细胞死亡的分类

博士生资格考试综述（2005年10月24日）

细胞死亡的分类

吕冰峰

北京大学基础医学院免疫学系分子免疫实验室

北京大学人类疾病基因研究中心

摘要：细胞死亡是多细胞生物生命过程中重要的生理或病理现象。细胞死亡有很多种，基于不同的分类标准，其分类结果也不一样。细胞死亡有程序性和非程序性之分，后者即坏死。程序性细胞死亡按其发生机制不同可以分为凋亡、自吞噬性程序性细胞死亡、Paraptosis、细胞有丝分裂灾难、胀亡等。也有很多学者按照死亡时细胞的形态特征进行分类：按照细胞核形态可以分为凋亡、凋亡样程序性细胞死亡、坏死样程序性细胞死亡和坏死；按照Clarke形态学分类，程序性细胞死亡分为I、II、III类。形态学分类与机制分类有很大的重叠，我们总结了它们的对应关系。

关键词：程序性细胞死亡，凋亡，自吞噬，Paraptosis，细胞有丝分裂灾难，胀亡，坏死

一、前言

多细胞生物的发育及生存依赖于其细胞分裂增殖和死亡之间的平衡，一旦这种平衡被打破，就会发生胚胎发育异常、退行性疾病以及癌症等。所以在进化过程中，多细胞生物逐渐拥有了复杂而精密的调节机制维持这种平衡。

细胞的死亡形式多种多样，在过去的150年其分类主要基于形态学[1]。而在最近的30年里，由于死亡分子机制方面的研究取得长足进步，使得死亡的分类更加科学化。但是，由于认识的局限性，细胞死亡分类的现状是形态和机制并存，甚至给人一种混乱的感觉，本文将对现有的细胞死亡分类加以综述，并尽量将形态学分类与机制分类联系起来。

二、非程序性细胞死亡

程序性细胞死亡的共同点在于它们是细胞主动的死亡过程，能够被细胞信号转导的抑制剂阻断，而非程序性细胞死亡则是细胞被动的死亡过程，不能被细胞信号转导的抑制剂阻断[2]。

非程序性细胞死亡即坏死，是指细胞在受到环境中的物理或化学刺激时所发生的细胞被动死亡[3]。其主要形态学特点是胞膜的破坏，细胞及细胞器水肿（胞

浆泡化），但染色质不发生凝集。细胞死亡后，细胞内容物及前炎症因子释放，趋化炎症细胞浸润引起炎症，以去除有害因素及坏死细胞并进行组织重建。

哈佛大学医学院的袁均英教授和她的研究小组通过高通量的筛选，找到了一种化学小分子Necrostatin-1，能够抑制Fas/TNFR引起的坏死。该分子能专一性地阻断细胞坏死，但对凋亡没有抑制作用，这种死亡方式被他们命名为Necroptosis[4]。他们的研究还指出，坏死也能由细胞信号通路介导。所以说，坏死不都是非程序性的，很多信号通路介导坏死的发生，其原因可能是由于认识的局限性，很多和坏死形态相似的死亡被误认为是坏死，因此应该把传统意义的坏死分为两类，即坏死和坏死样程序性细胞死亡[5]。

三、程序性细胞死亡

程序性细胞死亡的分类方式大致有两种，即基于死亡机制的分类和基于形态学的分类。基于机制可以将程序性细胞死亡分为两大类：Caspase依赖的和Caspase 非依赖的。前者即典型的凋亡，后者包括自吞噬性程序性细胞死亡、Paraptosis、细胞有丝分裂灾难、胀亡等。基于形态学的分类又有两种：一种将程序性细胞死亡分为凋亡、凋亡样程序性细胞死亡和坏死样程序性细胞死亡；另一种则分为I 类、II类和III类程序性细胞死亡。

（一）基于机制的程序性细胞死亡分类

1. 凋亡

1972年Kerr从形态学的角度描述了细胞的生理死亡，并将其命名为凋亡[6]。凋亡的形态学特征为染色质凝集、边缘化，细胞皱缩，细胞膜内侧的磷脂酰丝氨酸外翻，细胞出泡形成凋亡小体。细胞凋亡受到一系列相关基因的严格调控。根据凋亡信号的来源可以将细胞凋亡信号转导通路分成两条：外源性通路（死亡受体通路）和内源性通路（线粒体通路）[7]。两条信号通路汇集于下游的效应Caspase。效应Caspase在细胞凋亡的执行阶段能够直接引起重要蛋白质的降解和核酸酶的激活并最终导致细胞凋亡。也有一些凋亡不依赖于Caspase，而是通过AIF等分子发挥效应，其形态学变化属于凋亡样程序性细胞死亡。

2. 自吞噬性程序性细胞死亡

1966年Duve和Wattiaux在发现溶酶体的同时发现了细胞的自吞噬现象[8]，1977年Mortimore和Schworer发现肝细胞在处于饥饿状态时，自吞噬对其维持自身的稳态发挥着至关重要的作用[9]。自吞噬细胞形态学上最主要的特征是细胞内出现大量泡状结构，即双层膜自吞噬泡，吞噬泡内为胞质及细胞器。调控自吞噬的细胞转导信号有很多，其中相对比较清楚的是PI3K和mTOR。PI3K对于早期吞噬泡的形成至关重要，而mTOR则对吞噬泡的形成及成熟起抑制作用[10]。另外已

知有十数种ATG分子参与了吞噬泡的形成。当细胞处于氨基酸饥饿、营养缺乏或生长因子去除时，细胞的mTOR就会受到抑制，从而发生自吞噬。自吞噬是细胞在处于恶劣环境时的一种生存机制，但持续的自吞噬会导致程序性细胞死亡[5]。

3. Paraptosis

2000年Sperandio等在293T细胞系中超表达胰岛素样生长因子1受体（IGFIR）时发现一种与经典凋亡不同的死亡表型，并定义为Paraptosis[11]。Paraptosis的形态学特征是细胞浆空泡化，线粒体和内质网肿胀，但没有核固缩现象。现在Paraptosis的文献报道比较少，其机制有待于进一步深入研究。高剂量的IGF或胰岛素等营养因子可以通过IGFIR活化MAPK/ERK以及JNK通路引起Paraptosis的发生，并且可以被AIP1/Alix特异性地抑制[12]。我们实验室的王莺博士发现TNF 受体超家族成员TAJ/TROY也可以诱导Paraptosis，并且可以被PDCD5加强[13]。

4. 细胞有丝分裂灾难

1989年，Lisa Molz等发现在酵母的一种对热敏感的突变株中，细胞分裂时染色体分离发生异常[14]。相应的一些学者便把这种在DNA发生损害时，细胞无法进行完全的分裂从而导致四倍体或多倍体的现象称为细胞有丝分裂灾难[15]。对于细胞有死分裂灾难的形态学特点描述并不是很完全，但主要是巨细胞的形成，内有多个小核，染色质凝聚[16]。有丝分裂灾难和凋亡的染色体固缩是否一样，现在看法并不一致。DNA发生损害时，如果细胞不能有效地阻断其细胞周期的进行，会导致染色体的异常分离，这些非正常分裂的细胞在下一轮有丝分裂中会继续导致细胞多倍体的形成从而成为癌变的基础。而细胞有丝分裂灾难作为一种死亡机制可以使这种非正常分裂的细胞死亡。细胞有丝分裂灾难由多种分子调控，如CDK1，P53及Survivin等，其死亡信号传递有很大一部分与凋亡相重叠[17]。

5. 胀亡

1910年，von Reckling-hausen在骨软化病中发现由于缺血而肿胀坏死的骨细胞，他把这种肿胀坏死叫做Oncosis。1995年Majno和Joris为与凋亡相区别，重新引入了Oncosis的概念[18]，把具有明显肿胀特点的细胞死亡命名为Oncosis，中文一般翻译为胀亡。胀亡的形态学特征是细胞肿胀，体积增大，胞浆空泡化，肿胀波及细胞核、内质网、线粒体等胞内结构，胞膜起泡，细胞膜完整性破坏[19]。胀亡细胞周围有明显炎症反应。对于胀亡发生的机制现有的文献阐述较少，有研究者认为胀亡只是坏死前的一个被动性死亡阶段[18]。但是近年来的研究更倾向于胀亡是一个程序性的死亡方式，如抗Porimin的单抗可以引起Jurkat细胞的胀亡；解偶联蛋白高表达的组织或细胞易发生胀亡，其原因是这些细胞缺乏ATP，故其膜上的离子泵功能丧失从而导致胀亡，而抑制解偶联蛋白可以抵抗胀亡却不能抵抗凋亡，提示胀亡可能有与凋亡不同的死亡机制[20]。

（二）基于形态的程序性细胞死亡分类