结构生物化学/程序性坏死细胞损伤的分子调控

概述

细胞死亡的适当调控对于人类发育和细胞功能至关重要。与凋亡不同，坏死是一种更具炎症性的细胞死亡形式，可能有助于抗病毒免疫。事实上，坏死性细胞损伤与凋亡的区别在于广泛的细胞器和细胞肿胀以及质膜破裂。最近的证据表明，从 TNF 超家族受体发出的复杂生化网络可以诱导凋亡以及坏死性细胞死亡。TNF 样细胞因子诱导的坏死需要与参与凋亡的生化成分不同的生化成分。具体而言，受体相互作用蛋白 (RIP) 家族中的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶是“程序性”坏死性细胞损伤所必需的。本文讨论了通往坏死的新发现的途径以及凋亡和程序性坏死之间的分子串扰，特别强调了半胱氨酸蛋白酶、蛋白质泛素化和磷酸化如何调节坏死性细胞损伤的诱导。

程序性坏死细胞死亡

细胞增殖和细胞死亡之间的平衡对于高等生物的稳态至关重要。病理学家长期以来一直依靠形态学来区分不同形式的细胞死亡。分子生物学的发展极大地提高了我们对凋亡生化调控的认识。相比之下，我们对调节非凋亡细胞死亡程序（如坏死）的生化途径的了解仍然很少。直到最近，普遍的观点是，细胞坏死是非特异性细胞损伤（如外伤）的结果。

然而，随着调节该过程的专用分子机制的鉴定，坏死的研究取得了很大进展。“程序性坏死”是用来区分由肿瘤坏死因子 (TNF) 家族死亡细胞因子诱导的坏死与由非特异性外伤或损伤（如热休克）诱导的坏死的新术语 [1,2]。其他术语，包括“坏死性凋亡”，也被用来描述依赖受体相互作用蛋白 1 (RIP1) 的死亡细胞因子诱导的程序性坏死。本文重点介绍了近年来在了解 TNF 样细胞因子诱导的程序性坏死的分子调控方面的进展。

凋亡和坏死之间的分子串扰

TNF 样死亡细胞因子可以发出信号并导致三种不同的结果：核因子 κB (NF-κB) 激活、凋亡或程序性坏死。有证据表明，一种反应的激活通常会抵消其他反应。

在大多数情况下，TNF 刺激会导致 NF-κB 激活而不是细胞死亡。然而，当 NF-κB 激活被抑制时，无论是通过大分子合成抑制剂还是通过表达负调节因子 IκBα 的显性负突变，TNF 都会诱导凋亡。这些系统被广泛用于研究 TNF 诱导的凋亡机制，并促成了 TNF 主要诱导凋亡性细胞死亡的认识。

然而，一项非常早期的 TNF 研究表明，它会导致实体瘤以坏死性细胞死亡的形式消退。在 1990 年代后期，人们意识到，抑制半胱氨酸蛋白酶并不总是能抑制 TNF 或 Fas 配体 (FasL) 诱导的某些细胞类型的细胞死亡。相反，半胱氨酸蛋白酶抑制通常会导致以细胞器肿胀和质膜破裂为特征的坏死。此外，表达二聚化的 FADD 死亡结构域 (FADD-DD)，它抑制 FasL 和 TNF 诱导的凋亡，会触发具有特征性“坏死”形态的半胱氨酸蛋白酶独立细胞死亡。这表明 FADD 和半胱氨酸蛋白酶 8 缺陷会有效地使细胞对程序性坏死敏感。这些结果清楚地表明，调节凋亡和程序性坏死细胞死亡的分子途径是密切交织在一起的。

RIP1：控制细胞存活和细胞死亡信号的多效性激酶

程序性坏死研究的突破来自于几个小组描述了丝氨酸/苏氨酸激酶 RIP1 在介导 FasL、TNF、TRAIL（TNF 相关凋亡诱导配体）诱导的程序性坏死性细胞死亡中起着强制性作用。早期的研究表明，RIP1 在 NF-κB 的激活中起着重要作用。

然而，RIP1 在赖氨酸 377 处的多泛素化，它位于中间结构域中，似乎对于 NF-κB 激活至关重要。相反，完整的激酶结构域对于 RIP1 介导的程序性坏死至关重要，但对于 NF-κB 激活则无关紧要。因此，RIP1 利用不同的结构域来激活 NF-κB 和程序性坏死。

虽然 RIP1 通常对于死亡细胞因子诱导的凋亡是无关紧要的，但最近的证据表明，RIP1 在某些情况下可以促进凋亡。除了程序性坏死外，RIP1 激酶活性对于 IAP 拮抗剂诱导的凋亡也是必需的。

RIP1-RIP3 复合物

RIP1 激活除了程序性坏死以外的信号通路的事实表明，必须存在额外的机制来专门调节或介导其促坏死途径。最近，两个独立的 RNA 干扰 (RNAi) 筛选确定了另一种 RIP 家族激酶 RIP3，作为 TNF、FasL 和 TRAIL 介导的程序性坏死的必要介质。新的研究证明了 RIP3 在程序性坏死中的重要性，并且与一项早期的报告一致，该报告表明 RIP3 过表达会诱导凋亡以及坏死性细胞死亡。因此，RIP3 是程序性坏死的必要诱导剂。

TNFR1（TNF 受体 1）信号传导是通过两个空间和时间上分离的信号复合物介导的：一个称为“复合物 I”的瞬态且不稳定的受体相关信号复合物，以及一个称为“复合物 II”的缓慢形成的受体独立胞质复合物。RIP1 被招募到这两个复合物中，而 RIP3 只在“促坏死”复合物 II 中与 RIP1 结合。促坏死的 RIP1-RIP3 复合物的组装是在 TNF 诱导的程序性坏死过程中特异性诱导的，但在凋亡或 NF-κB 激活过程中不会诱导。RIP1-RIP3 相互作用会导致它们的激酶活性的诱导。本文展示了不同的研究，这些研究强调了 RIP3 在坏死信号通路中的核心作用，并表明程序性坏死可以在不依赖 RIP1 的情况下进行。相反，未观察到不依赖 RIP3 的 RIP1 驱动的坏死。

促坏死的 RIP1-RIP3 复合物的组装是通过“RIP 同源相互作用基序”(RHIM) 介导的。RHIM 代表一个新出现的蛋白质-蛋白质相互作用基序，其结构目前尚不清楚。关于 RIP1 或 RIP3 是否是坏死信号级联中的上游激活剂的问题仍然存在，但有几条证据支持 RIP1 作为上游激酶。这些结果表明 RIP3 也调节 RIP1 的功能。需要额外的实验来明确确定 RIP1 和 RIP3 的激活顺序。

FADD 和半胱氨酸蛋白酶的作用

在恶性疾病和某些病毒感染期间，已观察到半胱天冬酶抑制。在这些情况下，TNF样细胞因子可能优先诱导程序性坏死。然而，重要的是要记住，即使没有半胱天冬酶抑制，程序性坏死也可以发生。

虽然需要进一步的研究来验证 RIP3 是否被复杂 II 中的半胱天冬酶 8 裂解并失活，但这些结果与以下模型一致：维持 RIP1 和 RIP3 的完整性对于最佳诱导程序性坏死至关重要。由于促坏死 RIP1-RIP3 复合物是作为受体相关复合物的结果形成的，因此 FADD 缺陷可能优先抑制 Fas 和 TRAIL 受体的坏死信号传导。

与缺乏 FADD 表达的细胞变体类似，单独表达 FADD 死亡结构域 (FADD-DD)，其显性抑制半胱天冬酶依赖性凋亡，也使细胞对程序性坏死敏感。

蛋白质泛素化在程序性坏死中的作用

蛋白质泛素化是一个重要的过程，它调节着许多信号转导通路。TNF 信号通路中的许多蛋白质都是泛素化的目标。RIP1 通过多泛素化进行大量修饰。多泛素化的 RIP1 介导促生存转录因子 NF-κB 的激活。最近几篇有趣的报告表明，多泛素化的 RIP1 提供了一个早期抗死亡信号，该信号独立于 NF-κB 激活。多泛素化的 RIP1 所提供的保护似乎通过阻止 RIP1-半胱天冬酶 8 的相互作用而起作用。

多泛素化的 RIP1 能否同样保护细胞免受程序性坏死？有一种推测认为，RIP1 多泛素化在空间上阻碍了下游促坏死蛋白如 RIP3 的招募。然而，尚不清楚 RIP3 多泛素化是否是程序性坏死中的一个重要调节机制。

程序性坏死中的效应机制

虽然半胱天冬酶介导的细胞蛋白裂解会导致凋亡性死亡，但我们对程序性坏死如何杀死细胞的机制知之甚少。程序性坏死最显著的形态学特征是细胞器和细胞膨胀，最终导致质膜破裂。细胞体积增加和广泛的细胞内空泡形成表明渗透压失衡。活性氧 (ROS) 的产生是程序性坏死的重要效应杀伤机制。ROS 可以诱导脂质过氧化或改变某些通道蛋白的功能，这两者都可以导致坏死性细胞损伤。

线粒体是 ROS 的主要来源。与线粒体 ROS 在程序性坏死中的作用一致，抑制线粒体复合物 I 和复合物 II 可防止 TNF 诱导的程序性坏死。RIP1 和 RIP3 在程序性坏死过程中上游起作用，调节 ROS 的产生 [27,29]。虽然结果存在争议，但据报道 RIP1 和 RIP3 都定位于线粒体。RIP3 过表达激活这些酶的活性并增强线粒体能量代谢，这与增强 ROS 产生和程序性坏死相关。因此，RIP1-RIP3 复合物可能通过参与线粒体代谢机制直接调节线粒体产生的 ROS。

与支持线粒体产生 ROS 的证据相反，最近几篇报告表明，质膜相关的 NADPH 氧化酶 1 (NOX1) 与 TRADD、RIP1 和小 GTPase RAC1 形成复合物，以调节质膜处的 ROS 产生。不同的结果可以通过 TNF 诱导的 NADPH 氧化酶在细胞质和质膜之间穿梭来解释。

相反，据报道，在 U937 细胞中，RIP1 依赖的细胞 ATP 损失先于程序性坏死。因此，细胞代谢的“健康程度”可能极大地影响促坏死细胞信号的结局，这一观点似乎得到以下相关性的支持：细胞 ATP 水平降低与老年人对坏死性细胞损伤的敏感性增加相关。这些最新的发现表明，不同的效应机制在不同的细胞类型中发挥作用，以介导程序性坏死。