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

圖1. 細胞死亡發(fā)現(xiàn)的時間點

一、細胞死亡的分類

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

圖2. 細胞死亡的分類

二、細胞死亡的機制

1. 細胞凋亡

細胞凋亡的激活有兩條主要途徑：外源性和內源性途徑。外源性途徑由細胞外配體（TNF-α和Fas配體（FasL））與死亡受體結合激活，分別對應TNF和Fas受體。細胞外配體與死亡受體結合后，形成死亡誘導信號復合體（DISC），招募并激活啟動caspase，如caspase-8和caspase-10。內源性途徑由細胞內壓力因子激活，如DNA損傷、氧化壓力和生存信號的喪失，這導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）調節(jié)。在應對細胞內壓力時，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胞色素c到細胞質中。釋放的細胞色素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. 細胞凋亡的機制

2. 壞死性凋亡

壞死性凋亡（Necroptosis）是PCD的一種細胞裂解形式，并可導致炎癥。主要通過RIPK1-RIPK3-MLKL信號通路介導，當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），這是導致細胞膜裂解的壞死性凋亡的末端效應物，表現(xiàn)為細胞膜破裂和炎癥因子的釋放。盡管它具備凋亡的調控特性，但形態(tài)上呈現(xiàn)壞死特征。FASL、腫瘤壞死因子相關凋亡誘導配體（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）。磷酸化介導的MLKL激活以及隨后的MLKL介導的膜孔形成是壞死性凋亡的關鍵步驟。響應TNF-α誘導的壞死性凋亡，磷酸甘油酸變位酶5（PGAM5）被招募到外線粒體膜上的RIPK1/RIPK3復合物，激活動力蛋白相關蛋白1（Drp1）介導的線粒體斷裂，并釋放大量ROS，從而進一步激活多聚ADP核糖聚合酶1（PARP-1），導致NAD+水平下降并加劇該過程，這被認為是壞死性凋亡發(fā)生的必需步驟。

圖4. 壞死性凋亡的機制

3. 自噬性細胞死亡

“自噬”來自希臘語“auto”，意思是吃或吞噬，描述了細胞分解和再利用自身成分以實現(xiàn)多種細胞功能的有序方式。自噬是體內自然發(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來維持體內平衡，從而調節(jié)細胞生命周期和自然發(fā)育。然而，當細胞受到饑餓、氧化應激或任何有毒物質的影響時，自噬過程可能會失調，導致細胞死亡，即自噬性細胞死亡或II型細胞死亡。這種雙重功能表明自噬在決定細胞命運中起著關鍵作用，它既可以作為一種生存機制，也可以在特定條件下驅動細胞死亡，具體取決于細胞環(huán)境和外部刺激。自噬的本質其實是細胞內的膜重排，自噬激活的第一步是形成隔離膜，或稱自噬體，這是一種雙膜結構，將細胞質成分隔離以進行降解。自噬過程的主要驅動因素是UNC-51樣激酶1（ULK1）復合物，雷帕霉素靶蛋白（mTOR）通路是調節(jié)該復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復合物的形成來抑制自噬；但在應激或營養(yǎng)剝奪條件下，抑制mTOR導致ULK1復合物的形成，該復合物啟動一種稱為吞噬泡的雙膜結構的形成，吞噬泡延伸并包裹細胞內成分，形成自噬體。然后與溶酶體融合形成自噬溶酶體，利用其酶消化細胞內成分。包括自噬相關基因（ATG）家族蛋白和Beclin-1在內的多種蛋白質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，自噬激活導致吞噬泡的形成，反過來又導致自噬性細胞死亡。

圖5. 自噬性細胞死亡的機制

4. 溶酶體細胞死亡

溶酶體細胞死亡，即溶酶體依賴性細胞死亡（LCD），是由于溶酶體膜通透化，導致溶酶體酶釋放到細胞質中并激活細胞死亡途徑。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現(xiàn)，進而誘發(fā)溶酶體膜破裂（LMP）和溶酶體蛋白酶（如cathespins）釋放到細胞質中。溶酶體蛋白酶催化多種底物的降解，包括Bid和凋亡蛋白，進而啟動依賴caspase的細胞死亡途徑。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，內質網(wǎng)應激也能引起細胞質內Ca²⁺濃度升高。過量的細胞質鈣刺激鈣蛋白酶（calpain）激活，導致溶酶體膜蛋白（如LAMP1/2）的降解，進而引發(fā)溶酶體膜的破裂，最終導致LCD。

                                                                                     圖6. 溶酶體細胞死亡的機制

5. 免疫原性細胞死亡

免疫原性細胞死亡（ICD）是一種PCD類型，是調節(jié)性細胞死亡（RCD）的一種，一種足以在具有免疫能力的宿主中激活適應性免疫的細胞死亡方式。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。當死亡細胞釋放損傷相關分子模式（DAMPs）時，會引發(fā)免疫反應，這些DAMPs吸引免疫細胞到細胞死亡的部位。在ICD過程中，死亡的腫瘤細胞在其表面表達鈣網(wǎng)蛋白（Calreticulin，CALR），這作為“吃我”信號作用于樹突狀細胞（DCs）和其他吞噬細胞。這種信號促進DCs吞噬死亡細胞，從而激活免疫反應。DAMPs包括細胞表面暴露的CALR和熱休克蛋白（Heat Shock Proteins，HSPs）、以及細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。

圖7. 免疫原性細胞死亡的機制

6. 堿死亡

堿死亡（Alkaliptosis）是一種由細胞內pH升高引發(fā)的PCD。堿死亡通常由NF-κB激活引發(fā)，導致碳酸酐酶9（CA9）的下調或ATP酸性H⁺轉運V0亞基D1（ATP6V0D1）的上調，進而破壞溶酶體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，促進碳酸氫鹽離子和質子穿過細胞膜。當CA9被過度下調時，受損的H⁺流出可激活其他轉運體或調節(jié)器以調高細胞內pH水平作為適應性反應。這種堿化破壞了細胞內穩(wěn)態(tài)并可激活誘導細胞死亡的信號通路。

圖8. 堿死亡的機制

7. 氧死亡

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

圖9. 氧死亡的機制

8. 細胞焦亡

細胞焦亡（Pyroptosis）是一種涉及炎癥并由caspase 1介導的PCD，通常由細胞內炎癥小體的激活引發(fā)，導致細胞膜破裂并釋放促炎因子，廣泛存在于感染和免疫反應過程中。在響應病原體相關分子模式（PAMPs）或損傷相關分子模式（DAMPs）的作用下，細胞質中的經(jīng)典炎癥小體（如NLRP3、NLRP1、NLRC4、AIM2等）響應微生物感染（如微生物毒素等）或危險信號（如雙鏈DNA和結晶等）激活caspase 1，而非經(jīng)典炎癥小體則直接響應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），后者在細胞膜上形成孔洞，進而釋放炎癥介質（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，鈉離子進入細胞并帶入水分，導致細胞體積膨脹。隨著這一過程的持續(xù)，細胞膜可能無法承受增大的壓力，從而導致膜破裂。膜破裂后，所有剩余的可溶性細胞質內容物會迅速被釋放，幾乎是瞬時發(fā)生的，從而最終導致Pyroptosis。

圖10. 細胞焦亡的機制

9. 鐵死亡

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

鐵死亡由脂質過氧化物的積累引發(fā)，這些脂質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進一步放大，生成ROS和羥基自由基，這些自由基會攻擊和破壞細胞成分，特別是細胞膜，導致細胞死亡。鐵死亡的特點是細胞內谷胱甘肽（GSH）的耗竭和谷胱甘肽過氧化物酶4 (GPX4) 活性的降低，導致未代謝的脂質過氧化物的積累和高水平ROS的產(chǎn)生。

圖11. 鐵死亡的機制

10. NETosis

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

圖12. NETosis的機制

11. Parthanatos

Parthanatos是一種由聚ADP-核糖聚合酶（PARP）激活介導的PCD，特征是PAR聚合物積累、AIF釋放，最終導致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DNA損傷較輕時，PARP-1 招募DNA損傷修復蛋白來修復受損的DNA。嚴重的 DNA損傷導致PARP-1過度激活和PAR聚合物的形成。積累的PAR聚合物與AIF 結合并介導AIF從線粒體的釋放。AIF與巨噬細胞遷移抑制因子（MIF）互動形成AIF/MIF復合物，該復合物被轉運到細胞核，導致DNA降解并引發(fā)Parthanatos。

圖13. Parthanatos的機制

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激。過量的銅對細胞和組織有毒性，導致一種稱為銅超載或銅毒性的狀況。線粒體基質還原酶鐵氧還蛋白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?；铮龠M有毒的脂?；渲０稴-乙酰轉移酶（DLAT）的積累，隨后引發(fā)銅死亡。這種細胞死亡依賴于細胞中的銅含量和三羧酸（TCA）循環(huán)酶的脂?；癄顟B(tài)。

圖14. 銅死亡的機制

13. 雙硫死亡

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

圖15. 雙硫死亡的機制

三、細胞死亡的相關蛋白

1. 細胞凋亡主要相關蛋白

2. 壞死性凋亡主要相關蛋白

3. 自噬性細胞死亡主要相關蛋白

4. 溶酶體細胞死亡主要相關蛋白

5. 堿死亡主要相關蛋白

6. 氧死亡主要相關蛋白

7. 細胞焦亡主要相關蛋白

8. 鐵死亡主要相關蛋白

9. NETosis主要相關蛋白

10. Parthanatos主要相關蛋白

11. 銅死亡主要相關蛋白

12. 雙硫死亡主要相關蛋白

細胞死亡是由一系列關鍵蛋白精確調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走向。這些細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。

云克隆助力細胞死亡相關研究，為廣大科研人員提供相關檢測試劑產(chǎn)品，相關靶標核心貨號如下：