细胞死亡导论

矛盾的是，细胞死亡有助于塑造生物体的生命过程。如同完整的生物体一样，细胞可能因衰老、意外损伤而死亡，或在病原体侵入后通过自我牺牲来阻止感染的扩散。在这些情况下，细胞可能通过不同的死亡途径走向死亡，例如凋亡、自噬或坏死。这些类型均表现出特定的形态学特征。细胞凋亡，即程序性细胞死亡，会导致细胞膜“出泡”和细胞核碎裂。同样受到调控的自噬过程，则会形成包裹细胞组分的大液泡。最后，坏死是一种“非程序性”或意外性的死亡，最终导致细胞裂解。

本视频将介绍推动这些死亡通路发现的重要科学进展，探讨研究人员目前仍在探索的有关细胞死亡的问题，介绍他们用于解答这些问题的研究工具，并最后回顾几项代表性实验。

首先，让我们回顾一些在解析不同细胞死亡通路方面作出重要贡献的关键研究人员。

用于描述这些通路的现代术语可追溯至古希腊时期的医生希波克拉底（Hippocrates）。他使用“凋亡”（apoptosis）一词，意为“脱落”，来描述骨折后观察到的骨组织“碎裂”现象。进入现代，1859年鲁道夫·菲尔肖（Rudolf Virchow）在其著作《细胞病理学》（Cell Pathology）中首次显著提及“坏死”（necrosis）一词，用以描述“组织的晚期崩解”。

随着接下来十年显微镜技术和组织学的进步，卡尔·魏格特（Carl Weigert）和尤利乌斯·科恩海姆（Julius Cohnheim）在1877年得以在细胞水平上研究坏死现象。他们揭示了此类死亡相关的形态学特征，例如细胞核的丧失。

近70年后的1957年，克里斯蒂安·德·迪夫（Christian de Duve）发现了“自噬”（autophagy）过程，即细胞组分被一种称为自噬体（autophagosomes）的膜包被细胞器吞噬，并与另一类细胞器——溶酶体融合，进一步降解其内容物。如今我们认识到，自噬在细胞中实际上具有双重作用，既可促进细胞存活，也可诱导细胞死亡。

1972年，约翰·克尔（John Kerr）、A. R. 柯里（A. R. Currie）和安德鲁·威利（Andrew Wyllie）观察到另一种具有特殊形态的细胞死亡方式。由于该过程涉及死亡细胞的部分“脱落”，他们沿用了古希腊语“凋亡”（apoptosis）这一名称。后来在1977年，H. R. 霍维茨（H. R. Horvitz）和约翰·苏尔斯顿（John Sulston）在研究秀丽隐杆线虫（C. elegans）发育过程中，确认凋亡是一种“程序性细胞死亡”形式。他们注意到，在不同线虫个体中，特定细胞会在相同发育阶段发生凋亡。

由于这一现象发生在发育早期，提示可能存在基因调控凋亡过程。这一假说在20世纪80年代由霍维茨的研究团队证实：他们发现，某些ced（即“C. elegans死亡”）基因发生突变的细胞在线虫发育过程中不会死亡。随后，霍维茨进一步证明ced-3基因编码一种称为caspase的蛋白质降解酶。如今我们已知存在多种caspase，它们在细胞死亡过程中发挥关键作用。

细胞死亡领域的这些进展为研究人员探索新方向开辟了道路。让我们来看其中的一些研究方向。

人们一直对导致细胞死亡的因素充满兴趣。为了鉴定这些因素，研究人员目前正在将细胞暴露于辐射、化学物质和信号分子中，然后寻找细胞死亡程度或类型的变化。

其他科学家则致力于阐明每种细胞死亡机制所涉及的生化通路。目前我们已知，凋亡遵循一条以caspase为关键酶的通路，而自噬则涉及对自噬体形成必不可少的蛋白质。然而，这些通路中仍存在未知的组分，研究人员正试图揭示其作用机制。此外，研究人员还在探索不同细胞死亡通路之间是否存在“串扰”。如果存在串扰，那么同一信号可能同时参与凋亡和自噬过程。

最后，一个热门的研究领域是探究某些细胞（如癌细胞）为何能够获得永生性。科学家们持续寻找癌细胞中的突变，并评估其中是否有影响编码死亡通路相关因子的基因的突变。

这些问题都很复杂，但幸运的是，研究人员拥有多种工具来解答它们。

台盼蓝染色法是一种常用的筛选工具，用于评估化合物对细胞死亡的影响。该方法依赖于一种染料，这种染料无法进入活细胞，因为活细胞具有“选择性膜”，但可以轻易进入死细胞，因为死细胞的膜已经“破裂”。该检测可识别细胞死亡，但无法精确定位具体的细胞死亡通路。

因此，科学家开发了诸如半胱天冬酶（caspase）活性检测等技术。由于半胱天冬酶在凋亡过程中会被激活，科学家可以加入这些酶的底物，当底物被半胱天冬酶激活时会产生荧光。这有助于识别凋亡细胞。

类似地，凋亡过程中发生的DNA片段化可通过TUNEL检测轻松识别，该方法依赖于能够标记受损DNA“断裂”末端的试剂。由于该方法相对易于操作，因此在该领域被广泛使用。

当科学家希望确定其细胞群体中发生的细胞死亡机制时，可将膜联蛋白V（annexin V）和碘化丙啶（PI）染色结合流式细胞术分析。膜联蛋白V可结合细胞膜上的磷脂酰丝氨酸残基，而碘化丙啶则可通过受损的细胞膜进入细胞并与DNA结合。通过分析所得数据，科学家可以区分经历不同死亡通路的细胞。

最后，科学家还可以利用活细胞成像技术实时观察细胞死亡过程。这是一种全面的技术，可根据独特的形态学特征识别自噬性、坏死性或凋亡性细胞。

如你所见，检测细胞死亡的方法有多种，其中一些方法不具特异性，另一些可用于识别凋亡细胞，还有一些可区分不同的死亡通路。

现在，让我们看看科学家如何利用这些技术进一步研究细胞死亡。

饮食在健康中起着重要作用，并可能影响不同组织中的细胞死亡。 体外 实验中，研究人员将小鼠神经元暴露于棕榈酸（一种存在于乳制品和肉类中的饱和脂肪酸），然后使用caspase检测法评估细胞凋亡。他们发现，经棕榈酸处理的细胞表现出caspase活性升高及细胞死亡增加。

其他研究人员正在利用这些检测方法来确定药物如何诱导不同的细胞死亡机制。在此实验中，将带有荧光标记癌细胞的转基因小鼠注射了阿霉素（doxorubicin），一种抗癌药物。随后，科研人员对活体动物中的细胞进行成像，通过观察癌细胞形态的变化，确定药物处理同时触发了细胞凋亡和坏死。

最后，一些科学家正在研究细胞死亡是否可以被逆转。在本实验中，研究人员将人癌细胞暴露于乙醇，并通过多种检测方法证实该处理可诱导这些细胞进入凋亡通路。在洗去乙醇后，受影响的细胞能够通过一种称为“anastasis”的过程从凋亡中恢复。这一发现为癌症在药物治疗后复发的机制提供了新的见解。

您刚刚观看了 JoVE 关于细胞死亡通路的介绍视频。本视频回顾了细胞死亡研究的悠久历史——从古代到20世纪——并讨论了一些当前的研究问题。我们还讲解了检测细胞死亡的常用方法，并演示了这些技术如何被用于更深入地理解环境、疾病与细胞死亡之间的关联。一如既往，感谢您的观看！