程序性坏死的分子机制

Hereditas (Beijing) 2014年6月, 36(6): 519―524

综 述

收稿日期: 2013−12−19; 修回日期: 2014−03−14

基金项目:国家重大基础研究发展规划（973计划）项目（编号： 2013CB835304），全国海洋公益项目(编号： 201305016)，国家自然科学基

金项目(编号： 31170353, 31202020)和大连市科技计划项目(编号：2013E11SF056) 资助

作者简介:巴微，硕士研究生，专业方向：细胞生物学。E-mail ：chifanchoua@

通讯作者:李庆伟，教授，博士生导师，研究方向：细胞生物学。E-mail ：liqw@

逄越，副教授，硕士生导师，研究方向：细胞生物学。E-mail ：pangyue01@ DOI: 10.3724/SP.J.1005.2014.0519 网络出版时间: 2014-4-4 10:30:31

URL: /kcms/detail/11.1913.R.20140404.1030.002.html

程序性坏死(Necroptosis)的分子机制

巴微1,2, 逄越1,2, 李庆伟1,2

1. 辽宁师范大学生命科学学院, 大连116029;

2. 辽宁师范大学七鳃鳗研究中心, 大连116029

摘要: 程序性坏死(Necroptosis)是一种不同于凋亡及传统坏死的细胞程序性死亡方式, 可由肿瘤坏死因子受体

(Tumor necrosis factor receptor, TNFR)或模式识别受体(Pattern recognition receptor, PRR)调控启动。受体相互作用蛋白(Receptor-interacting protein, RIP)1和3是启动necroptosis 的两个关键蛋白, necroptosis 启动后需要一系列分子传递和执行死亡信号, 如多核苷酸二磷酸-核糖聚合酶-1(Poly(ADP-ribose) polymerase, PARP-1)、活性氧簇(Reactive oxygen species, ROS)、Ca 2+等, 这些分子破坏线粒体及其他细胞器, 最终使细胞在缺乏天冬氨酸半胱氨酸蛋白酶(Caspase)的情况下死亡。Necroptosis 细胞可将损伤相关模式分子(Damage-associated molecular patterns, DAMPs)暴露到细胞外, 被吞噬细胞识别并清除。文章对启动necroptosis 的受体分子、传递执行细胞坏死的重要分子和坏死细胞的清除过程进行了概述。

关键词: 程序性坏死; 肿瘤坏死因子受体; 受体相互作用蛋白

The molecular mechanism of necroptosis

Wei Ba 1, 2, Yue Pang 1, 2, Qingwei Li 1, 2

1. College of Life Science , Liaoning Normal University , Dalian 116029, China ;

2. Lamprey Research Center , Liaoning Normal University , Dalian 116029, China

Abstract: Programmed necrosis called necroptosis, is different from traditional necrosis and apoptosis, it has attracted considerable attention over the last few years. Necroptosis can be initiated through many factors such as tumor necrosis factor receptor (TNFR) or pattern recognition receptor (PRR), and receptor-interacting protein (RIP) 1 and 3 are two key proteins during the process. A lot of molecules have been characterized as modulators and effectors of necroptosis, includ-ing poly(ADP-ribose) polymerase (PARP-1), reactive oxygen species (ROS), Ca 2+, which can destruct mitochondria or other organelles and induce cell dead through caspase-independent pathway. Then, damage-associated molecular pattern (DAMP) molecules were released from necroptosis cells, recognized and internalized by phagocytes. Here, we briefly dis-cuss the initiation and execution of necroptosis and the clearance of death cells.

520 Hereditas (Beijing) 2014第36卷

Keywords:necroptosis; tumor necrosis factor receptor(TNFR); receptor-interacting protein

1964年, Lockshin等[1]首次提出程序性细胞死亡(Programmed cell death, PCD)的概念。PCD是指发育过程中发生的某类由特定基因调控的细胞大量死亡。同年代, Kerr等[2]在局部缺血的情况下观察到大鼠肝细胞不断地转变成由细胞质膜包裹小圆团形态, 他将这种特殊的细胞死亡方式命名为细胞凋亡(Apoptosis)。1973年, Schweichel 和Merker[3]用形态学方法将细胞死亡划分为3类：毒素处理的小鼠胚胎细胞中, 有的细胞死于异体吞噬, 有的细胞死于自噬, 还有的细胞死亡但没有发生任何吞噬现象; 这3种死亡方式分别是凋亡、自噬和坏死。细胞凋亡是受死亡信号调节并伴随天冬氨酸半胱氨酸蛋白酶(Caspase)活化的一种细胞主动自杀的死亡方式, 凋亡时细胞皱缩、核仁裂解、胞膜内陷形成多个由质膜包裹的凋亡小体, 无内含物外泄, 因此不会引发周围组织的炎症反应[4]。细胞坏死是不受基因调控的、被动的细胞死亡方式, 坏死时细胞膨胀, 质膜破裂, 细胞内含物释放到细胞外, 引起周围组织炎症反应[5]。近年来还发现了一种可被necrostain-1 (Nec-1)抑制的新的细胞死亡方式——细胞程序性坏死(Necroptosis), 这是一种既受死亡信号调控、又呈现坏死样结构特点的死亡方式[6]。与凋亡相比, ne-croptosis不形成凋亡小体, 染色质不凝聚; 与坏死相比, necroptosis受到多种基因调控, 是有规律的细胞死亡方式; 与PARP-1依赖性细胞死亡(Parthanatos)相比, necroptosis没有caspase活化[7]。参与necroptosis过程的分子包括细胞因子、病原相关模式分子(Pathogen-associated molecular patterns, PAMPs)、RIP1、RIP3、caspase广谱抑制剂(Z-Val-Ala- Asp(OMe) -fluoromethyl ketone, zVAD-fmk)、ROS、PARP-1、水解酶等。本文就参与细胞程序性坏死的有关分子及作用机制进行了综述。

1 Necroptosis的启动

Caspase被抑制的细胞受到刺激时可能引起细胞necroptosis而非凋亡[8], 如肿瘤坏死因子(Tumor necrosis factor, TNF)诱导zVAD-fmk处理过的小鼠成纤维细胞L929程序性坏死, 还能使caspase-8缺失的白血病细胞Jurkat程序性坏死。因此, 程序性坏死可能是在凋亡无法正常启动时, 细胞用来执行死亡的方式[9]。TNF、PAMPs、DNA损伤、辐射等都能引起细胞的necroptosis。不同的细胞根据其所处环境及活化程度选择凋亡或necroptosis。

1.1受体分子引起necroptosis

TNF死亡通路起始于配体与受体的结合, 参与这一通路的受体主要为死亡受体家族里包含死亡结构域的一类受体, 包括TNFR1、Fas、死亡受体3(Death receptor 3, DR3)、DR4、DR5和肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体(TNF-related apoptosis-inducing ligand receptor, TRAIL)等。

TNF诱导的细胞死亡需要TNF在细胞膜上与TNFR1结合, 并在细胞内招募一系列蛋白形成不同的复合体。其中, 复合体Ⅰ包括TNF受体相关死亡结构域(TNFR-associated death domain, TRADD)、RIP1、TNFR相关因子2 (TNFR-associated factor 2, TRAF2)、TRAF5、胞内凋亡蛋白抑制因子1(Cellular inhibitor of apoptosis protein 1, cIAP1)、cIAP2、泛素酶复合体。此时, 如果RIP1被泛素化, 泛素化的RIP1募集转化生长因子β激活激酶1 (Transforming growth factor-βactivated kinase 1, TAK1)、TAK 结合蛋白2 (TAK1-binding protein 2, TAB2)、TAB3, 形成TAK1-TAB2-TAB3复合物并活化NF-κB, 抑制细胞死亡[10]。TNFR1从复合体Ⅰ解离, RIP1去泛素化, 与RIP3、TRADD、Fas死亡结构域相关蛋白(Fas-associated protein via a death domain, FADD)及caspase-8形成复合体Ⅱ。在此复合体中, 如果caspase-8切割RIP1、RIP3使其失活, 细胞就通过凋亡的方式死亡; 如果caspase-8被抑制, RIP1、RIP3通过磷酸化的方式形成复合体necrosome, 启动细胞程序性坏死[5](图1)。被caspase-8切割后只保有C 末端的RIP1无法启动necroptosis; 缺少中间结构域ID的RIP1将necroptosis转变为凋亡[11]; RIP1激酶活性被抑制时, 细胞存活率增大[12], 因此, 完整的、具有激酶活性的RIP1是细胞程序性坏死的必须因