程式性細胞死亡按其發生機制不同可以分為凋亡、自吞噬性程式性細胞死亡、Paraptosis、細胞有絲分裂災難、脹亡等。也有很多學者按照死亡時細胞的形態特徵進行分類：按照細胞核形態可以分為凋亡、凋亡樣程式性細胞死亡、壞死樣程式性細胞死亡和壞死；按照Clarke形態學分類，程式性細胞死亡分為I、II、III類。形態學分類與機制分類有很大的重疊，我們總結了它們的對應關係。
基本介紹
- 中文名：程式性細胞死亡
- 分類：凋亡，脹亡，壞死
細胞死亡的分類
摘要：細胞死亡是多細胞生物生命過程中重要的生理或病理現象。細胞死亡有很多種，基於不同的分類標準，其分類結果也不一樣。細胞死亡有程式性和非程式性之分，後者即壞死。關鍵字：程式性細胞死亡，凋亡，自吞噬，Paraptosis，細胞有絲分裂災難，脹亡，壞死
一、前言
多細胞生物的發育及生存依賴於其細胞分裂增殖和死亡之間的平衡，一旦這種平衡被打破，就會發生胚胎髮育異常、退行性疾病以及癌症等。所以在進化過程中，多細胞生物逐漸擁有了複雜而精密的調節機制維持這種平衡。
細胞的死亡形式多種多樣，在過去的150年其分類主要基於形態學。而在最近的30年裡，由於死亡分子機制方面的研究取得長足進步，使得死亡的分類更加科學化。但是，由於認識的局限性，細胞死亡分類的現狀是形態和機制並存，甚至給人一種混亂的感覺，本文將對現有的細胞死亡分類加以綜述，並儘量將形態學分類與機制分類聯繫起來。
二、非程式性細胞死亡
程式性細胞死亡的共同點在於它們是細胞主動的死亡過程，能夠被細胞信號轉導的抑制劑阻斷，而非程式性細胞死亡則是細胞被動的死亡過程，不能被細胞信號轉導的抑制劑阻斷。
非程式性細胞死亡即壞死，是指細胞在受到環境中的物理或化學刺激時所發生的細胞被動死亡。其主要形態學特點是胞膜的破壞，細胞及細胞器水腫（胞漿泡化），但染色質不發生凝集。細胞死亡後，細胞內容物及前炎症因子釋放，趨化炎症細胞浸潤引起炎症，以去除有害因素及壞死細胞並進行組織重建。
哈佛大學醫學院的袁均英教授和她的研究小組通過高通量的篩選，找到了一種化學小分子Necrostatin-1，能夠抑制Fas/TNFR引起的壞死。該分子能專一性地阻斷細胞壞死，但對凋亡沒有抑制作用，這種死亡方式被他們命名為Necroptosis。他們的研究還指出，壞死也能由細胞信號通路介導。所以說，壞死不都是非程式性的，很多信號通路介導壞死的發生，其原因可能是由於認識的局限性，很多和壞死形態相似的死亡被誤認為是壞死，因此應該把傳統意義的壞死分為兩類，即壞死和壞死樣程式性細胞死亡。
三、程式性細胞死亡
程式性細胞死亡的分類方式大致有兩種，即基於死亡機制的分類和基於形態學的分類。基於機制可以將程式性細胞死亡分為兩大類：Caspase依賴的和Caspase非依賴的。前者即典型的凋亡，後者包括自吞噬性程式性細胞死亡、Paraptosis、細胞有絲分裂災難、脹亡等。基於形態學的分類又有兩種：一種將程式性細胞死亡分為凋亡、凋亡樣程式性細胞死亡和壞死樣程式性細胞死亡；另一種則分為I類、II類和III類程式性細胞死亡。
（一）基於機制的程式性細胞死亡分類
1. 凋亡
1972年Kerr從形態學的角度描述了細胞的生理死亡，並將其命名為凋亡。凋亡的形態學特徵為染色質凝集、邊緣化，細胞皺縮，細胞膜內側的磷脂醯絲氨酸外翻，細胞出泡形成凋亡小體。細胞凋亡受到一系列相關基因的嚴格調控。根據凋亡信號的來源可以將細胞凋亡信號轉導通路分成兩條：外源性通路（死亡受體通路）和內源性通路（線粒體通路）。兩條信號通路匯集於下游的效應Caspase。效應Caspase在細胞凋亡的執行階段能夠直接引起重要蛋白質的降解和核酸酶的激活並最終導致細胞凋亡。也有一些凋亡不依賴於Caspase，而是通過AIF等分子發揮效應，其形態學變化屬於凋亡樣程式性細胞死亡。
2. 自吞噬性程式性細胞死亡
1966年Duve和Wattiaux在發現溶酶體的同時發現了細胞的自吞噬現象，1977年Mortimore和Schworer發現肝細胞在處於飢餓狀態時，自吞噬對其維持自身的穩態發揮著至關重要的作用。自吞噬細胞形態學上最主要的特徵是細胞內出現大量泡狀結構，即雙層膜自吞噬泡，吞噬泡內為胞質及細胞器。調控自吞噬的細胞轉導信號有很多，其中相對比較清楚的是PI3K和mTOR。PI3K對於早期吞噬泡的形成至關重要，而mTOR則對吞噬泡的形成及成熟起抑制作用。另外已知有十數種ATG分子參與了吞噬泡的形成。當細胞處於胺基酸飢餓、營養缺乏或生長因子去除時，細胞的mTOR就會受到抑制，從而發生自吞噬。自吞噬是細胞在處於惡劣環境時的一種生存機制，但持續的自吞噬會導致程式性細胞死亡。
3. Paraptosis
2000年Sperandio等在293T細胞系中超表達胰島素樣生長因子1受體（IGFIR）時發現一種與經典凋亡不同的死亡表型，並定義為Paraptosis。Paraptosis的形態學特徵是細胞漿空泡化，線粒體和內質網腫脹，但沒有核固縮現象。現在Paraptosis的文獻報導比較少，其機制有待於進一步深入研究。高劑量的IGF或胰島素等營養因子可以通過IGFIR活化MAPK/ERK以及JNK通路引起Paraptosis的發生，並且可以被AIP1/Alix特異性地抑制。我們實驗室的王鶯博士發現TNF受體超家族成員TAJ/TROY也可以誘導Paraptosis，並且可以被PDCD5加強。
4. 細胞有絲分裂災難
1989年，Lisa Molz等發現在酵母的一種對熱敏感的突變株中，細胞分裂時染色體分離發生異常。相應的一些學者便把這種在DNA發生損害時，細胞無法進行完全的分裂從而導致四倍體或多倍體的現象稱為細胞有絲分裂災難。對於細胞有絲分裂災難的形態學特點描述並不是很完全，但主要是巨細胞的形成，內有多個小核，染色質凝聚。有絲分裂災難和凋亡的染色體固縮是否一樣，現在看法並不一致。DNA發生損害時，如果細胞不能有效地阻斷其細胞周期的進行，會導致染色體的異常分離，這些非正常分裂的細胞在下一輪有絲分裂中會繼續導致細胞多倍體的形成從而成為癌變的基礎。而細胞有絲分裂災難作為一種死亡機制可以使這種非正常分裂的細胞死亡。細胞有絲分裂災難由多種分子調控，如CDK1，P53及Survivin等，其死亡信號傳遞有很大一部分與凋亡相重疊。
5. 脹亡
1910年， von Reckling-hausen在骨軟化病中發現由於缺血而腫脹壞死的骨細胞，他把這種腫脹壞死叫做Oncosis。1995年Majno和Joris為與凋亡相區別，重新引入了Oncosis的概念，把具有明顯腫脹特點的細胞死亡命名為Oncosis，中文一般翻譯為脹亡。脹亡的形態學特徵是細胞腫脹，體積增大，胞漿空泡化，腫脹波及細胞核、內質網、線粒體等胞內結構，胞膜起泡，細胞膜完整性破壞。脹亡細胞周圍有明顯炎症反應。對於脹亡發生的機制現有的文獻闡述較少，有研究者認為脹亡只是壞死前的一個被動性死亡階段。但是近年來的研究更傾向於脹亡是一個程式性的死亡方式，如抗Porimin的單抗可以引起Jurkat細胞的脹亡；解偶聯蛋白高表達的組織或細胞易發生脹亡，其原因是這些細胞缺乏ATP，故其膜上的離子泵功能喪失從而導致脹亡，而抑制解偶聯蛋白可以抵抗脹亡卻不能抵抗凋亡，提示脹亡可能有與凋亡不同的死亡機制。
（二）基於形態的程式性細胞死亡分類
1.基於細胞核改變的分類
細胞核在細胞死亡時變化比較明顯，所以很多人以此為標準將細胞死亡分為凋亡、凋亡樣程式性細胞死亡、壞死樣程式性細胞死亡和壞死，其中前三種是程式性細胞死亡，壞死是非程式性細胞死亡。
如前所述，凋亡細胞核的特點是染色質凝聚，成球狀或半月狀。其它的形態學變化還有磷脂醯絲氨酸外翻、細胞皺縮、凋亡小體形成等。凋亡一般都會伴有Caspase尤其是Caspase3的活化。
凋亡樣程式性細胞死亡核的特徵是染色質凝聚的程度較低，比凋亡細胞的染色體疏鬆一些，同時可以有凋亡細胞其它方面的形態學的變化，多數文獻中描述的Caspase非依賴的凋亡歸於此類。
壞死樣程式性細胞死亡一般無染色質的凝聚或者只有疏鬆的點狀分布，一些特殊的Caspase非依賴的死亡歸於此類。
線粒體在細胞死亡中扮演著核心角色，其所釋放的促進細胞死亡的分子大致有三類。第一類是細胞色素C，它與胞漿里的Apaf-1，ATP和Caspase-9前體分子形成Apoptosome，引起Caspase-9的激活，進而激活Caspase-3，引起典型的凋亡。第二類是超氧自由基，可以使細胞發生壞死樣程式性細胞死亡，且此效應劑可以被抗氧化劑所拮抗。第三類是AIF，AIF可以切割染色體產生大的DNA片段（約50kB），而Caspase激活的DNA酶切割DNA產生的片段則很小（幾十個鹼基對），二者對細胞核形態的影響也不相同。AIF可以使細胞發生凋亡樣程式性細胞死亡。
2. Clarke分類
1990年Clarke等補充了Schweichel和Merker對於細胞死亡的分類，將程式性細胞死亡分為I類、II類和III類，至今仍被廣泛引用。
I類程式性細胞死亡即是凋亡，形態學特徵如上所述，這類死亡一般沒有溶酶體的參與，且死後會被吞噬細胞所吞噬。
II類程式性細胞死亡即是自吞噬性程式性死亡，如上所述，其主要的形態學特徵是自吞噬泡的形成，自吞噬泡和溶酶體融合後被消化，而細胞殘骸會被吞噬細胞吞噬。
III類程式性細胞死亡即是壞死樣程式性細胞死亡，其主要的形態學特徵是各種細胞器的腫脹、胞膜的破壞等，這類細胞死亡沒有溶酶體的參與。III類程式性細胞死亡又分為兩個亞類IIIA和IIIB，其中IIIB亞類胞膜破壞比較輕微，各類細胞器的腫脹表現比較明顯，而且死亡後會被吞噬細胞吞噬。
上述兩種分類方法都涉及壞死性程式性細胞死亡，但是兩種方法所關注的形態學特徵卻並不一致。Clarke分類中的II類程式性細胞死亡如果按照細胞核形態分類應該屬於壞死樣程式性細胞死亡，因為它沒有發生染色質凝聚。
（三）形態學分類與機制分類的關係
上述程式性細胞死亡分類似乎有些複雜，因為形態學分類與機制分類具有很大的重疊；所以，如果能夠將二者聯繫起來，找出它們的對應關係，將有利於我們對於細胞死亡的理解（見表一）。
1、機制分類中的凋亡按核形態分類屬於凋亡或凋亡樣程式性細胞死亡；Clarke分類屬於I型程式性細胞死亡。
2、機制分類中的自吞噬性程式性細胞死亡按核形態分類應該屬於壞死樣程式性細胞死亡，因為其沒有明顯的染色質凝聚；Clarke分類屬於II型程式性細胞死亡。
值得注意的是，凋亡可以以自吞噬開始，而自吞噬可以以凋亡結束，其機制為溶酶體的活化可以激活典型的內源性凋亡通路。所以，很多自吞噬性程式性細胞死亡結果表現為凋亡，但也有文獻報導有獨立的自吞噬性程式性細胞死亡，同時又沒有凋亡發生。
3、機制分類的Paraptosis按核形態分類應該屬於壞死樣程式性細胞死亡，因其核沒有明顯的變化；Clarke分類屬於III型程式性細胞死亡。
4、機制分類的細胞有絲分裂災難嚴格來說應該歸於凋亡，因為其表現出明顯的染色體凝聚。但由於其誘因比較特殊，所以習慣上把它單獨歸於一類。
5、機制分類的脹亡按核形態分類應該屬於壞死樣程式性細胞死亡，因為其染色體可以形成散在的點狀分布；Clarke分類屬於III型程式性細胞死亡。
表一、形態學分類與機制分類的關係
基於機制的分類 | 基於細胞核改變的分類 | Clarke分類 |
凋亡 | 凋亡，凋亡樣程式性細胞死亡 | I型 |
自吞噬性程式性細胞死亡 | 壞死樣程式性細胞死亡 | II型 |
Paraptosis | 壞死樣程式性細胞死亡 | III型 |
細胞有絲分裂災難 | 凋亡 | I型 |
脹亡 | 壞死樣程式性細胞死亡 | III型 |
四、總結
隨著近年來對於細胞死亡的深入研究，經典的“凋亡——壞死”的死亡分類模型已經顯得過於簡單。一般來說，某一種死亡刺激可能引起細胞多個死亡通路的活化，細胞最終發生什麼樣的死亡主要取決於被活化通路發揮作用的速度。多數情況下，Caspase通路發揮作用最快，因此程式性細胞死亡最常表現為凋亡。但是某些情況下，比如Caspase通路受阻時，Caspase通路不發揮作用或者速度慢於其它通路，細胞就會表現為凋亡樣或壞死樣程式性細胞死亡。在某些Bcl-2高表達的腫瘤細胞系中，死亡刺激也往往引起凋亡樣或壞死樣程式性細胞死亡。
細胞具有多種死亡方式是有其進化必然性的。多細胞生物在生命過程中會有大量“多餘的”或“生病的”細胞死掉，單一的死亡方式對於生命來說是十分危險的，因為一旦此通路受到抑制，後果將不可想像。多種死亡方式的存在就像一個多重保險，會“千方百計”地使應該死亡的細胞死掉，即便是某些死亡通路受阻。現在對於細胞死亡的分類還有一些混亂，隨著對於細胞死亡機制認識的不斷深入，我們期待著一個更為合理的細胞死亡分類方法。
參考文獻
[1] Clarke PG and Clarke S. Nineteenth century research on naturally occurring cell death and related phenomena. Anat Embryol (Berl) . 1996, 193: 81-99
[2] Leist M and Jaattela M. Four deaths and a funeral: from caspases to alternative mechanisms. Nat Rev Mol Cell Biol. 2001, 2:589-98
[3] Nicotera P, Leist M and Manzo L. Neuronal cell death: a demise with different shapes. Trends Pharmacol Sci. 1999, 20: 46–51
[4] Degterev A and Yuan JY. Chemical inhibitor of nonapoptotic cell death with therapeutic potential for ischemic brain injury. Nature Chem Biol. 2005, 1: 112-119
[5] Aimee L Edinger and Craig B. Thompson.Death by design: apoptosis, necrosis and autophagy. Curr Opin Cell Biol. 2004, 16:663–669
[6] Kerr JF, Wyllie AH and Currie AR. Apoptosis: a basic biological phenomenon with wide-ranging implications in tissue kinetics. Br J Cancer.1972, 26:239-257
[7] Fadeel B, Orrenius S and Zhivotovsky B. Apoptosis in human disease: a new skin for the old ceremony? Biochem Biophys Res Commun. 1999, 266: 699-717
[8] De Duve C and Wattiaux R. Functions of lysosomes. Annu Rev Phys. 1966, 28: 435–492
[9] Mortimore and Schworer. Induction of autophagy by amino-acid deprivation in perfused rat liver. Nature. 1977, 270: 174-6
[10] Noda Tand Ohsumi Y. Tor, a phosphatidylinositol kinase homologue, controls autophagy in yeast. J Biol Chem. 1998, 273: 3963–3966
[11] Sperandio S, de Belle Iand Bredesen DE.An alternative, nonapoptotic form of programmed cell death. Proc Natl Acad Sci. 2000; 97: 14376- 81
[12] Sperandio S, Poksay K, de Belle I, Lafuente MJ, Liu B, Nasir Jand Bredesen DE. Paraptosis: mediation by MAP kinases and inhibition byAIP-1/Alix. Cell Death Differ. 2004, 11:1066-75
[13] Wang Y, Li X, Wang L, Ding P, Zhang Y, Han Wand Ma D. An alternative form of paraptosis-like cell death, triggered by TAJ/TROY and enhanced by PDCD5 overexpression. J Cell Sci. 2004, 117: 1525-32
[14] Molz L, Booher R, Young Pand Beach D. cdc2 and the regulation of mitosis: six interacting mcs genes. Genetics. 1989, 122:773-82
[15] Margottin-Goguet F, Hsu JY, Loktev A, Hsieh HM, Reimann JDand Jackson PK. Prophase destruction of Emi1 by the SCF (betaTrCP/Slimb) ubiquitin ligase activates the anaphase promoting complex to allow progression beyond prometaphase. Dev Cell. 2003, 4:813-26
[16] Roninson IB, Broude EVand Chang BD. If not apoptosis, then what? Treatment-induced senescence and mitotic catastrophe in tumor cells. Drug Resist Updat. 2001, 4:303-13
[17] Castedo M, Perfettini JL, Roumier T, Andreau K, Medema Rand Kroemer G. Cell death by mitotic catastrophe: a molecular definition. Oncogene. 2004, 23: 2825–2837
[18] Trump BF, Berezesky IK, Chang SHand Phelps PC. The pathways of cell death: oncosis, apoptosis, and necrosis. Toxicol Pathol. 1997, 25:82-8
[19] Phelps PC, Smith MW and Trump BF. Cytosolic ionized calcium and bleb formation after acute cell injury of cultured rabbit renal tubule cells. Lab Invest. 1989, 60: 630-42
[20] Mills EM, Xu D, Fergusson MM, Combs CA, Xu Yand Finkel T. Regulation of Cellular Oncosis by Uncoupling Protein 2. J Biol Chem. 2002, 277: 27385-92
[21] Leist M and Jaattela M.Four deaths and a funeral: from caspases to alternative mechanisms. Nat Rev Mol Cell Biol. 2001, 2: 589 -98
[22] Shi Y. Apoptosome: the cellular engine for the activation of caspase-9. Structure (Camb). 2002, 10: 285-8
[23] Sakon S, Xue X, Takekawa M, Sasazuki T, Okazaki T, Kojima Y, Piao JH, Yagita H, Okumura K, Doi T and Nakano H.NF-kappaB inhibits TNF-induced accumulation of ROS that mediate prolonged MAPK activation and necrotic cell death. EMBO J. 2003, 22:3898-909
[24] Cande C, Cecconi F, Dessen P and Kroemer G.Apoptosis-inducing factor (AIF): key to the conserved caspase-independent pathways of cell death? J Cell Sci. 2002, 115: 4727-34
[25] Clarke PG. Developmental cell death: morphological diversity and multiple mechanisms. Anat Embryol (Berl). 1990, 181: 195-213
[26] Schweichel JU, and Merker HJ. The morphology of various types of cell death in prenatal tissues. Teratology. 1973, 7: 253-66
[27] Jaattela M. Multiple cell death pathways as regulators of tumour initiation and progression. Oncogene. 2004, 23: 2746–2756
[28] Lockshin RA and Zakeri Z.Apoptosis, autophagy, and more. Int J Biochem and Cell Biol. 2004, 36: 2405–2419
[29] Boya P, Gonzalez-Polo RA, Poncet D, Andreau K, Vieira HL, Roumier T, Perfettini JL and Kroemer G.Mitochondrial membrane permeabilization is a critical step of lysosomeinitiated apoptosis induced by hydroxychloroquine. Oncogene. 2003, 22: 3927–3936
[30] Yanagisawa H, Miyashita T, Nakano Y and Yamamoto D.HSpin1, a transmembrane protein interacting with Bcl-2/Bcl-xL, induces a caspase-independent autophagic cell death. Cell Death Differ. 2003, 10: 798–807
[31] Suarez Y, Gonzalez L, Cuadrado A, Berciano M, Lafarga M and Munoz A.Kahalalide F, a new marine-derived compound, induces oncosis in human prostate and breast cancer cells. Mol Cancer Ther. 2003, 2:863-72
[32] Schulze-Osthoff K, Krammer PH and Droge W.Divergent signalling via APO-1/Fas and the TNF receptor, two homologous molecules involved in physiological cell death. EMBO J. 1994, 13:4587-96
[33] Saldeen J. Cytokines induce both necrosis and apoptosis via a common Bcl-2-inhibitable pathway in rat insulin-producing cells. Endocrinology. 2000, 141: 2003-10
[34] Broker LE, Kruyt FA and Giaccone G.Cell Death Independent of Caspases: A Review. Clin Cancer Res. 2005, 11: 3155-62
