了显著进展。细胞凋亡的异常调控与多种疾病的发生发展密切相关，包括癌症、神经退行性疾病和自身免疫疾病等。因此，深入研究细胞凋亡的分子机制及其在疾病中的作用，对于开发新的诊断方法和治疗策略具有重要意义。

图1. 细胞凋亡的过程

细胞凋亡的过程

细胞凋亡可大致分为四个阶段：凋亡信号转导，凋亡基因激活，凋亡的执行和凋亡细胞的清除。Michael R. Elliott[2]将其形象地概括为“找我”、“吃我”、“吞噬”和“加工”四个阶段（图2）。每个阶段都受到严格的信号调控，以确保快速有效的清除。

首先，濒死的细胞发出“找我”的信号，包括三磷酸核苷酸（ATP/UTP）、溶血磷脂酰氯（LPC）和趋化因子CX3CL1，这些信号被吞噬细胞感知，有助于吸引这些吞噬细胞靠近濒死细胞。接着，吞噬细胞通过自身受体识别濒死细胞的配体（即“吃我”信号）与濒死细胞接触。濒死细胞上的磷脂酰丝氨酸（PtdSer）是一个关键的“吃我”信号。随后PtdSer激活GTPase Rac，吞噬细胞膜发生形态变化吞噬濒死细胞。最后，吞噬溶酶体对濒死细胞进行加工使其降解。

图2. 细胞凋亡过程[2]

细胞凋亡的途径

细胞凋亡主要通过两条途径进行：内源性途径和外源性途径。

图3. 细胞凋亡的生化途径[3]

细胞凋亡的内源性途径

内源性途径，也称为线粒体途径，当发生DNA损伤、缺氧、代谢应激时，线粒体就会触发细胞凋亡的内源性途径。这一过程涉及Bcl-2蛋白家族的调控，其中促凋亡蛋白（如Bax、Bak）和抗凋亡蛋白（如Bcl-2、Bcl-xL）之间的平衡决定了细胞的命运。在健康细胞中，Bak在线粒体外膜分布，Bax在细胞质中。当细胞发生DNA损伤、缺氧、代谢应激时，Bax和Bak会深入线粒体外膜，形成寡聚膜孔，使促凋亡因子从线粒体膜间隙释放。促凋亡因子包括细胞色素C、Smac和内切酶G。细胞色素C与支架蛋白Apaf-1结合，导致其构象发生变化，形成一个具有七个辐条的轮状结构，成为细胞凋亡小体（图4）。凋亡小体中的Apaf-1结合并激活pro-caspase 9，随后激活下游效应caspase，导致细胞凋亡。

图4. 细胞凋亡内源性途径[4]

细胞凋亡的外源性途径

外源性凋亡途径，又称死亡受体途径，是由细胞外死亡配体（如FasL、TNF-α）与相应的死亡受体（如Fas、TNFR）结合而启动的。其中，Fas（Apo1/CD95）是肿瘤坏死因子受体家族的关键成员，其配体FasL以三聚体形式存在于细胞表面。当细胞毒性T淋巴细胞表面的FasL与靶细胞（如病毒感染的细胞）上的Fas结合时，会招募连接蛋白FADD（带有死亡结构域的Fas相关蛋白），形成死亡诱导信号复合物（DISC）。DISC通过死亡效应域基序与pro-caspase 8结合，促使其二聚化并自切割激活，生成活性caspase 8异四聚体。活化的caspase 8一方面可直接激活下游效应caspase（如caspase-3），另一方面可通过切割BH3-only蛋白Bid激活内源性凋亡途径，最终引发细胞皱缩、染色质凝聚和DNA片段化等凋亡特征。此外，依赖性受体（如UNC5B和DCC）在配体不足时也能通过激活caspase 9或促使DAPK1去磷酸化来触发外源性凋亡，表明该途径存在多层次的调控机制。

图5. 细胞凋亡外源性途径[4]

介导细胞凋亡的重要因子及信号通路

在凋亡过程中，有几种基因和蛋白起十分重要的作用：

1.Bcl-2基因家族

Bcl-2家族蛋白在细胞凋亡的调控中起着核心作用。抗凋亡蛋白通过抑制Bax/Bak的活性来阻止线粒体膜电位的下降和细胞色素c的释放。而促凋亡蛋白则通过形成孔道促进细胞色素c的释放。Bcl-2家族蛋白的平衡决定了细胞的生死命运。

2.Caspase基因家族

Caspases家族基因[5]表达产物是促进细胞凋亡的主要酶类，Caspase可以分为两类，启动Caspase（Caspase8、9、10）和执行Caspase（Caspase 3、6、7）。其中Caspase 8和Caspase 10是外源性细胞凋亡的启动者，Caspase 9是内源性细胞凋亡的启动者。Caspase-3则是多种诱导剂刺激后导致凋亡的关键酶，它的活化预示着细胞凋亡执行阶段的开始。

3.P53蛋白

p53是一种重要的肿瘤抑制蛋白，在DNA损伤和细胞应激时被激活。p53通过转录激活多个促凋亡基因（如Bax、PUMA、NOXA）和抑制抗凋亡基因（如Bcl-2）的表达来促进细胞凋亡。p53的突变或失活与多种癌症的发生密切相关。

4.IAPs（凋亡抑制蛋白）

IAPs（如XIAP、cIAP1、cIAP2）通过抑制caspase的活性来阻止细胞凋亡。XIAP可以直接结合并抑制caspase-3、-7和-9的活性。而SMAC/DIABLO和HtrA2等蛋白则通过拮抗IAPs的功能来促进细胞凋亡。

5.MAPK信号通路

MAPK是将细胞外刺激信号转换成广泛的细胞内反应的一类丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。MAPK目前已鉴定出 4 种家族[6]：细胞外信号调节激酶 （ERK1/2）、c-Jun 氨基末端激酶（JNK）、p38MAPK、BMK1（又称 ERK5）。MAPK信号通路在细胞凋亡的启动和执行过程中起着关键作用，P38MAPK通过增强c-myc表达、磷酸化p53以及诱导Bax转位等机制，促进细胞凋亡。

6.PI3K-Akt信号通路

PI3K-Akt信号通路[7]由PI3K、Akt及其下游效应分子组成。PI3K通过催化磷脂酰肌醇4,5-二磷酸（PIP2）生成磷脂酰肌醇3,4,5-三磷酸（PIP3），从而激活Akt。Akt是一种丝氨酸/苏氨酸激酶，能够磷酸化多种靶蛋白，调控细胞的生存、增殖和凋亡。

本期主要介绍了细胞凋亡的概念、过程和机制，细胞凋亡是一个复杂的生物学过程，涉及多个信号通路和调控机制。深入研究这些通路不仅有助于我们理解细胞凋亡的基本原理，还为多种疾病的治疗提供了新的思路和靶点。

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参考文献

[1] Kerr, J F., Wyllie, A H., & Currie, A R.. (1972). Apoptosis: a basic biological phenomenon with wide-ranging implications in tissue kinetics. British journal of cancer, 26(4), 239-57.

[2] Elliott, Michael R., Ravichandran, Kodi S.. Clearance of apoptotic cells: implications in health and disease. The Journal of cell biology, 2010, 189(7):1059-70.

[3] Ye, Ya-Xi., Pan, Jian-Cheng., Wang, Hai-Chao., Zhang, Xing-Tao., & Zhu, Hai-Liang.. (2024). Advances in small-molecule fluorescent probes for the study of apoptosis. Chemical Society reviews.

[4] Pollard T D , Earnshaw W C , Lippincott-Schwartz J ,et al. Cell Biology: Third Edition[J].  2016.

[5] Shi, Zheng-Wei., Zhu, Lei., Song, Zong-Rang., Liu, Tuan-Jiang., & Hao, Ding-Jun.. (2023). Roles of p38 MAPK signalling in intervertebral disc degeneration. Cell proliferation.

[6] Huang, Xiu-Lan., Cui, Guo-Hui., & Zhou, Ke-Yuan.. (2008). [Correlation of PI3K-Akt signal pathway to apoptosis of tumor cells]. Ai zheng = Aizheng = Chinese journal of cancer, 27(3).

[7] Perfettini, Jean-Luc., Reed, John C., Israël, Nicole., Martinou, Jean-Claude., & Dautry-Varsat, Alice.. (2002). Role of Bcl-2 family members in caspase-independent apoptosis during Chlamydia infection. Infection and immunity, 70(1).