結構生物化學/程式性壞死細胞損傷的分子調控

概述

細胞死亡的適當調控對於人類發育和細胞功能至關重要。與凋亡不同，壞死是一種更具炎症性的細胞死亡形式，可能有助於抗病毒免疫。事實上，壞死性細胞損傷與凋亡的區別在於廣泛的細胞器和細胞腫脹以及質膜破裂。最近的證據表明，從 TNF 超家族受體發出的複雜生化網路可以誘導凋亡以及壞死性細胞死亡。TNF 樣細胞因子誘導的壞死需要與參與凋亡的生化成分不同的生化成分。具體而言，受體相互作用蛋白 (RIP) 家族中的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶是“程式性”壞死性細胞損傷所必需的。本文討論了通往壞死的新發現的途徑以及凋亡和程式性壞死之間的分子串擾，特別強調了半胱氨酸蛋白酶、蛋白質泛素化和磷酸化如何調節壞死性細胞損傷的誘導。

程式性壞死細胞死亡

細胞增殖和細胞死亡之間的平衡對於高等生物的穩態至關重要。病理學家長期以來一直依靠形態學來區分不同形式的細胞死亡。分子生物學的發展極大地提高了我們對凋亡生化調控的認識。相比之下，我們對調節非凋亡細胞死亡程式（如壞死）的生化途徑的瞭解仍然很少。直到最近，普遍的觀點是，細胞壞死是非特異性細胞損傷（如外傷）的結果。

然而，隨著調節該過程的專用分子機制的鑑定，壞死的研究取得了很大進展。“程式性壞死”是用來區分由腫瘤壞死因子 (TNF) 家族死亡細胞因子誘導的壞死與由非特異性外傷或損傷（如熱休克）誘導的壞死的新術語 [1,2]。其他術語，包括“壞死性凋亡”，也被用來描述依賴受體相互作用蛋白 1 (RIP1) 的死亡細胞因子誘導的程式性壞死。本文重點介紹了近年來在瞭解 TNF 樣細胞因子誘導的程式性壞死的分子調控方面的進展。

凋亡和壞死之間的分子串擾

TNF 樣死亡細胞因子可以發出訊號並導致三種不同的結果：核因子 κB (NF-κB) 啟用、凋亡或程式性壞死。有證據表明，一種反應的啟用通常會抵消其他反應。

在大多數情況下，TNF 刺激會導致 NF-κB 啟用而不是細胞死亡。然而，當 NF-κB 啟用被抑制時，無論是透過大分子合成抑制劑還是透過表達負調節因子 IκBα 的顯性負突變，TNF 都會誘導凋亡。這些系統被廣泛用於研究 TNF 誘導的凋亡機制，並促成了 TNF 主要誘導凋亡性細胞死亡的認識。

然而，一項非常早期的 TNF 研究表明，它會導致實體瘤以壞死性細胞死亡的形式消退。在 1990 年代後期，人們意識到，抑制半胱氨酸蛋白酶並不總是能抑制 TNF 或 Fas 配體 (FasL) 誘導的某些細胞型別的細胞死亡。相反，半胱氨酸蛋白酶抑制通常會導致以細胞器腫脹和質膜破裂為特徵的壞死。此外，表達二聚化的 FADD 死亡結構域 (FADD-DD)，它抑制 FasL 和 TNF 誘導的凋亡，會觸發具有特徵性“壞死”形態的半胱氨酸蛋白酶獨立細胞死亡。這表明 FADD 和半胱氨酸蛋白酶 8 缺陷會有效地使細胞對程式性壞死敏感。這些結果清楚地表明，調節凋亡和程式性壞死細胞死亡的分子途徑是密切交織在一起的。

RIP1：控制細胞存活和細胞死亡訊號的多效性激酶

程式性壞死研究的突破來自於幾個小組描述了絲氨酸/蘇氨酸激酶 RIP1 在介導 FasL、TNF、TRAIL（TNF 相關凋亡誘導配體）誘導的程式性壞死性細胞死亡中起著強制性作用。早期的研究表明，RIP1 在 NF-κB 的啟用中起著重要作用。

然而，RIP1 在賴氨酸 377 處的多泛素化，它位於中間結構域中，似乎對於 NF-κB 啟用至關重要。相反，完整的激酶結構域對於 RIP1 介導的程式性壞死至關重要，但對於 NF-κB 啟用則無關緊要。因此，RIP1 利用不同的結構域來啟用 NF-κB 和程式性壞死。

雖然 RIP1 通常對於死亡細胞因子誘導的凋亡是無關緊要的，但最近的證據表明，RIP1 在某些情況下可以促進凋亡。除了程式性壞死外，RIP1 激酶活性對於 IAP 拮抗劑誘導的凋亡也是必需的。

RIP1-RIP3 複合物

RIP1 啟用除了程式性壞死以外的訊號通路的事實表明，必須存在額外的機制來專門調節或介導其促壞死途徑。最近，兩個獨立的 RNA 干擾 (RNAi) 篩選確定了另一種 RIP 家族激酶 RIP3，作為 TNF、FasL 和 TRAIL 介導的程式性壞死的必要介質。新的研究證明了 RIP3 在程式性壞死中的重要性，並且與一項早期的報告一致，該報告表明 RIP3 過表達會誘導凋亡以及壞死性細胞死亡。因此，RIP3 是程式性壞死的必要誘導劑。

TNFR1（TNF 受體 1）訊號傳導是透過兩個空間和時間上分離的訊號複合物介導的：一個稱為“複合物 I”的瞬態且不穩定的受體相關訊號複合物，以及一個稱為“複合物 II”的緩慢形成的受體獨立胞質複合物。RIP1 被招募到這兩個複合物中，而 RIP3 只在“促壞死”複合物 II 中與 RIP1 結合。促壞死的 RIP1-RIP3 複合物的組裝是在 TNF 誘導的程式性壞死過程中特異性誘導的，但在凋亡或 NF-κB 啟用過程中不會誘導。RIP1-RIP3 相互作用會導致它們的激酶活性的誘導。本文展示了不同的研究，這些研究強調了 RIP3 在壞死訊號通路中的核心作用，並表明程式性壞死可以在不依賴 RIP1 的情況下進行。相反，未觀察到不依賴 RIP3 的 RIP1 驅動的壞死。

促壞死的 RIP1-RIP3 複合物的組裝是透過“RIP 同源相互作用基序”(RHIM) 介導的。RHIM 代表一個新出現的蛋白質-蛋白質相互作用基序，其結構目前尚不清楚。關於 RIP1 或 RIP3 是否是壞死訊號級聯中的上游啟用劑的問題仍然存在，但有幾條證據支援 RIP1 作為上游激酶。這些結果表明 RIP3 也調節 RIP1 的功能。需要額外的實驗來明確確定 RIP1 和 RIP3 的啟用順序。

FADD 和半胱氨酸蛋白酶的作用

在惡性疾病和某些病毒感染期間，已觀察到半胱天冬酶抑制。在這些情況下，TNF樣細胞因子可能優先誘導程式性壞死。然而，重要的是要記住，即使沒有半胱天冬酶抑制，程式性壞死也可以發生。

雖然需要進一步的研究來驗證 RIP3 是否被複雜 II 中的半胱天冬酶 8 裂解並失活，但這些結果與以下模型一致：維持 RIP1 和 RIP3 的完整性對於最佳誘導程式性壞死至關重要。由於促壞死 RIP1-RIP3 複合物是作為受體相關複合物的結果形成的，因此 FADD 缺陷可能優先抑制 Fas 和 TRAIL 受體的壞死訊號傳導。

與缺乏 FADD 表達的細胞變體類似，單獨表達 FADD 死亡結構域 (FADD-DD)，其顯性抑制半胱天冬酶依賴性凋亡，也使細胞對程式性壞死敏感。

蛋白質泛素化在程式性壞死中的作用

蛋白質泛素化是一個重要的過程，它調節著許多訊號轉導通路。TNF 訊號通路中的許多蛋白質都是泛素化的目標。RIP1 透過多泛素化進行大量修飾。多泛素化的 RIP1 介導促生存轉錄因子 NF-κB 的啟用。最近幾篇有趣的報告表明，多泛素化的 RIP1 提供了一個早期抗死亡訊號，該訊號獨立於 NF-κB 啟用。多泛素化的 RIP1 所提供的保護似乎透過阻止 RIP1-半胱天冬酶 8 的相互作用而起作用。

多泛素化的 RIP1 能否同樣保護細胞免受程式性壞死？有一種推測認為，RIP1 多泛素化在空間上阻礙了下游促壞死蛋白如 RIP3 的招募。然而，尚不清楚 RIP3 多泛素化是否是程式性壞死中的一個重要調節機制。

程式性壞死中的效應機制

雖然半胱天冬酶介導的細胞蛋白裂解會導致凋亡性死亡，但我們對程式性壞死如何殺死細胞的機制知之甚少。程式性壞死最顯著的形態學特徵是細胞器和細胞膨脹，最終導致質膜破裂。細胞體積增加和廣泛的細胞內空泡形成表明滲透壓失衡。活性氧 (ROS) 的產生是程式性壞死的重要效應殺傷機制。ROS 可以誘導脂質過氧化或改變某些通道蛋白的功能，這兩者都可以導致壞死性細胞損傷。

線粒體是 ROS 的主要來源。與線粒體 ROS 在程式性壞死中的作用一致，抑制線粒體複合物 I 和複合物 II 可防止 TNF 誘導的程式性壞死。RIP1 和 RIP3 在程式性壞死過程中上游起作用，調節 ROS 的產生 [27,29]。雖然結果存在爭議，但據報道 RIP1 和 RIP3 都定位於線粒體。RIP3 過表達啟用這些酶的活性並增強線粒體能量代謝，這與增強 ROS 產生和程式性壞死相關。因此，RIP1-RIP3 複合物可能透過參與線粒體代謝機制直接調節線粒體產生的 ROS。

與支援線粒體產生 ROS 的證據相反，最近幾篇報告表明，質膜相關的 NADPH 氧化酶 1 (NOX1) 與 TRADD、RIP1 和小 GTPase RAC1 形成複合物，以調節質膜處的 ROS 產生。不同的結果可以透過 TNF 誘導的 NADPH 氧化酶在細胞質和質膜之間穿梭來解釋。

相反，據報道，在 U937 細胞中，RIP1 依賴的細胞 ATP 損失先於程式性壞死。因此，細胞代謝的“健康程度”可能極大地影響促壞死細胞訊號的結局，這一觀點似乎得到以下相關性的支援：細胞 ATP 水平降低與老年人對壞死性細胞損傷的敏感性增加相關。這些最新的發現表明，不同的效應機制在不同的細胞型別中發揮作用，以介導程式性壞死。