細(xì)胞死亡是所有細(xì)胞最終的宿命，細(xì)胞死亡的方式是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重大研究熱點(diǎn)，涉及多種復(fù)雜的生物學(xué)機(jī)制。細(xì)胞死亡的主要功能是通過去除無功能、受損和有害的細(xì)胞來維持組織穩(wěn)態(tài)。2005年第一屆細(xì)胞死亡學(xué)術(shù)命名委員會對細(xì)胞死亡做出了較為清晰的定義，將細(xì)胞死亡定義為不同于瀕死細(xì)胞的可逆細(xì)胞狀態(tài)，死亡細(xì)胞是指細(xì)胞到達(dá)生命終點(diǎn)，處于不可逆轉(zhuǎn)的狀態(tài)。

圖1. 細(xì)胞死亡發(fā)現(xiàn)的時間點(diǎn)

一、細(xì)胞死亡的分類

細(xì)胞死亡主要有兩種方式：壞死和程序性細(xì)胞死亡（PCD）。壞死是一種非程序性的細(xì)胞死亡形式，通常由創(chuàng)傷性損傷引起；PCD是一種受控的細(xì)胞死亡形式，由各種生理或發(fā)育信號引發(fā)的一系列分子事件導(dǎo)致。細(xì)胞凋亡是一種已被充分表征的PCD機(jī)制，其他類型的PCD，如：自噬性細(xì)胞死亡（autophagic cell death），溶酶體細(xì)胞死亡（lysosomal cell death），線粒體細(xì)胞凋亡（mitoptosis），副凋亡（paraptosis），焦亡（pyroptosis），NETosis，壞死性凋亡（necroptosis），免疫原性細(xì)胞死亡（immunogenic cell death），細(xì)胞套亡（entosis），代謝性脹亡（methuosis），PARP-1依賴性細(xì)胞死亡（parthanatos），鐵死亡（ferroptosis），自噬性死亡（autosis）等。

圖2. 細(xì)胞死亡的分類

二、細(xì)胞死亡的機(jī)制

1. 細(xì)胞凋亡

細(xì)胞凋亡的激活有兩條主要途徑：外源性和內(nèi)源性途徑。外源性途徑由細(xì)胞外配體（TNF-α和Fas配體（FasL））與死亡受體結(jié)合激活，分別對應(yīng)TNF和Fas受體。細(xì)胞外配體與死亡受體結(jié)合后，形成死亡誘導(dǎo)信號復(fù)合體（DISC），招募并激活啟動caspase，如caspase-8和caspase-10。內(nèi)源性途徑由細(xì)胞內(nèi)壓力因子激活，如DNA損傷、氧化壓力和生存信號的喪失，這導(dǎo)致線粒體外膜的通透性增加。這個途徑由Bcl-2家族的抗凋亡蛋白（Bcl-2和Bcl-xL）、促凋亡蛋白（Bax和Bak）和BH3-only蛋白（Bim和Bid）調(diào)節(jié)。在應(yīng)對細(xì)胞內(nèi)壓力時，促凋亡的BH3-only蛋白的激活抑制了抗凋亡蛋白，使Bax和Bak形成線粒體孔道并釋放細(xì)胞色素c到細(xì)胞質(zhì)中。釋放的細(xì)胞色素c與凋亡蛋白酶活化因子-1（Apaf-1）形成凋亡體并激活caspase-9。

圖3. 細(xì)胞凋亡的機(jī)制

2. 壞死性凋亡

壞死性凋亡（Necroptosis）是PCD的一種細(xì)胞裂解形式，并可導(dǎo)致炎癥。主要通過RIPK1-RIPK3-MLKL信號通路介導(dǎo)，當(dāng)caspase-8的活性被藥物或病毒抑制劑阻斷時，TNFR1、TLR等受體的刺激可誘導(dǎo)壞死性凋亡，涉及受體相互作用的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶1（RIPK1）的自磷酸化激活。RIPK1激活RIPK3，之后RIPK3磷酸化并激活下游MLKL（Mixed Lineage Kinase Domain-Like Protein），這是導(dǎo)致細(xì)胞膜裂解的壞死性凋亡的末端效應(yīng)物，表現(xiàn)為細(xì)胞膜破裂和炎癥因子的釋放。盡管它具備凋亡的調(diào)控特性，但形態(tài)上呈現(xiàn)壞死特征。FASL、腫瘤壞死因子相關(guān)凋亡誘導(dǎo)配體（TRAIL）、TNF和Ⅰ型干擾素（IFN-1）分別激活各自的受體，招募MLKL、RIPK1和RIPK3，并通過磷酸化作用組裝成壞死體（necrosome）。磷酸化介導(dǎo)的MLKL激活以及隨后的MLKL介導(dǎo)的膜孔形成是壞死性凋亡的關(guān)鍵步驟。響應(yīng)TNF-α誘導(dǎo)的壞死性凋亡，磷酸甘油酸變位酶5（PGAM5）被招募到外線粒體膜上的RIPK1/RIPK3復(fù)合物，激活動力蛋白相關(guān)蛋白1（Drp1）介導(dǎo)的線粒體斷裂，并釋放大量ROS，從而進(jìn)一步激活多聚ADP核糖聚合酶1（PARP-1），導(dǎo)致NAD+水平下降并加劇該過程，這被認(rèn)為是壞死性凋亡發(fā)生的必需步驟。

圖4. 壞死性凋亡的機(jī)制

3. 自噬性細(xì)胞死亡

“自噬”來自希臘語“auto”，意思是吃或吞噬，描述了細(xì)胞分解和再利用自身成分以實(shí)現(xiàn)多種細(xì)胞功能的有序方式。自噬是體內(nèi)自然發(fā)生的生理過程，通過合理分配資源和清除有害或無用物質(zhì)來維持體內(nèi)平衡，從而調(diào)節(jié)細(xì)胞生命周期和自然發(fā)育。然而，當(dāng)細(xì)胞受到饑餓、氧化應(yīng)激或任何有毒物質(zhì)的影響時，自噬過程可能會失調(diào)，導(dǎo)致細(xì)胞死亡，即自噬性細(xì)胞死亡或II型細(xì)胞死亡。這種雙重功能表明自噬在決定細(xì)胞命運(yùn)中起著關(guān)鍵作用，它既可以作為一種生存機(jī)制，也可以在特定條件下驅(qū)動細(xì)胞死亡，具體取決于細(xì)胞環(huán)境和外部刺激。自噬的本質(zhì)其實(shí)是細(xì)胞內(nèi)的膜重排，自噬激活的第一步是形成隔離膜，或稱自噬體，這是一種雙膜結(jié)構(gòu)，將細(xì)胞質(zhì)成分隔離以進(jìn)行降解。自噬過程的主要驅(qū)動因素是UNC-51樣激酶1（ULK1）復(fù)合物，雷帕霉素靶蛋白（mTOR）通路是調(diào)節(jié)該復(fù)合物形成或抑制的重要途徑。在正常情況下，mTOR的激活通過抑制ULK1復(fù)合物的形成來抑制自噬；但在應(yīng)激或營養(yǎng)剝奪條件下，抑制mTOR導(dǎo)致ULK1復(fù)合物的形成，該復(fù)合物啟動一種稱為吞噬泡的雙膜結(jié)構(gòu)的形成，吞噬泡延伸并包裹細(xì)胞內(nèi)成分，形成自噬體。然后與溶酶體融合形成自噬溶酶體，利用其酶消化細(xì)胞內(nèi)成分。包括自噬相關(guān)基因（ATG）家族蛋白和Beclin-1在內(nèi)的多種蛋白質(zhì)在自噬過程中起著重要作用，它們參與吞噬泡的形成和自噬蛋白的募集。微管相關(guān)蛋白輕鏈 3（LC3）則參與吞噬泡的延伸、封閉和自噬體的成熟，自噬激活導(dǎo)致吞噬泡的形成，反過來又導(dǎo)致自噬性細(xì)胞死亡。

圖5. 自噬性細(xì)胞死亡的機(jī)制

4. 溶酶體細(xì)胞死亡

溶酶體細(xì)胞死亡，即溶酶體依賴性細(xì)胞死亡（LCD），是由于溶酶體膜通透化，導(dǎo)致溶酶體酶釋放到細(xì)胞質(zhì)中并激活細(xì)胞死亡途徑。LCD通常由活性氧（ROS）或其他外部刺激觸發(fā)。ROS的激增是導(dǎo)致鈣離子濃度升高的主要因素之一，這一過程通過瞬時受體電位通道M2型（TRPM2）通道的過度激活和溶酶體中鈣離子的外流來實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而誘發(fā)溶酶體膜破裂（LMP）和溶酶體蛋白酶（如cathespins）釋放到細(xì)胞質(zhì)中。溶酶體蛋白酶催化多種底物的降解，包括Bid和凋亡蛋白，進(jìn)而啟動依賴caspase的細(xì)胞死亡途徑。此外，LCD的發(fā)生還涉及Ca²⁺依賴的腺苷酸環(huán)化酶1（ADCY1）激活，隨之而來的是環(huán)磷腺苷（cAMP）的增加，最終抑制溶酶體酸性鞘磷脂酶（SMase）的活性。同時，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激也能引起細(xì)胞質(zhì)內(nèi)Ca²⁺濃度升高。過量的細(xì)胞質(zhì)鈣刺激鈣蛋白酶（calpain）激活，導(dǎo)致溶酶體膜蛋白（如LAMP1/2）的降解，進(jìn)而引發(fā)溶酶體膜的破裂，最終導(dǎo)致LCD。

                                                                                     圖6. 溶酶體細(xì)胞死亡的機(jī)制

5. 免疫原性細(xì)胞死亡

免疫原性細(xì)胞死亡（ICD）是一種PCD類型，是調(diào)節(jié)性細(xì)胞死亡（RCD）的一種，一種足以在具有免疫能力的宿主中激活適應(yīng)性免疫的細(xì)胞死亡方式。ICD可由一組有限的刺激引起，包括病毒感染、一些FDA批準(zhǔn)的藥物（蒽環(huán)類藥物等）、特定形式的放療和光動力治療等。當(dāng)死亡細(xì)胞釋放損傷相關(guān)分子模式（DAMPs）時，會引發(fā)免疫反應(yīng)，這些DAMPs吸引免疫細(xì)胞到細(xì)胞死亡的部位。在ICD過程中，死亡的腫瘤細(xì)胞在其表面表達(dá)鈣網(wǎng)蛋白（Calreticulin，CALR），這作為“吃我”信號作用于樹突狀細(xì)胞（DCs）和其他吞噬細(xì)胞。這種信號促進(jìn)DCs吞噬死亡細(xì)胞，從而激活免疫反應(yīng)。DAMPs包括細(xì)胞表面暴露的CALR和熱休克蛋白（Heat Shock Proteins，HSPs）、以及細(xì)胞外釋放的三磷酸腺苷（ATP）、高遷移率族框1（HMGB1）等。這些DAMPs可以作為危險信號，被先天免疫系統(tǒng)的模式識別受體（Pattern Recognition Receptors，PRRs）所識別，如Toll樣受體（TLRs）和NOD樣受體（NLRs），從而激活抗腫瘤免疫反應(yīng)。

圖7. 免疫原性細(xì)胞死亡的機(jī)制

6. 堿死亡

堿死亡（Alkaliptosis）是一種由細(xì)胞內(nèi)pH升高引發(fā)的PCD。堿死亡通常由NF-κB激活引發(fā)，導(dǎo)致碳酸酐酶9（CA9）的下調(diào)或ATP酸性H⁺轉(zhuǎn)運(yùn)V0亞基D1（ATP6V0D1）的上調(diào)，進(jìn)而破壞溶酶體pH平衡。CA9作為一種維持pH平衡的酶，通過催化二氧化碳的可逆水合反應(yīng)，促進(jìn)碳酸氫鹽離子和質(zhì)子穿過細(xì)胞膜。當(dāng)CA9被過度下調(diào)時，受損的H⁺流出可激活其他轉(zhuǎn)運(yùn)體或調(diào)節(jié)器以調(diào)高細(xì)胞內(nèi)pH水平作為適應(yīng)性反應(yīng)。這種堿化破壞了細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)并可激活誘導(dǎo)細(xì)胞死亡的信號通路。

圖8. 堿死亡的機(jī)制

7. 氧死亡

氧死亡（Oxeiptosis）一種不依賴caspase的細(xì)胞凋亡樣死亡途徑，于2018年首次提出的一種非典型的氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡，具有非發(fā)炎性的特征，且與KEAP1-PGAM5-ASK1信號通路密切相關(guān)。在氧化應(yīng)激條件下，細(xì)胞內(nèi)ROS水平的升高引發(fā)KEAP1（Kelch樣ECH相關(guān)蛋白）的構(gòu)象變化，從而促使其與NRF2解離。KEAP1隨后轉(zhuǎn)運(yùn)至線粒體，介導(dǎo)AIF（凋亡誘導(dǎo)因子）從PGAM5（磷酸甘油酸變位酶家族成員5）的釋放，并促進(jìn)AIF向細(xì)胞核的轉(zhuǎn)運(yùn)。在細(xì)胞核內(nèi)，AIF的S116位點(diǎn)被去磷酸化，進(jìn)而引發(fā)細(xì)胞死亡。

圖9. 氧死亡的機(jī)制

8. 細(xì)胞焦亡

細(xì)胞焦亡（Pyroptosis）是一種涉及炎癥并由caspase 1介導(dǎo)的PCD，通常由細(xì)胞內(nèi)炎癥小體的激活引發(fā)，導(dǎo)致細(xì)胞膜破裂并釋放促炎因子，廣泛存在于感染和免疫反應(yīng)過程中。在響應(yīng)病原體相關(guān)分子模式（PAMPs）或損傷相關(guān)分子模式（DAMPs）的作用下，細(xì)胞質(zhì)中的經(jīng)典炎癥小體（如NLRP3、NLRP1、NLRC4、AIM2等）響應(yīng)微生物感染（如微生物毒素等）或危險信號（如雙鏈DNA和結(jié)晶等）激活caspase 1，而非經(jīng)典炎癥小體則直接響應(yīng)LPS或其他刺激激活caspase 4/5/11。炎癥caspase被激活后，pro-IL-1β、pro-IL-18和GSDMD被切割，釋放出N端的GSDMD（GSDMD-N），后者在細(xì)胞膜上形成孔洞，進(jìn)而釋放炎癥介質(zhì)（如IL-1β、IL-18等）。除此之外，Pyroptosis的其他途徑還包括caspase 3、caspase 8和caspase 9的激活，以及gasdermin E、B和C（分別為GSDME、GSDMB和GSDMC）的切割。此外，鈉離子進(jìn)入細(xì)胞并帶入水分，導(dǎo)致細(xì)胞體積膨脹。隨著這一過程的持續(xù)，細(xì)胞膜可能無法承受增大的壓力，從而導(dǎo)致膜破裂。膜破裂后，所有剩余的可溶性細(xì)胞質(zhì)內(nèi)容物會迅速被釋放，幾乎是瞬時發(fā)生的，從而最終導(dǎo)致Pyroptosis。

圖10. 細(xì)胞焦亡的機(jī)制

9. 鐵死亡

鐵死亡（ferroptosis）是一種鐵依賴的涉及脂質(zhì)過氧化物和氧化應(yīng)激積累，導(dǎo)致膜損傷的PCD。

鐵死亡由脂質(zhì)過氧化物的積累引發(fā)，這些脂質(zhì)過氧化物是通過脂氧合酶或其他酶氧化多不飽和脂肪酸產(chǎn)生的。脂質(zhì)過氧化物通過多不飽和脂肪酸的氧化積累，這個過程可以通過鐵催化的芬頓反應(yīng)進(jìn)一步放大，生成ROS和羥基自由基，這些自由基會攻擊和破壞細(xì)胞成分，特別是細(xì)胞膜，導(dǎo)致細(xì)胞死亡。鐵死亡的特點(diǎn)是細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽（GSH）的耗竭和谷胱甘肽過氧化物酶4 (GPX4) 活性的降低，導(dǎo)致未代謝的脂質(zhì)過氧化物的積累和高水平ROS的產(chǎn)生。

圖11. 鐵死亡的機(jī)制

10. NETosis

NETosis是中性粒細(xì)胞的一種炎性細(xì)胞死亡方式，通過釋放網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的中性粒細(xì)胞外陷阱（NETs）來捕捉并殺死病原體。特征是NETs釋放到細(xì)胞外空間，NETs是由染色質(zhì)、組蛋白和顆粒蛋白組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。NETosis中的一個關(guān)鍵事件是NADPH氧化酶復(fù)合物的激活，這依賴于細(xì)胞質(zhì)中Ca²⁺濃度的增加和隨后的ROS生成。過量的ROS導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)顆粒降解，并促使中性粒細(xì)胞彈性蛋白酶（NE）、髓過氧化物酶（MPO）和肽基精氨酸脫亞胺酶4（PAD4）釋放到細(xì)胞核中，導(dǎo)致染色質(zhì)去凝聚和核膜解體。另一個重要的因素是PAD4從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核，催化組蛋白的去甲基化，導(dǎo)致染色質(zhì)去凝縮。在NETosis的最終階段，質(zhì)膜上形成孔洞，染色質(zhì)釋放到細(xì)胞外環(huán)境，形成NETs。

圖12. NETosis的機(jī)制

11. Parthanatos

Parthanatos是一種由聚ADP-核糖聚合酶（PARP）激活介導(dǎo)的PCD，特征是PAR聚合物積累、AIF釋放，最終導(dǎo)致DNA片段化。由多種因子觸發(fā)，如ROS、過氧化氫、電離輻射和烷基化劑。當(dāng)DNA損傷較輕時，PARP-1 招募DNA損傷修復(fù)蛋白來修復(fù)受損的DNA。嚴(yán)重的 DNA損傷導(dǎo)致PARP-1過度激活和PAR聚合物的形成。積累的PAR聚合物與AIF 結(jié)合并介導(dǎo)AIF從線粒體的釋放。AIF與巨噬細(xì)胞遷移抑制因子（MIF）互動形成AIF/MIF復(fù)合物，該復(fù)合物被轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞核，導(dǎo)致DNA降解并引發(fā)Parthanatos。

圖13. Parthanatos的機(jī)制

12. 銅死亡

銅死亡（cuproptosis）是一種由銅觸發(fā)的PCD形式，其特征是由于脂?；€粒體酶聚集和鐵硫中心蛋白喪失引起的線粒體應(yīng)激。過量的銅對細(xì)胞和組織有毒性，導(dǎo)致一種稱為銅超載或銅毒性的狀況。線粒體基質(zhì)還原酶鐵氧還蛋白1（FDX1）催化ES-Cu²⁺還原為Cu⁺，將其釋放到線粒體中。FDX1還被鑒定為一種新型的脂?；?yīng)物，促進(jìn)有毒的脂酰化二氫脂酰胺S-乙酰轉(zhuǎn)移酶（DLAT）的積累，隨后引發(fā)銅死亡。這種細(xì)胞死亡依賴于細(xì)胞中的銅含量和三羧酸（TCA）循環(huán)酶的脂酰化狀態(tài)。

圖14. 銅死亡的機(jī)制

13. 雙硫死亡

雙硫死亡（disulfidptosis）是一種由雙硫鍵失衡引發(fā)的細(xì)胞死亡，核心機(jī)制始于葡萄糖饑餓導(dǎo)致的NADPH耗竭，由此引發(fā)細(xì)胞內(nèi)還原能力崩潰，無法維持蛋白質(zhì)巰基的還原狀態(tài)。關(guān)鍵步驟是SLC7A11高表達(dá)細(xì)胞通過大量攝取胱氨酸，因其無法被還原而在肌動蛋白細(xì)胞骨架等富含胱氨酸的蛋白間形成異常二硫鍵，直接導(dǎo)致肌動蛋白絲交聯(lián)、收縮和崩解，最終引發(fā)細(xì)胞失粘附而死亡。這一過程獨(dú)立于已知的凋亡、壞死性凋亡、焦亡和鐵死亡通路，其獨(dú)特之處在于二硫鍵應(yīng)激直接破壞了細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)。

圖15. 雙硫死亡的機(jī)制

三、細(xì)胞死亡的相關(guān)蛋白

1. 細(xì)胞凋亡主要相關(guān)蛋白

2. 壞死性凋亡主要相關(guān)蛋白

3. 自噬性細(xì)胞死亡主要相關(guān)蛋白

4. 溶酶體細(xì)胞死亡主要相關(guān)蛋白

5. 堿死亡主要相關(guān)蛋白

6. 氧死亡主要相關(guān)蛋白

7. 細(xì)胞焦亡主要相關(guān)蛋白

8. 鐵死亡主要相關(guān)蛋白

9. NETosis主要相關(guān)蛋白

10. Parthanatos主要相關(guān)蛋白

11. 銅死亡主要相關(guān)蛋白

12. 雙硫死亡主要相關(guān)蛋白

細(xì)胞死亡是由一系列關(guān)鍵蛋白精確調(diào)控的主動程序性過程，其核心執(zhí)行分子如caspase家族、RIPK、MLKL及Gasdermin家族等的激活與相互作用，共同決定不同死亡方式的命運(yùn)走向。這些細(xì)胞死亡途徑不僅在正常生理過程中發(fā)揮重要作用，還與多種疾病的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)。

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