细胞死亡是生长和发育中不可缺少的生物学过程，其失调与多种人类疾病的发生密切相关。其中，三种经典的细胞死亡方式——凋亡、自噬和坏死，通过激活特定的信号通路呈现出不同的形态学特征。

各种类型的细胞死亡在分子机制上既有独特性，也存在重叠性。多条信号通路独立调控不同类型的细胞死亡，但它们相互关联、可被同时激活，并能在细胞应激反应中并行运行。

凋亡、坏死与自噬的不同特征

凋亡

凋亡通常被认为是一种由半胱天冬酶介导的程序性细胞死亡。凋亡细胞呈现出明显的形态学特征，包括细胞体积缩小、染色质凝聚、细胞核碎裂（晚期）、质膜起泡以及凋亡小体的形成；同时伴随生化变化，如磷脂酰-L-丝氨酸在细胞外膜的暴露（早期）。凋亡可通过死亡受体介导的凋亡通路、线粒体依赖性凋亡通路或内质网（ER）应激诱导的凋亡通路被激活。

死亡受体介导的凋亡通路在Fas配体、TNF-α（肿瘤坏死因子α）或TRAIL与相应死亡受体结合后被激活。适配蛋白FADD与procaspase-8形成复合物，即死亡诱导信号复合物（DISC）。在DISC中，procaspase-8通过自水解被激活。活化的caspase-8可通过两种方式传递凋亡信号：一是直接激活caspase-3，二是切割Bid生成截短Bid（tBid）。tBid转移至线粒体，引起Bax和Bak构象变化及其寡聚化，从而在外线粒体膜形成孔道。

线粒体依赖性凋亡通路可被多种应激诱导物激活，如DNA损伤、生长因子缺失及氧化应激。Bcl-2蛋白家族通过调控线粒体外膜通透性控制这一内源性通路。细胞色素c从线粒体释放进入胞质后，与Apaf-1结合，促进caspase-9的激活；随后，caspase-9激活效应性caspase，引发一系列蛋白水解级联反应。

此外，内质网应激（如钙稳态失衡、内质网中过量未折叠或错误折叠蛋白积累、营养缺乏及缺氧）也可诱导凋亡。这类凋亡由caspase-12（一种内质网耐受型半胱天冬酶）介导。活化的caspase-12在从内质网转移至胞质后，可直接切割caspase-9，随后激活caspase-3。ER应激下caspase-12的激活分子机制包括：与肌醇需求酶-1α（IRE1α）-TNF受体相关因子2（TRAF2）复合物形成复合体，或通过钙依赖性胞内半胱氨酸蛋白酶家族calpain介导。

自噬

自噬是一种自降解过程，用于应对多种应激，包括营养缺乏、细胞器损伤、缺氧、活性氧（ROS）、内质网应激以及药物处理。自噬过程涉及四个关键步骤——起始、成核、自噬体与溶酶体融合以及水解。

我们对自噬分子机制的理解始于酵母研究。通过酵母的遗传筛选，鉴定出一系列自噬调控分子，尤其是自噬相关蛋白（Atg蛋白），它们是自噬过程的主要执行者。

在起始步骤中，形成吞噬体（phagophore）需要Atg1复合物的组装与聚集，该复合物包括Atg1、Atg13、Atg17、Atg29和Atg31。然而，在哺乳动物中，形成的对应复合物为UNC-51样激酶1（ULK1）-mAtg13-FIP200复合物，包含与酵母Atg1、Atg13和Atg17同源的蛋白。

在成核步骤中，吞噬体在内质网及其他膜上的形成由III类PI-3激酶VPS34、Atg6（哺乳动物中称为Beclin1）、Atg14和Vps15组成的复合物控制。循环于高尔基复合体、自噬体和内体中的Atg9及囊泡膜蛋白VMP1可能参与脂质向隔离膜的运输。

自噬体的扩展与闭合依赖两种泛素样蛋白共轭系统，即Atg12系统和Atg8系统（在哺乳动物中Atg8称为LC3）。Atg12系统包括五种Atg蛋白：Atg5、Atg7、Atg10、Atg12和Atg16。Atg12首先被E1样酶Atg7激活，然后转移至E2样酶Atg10。最终，Atg12的C端甘氨酸共价结合Atg5的Lys149侧链，并与二聚体蛋白Atg16结合形成E3样复合物。

Atg8系统包括四种Atg蛋白：Atg3、Atg4、Atg7和Atg8。Atg8首先被半胱氨酸蛋白酶Atg4切割，暴露其C端甘氨酸（哺乳动物中为LC3 I）。随后，Atg8被E1样酶Atg7激活，并转移至E2样酶Atg3，然后通过E3样Atg12-Atg5-Atg16复合物与磷脂乙醇胺（PE）的氨基共价结合，形成Atg8-PE共价结构（哺乳动物中为LC3 II）。Atg8-PE结构赋予Atg8膜锚定和半融合能力，在自噬体形成中起关键作用。LC3 II存在于自噬体的内外膜上，是自噬形成的典型标志。Atg8-PE共价结构可被Atg4可逆切割为Atg8，实现Atg8的循环利用。

随后，自噬体与溶酶体的融合由SNARE（可溶性N-乙基马来酰亚胺敏感因子结合蛋白受体）类蛋白介导。最终，在低pH环境下，各种溶酶体酶降解所有受损的细胞器、蛋白质、脂质和核酸。

坏死与程序性坏死（Necroptosis）

与凋亡不同，坏死通常被认为是一种非调控、偶发性的细胞死亡。然而，程序性坏死的发现支持了多种非凋亡性调控性细胞死亡机制的存在。目前已报道几种程序性坏死类型，包括程序性坏死（necroptosis）、Parthanatos、铁死亡（ferroptosis）、焦亡（pyroptosis）和网状中性粒细胞外陷阱形成（NETosis）。

其中，程序性坏死，这是一种受调控的坏死性细胞死亡类型，与凋亡共享若干关键信号通路。关于程序性坏死的多数知识来源于对TNF信号的研究。TNF是一种多效性细胞因子，在炎症过程中发挥重要作用。在特定条件下，TNF通过与TNFR结合也能强烈诱导细胞死亡。早期研究显示，TNF可诱导RIPK1介导的半胱天冬酶非依赖性细胞死亡，但这种非凋亡性TNF诱导的细胞死亡并未引起广泛关注，直到研究者进一步发现，当凋亡被阻断时，细胞会执行类似坏死的死亡方式。

程序性坏死由死亡受体（如TNFR1）和Toll样受体（TLRs）的激活启动。TNF与TNFR结合后，TNFR构象发生变化，招募多种蛋白，包括TNFR1相关死亡结构域蛋白（TRADD）、RIPK1、TRAF2、E3泛素连接酶、cIAP1/2以及LUBAC，形成TRADD和RIPK1依赖的复合物I。该多蛋白复合物通过招募TGF激活激酶1（TAK1）结合蛋白（TAB）复合物及由IKK1、IKK2和NF-κB必需调节因子（NEMO）组成的IκB激酶（IKK）复合物，激活NF-κB信号、AP-1信号及MAPK信号，从而传递促炎和促生存信号。

当RIPK1被环状瘤赖氨酸63去泛素酶（CYLD）去泛素化后，复合物I变得不稳定，RIPK1可解离并形成另一复合物，即复合物IIa，该复合物由TRADD、FADD、procaspase-8和FLIP组成。Procaspase-8与FLIPL一起切割RIPK1，以防止程序性坏死并激活凋亡信号。TNF–TNFR信号还可通过形成复合物IIb诱导凋亡，当IAP（凋亡抑制因子）、TAK1、NEMO和/或Pellino3功能受阻时。复合物IIb包括RIPK1、RIPK3、FADD、procaspase-8和FLIPL，可导致RIPK1依赖性凋亡。然而，当RIPK3和混合谱系激酶样结构蛋白（MLKL）水平足够高且caspase-8活性受抑时，复合物IIb可进一步转化为坏死小体（necrosome），一种微丝样复合物。在坏死小体中，RIPK3的寡聚化和磷酸化促使MLKL被招募并磷酸化，随后MLKL转移至质膜，引起膜损伤并导致程序性坏死。此外，坏死小体可与线粒体膜上的丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶PGAM5相互作用，激活线粒体分裂因子动力相关蛋白1（Drp1），通过线粒体碎裂诱导程序性坏死。

如前所述，FasL或TRAIL与死亡受体Fas或TRAILR结合会诱导DISC的形成，激活caspase-8并执行凋亡。然而，在缺乏cIAP或caspase-8受抑时，当Fas/TRAILR被激活时，RIPK1转移至膜上，促进复合物IIb形成并启动程序性坏死。

TLR的激活会形成一个平台，招募胞质适配蛋白TRIF（含Toll/IL-1受体结构域的干扰素-β诱导适配蛋白）。TRIF参与NF-κB信号激活及I型干扰素的诱导。依赖其RHIM（RIP同源相互作用基序）结构，TRIF可与RIPK1和RIPK3相互作用。在凋亡抑制剂zVAD-fmk存在下，脂多糖激活TLR4或聚肌苷-聚胞苷酸激活TLR3可诱导TRIF介导的程序性坏死，该过程可被Necrostatin-1（Nec1）抑制或RIPK1敲除阻断。这表明RIPK1-TRIF信号复合物在TLR3/4诱导的程序性坏死中起重要作用。在缺乏RIPK1的情况下，TRIF也可通过直接招募并激活RIPK3诱导程序性坏死。

除了死亡受体信号和TLR信号，胞质病毒DNA传感器DAI（DNA-dependent activator of IFN-regulatory factors）也可诱导程序性坏死。与TRIF类似，DAI具有RHIM结构。在响应病毒（如小鼠巨细胞病毒）双链DNA时，DAI可激活NF-κB、诱导I型干扰素，并介导RIPK3依赖的程序性坏死。此外，Wei等近期报道了一种新型坏死机制，表明阳离子纳米载体诱导的急性细胞坏死是通过Na+/K+-ATP酶损伤引起的，继而引发炎症反应。

简单来讲：

凋亡是一种由半胱天冬酶介导的程序性细胞死亡，其特点包括染色质凝聚、细胞核碎裂和细胞膜起泡。

与凋亡相反，坏死被认为是一种非调控的、偶发性的细胞死亡，由非特异性或非生理性的应激诱导，其特征包括细胞器膨胀、质膜破裂，以及由细胞内容物释放引发的随后的炎症反应。

自噬则伴随自噬体的形成。自噬体是一种含有受损细胞器、蛋白质及其他胞质成分的双层囊泡。自噬体与溶酶体融合，降解细胞的大分子物质和细胞器，为细胞提供可再生的能量和代谢物。自噬既是一种促生存的机制，也可诱导自噬性细胞死亡。

三种细胞死亡类型之间的联系

凋亡与程序性坏死的关联

凋亡与程序性坏死可能同时发生，或因下游死亡信号通路的相互关联而相互转化。例如，当凋亡被阻断时，细胞可转向坏死性死亡；氧化应激诱导的坏死性细胞死亡也涉及凋亡相关的caspase-8/Bid通路的激活。最终的细胞死亡形式取决于细胞类型、细胞微环境及初始诱导因素。

Caspase-8与RIPK1/3

作为凋亡启动半胱天冬酶，caspase-8与FADD相互作用形成DISC，随后进行同源二聚化和蛋白水解加工。活化的caspase-8随后从DISC释放，触发下游凋亡信号。同时，caspase-8可通过切割并失活RIPK1和RIPK3来抑制程序性坏死。然而，当caspase-8的活性被药理学抑制（如全半胱天冬酶抑制剂ZVAD）或基因干扰抑制如RNAi介导的敲低）时，RIPK1和RIPK3通过磷酸化被激活，并诱导坏死小体形成，从而触发程序性坏死。

ATP

ATP在细胞死亡命运的决策中起关键作用。高水平的细胞内ATP通常有利于凋亡，而低水平则往往促进坏死。因此，细胞内ATP的过度消耗或ATP合成的抑制可能将凋亡转化为坏死。例如，大量DNA损伤可激活聚ADP-核糖聚合酶-1（PARP-1），该核酶参与DNA修复，导致大量NAD+和ATP被消耗，进而引发坏死性死亡。线粒体是ATP的主要生成场所，因此线粒体功能障碍可通过ATP耗竭触发坏死。此外，线粒体过量ROS的形成及线粒体通透性转变（MPT）的发生，也与凋亡向程序性坏死的转化密切相关。

自噬与凋亡的关联

自噬是一种细胞内的分解代谢机制，通过降解和回收胞质中不需要的成分，如功能异常的蛋白质或受损的细胞器，以维持细胞稳态。自噬如同双刃剑，可根据细胞类型、胞内代谢活性、胞外营养供应及触发刺激，既能保护细胞免受凋亡，也可促进凋亡的发生。

Beclin1

哺乳动物Beclin1（酵母中为Atg6）通过与抗凋亡蛋白家族的直接相互作用，实现对自噬和凋亡的交叉调控。Beclin1是自噬体形成的关键分子。Beclin1可与III类PI3K复合物PI3KC3/Vps34相互作用，促进Beclin1-Vps34-Vps15核心复合物的形成。Beclin1还是BH3-only蛋白家族的成员。抗凋亡蛋白Bcl-2或Bcl-xL可通过BH3结构域与Beclin1结合，同时抑制Beclin1活性，从而阻断自噬过程，并抑制内源性凋亡的发生。另一方面，NOXA及其他BH3-only家族蛋白可将Bcl-2家族蛋白从Beclin1中置换出来，促进自噬性细胞死亡。此外，Beclin1也可被多种半胱天冬酶切割，如caspase-8和caspase-3，使细胞命运从自噬转向凋亡。Beclin1的C端片段随后可转移至线粒体，诱导线粒体膜通透性增加并触发凋亡。

自噬与程序性坏死的关联

自噬与程序性坏死之间的相互关系已在多项研究中被探讨，但结果存在一定争议。作为一种保护性机制，自噬可以抑制程序性坏死，这并不意外。有趣的是，在某些情况下，自噬似乎反而促进程序性坏死。例如，Khan等报道，棕榈酸可触发Ca²⁺依赖性自噬，导致内皮细胞发生程序性坏死。

mTORC1

mTORC1是感知营养、成长因子及应激的关键传感器，控制细胞代谢、生长和存活。生长因子和营养激活mTORC1后，可通过磷酸化参与自噬起始的自噬相关蛋白（如ULK复合物中的ULK1和ATG13，以及VPS34复合物中的ATG14）抑制自噬。细胞的代谢和能量状态可调控mTORC1活性，从而影响自噬的诱导。在低能量状态下，AMP/ATP比值升高会激活AMPK信号，AMPK通过磷酸化TSC2（一种mTORC1负调控因子）抑制mTORC1信号通路，进而促进自噬。

通过下调mTORC1信号刺激自噬，可在营养或能量缺乏的条件下保护细胞免受程序性细胞死亡（包括凋亡和程序性坏死）的侵害。如前所述，DNA损伤反应中PARP-1的激活会因ATP耗竭导致坏死，同时也会激活AMPK、抑制mTORC1并诱导自噬作为最后的保护手段。自噬与坏死之间的平衡最终决定细胞死亡的命运。

凋亡、自噬与程序性坏死的相互关联

细胞FILCE样抑制蛋白（cFLIP）

FADD样白介素-1β转换酶（FLICE）样抑制蛋白（FLIP）具有类似caspase-8的结构，但缺乏蛋白水解活性。人类cFLIP主要有三种异构体：一种长蛋白cFLIPL和两种短蛋白cFLIPs及cFLIPR。cFLIPL具有C端caspase-8样结构域，但由于若干关键催化氨基酸残基被替换，失去了酶活性；而短异构体cFLIPs和cFLIPR则不具备caspase样C端结构域。然而，这三种异构体的N端均含有两个死亡受体结构域，使其能够与适配蛋白FADD相互作用，形成DISC复合物。

cFLIP不仅调控死亡受体介导的外源性凋亡通路，还可调控死亡受体非依赖的凋亡通路。在复合物IIb/程序性凋亡体（ripoptosome）中，同源二聚的caspase-8通过切割RIPK1并解体复合物IIb/ripoptosome来启动凋亡。当procaspase-8与cFLIPL形成异源二聚体时，由于RIPK1被切割，程序性坏死被阻止；同时，活化caspase-8未形成，因此凋亡也被阻断。然而，当procaspase-8与cFLIPs或cFLIPR形成异源二聚体时，由于RIPK1缺乏蛋白水解切割，程序性坏死被触发，同时无法诱导caspase-8依赖性凋亡。因此，ripoptosome中cFLIP异构体的存在决定了细胞是执行RIPK1依赖的程序性坏死，还是caspase-8依赖的凋亡。

除了调控凋亡和程序性坏死外，cFLIP还是自噬的负调控因子。在自噬体形成过程中，Atg3共价结合微管相关蛋白LC3。令人注意的是，cFLIP通过竞争性结合Atg3，阻止Atg3与LC3的结合，从而抑制自噬。cFLIP通过ripoptosome调控凋亡和程序性坏死的过程发生在质膜上，而其抑制自噬的作用则发生在自噬体形成部位。因此，cFLIP在不同亚细胞定位可能对其功能具有重要意义。

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