细胞凋亡（Apoptosis）是一种在正常生理和病理条件下发生的高度有序和协调的细胞途径。这一进化保守的过程具有至关重要的作用，从胚胎发育过程中的组织雕刻到免疫效应器功能的执行。细胞凋亡又称 1 型程序性细胞死亡（PCD），在维持细胞增殖率和细胞死亡率之间的平衡发挥着关键作用。引发细胞死亡的其他主要程序性细胞死亡类型包括 II 型（自噬）和 III 型（坏死）。过去十年中，不断有研究结果表明，细胞凋亡（Apoptosis）、坏死（Necrosis）和自噬（Autophagy）通常受类似途径的调控，涉及共同的亚细胞位点和细胞器，甚至共享启动子和效应分子。凋亡缺陷或凋亡效率低下是导致许多人类疾病的一个因素，包括神经退行性疾病、缺血性损伤、自身免疫性疾病和多种类型的癌症。由于细胞凋亡在许多疾病的发病机制中起着关键作用，所以了解细胞凋亡的基本机制非常重要。某些疾病中，例如退行性疾病，是由于细胞凋亡过多造成的。而癌症则是因为细胞凋亡太少，导致恶性细胞不是细胞死亡的目标。以细胞凋亡为基础的疗法在抗癌药物的研发中备受关注。细胞凋亡的机制很复杂，涉及许多途径。这些途径上的任何一点都可能出现缺陷，导致受影响细胞的恶性转化、肿瘤转移和对抗癌药物的耐药性。因此，透彻了解细胞凋亡信号通路并深入了解细胞凋亡抗药性机制，对于揭示新的药物靶点以制定有效的选择性治疗策略至关重要。
细胞凋亡的机制
激活 Caspase 是细胞凋亡的标志。Caspase 是一种保守的半胱氨酸蛋白酶家族，在细胞凋亡中扮演着启动者和执行者的核心角色。活化的 Caspases 可裂解许多重要的细胞蛋白，并破坏核支架和细胞骨架。它们还会激活 DNA 酶，进一步降解核 DNA。清除凋亡细胞是执行细胞凋亡的最后一步。从进程上看，这一过程是评估细胞凋亡数量的重大障碍，因为凋亡细胞会被吞噬细胞迅速清除，因此很难在动物组织中检测到凋亡细胞。吞噬过程可分为以下几个阶段：（1）凋亡细胞的感应；（2）吞噬细胞的识别；（3）靶细胞的内化；（4）吞噬；（5）吞噬细胞的吞噬后反应。垂死的凋亡细胞会分泌“找到我”和“吃掉我”的信号，吸引和招募吞噬细胞。
一旦 caspases 被激活，细胞死亡似乎就不可逆转了。哺乳动物的 Caspase 可细分为三个功能组：启动 Caspase（caspase-2、-8、-9 和-10）、执行 Caspase（caspase-3、-6 和-7）和炎症 Caspase（caspase-1、-4、-5、-11 和-12）。激活 Caspase 有三种途径。通常描述的两种启动途径是细胞凋亡的内在（或线粒体）途径和外在（或死亡受体）途径。这两种途径最终都会导致凋亡的共同途径或执行阶段。
图 1：在 YVAD-pNA 裂解试验条件下，Caspase-1 活性至少在 50 分钟内保持稳定。[YVAD-pNA]=200 μM 和 20 μM；25°C。
细胞外死亡受体途径
当细胞表面的“死亡受体”（Death receptor, DR）与其相应的配体（如 Fas（CD95）、TNF 受体（TNFR1）和 TNFR 或 TRAIL）结合后，细胞外死亡途径就会被激活。DRs 有两个不同的信号结构域：死亡结构域 (Death domains, DD) 和死亡效应结构域 (Death effector domains, DED)，使它们能够相互作用并招募其他适配分子，如 FAS 相关死亡结构域蛋白 (FAS-associated death domain protein, FADD) 和 caspase-8，然后直接裂解并激活 caspase-3 和 caspase-7，导致细胞凋亡。死亡受体介导的细胞凋亡可被一种名为 c-FLIP 的蛋白质抑制，这种蛋白质可与 FADD 和 caspase-8 结合，使其失效。
图 2：Ac-DEVD-CHO 对 Caspase-3 的抑制作用。加入底物前，酶与抑制剂孵育 10 分钟。30 U/well; [DEVD-CHO]=0.1 μM; [DEVD-pNA]=200 μM; 25°C
线粒体内在途径
内在途径是由细胞内信号启动的，这些信号直接作用于细胞内的目标，是线粒体启动的事件。不可修复的遗传损伤、缺氧、极高浓度的细胞膜 Ca2+ 和严重的氧化应激等内部刺激是启动线粒体固有途径的一些诱因。细胞内在死亡途径的关键步骤是线粒体外膜的通透性和细胞质中促凋亡分子（如细胞色素c）的释放。这已被确定为细胞死亡的“不归点”。这一途径受到一组属于 Bcl-2 家族的蛋白质的密切调控。
Bcl-2 蛋白分为两大类，即促凋亡蛋白（如Bax、Bak、Bad、Bcl-Xs、Bid、Bik、Bim 和 Hrk）和抗凋亡蛋白（如Bcl-2、Bcl-XL）。抗凋亡蛋白通过阻止线粒体释放细胞色素c来调节细胞凋亡，而促凋亡蛋白则通过促进细胞色素c的释放来发挥作用。决定是否启动细胞凋亡的不是绝对数量，而是促凋亡蛋白和抗凋亡蛋白之间的平衡。
图 3：人总 Bcl-2 浓度（皮克/毫升）的典型标准曲线
细胞凋亡与癌症发生
癌症被认为是基因连续变化的结果，在这一过程中，正常细胞转变为恶性细胞，而逃避细胞死亡是导致这种恶性转变的细胞基本变化之一。一般来说，逃避细胞凋亡的机制可大致分为以下几种：1）促凋亡蛋白和抗凋亡蛋白的平衡被破坏；2）caspase功能减弱；3）死亡受体信号传导受损。据报道，许多蛋白质在细胞中具有促凋亡或抗凋亡活性。Bcl-2蛋白家族由促凋亡蛋白和抗凋亡蛋白组成，它们在细胞凋亡的调控中发挥着关键作用，尤其是通过内在途径，因为它们位于不可逆细胞损伤的上游，主要在线粒体水平发挥作用。当 Bcl-2家族中抗凋亡和促凋亡成员的平衡被打破时，受影响细胞的凋亡就会失调。这可能是由于一种或多种抗凋亡蛋白过度表达，或一种或多种促凋亡蛋白表达不足，或两者兼而有之。另据报道，Bcl-xL的过度表达可使肿瘤细胞具有多重耐药表型，并阻止其发生凋亡。
其他异常包括受体下调或受体功能受损以及死亡信号水平降低，所有这些都会导致信号传递受损，从而减少细胞凋亡。例如，一些研究表明，受体表面表达的下调是获得性耐药性的一种机制。研究发现，CD95的表达减少在耐药性白血病或神经母细胞瘤细胞中起了作用。
癌症治疗中的靶向凋亡
能使凋亡信号通路恢复正常的药物或治疗策略有可能消灭癌细胞，因为癌细胞依赖这些缺陷而存活。药物 oblimersensodium就是一个很好的例子，它是一种 Bcl-2 反义寡聚体，也是个进入临床试验的 Bcl-2靶向药物。有几种药物被设计用于合成激活 caspase。人们还设计出了小分子树突酶激活剂，并发现它们能降低激活阈值，从而激活树突酶，提高肿瘤细胞对药物的敏感性。除了基于 Caspase的药物疗法，一些研究还尝试了基于 Caspase的基因疗法。例如，在肝脏肿瘤模型研究中，除了使用依托泊苷治疗外，还使用了人类 Caspase-3基因疗法，以诱导广泛的细胞凋亡并缩小肿瘤体积。以细胞凋亡为靶点的癌症疗法已成为抗击癌症不可或缺的方法。随着研究进一步明确了凋亡通路的复杂细微差别以及它们在癌症中失调的方式，我们设计针对此类机制的有效疗法的能力也在不断增强。
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