凋亡信号通路的背景
细胞凋亡是一种程序性细胞死亡（PCD），在多细胞生物的发育和组织稳态中起着基础性作用。我们可以将其视为一种受调控的细胞自杀机制。这个过程的异常调节与多种人类疾病有关，包括免疫和发育障碍、神经变性和癌症。坏死是由急性细胞损伤引起的创伤性细胞死亡的一种形式，与之相反，凋亡是一个高度调控和控制的过程，在生物体的生命周期中具有优势。与坏死不同，凋亡会产生称为凋亡体的细胞碎片，吞噬细胞能够吞噬并迅速清除这些碎片，然后细胞内容物就会溢出到周围细胞并造成损伤。
细胞凋亡的启动受到激活机制的严格调控，一旦细胞凋亡开始，就不可避免地导致细胞死亡。至少有三种不同的途径参与细胞凋亡的启动：死亡受体信号途径、线粒体途径和内质网应激途径。由于路径在本质上或多或少是顺序的，移除或修改一个组件会导致另一个组件的效果。抑制细胞凋亡可导致多种癌症、自身免疫性疾病、炎症疾病和病毒感染。另一方面，过度的细胞凋亡会导致神经退行性疾病、血液病和组织损伤，导致细胞死亡失控的细胞生物学现象。
图1细胞凋亡事件的示意图。（Susan Elmore，2007）
启动细胞凋亡的机制
直接启动凋亡机制的两个典型理论已经提出：TNF-诱导（肿瘤坏死因子）模型和Fas-Fas配体介导模型。TNF-α是一种主要由活化巨噬细胞产生的细胞因子，是细胞凋亡的主要外源性介质。TNF-α与TNFR1的结合能够启动通过中间膜蛋白TNF-受体相关死亡域（TRADD）或Fas-相关死亡域蛋白（FADD）激活caspase的途径。第一凋亡信号（Fas，也称为Apo-1或CD95）受体与Fas配体（FasL）结合，FasL是TNF家族的跨膜蛋白部分。Fas和FasL之间的相互作用导致死亡诱导信号复合物（DISC）的形成，其中包含FADD、caspase-8和caspase-10。在某些类型的细胞（I型）中，经过处理的caspase-8直接激活caspase家族的其他成员，并触发细胞凋亡的执行。在其他类型的细胞（II型）中，Fas-DISC启动了一个反馈回路，该回路螺旋上升，增加线粒体中促凋亡因子的释放，并放大胱天蛋白酶-8的激活。半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶的激活可确保细胞成分以可控的方式降解，从而在对周围组织影响最小的情况下实现细胞死亡。
细胞凋亡信号通路的关键器官
线粒体对多细胞生物至关重要。细胞凋亡功能的线粒体途径是对各种细胞内应激的反应，包括生长因子提取、DNA损伤、内质网的去折叠应激和死亡受体刺激。凋亡蛋白如BCL-2家族蛋白以线粒体为靶点，并以不同方式影响线粒体。它们可能导致线粒体肿胀，增加线粒体膜的通透性，从而导致凋亡效应物外泄。此外，一氧化氮能够通过帮助释放线粒体的膜电位而诱导细胞凋亡，从而使其更具渗透性。线粒体蛋白质被称为第二线粒体衍生半胱氨酸天冬氨酸酶激活物（Smac），随着线粒体膜通透性的增加，释放到细胞的胞浆中。Smac与抑制凋亡（IAP）的蛋白质结合，从而使其失活，并阻止IAP阻止该过程，从而允许凋亡继续进行。IAP通常也会抑制一组半胱氨酸蛋白酶（称为半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶）的活性，而半胱氨酸酶是细胞降解的关键。因此，可以看出实际的降解酶是由线粒体通透性间接调节的。
内质网是负责分泌和膜蛋白及脂质生物合成和折叠的细胞器。内质网应激反应构成一个细胞过程，由多种干扰内质网蛋白质折叠的条件触发。内质网胁迫反应由位于内质网膜上的三个传感器介导：ERN1、ATF6和PERK/EIF2A3K。未折叠蛋白的积累将BiP/HSP70引入内质网腔，并与ERN1、ATF6和PERK/EIF2A3K分离，导致其激活。ERN1可以招募TRAF2和ASK1，导致JNK和p38 MAPK的下游激活。激活的JNK转位到线粒体膜并促进Bim的激活和Bcl-2的抑制。Baxand Bakbind结合并激活IRE1α，诱导Ca2+从内质网释放到线粒体。然后PERK磷酸化elF2α并减弱蛋白质翻译。活化的ATF6转位到高尔基体并被蛋白酶、S1P和S2P裂解。裂解的ATF6片段形成一个活性转录因子，调节对蛋白质折叠、降解和内质网扩张重要的几个组分的表达。
图2.导致细胞凋亡放松调控的机制。（朱塞帕·皮斯特里托，2016）
细胞凋亡信号通路的核心成分
许多因素参与了细胞凋亡的调节。Fas、TNFαR、DR3、DR4、DR5受体、p53蛋白和caspases等因子通过受体齐聚促进凋亡，而Bcl-2家族的一些成员如Bcl-2、Bcl-x1、Bclw-Mcl-1蛋白则抑制凋亡。而Bax、Bak、Bad、Bid和Bim等成员可以促进细胞凋亡。Bcl-2蛋白能够通过直接作用于MAC抑制或促进细胞凋亡。在上述三种途径中，半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶在其中起着重要作用。它们最终激活胱天蛋白酶，从而导致细胞凋亡。但也存在由凋亡诱导因子（AIF）介导的非半胱氨酸蛋白酶依赖的凋亡途径。
半胱氨酸蛋白酶是高度保守的、依赖半胱氨酸的天冬氨酸特异性蛋白酶。有两种类型的半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶：起始半胱氨酸蛋白酶-2、-8、-9、-10、-11、-12和效应半胱氨酸酶-3、-6、-7。启动子半胱天冬酶的激活需要与特定的寡聚体蛋白结合。效应半胱天冬酶随后被这些活性启动子半胱天酶通过蛋白水解裂解激活。活性效应器半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶随后通过蛋白质水解降解大量细胞内蛋白质来执行细胞死亡程序。
案例研究
案例研究1：重组人FAS(FAS-281H型)
慢性肾脏疾病（CKD）患者血清可溶性Fas（sFas）水平与红细胞生成素（Epo）低反应性有关。sFas能否预测红细胞生成刺激剂（ESA）的使用需求及其对红细胞生成的影响尚不清楚。研究人员评估了CKD贫血患者sFas和ESA治疗之间的关系及其对体外红细胞生成的影响。首先，他们对77名患有非透析性CKD的贫血患者进行了回顾性队列研究。他们进行了体外实验，以研究sFas是否会干扰造血干细胞（HSC）的行为。从脐血中分离出HSC，并以剂量依赖的方式与重组sFas蛋白孵育。CKD患者基线时血清sFas与Epo水平呈正相关（r=0.30，P=0.001），与血红蛋白（r=-0.55，P<0.001）和肾小球滤过率（r=-058，P<0.001）呈负相关。与非ESA患者相比，需要ESA治疗的患者血清sFas水平升高（4316±897 vs.2776±749，P<0.001），肾小球滤过率降低（26.2±10.1 vs.33.5±14.3，P=0.01），血红蛋白浓度降低（11.1±0.9 vs.12.5±1.2，P<0.001）。随后，他们发现非透析性CKD和贫血患者的sFas水平与ESA治疗的必要性轻微相关。体外实验表明，红系祖细胞频率与sFas浓度呈负相关（r=-0.72，P<0.001）。
图1.人重组可溶性Fas（sFas）对体外红细胞生成的影响分析。（Daniela Mendes Chiloff，2020年）
案例研究2：重组人RIPK1(RIPK1-7018H段)
基因组不稳定性通过诱导基因突变促进结肠癌的发生，但并不是所有受此过程影响的基因都已被确定。研究人员调查了人类结直肠癌（CRC）细胞的基因组不稳定性是否会导致肝细胞生长因子（HGF）基因突变。他们对从匹兹堡大学健康科学与退伍军人医院收集的78名患者的人类结肠肿瘤组织和邻近非肿瘤组织进行了基因分型，并在一个商业微阵列中对40例人类CRC和邻近非癌组织进行了分型。他们使用细胞、生物化学和分子生物学技术来研究改变结肠癌细胞中HGF信号的因素及其对细胞增殖和生存的影响。结果表明，HGF通过MET信号转导降低了CRC细胞中受体相互作用的丝氨酸-苏氨酸激酶1（RIPK1）的水平，RIPK1是坏死的介体。肿瘤组织中HGF蛋白水平高与RIPK1水平低和患者生存时间短相关。
图2.HGF处理的Met激活下调RIPK-1。（Danushka Seneviratne，2015）
案例研究3：重组人IRE1蛋白(ERN1-1124H公司)
IRE1α在几种癌症中具有组成性活性，并可促进癌症进展。激活的IRE1α裂解XBP1 mRNA，这是产生转录因子XBP1的关键步骤。此外，IRE1α裂解通过调节IRE1依赖性衰变（RIDD）选择mRNA。越来越多的证据表明IRE1α参与脂质代谢的调节。然而，XBP1和RIDD在这个过程中的作用仍然没有明确定义。在本研究中，受IRE1α药物抑制的三阴性乳腺癌细胞的转录组和脂质组分析揭示了与三酰甘油（TAG）积累相关的脂质代谢基因的变化。研究人员将编码TAG生物合成中的速率限制酶的DGAT2 mRNA确定为RIDD靶点。抑制IRE1α，导致DGAT2依赖性的TAG在脂滴中积聚，并使细胞对营养应激敏感，这可以通过使用DGAT2抑制剂PF-06424439进行治疗来缓解。
图3.野生型（WT）DGAT2，c.260G>DGAT2突变体（MUT DGAT2）与重组hIRE1α在20μM MKC8866存在或不存在的情况下孵育。（艾托·阿尔曼扎，2022）
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