细胞死亡与疾病

这是一篇关于人卫第十版《病理生理学》教材 第三章 第二节 细胞死亡与疾病的思维导图，主要内容包括：细胞死亡是细胞停止功能活动的过程，可以由于各种原因以不同方式发生。 正常组织中存在细胞死亡，是维持组织形态和功能所必需的；细胞应激、代谢异常、病原体入侵或者组织损伤均可导致细胞死亡，参与疾病的发生发展，细胞凋亡与疾病，细胞凋亡概述。

第三章 第二节 细胞死亡与疾病

• 细胞死亡是细胞停止功能活动的过程，可以由于各种原因以不同方式发生。 正常组织中存在细胞死亡，是维持组织形态和功能所必需的；细胞应激、代谢异常、病原体入侵或者组织损伤均可导致细胞死亡，参与疾病的发生发展
  • 按照发生机制可将细胞死亡分为调节性或程序性细胞死亡和非程序 性细胞死亡
    • 1. 非程序性细胞死亡
      • 称为意外性细胞死亡（accidental cell death，ACD） 发生在极端或严重应激条件下（例如体温过低、严重缺氧或外伤等）
      • 细胞坏死（necrosis）属于非程序性细胞死亡，是由于 细胞膜损伤破裂后释放细胞内蛋白酶引起自我消化所带来的细胞快速死亡。
    • 2. 程序性细胞死亡
      • 程序性细胞死亡（programmed cell death，PCD）又称为调节性细胞死亡 （regulated cell death，RCD），是生物体生命周期中普遍存在的调控过程，是由基因决定的细胞主动有序的死亡方式，包括细胞凋亡、坏死性凋亡、焦亡和铁死亡等类型
        • 细胞凋亡（apoptosis）是指由体内、外因素触发细胞内预存的死亡程序而导致的以细胞固缩为形态学改变的程序性的细胞死亡形式。 坏死性凋亡（necroptosis）是一种类似于细胞坏死的程序性炎性细胞死亡形式。这种细胞死亡与坏死具有相似的形态特征，但又是一个由死亡受体介导的、细胞内信号因子严密调控的主动死亡过程。 焦亡（pyroptosis）是由炎症小体（inflammasome）引发的、依赖于炎性胱天蛋白酶（caspase - 1或caspase - 4、caspase - 5、caspase - 11）的程序性炎性细胞死亡形式，是机体重要的天然免疫反应。 铁死亡（ferroptosis）是一种铁依赖性的、以细胞内活性氧堆积为特征的细胞程序性死亡方式。一些富含铁的组织（如心脏、肝、脑、肾和胰腺）或细胞（如巨噬细胞）容易受到铁死亡的损害。
  • 细胞具有多种死亡方式，有利于保证多细胞生物在生命过程中将大量“多余的”或“生病的”细胞以死亡的方式处理掉，从而维持机体的正常代谢过程和内环境的稳态
• 细胞凋亡概述
  • 细胞凋亡的形态结构改变
    • 与细胞坏死比较，细胞凋亡在许多方面存在显著差异（表3 - 3，图3 - 3）
      • 细胞凋亡时，出现下述特征性的形态改变：①细胞膜表面微绒毛消失及空泡化（blebbing）；②细胞体积缩小呈现固缩（condensation）；③核质高度浓缩并融合成团，染色质集中分布在核膜的边缘而呈新月形或马蹄形分布，即染色质边集（margination）；④因胞膜皱缩内陷，分割包裹胞质和/或核碎片，形成泡状小体即凋亡小体（apoptosis body）等
  • 细胞凋亡的调控
    • 细胞凋亡调控相关的基因
      • 功能分类
        • 启动和促进细胞凋亡的基因，如p53
        • 抑制细胞凋亡的基因，如Bcl - 2
      • Bcl - 2家族（Bcl - 2 family）：目前已经发现并鉴定出20余种成员，根据它们在细胞凋亡中的作用可分为两类： 一类是抗凋亡成员（如Bcl - 2和Bcl - XL） 另一类是促凋亡成员（如Bax和Bak），包括BH3 - only蛋白（表3 - 4） 它们相互作用决定了细胞死亡的阈值
      • p53：野生型p53蛋白具有诱导细胞凋亡及抑制细胞增殖的作用
        • 野生型p53蛋白是一种负调控因子，主要在G1- S期交界处发挥检查点的功能，当其检查发现染色体DNA损伤时，通过刺激CKI表达引起G1期阻滞，并启动DNA修复；如修复失败则启动细胞凋亡，把可能演变为癌的细胞消灭在萌芽状态，因此p53有“分子警察”的美誉
          • 野生型p53基因是一种反转录激活因子，主要调控三组功能各异相关基因的表达，此外，野生型p53还可转位到线粒体，模拟只包含BH3结构域（BH3 - only）蛋白（如Bid、Bim）的功能诱导细胞凋亡
            • 既包括可启动线粒体凋亡途径和可启动死亡受体凋亡途径的凋亡相关基因组 也包括可负调控细胞生存及增殖信号途径的磷酸酯酶相关基因组。
        • 突变型p53丧失促进细胞凋亡作用，甚至有报道突变型p53可驱动细胞周期
    • 细胞凋亡相关酶的激活
      • 凋亡是多因素、多阶段和多基因严格控制的过程，如在诱导凋亡相关因素（射线、高温、TNF、细菌和病毒等）作用下启动信号转导，凋亡相关基因接受死亡信号后按预定程序启动合成执行凋亡所需的多种酶，如核酸内切酶（endogenous nuclease）和胱天蛋白酶（caspase）。
        • 这些酶通过级联反应等降解底物，导致细胞呈现凋亡特征性的形态（如凋亡小体）和生化（如“梯状”条带）改变。
      • 内源性核酸内切酶
        • 正常情况下多种内源性核酸内切酶是以无活性的酶原形式存在于胞核内，因而不出现DNA断裂。内源性核酸内切酶多数为Ca2+ / Mg2+依赖的，但Zn2+可抑制其活性
          • 凋亡诱导因素可通过启动信号转导，调控胞内某些成分（如Ca2+）激活内源性核酸内切酶
        • 该酶可作用于核小体连接区，使DNA断裂成核小体倍数大小（即180 ~ 200bp）或其整倍数长度的片段，这些片段在琼脂糖凝胶电泳中可呈特征性的“梯状”条带
      • 胱天蛋白酶
        • caspases是一组对底物天冬氨酸部位有特异水解作用的蛋白酶，其活性中心富 含半胱氨酸
        • 细胞凋亡相关caspases包括启动型caspase（caspase - 8 / 9 / 10，主要为caspase - 8）和效应型caspase（caspase - 3 / 6 / 7，主要为caspase - 3）
        • 在细胞凋亡过程中caspases可发挥多种功能，包括： ① 灭活凋亡抑制蛋白（如Bcl - 2）； ② 直接作用于细胞结构并使之解体，如使板层结构的主要成分核纤层蛋白（lamin）崩解，引发染色质浓缩； ③ 分解与细胞骨架构成相关的蛋白； ④ 瓦解核结构成核碎片等，以导致凋亡细胞特征性的形态学改变
  • 细胞凋亡调控的信号转导机制
    • 细胞凋亡可分为外源性（extrinsic）细胞凋亡和内源性（intrinsic）细胞凋亡（图3 - 4）
      • 细胞凋亡过程受细胞内、外多种信号的调控，死亡受体和线粒体介导的信号转导通路为细胞凋亡调控的两条经典信号转导通路，在细胞凋亡中发挥重要作用
      • 细胞凋亡的信号通路既可单独启动，又可联合作用，不同通路之间存在交互作用，凋亡诱导因子可通过激活一条或多条凋亡通路影响凋亡速率而参与疾病的发生发展
    • 细胞凋亡的发生机制十分复杂，除经典的内、外源性细胞凋亡信号转导通路外，内质网应激及颗粒酶B途径也可介导细胞凋亡。
    • 外源性细胞凋亡
      • 外源性细胞凋亡主要通过胞膜死亡受体介导
        • 死亡受体属于肿瘤坏死因子受体（tumor necrosis factor receptor，TNFR）超家族，其胞质区内含有一个同源结构“死亡结构域”（death domain，DD）。
      • 细胞外许多信号分子可以与细胞表面的死亡受体结合，激活细胞凋亡信号通路
      • Fas和TNFR1是哺乳动物细胞常见的死亡受体
        • Fas配体（Fas ligand，Fas L）和TNF - α等分别与Fas和TNFR结合，使受体三聚化并活化，通过受体的死亡结构域募集衔接蛋白 衔接蛋白可通过死亡效应结构域与caspase - 8前体（pro - caspase - 8）结合，形成死亡诱导信号复合物（death - inducing signaling complex，DISC），即由Fas L - Fas - FADD - pro - caspase - 8串联构成的复合物。
          • 衔接蛋白（如Fas相关死亡结构域蛋白（Fas - associated death domain，FADD）和/或TNFR相关死亡结构域蛋白（TNFR - associated death domain，TRADD）
          • DISC复合体内高浓度的caspase - 8前体可发生自我剪接并活化，然后释放到胞质并启动caspase级联反应，激活caspase - 3、6和7前体，导致细胞凋亡。 活化的caspase - 8同时还能激活Bcl - 2家族的促凋亡因子［如Bid（binding interface database）］，形成一种截短的Bid（truncated Bid，tBid）转移到线粒体并破坏线粒体膜的通透性，从而诱导细胞色素c（cytochrome c，Cyt c）释放进入胞质，进而把死亡受体通路和线粒体通路联系起来，有效地扩大了凋亡信号的作用（图3 - 4）
    • 内源性细胞凋亡
      • 内源性细胞凋亡主要通过线粒体途径实现，是细胞凋亡信号转导途径中最 为明确的信号通路之一。 该通路主要涉及位于线粒体内促凋亡蛋白的异位
        • 许多凋亡诱导信号如射线、化疗药和氧化应激及钙稳态失衡等可作用于线粒体膜，使其跨膜电位（ΔΨm）明显下降和膜转换孔开放，导致线粒体膜通透性增高，促使线粒体内凋亡启动因子（如Cyt c、AIF和Apaf - 1等）释放至胞质，并通过下列机制导致细胞凋亡
          • ① Cyt c分子上存在衔接蛋白凋亡蛋白酶激活因子1（apoptosis protease activating factor 1，Apaf - 1）的结合位点，在dATP存在的情况下，Cyt c与Apaf - 1及caspase - 9前体（pro - caspase - 9）结合形成凋亡复合体（apoptosome），导致caspase - 9前体激活，后者通过级联反应激活下游caspase - 3、6和7前体等，活化的caspase作用于细胞骨架蛋白等导致细胞DNA修复功能丧失、核酸内切酶激活和DNA片段化等细胞凋亡的改变（图3 - 4）。
          • ② 凋亡诱导因子（apoptosis inductive factor，AIF）正常情况下位于线粒体内部，当细胞受到内部凋亡刺激因子作用后，AIF可由线粒体释放到胞质，通过促进线粒体释放Cyt c而增强细胞凋亡的信号，并可快速激活核酸内切酶
• 细胞凋亡与疾病
  • 适度的凋亡具有重要作用
    • ① 确保正常生长发育，如人胚胎肢芽发育过程中指/趾间组织，通过凋亡而被逐渐消除，形成指/趾间隙
    • ② 维持内环境稳定，如清除针对自身抗原的T淋巴细胞，以维持免疫系统功能的稳定
    • ③ 发挥积极的防御功能，如受病毒感染的细胞（如HIV感染的CD4+ T淋巴细胞）发生凋亡，阻止病毒的复制
  • 细胞凋亡不足
    • 细胞凋亡不足与多种疾病密切相关，包括肿瘤、自身免疫病和病毒感染性疾病等
      • 其共同特点是细胞凋亡不足，细胞群体稳态被破坏，导致病变细胞异常增多，病变组织器官体积增大，功能异常
        • 其中最常见为肿瘤，如 p53基因突变导致细胞凋亡减弱，显著增加非小细胞肺癌发生率； Bcl - 2的高表达与B细胞淋巴瘤、神经母细胞瘤、白血病、前列腺癌和结肠癌等疾病的预后不良相关； 高度恶性的皮肤基底细胞癌和鲍恩病（Bowen disease）组织细胞凋亡减少与肿瘤的浸润和转移相关。 其机制虽未阐明，但多数学者认为恶性肿瘤细胞凋亡不足的相关机制涉及多方面
    • 凋亡调控相关信号的异常
      • 促凋亡（如TNF和Fas）和抑凋亡信号（如EGF）的异常
        • 如乳腺癌组织或细胞 ①胞外抑凋亡信号EGF上调，可与膜上EGF受体结合，激活胞内PI3K - Akt通路，导致核内p27和p53下调，使得癌细胞凋亡减少及增殖过度 ②促凋亡信号TNF下调，不足以启动癌细胞凋亡，共同导致和促进乳腺癌的发生和发展
    • 凋亡诱导相关信号转导通路的障碍
      • 死亡受体和线粒体介导的相关信号转导通路异常
        • 最常见的是Fas信号转导通路的异常。如 与癌旁正常乳腺组织相比，乳腺癌组织中Fas受体低表达，癌细胞凋亡率降低；腋淋巴结转移的乳腺癌组织Fas的表达量明显低于无腋淋巴结转移者；乳腺癌组织中Fas表达量与癌细胞凋亡率呈显著正相关，提示Fas信号转导通路的异常与乳腺癌的发生和发展密切相关
    • 凋亡相关基因表达异常
      • 抑凋亡基因和促凋亡基因的异常
        • 多种癌组织呈p53突变或缺失，与此同时细胞凋亡减少，肿瘤发生率增高或患者预后不良； 多种细胞毒因素可使Bcl - 2过表达，阻遏细胞凋亡，促进癌发生和发展。
    • 凋亡执行相关酶活性异常
      • caspase和核酸内切酶等活性异常
        • 如 多种癌组织和细胞caspase酶活性的降低，且细胞凋亡减少； 某些抗癌药如手霉素（manumycin）或抑癌基因（如14 - 3 - 3σ）可激活甲状腺癌细胞和乳腺癌细胞中caspase酶的活性，提高细胞凋亡百分率而发挥抑癌作用
  • 细胞凋亡过度
    • 细胞凋亡过度与多种疾病密切相关，包括免疫缺陷疾病、心血管疾病和神经元退行性疾病等 其共同特点是细胞凋亡过度，细胞死亡大于新生，细胞群体的稳态被破坏，导致细胞异常减少，组织器官体积变小，功能异常
      • 获得性免疫缺陷综合征（acquired immunodeficiency syndrome，AIDS）尤为典型 AIDS（也称艾滋病）是由人类免疫缺陷病毒（human immunodeficiency virus，HIV）感染而引发的一种传染性疾病，其关键的发病机制是CD4+ T淋巴细胞被选择性地过度破坏，以致CD4+ T淋巴细胞数显著减少而导致相关免疫功能缺陷。 既往研究认为，CD4+ T淋巴细胞减少与凋亡密切相关，HIV感染的CD4+ T淋巴细胞凋亡过度的相关机制涉及以下多方面
        • 人类免疫缺陷病毒外膜糖蛋白GP 120的作用
          • HIV进入靶细胞需要病毒外膜糖蛋白gp120与细胞表面的CD4糖蛋白和趋化因子受体的序列之间的相互作用。gp120通过与淋巴细胞的CD4+分子结合和相互作用，激活线粒体介导的通路诱导细胞凋亡。同时gp120和病毒蛋白（如Vpr）能使 宿主细胞发生G2期阻滞，触发CD4+ T淋巴细胞凋亡
        • FAS基因表达的上调
          • HIV感染可引起CD4+ T淋巴细胞的Fas基因表达上调，激活Fas介 导的信号通路诱导细胞凋亡
        • 细胞因子分泌增多
          • 受HIV感染的巨噬细胞等可分泌多种细胞因子，其中TNF、IL - 4及IL - 10增多可诱导宿主细胞凋亡，如增多的TNF通过与TNF受体结合直接启动死亡受体介导的通路诱导细胞凋亡； HIV感染也可刺激CD4+ T淋巴细胞产生大量氧自由基，通过激活内质网应激和线粒体介导的凋亡通路触发宿主细胞凋亡。但也有相反的报道，如某些细胞因子（包括IL - 2、IL - 12和IFN等）的增多抑制宿主细胞凋亡
        • TAT蛋白的产生增多
          • 受HIV感染的CD4+ T淋巴细胞可产生反式激活（trans - activator，Tat） 蛋白 ①可自由通过细胞膜进入CD4+ T淋巴细胞，诱导细胞产生氧自由基，增强Fas表达而提高其凋亡的易感性 ②还能够增强病毒复制的起始，促进mRNA的转录和翻译 ③同时也能保护人T细胞、上皮细胞和神经细胞免于凋亡 故Tat蛋白的作用是多向性的，既可诱导细胞凋亡，又可保护细胞免于凋亡，至于其机制尚未阐明。
        • T细胞的激活
          • HIV感染使CD4+ T淋巴细胞处于激活状态 正常情况下被激活的细胞会迅速发生增殖反应，但在HIV感染时，被激活的CD4+ T淋巴细胞不但不增殖，反而发生凋亡。这可能与HIV的侵袭引起淋巴细胞生长因子的生成减少有关
        • 合胞体的形成
          • 受HIV感染的大部分CD4+ T淋巴细胞逐步融合形成合胞体（syncytium ）或多 核巨细胞，未感染的CD4+ T淋巴细胞也可以被整合到合胞体中，合胞体形成后很快会发生凋亡及解体。 然而，HIV感染者外周血中被HIV感染的淋巴细胞只占淋巴细胞总数的很少一部分，这些被感染的CD4+ T淋巴细胞的凋亡不足以引起CD4+ T淋巴细胞总数的快速减少，表明存在大量未被HIV感染的CD4+ T淋巴细胞的丢失。 研究表明，受感染的CD4+ T淋巴细胞可作为效应细胞诱导未受感染的CD4+ T淋巴细胞凋亡，这是HIV慢性感染时CD4+ T淋巴细胞数量极度减少的主要原因。有报道提及，效应细胞可能通过Tat蛋白诱导未被HIV感染的CD4+ T淋巴细胞凋亡
      • 总之，HIV感染通过多因素和多途径诱导CD4+ T淋巴细胞凋亡，使CD4+ T淋巴细胞大量减少，它虽然导致相关免疫功能缺陷，但在一定程度上也具有保护意义，因为凋亡可使宿主细胞的DNA发生降解，从而破坏整合于其中的病毒DNA，这样可有效地终止病毒DNA的复制和表达，但细胞凋亡在HIV感染中有限的保护作用不足以弥补它对整个免疫系统的打击。因此在积极抗病毒治疗的同时，如何阻止免疫细胞凋亡是AIDS患者免疫重建的关键所在
  • 此外，有些疾病过程中还存在细胞凋亡不足和过度共存的现象
    • 人类组织器官通常由不同种类的细胞构成，如血管以内皮细胞和平滑肌细胞为主 由于细胞类型的差异，在致病因素的作用下，有些细胞表现为凋亡不足，另一些细胞可表现为凋亡过度，因此在同一疾病或病理过程中两种情况可同时并存
      • 如血管动脉粥样硬化时，可见其内皮细胞凋亡过度，而平滑肌细胞则是凋亡不足