引言
細胞死亡在生物體的發育和穩態維持中起著關鍵作用。不同形式的細胞死亡，包括凋亡（Apoptosis）、壞死性凋亡（Necroptosis）、焦亡（Pyroptosis）和鐵死亡（Ferroptosis），不僅在清除受損或過時的細胞中發揮作用，也在抑制病原體擴散中扮演重要角色。24年1月，Cell雜誌刊文綜述了各種細胞死亡路徑的訊號機制，探討這些細胞死亡過程的異常啟用或抑制如何導致疾病，並討論了針對細胞死亡失衡狀態的現有和潛在治療方法。
細胞死亡可以是非溶解性的，且在免疫上相對沉默（凋亡），或者是溶解性的且促炎症的（壞死）。在多細胞生物中，基因程式化的細胞死亡被認為是維持穩態的重要支柱，但即使是單細胞生物也可以透過細胞死亡來抵禦病原體或為適應營養匱乏而限制群落大小。非溶解性的細胞死亡程式最初是基於其形態學特徵來定義的，這些特徵包括細胞質空泡化、核濃縮和細胞膜起泡。其背後的分子機制在三個不同領域的多年研究之後才逐漸清晰。
首先是認識到在遺傳上易於操作的秀麗隱杆線蟲（Caenorhabditis elegans）中某些細胞可重複地經歷凋亡。隨後的遺傳篩選識別出了細胞死亡的介導者（egl-1、ced-3和ced-4）和細胞死亡的抑制因子（ced-9），儘管當時它們還不能被賦予可識別的生化活性。關於ced-3功能的認識來自於對哺乳動物促炎症白細胞介素-1β（IL-1β）成熟的蛋白酶的鑑定。CED-3與這種現在被稱為半胱天冬酶-1（caspase-1）的IL-1β轉化酶之間的同源性促使人們認識到CED-3 是一種蛋白酶，並且秀麗隱杆線蟲中的程式化細胞死亡是由蛋白水解驅動的。
ced-9基因在哺乳動物中有一個功能對應物，即B細胞淋巴瘤基因2（BCL-2），這是一種在人類濾泡性淋巴瘤中透過染色體易位啟用的原癌基因。與許多其他原癌基因不同，BCL-2並不誘導增殖，而是抑制細胞死亡，並且能夠在線蟲中功能性地替代ced-9。在這些關鍵發現之後，進一步鑑定出了額外的哺乳動物半胱天冬酶(Caspase，半胱氨酸依賴的天冬氨酸定向蛋白酶）。此外，BCL-2被發現是控制Caspase啟用的一個更大家族的成員，這個家族被稱為內源性凋亡途徑的裁決者。在外源性凋亡途徑的形式中，出現了更多的複雜性，以及病原體對死亡途徑成分的徵用。對受感染細胞的研究顯示，某些形式的壞死（即細胞破裂並釋放促炎症內容物）也是基因程式化的。這些細胞死亡途徑被稱為焦亡（pyoptosis）和壞死性凋亡（necroptosis）。擁有多種死亡方式是對抗尋求保持其複製生態位的病原體的有效寄宿策略。
在成年人中估計每天有驚人的10^11個細胞經歷程式化細胞死亡，這相當於我們一年內整個體重的細胞。透過細胞增殖，身體維持現狀，同時排除老化、功能失調、受感染或突變的細胞。因此，擾亂細胞增殖與細胞死亡之間的穩態平衡將導致機體功能失調。過少的細胞死亡會導致過度增殖疾病，如癌症，而過多的細胞死亡則導致退行性疾病，如神經退行性疾病。
在這裡，本文主要基於當前對各種細胞死亡途徑的主流觀點，由於研究眾多，有的令人困惑，甚至矛盾。為了避免遺漏某些進展，我們主要選擇那些透過生物化學和遺傳學相結合的方法經過考驗的觀點和證據，相對更能經受住時間的考驗 。
內源性凋亡——從線蟲到哺乳動物
在秀麗隱杆線蟲（C. elegans）中，許多內源性凋亡訊號傳導在哺乳動物中也有保留，但哺乳動物的細胞死亡途徑更為複雜（見圖1）。相似之處包括使用支架蛋白來協調半胱天冬酶（caspase）的啟用。在C. elegans中，CED-4擔當此功能，用於啟用半胱天冬酶CED-3，而在哺乳動物中，凋亡肽酶啟用因子1（Apoptotic peptidase activating factor 1，APAF-1）介導caspase-9的聚合。這一過程在BCL-2同源區3（BH3）-僅蛋白（BH3-only proteins）（如C. elegans中的EGL-1；哺乳動物中的細胞凋亡相關BCL-2拮抗劑（BAD），BH3相互作用域死亡拮抗劑（BID），BCL-2相互作用殺手（BIK），BCL-2相互作用的細胞死亡介質（BIM），BCL-2修飾因子（BMF），harakiri（HRK），NOXA（也稱為12-肉豆蔻酸-13-醋酸誘導蛋白1）、以及p53上調的凋亡調節劑（PUMA））與BCL-2蛋白家族的促存活成員（C. elegans中的CED-9；哺乳動物中的BCL-2、BCL-XL、髓細胞白血病基因1（MCL-1）、BCL-W以及胎兒肝中表達的BCL-2相關基因（BFL-1；在小鼠中稱為A1））結合，從而抑制它們。這些BH3-僅蛋白（BH3-only proteins）的表達在發育訊號或應激刺激（例如，營養剝奪、DNA損傷和內質網（ER）應激）的作用下增加，透過多種轉錄和翻譯後機制實現。
圖1 - 哺乳動物內源性凋亡訊號傳導途徑與秀麗隱杆線蟲和果蠅的凋亡訊號傳導對比（Credit: Cell）
在C. elegans中，CED-9透過阻止CED-4啟用caspase CED-3來維持細胞存活。相比之下，哺乳動物中促存活的BCL-2家族蛋白透過限制它們的促凋亡成員，即BCL-2相關X蛋白（BAX）和BCL-2拮抗劑/殺手1（BAK），來防止caspase的啟用。未受抑制的BAX和/或BAK聚合，並導致線粒體外膜滲透（Mitochondrial outer membrane permeabilization，MOMP），從而釋放促進凋亡的線粒體因子進入細胞質。線粒體釋放的細胞色素c與adaptorAPAF-1相互作用，促進凋亡體複合體的組裝，有助於起始caspase，即caspase-9的二聚化和啟用。線粒體釋放的DIABLO（也稱為線粒體衍生的第二凋亡啟用因子[SMAC]）或HtrA絲氨酸蛋白酶2（HTRA2）阻止X連鎖的凋亡蛋白抑制劑（XIAP）對caspase的抑制。雖然C. elegans沒有類似BAK或BAX的蛋白，但其他線蟲卻有。因此，C. elegans可能是進化中的一個特例，因為它透過與CED-4的結合，以更直接的方式抑制caspase的啟用，從而放棄了對凋亡的線粒體調控。或者，被BH3-only protein EGL-1結合的CED-9可能像BAX或BAK一樣發揮功能。有證據表明CED-9與線粒體外膜相關，但EGL-1的亞細胞定位不太清楚。
哺乳動物的caspase-9透過蛋白水解啟用所謂的執行者caspase（caspase-3、-7和可能的-6），導致數百種細胞蛋白的切割。這些切割事件中的一些有助於拆解細胞，而其他則啟用促進吞噬凋亡細胞及其膜包裹的碎片（稱為凋亡體，apoptotic bodies）的過程。前者的一個例子是caspase-3或-7對caspase啟用的酶抑制劑（ICAD，inhibitor of caspase-activated deoxyribonuclease）的切割，這釋放了caspase啟用的脫氧核糖核酸酶（CAD，caspase-activated deoxyribonuclease）以介導染色體DNA的核間切割。後者的一個例子是對XK相關蛋白8（XKR8，XK related 8）的蛋白水解啟用，導致磷脂醯絲氨酸在細胞表面顯示為“吃我”的訊號，以吸引吞噬細胞。
吞噬作用對凋亡的非炎症性質很重要。如果凋亡細胞未被“吞噬”，它們最終可能發展出膜損傷。細胞內損傷相關分子模式（DAMPs, damage-associated molecular patterns）的釋放向鄰近細胞發出“警報”，觸發促炎症反應。DAMPs包括DNA、ATP和蛋白質，如高遷移率族蛋白盒1（HMGB1, high mobility group box 1）和IL-1α。調節凋亡細胞的吞噬作用的過程在進化過程中得到了保留，凸顯了它們對正常發育和成年組織穩態的重要性。
果蠅（Drosophila melanogaster）是另一種用於研究程式性細胞死亡（programmed cell death）的模式生物。在果蠅中，Debcl、Buffy和Sayonara屬於BCL-2蛋白家族（BCL-2 protein family），但它們在程式性細胞死亡中的作用比其哺乳動物和秀麗隱杆線蟲（C. elegans）的對應物有限。果蠅的半胱天冬酶（caspases）主要受到細胞凋亡抑制蛋白（IAPs, inhibitor of apoptosis proteins）的控制（見圖1）。果蠅中程式性細胞死亡的觸發是由IAP抑制劑Reaper、Hid和Grim的誘導表達引起的。哺乳動物的IAPs在抑制細胞死亡中也扮演重要角色，但XIAP是唯一直接針對caspase的哺乳動物IAP，它抑制caspase-3、-7和-9。
BCL-2蛋白家族
BCL-2家族的成員可以分為三個亞組：促凋亡的BH3-only protein、促生存蛋白和促凋亡效應蛋白。哺乳動物的促生存蛋白具有四個BH區域（BH regions）、一個C末端跨膜域（TM domain, transmembrane domain）和一個疏水錶面凹槽，用於介導與BCL-2家族兩個促凋亡亞組的BH3域的相互作用。效應蛋白BAX、BAK和與BCL-2相關的卵巢殺手蛋白（BCL-2-related ovarian killer，BOK）的結構與促生存蛋白非常相似。它們也具有四個BH區域（由一個保守序列基序定義的BH4域）、一個TM域和一個BH3結合表面凹槽。相比之下，許多BH3-only protein在未與促生存家族成員結合時是未結構化的（unstructured）。
促凋亡效應蛋白BAX、BAK和BOK
大多數健康細胞都表達可檢測量的BAX和BAK，儘管有些細胞表達其中之一的量要多得多。缺乏BAX的小鼠表現出雄性不育和輕微的脾腫大，而缺乏BAK的小鼠基本正常。然而，BAX和BAK的聯合缺失通常產生嚴重的顱面異常，這在出生時是致命的。這種表型在缺乏BOK的小鼠中會加劇。與BAX和BAK不同的是，BOK似乎不受促生存BCL-2蛋白的抑制。BOK的丰度和活性反而受到位於內質網（ER）的泛素連線酶gp78的抑制，gp78將BOK定位為蛋白酶體降解。來自Bax−/− Bak−/−或Bax−/− Bak−/− Bok−/−小鼠的細胞對所有測試的內源性凋亡刺激都極度抵抗，這表明BAX和BAK在凋亡中具有很大的重疊功能，作為必需的凋亡效應蛋白，而BOK的作用是輔助的。儘管它們具有廣泛的功能重疊，BAX和BAK之間還是有顯著差異。儘管兩者都與線粒體外膜上的促生存BCL-2蛋白相互作用，但健康細胞中的大多數BAX是細胞質的，其跨膜結構域嵌入其疏水凹槽內。BAX啟用時跨膜域是如何被置換的目前還不太清楚。BAX和BAK的另一個區別是，BCL-2被認為主要抑制BAX，而MCL-1抑制BAK，但BCL-XL可以有效地抑制這兩種蛋白。有趣的是，電壓依賴性陰離子通道2（VDAC2, voltage-dependent anion channel 2）允許BAX定位到外線粒體膜上殺死細胞，但相反，它可以抑制BAK的啟用。儘管經過多年的深入研究，BAX或BAK形成的介導線粒體外膜通透性改變（MOMP）的孔的結構仍然是個謎。
BH3-only proteins
BIM、PUMA和被蛋白水解裂解的BID（稱為截短的BID或tBID）與所有促生存BCL-2蛋白高親和力結合，因此是強有力的凋亡啟動因子。其他的BH3-only protein則以更選擇性的方式結合。NOXA僅與MCL-1和A1/BFL-1結合，而BAD、BIK和HRK主要與BCL-XL結合，程度較小的與BCL-2和BCL-W結合。因此，這些BH3-only protein往往是較弱的殺手，因為它們只抑制保護細胞的部分促生存BCL-2蛋白。特定的BH3-only protein，尤其是BIM、PUMA和tBID，也可能透過與BAX和BAK直接相互作用來觸發凋亡。然而，對缺乏所有BH3-only蛋白的細胞系的分析表明，這些相互作用對啟動凋亡並非必需。當保護細胞的促生存BCL-2蛋白透過遺傳手段移除或用小分子BH3模擬物抑制時，細胞仍然經歷BAX或BAK介導的凋亡。這些發現總體上與一種模型一致，即BAX和BAK需要被促生存BCL-2蛋白抑制以維持細胞活性。當促生存BCL-2蛋白被BH3-only protein或蛋白酶體降解（下文描述）中和時，凋亡就會啟動。
啟動凋亡的BH3-only protein取決於應激刺激和細胞型別。BIM在免疫耐受中起主要作用，透過清除自反應性B細胞和T細胞。它還透過移除免疫反應後不再需要的B細胞和T細胞，幫助免疫細胞的穩態。BIM和PUMA促進由生長因子剝奪、鈣通量失調、糖皮質激素或內質網（ER）應激引發的凋亡。轉錄因子和腫瘤抑制因子p53（在小鼠中也稱為轉化相關蛋白53 [TRP53] (transformation related protein 53)，在人類中稱為腫瘤蛋白p53 [TP53] (tumor protein p53)）透過誘導Puma和Noxa的表達促進凋亡。BID透過caspase-8在外源性凋亡途徑（下文描述）或透過細胞毒性T細胞或自然殺傷細胞釋放的顆粒酶B (granzyme B)裂解而啟用，後者透過穿孔素孔進入細胞。針對基因定位的小鼠的分析表明，BMF、BAD、BIK和HRK在啟動凋亡中的作用不太突出。
Pro-survival BCL-2 proteins
所有促生存BCL-2蛋白（pro-survival BCL-2 proteins）都定位於線粒體外膜的外側，但BCL-2也存在於內質網和核膜上。BCL-XL的相當部分是細胞質的。BCL-2、BCL-XL和BCL-W相對穩定，需要數小時才能轉換，而MCL-1和A1/BFL-1是不穩定的蛋白，它們的半衰期以分鐘而非小時計算，因為它們被泛素化並定向蛋白酶體降解。因此，當RNA或蛋白質合成停止時，MCL-1和A1/BFL-1的水平會急劇下降，依賴它們的細胞將死亡。許多病毒也產生促生存BCL-2同源物或結構類似物，強調內源性凋亡在消除病毒感染細胞中的重要作用。
在小鼠中的遺傳研究確定了不同促生存BCL-2蛋白的關鍵功能。A1的喪失只引起選擇性造血細胞亞群的輕微缺陷。缺乏BCL-W的小鼠也基本正常，除了雄性不育。小鼠中缺乏BCL-2會導致過度的BIM驅動的凋亡，減少成熟B細胞和T淋巴細胞的數量，並導致過早白髮以及致命的多囊腎病。BCL-XL缺乏在小鼠發育的胚胎第13天是致命的，因為這妨礙了血小板以及某些神經和紅細胞群體的存活。MCL-1的缺失影響最為顯著，對於早期植入胚胎和廣泛的細胞型別的存活至關重要，包括造血細胞群、心肌細胞和腸上皮細胞。
在某些細胞型別中，必須消除兩種促生存BCL-2蛋白才能觀察到嚴重缺陷。例如，BCL-XL或MCL-1可以維持肝細胞和某些神經細胞群的存活。促生存BCL-2蛋白和BH3-only protein的水平被精細平衡，因為基因劑量減半可能會產生戲劇性後果。例如，Mcl-1+/− Bcl-x+/−小鼠在出生後不久即死亡，表現出嚴重的顱面異常，但Mcl-1+/− Bcl-x+/− Bim+/−小鼠則健康。
由缺陷的內源性凋亡引起的疾病
如上所述，強制表達BCL-2抑制內源性凋亡，可能導致人類濾泡性淋巴瘤。在小鼠中，淋巴細胞轉基因過度表達BCL-2會引起類似於系統性紅斑狼瘡（SLE, systemic lupus erythematosus）的致命自身免疫疾病和低發病率的淋巴瘤。這些發現突顯了內源性凋亡在維護免疫耐受以及腫瘤生成中的重要性。值得注意的是，當造血細胞還有MYC的非調節表達時，BCL-2是一個更強大的致癌基因，MYC是一個推動異常細胞分裂的轉錄因子。過量的BCL-2使惡性和非轉化細胞對廣泛的抗癌藥物產生抵抗，無論這些藥物是以p53依賴還是非p53依賴的方式殺死細胞。特別是BIM和PUMA這樣的BH3-only protein未能中和過量的BCL-2，這阻止了內源性凋亡。因此，為癌症治療開發了模仿BH3-only protein功能的小分子BH3類似物。特定於BCL-2的BH3類似物Venetoclax（也稱為ABT-199）目前已被許多監管機構批准用於治療慢性淋巴細胞白血病（CLL, chronic lymphocytic leukemia）和急性髓性白血病（AML, acute myeloid leukemia），這些惡性病變主要依賴BCL-2而非其他促生存BCL-2蛋白來生存。針對MCL-1和BCL-XL的BH3類似物也已被開發，但它們在正常健康細胞中的靶向毒性構成了一個挑戰。針對BCL-XL的治療可能會導致血小板減少症，而心肌細胞、腸上皮細胞和血液細胞亞群是一些可能不耐受MCL-1抑制劑的細胞型別。將BH3類似物選擇性地送達癌細胞的抗體偶聯物的使用可能是限制正常健康細胞毒性的策略。
在某些情況下，抑制內源性凋亡可以預防而非促進腫瘤發展。例如，在小鼠中，低劑量γ-射線誘導的胸腺淋巴瘤可被Puma缺陷所預防。解釋是，成熟白細胞應激誘導的凋亡觸發了大量的造血祖細胞的動員和增殖，從而產生了腫瘤原性病變（oncogenic lesion）。MCL-1缺陷導致的增強凋亡促進了小鼠腸道的腫瘤生成。因此，瞭解BH3類似物藥物誘導的正常細胞凋亡是否可能為次發性治療相關癌症埋下伏筆，就顯得很重要了。
過度的內源性凋亡與急性和慢性退行性疾病有關，包括和神經退行性疾病。至今為止，針對caspase的治療策略並未取得成功，抑制劑在臨床試驗中展現出有限的療效以及毒性。重要的是，抑制內源性凋亡途徑中的caspase並不能阻止線粒體外膜通透性改變（MOMP）後的線粒體功能障礙和細胞死亡。目前正在努力尋找抑制BAX或BAK的抑制劑，但考慮到可能的靶向毒性，是否存在治療視窗尚不清楚。
外源性凋亡和壞死性凋亡
外源性凋亡和壞死性凋亡途徑主要由細胞表面的死亡受體結合的細胞外配體觸發。透過caspase-8傳遞凋亡訊號，而當caspase-8被抑制時，可能發生壞死性凋亡，這是一種溶解性的細胞死亡形式。壞死性凋亡可能作為一種抗病毒防禦機制而進化，因為某些病毒，包括鉅細胞病毒、單純皰疹病毒、牛痘病毒和腺病毒，編碼caspase-8的抑制劑以防止凋亡。與此觀點一致的是，缺乏壞死性凋亡的小鼠比野生型（WT）小鼠更易感染牛痘病毒或缺乏壞死性凋亡抑制劑病毒誘導的RIPK3降解（vIRD, viral inducer of RIPK3 degradation）的變異牛痘病毒。與內源性凋亡途徑中的caspase-9一樣，caspase-8透過裂解並因此啟用caspase-3和-7來執行凋亡程式。
配體和死亡受體(death receptor)配對包括FAS配體（FASL）與FAS、腫瘤壞死因子（TNF）或淋巴毒素-α與腫瘤壞死因子受體1（TNFR1）、TNF樣細胞因子1A（TL1A）與死亡受體3（DR3）以及與TRAILR1或TRAILR2（小鼠只有一個TRAILR）相關的誘導凋亡配體（TRAIL）。儘管它們的名字，死亡受體並不專門傳遞細胞死亡訊號。許多細胞對TNFR1的啟用不是透過死亡而是透過啟用核因子κB（NF-κB）和絲裂原啟用蛋白激酶（MAPK）訊號通路，促進促炎症和促生存基因的表達。TNFR1訊號機制的擾動可能會促使細胞死亡的誘導，並在下文中進行討論。
死亡受體之外，外源性凋亡或壞死程式（necroptosis）的機制也可以透過 Toll 樣受體 3（Toll-like receptor 3, TLR3）、TLR4 或 Z-DNA 結合蛋白 1（Z-DNA binding protein 1, ZBP1）被啟用。TLR3 透過內體（endosomal compartment）中的雙鏈 RNA 被啟用，而 TLR4 感應細菌的外細胞脂多糖（lipopolysaccharide, LPS）並隨後轉移到內體。ZBP1 是內部的 Z-形核酸感測器，這種核酸具有左旋的雙鏈螺旋結構，由一些病毒和內源性逆轉錄元件產生。TLR3 或 TLR4 訊號的典型輸出是促炎和促存活的基因表達，但如 TNFR1 訊號傳導所見，某些細胞缺陷可能會使訊號傳導傾向於細胞死亡。因此，當細胞暴露於某些死亡配體或病原體相關分子模式（PAMPs, pathogen-associated molecular patterns）時，如果立即受到威脅，反映在關鍵訊號元件的損害上，它們可以將其反應從促炎和促存活基因表達升級為外源性凋亡或壞死程式。
TNFR1
TNFR1在許多細胞型別上表達，並在病原體防禦中發揮重要作用，但持續啟用該受體可能助長慢性炎症。事實上，TNF抑制劑，它們阻斷TNF-TNFR1和 TNF-TNFR2訊號，廣泛用於治療自發炎性疾病，如炎症性腸病、類風溼性關節炎和強直性脊柱炎。與所有死亡受體一樣，TNFR1有一個細胞質同型蛋白互作基序(cytoplasmic homotypic protein interaction motif)，稱為死亡結構域（death domain, DD）。在配體誘導的TNFR1寡聚化後，DD透過招募與死亡結構域相關的TNFRSF1A適配蛋白（TNFRSF1A associated via death domain, TRADD）和受體相互作用蛋白激酶1（receptor interacting protein kinase 1, RIPK1）啟動所謂的複合體I的組裝（圖 2A）。TRADD 繫結到 TNF 受體相關因子2（TNF receptor associated factor 2, TRAF2），這是 cIAP1 和 cIAP2 泛素連線酶的適配蛋白。cIAP1 和 cIAP2 透過向 RIPK1 和複合體 I 的其他元件新增K63連線的多聚泛素鏈，幫助對接線性泛素鏈裝配複合體（linear ubiquitin chain assembly complex, LUBAC）和TGF-β啟用的激酶1（TGF-beta activated kinase 1, TAK1）。LUBAC然後向TNFR1、TRADD 和 RIPK1新增M1連線的多聚泛素鏈，這增強了招募典型IκB激酶（IKK）複合體的能力。複合體I中TAK1和IKK 的啟用，參與了NF-κB和MAPK 訊號通路，驅動促炎基因（例如Ccl2, Ccl3, Ccl5, Csf2, Cxcl1, Cxcl2, Il1b, Il6, Nos2 和 Tnf）和促存活基因（例如Bclx和Cflar，編碼細胞FLICE抑制蛋白[cFLIP]的基因）的表達。
圖 2-外源性凋亡訊號通路（Credit: Cell）
線性泛素鏈裝配複合體（LUBAC，linear ubiquitin chain assembly complex）也是 TANK 結合激酶 1（TBK1）和 IKKε 進入複合體 I 的必要條件。這些激酶透過磷酸化 RIPK1，從而抑制其誘導死亡的激酶活性。TNFR1 訊號啟用的其他激酶，包括 IKK 和 MK2（也稱為 MAPK 啟用的蛋白激酶 2），透過在 RIPK1 的不同位點磷酸化促進細胞存活。RIPK1 的 K63 連線泛素化也似乎抑制了其激酶活性。阻斷 RIPK1 上的這些翻譯後修飾會使 TNFR1 訊號向細胞死亡傾斜。
TNFR1 下游 RIPK1 的啟用如何促進細胞死亡仍在闡明中。RIPK1 的激酶活性對於 TNF 誘導的 NF-κB 或 MAPK 訊號是非必需的，RIPK1 的主要底物似乎是其自身。RIPK1 在死亡結構域介導的激酶二聚化後的自磷酸化使 RIPK1 獲得進入次級細胞質誘導死亡的複合體 II 的資格。RIPK1 從複合體 I 到複合體 II 的轉變由圓柱狀纖維瘤症（cylindromatosis, CYLD）增強，這是一種去泛素化酶，可以移除 M1 或 K63 連線的多聚泛素。CYLD 透過其適配蛋白: 精子生成相關蛋白 2（SPATA2）被招募到複合體 I，後者又與 LUBAC 結合。CYLD 是否能夠接觸其底物似乎還受到泛素結合蛋白 A20（也稱為 TNF alpha 誘導的蛋白 3）和 A20 結合並抑制 NF-κB（ABIN-1）的進一步控制。這些蛋白都被招募進入複合體 I，並可能透過 CYLD 抑制多聚泛素鏈的切割。據此模型，缺乏 ABIN-1 和 A20 的小鼠腸上皮細胞比其 WT 對應物更易於 TNF 誘導的細胞死亡。
使用環己醯胺抑制蛋白質翻譯也可以增強 TNF 誘導的細胞死亡敏感性，但在這種情況下，RIPK1 的激酶活性是非必需的。TRADD 可以獨立於 RIPK1 成核複合體 II。無論是 TRADD 還是 RIPK1 形成複合體 II 的骨架，兩種蛋白都可以與透過死亡結構域相關的 FAS（FADD）結合，這是 caspase-8 的適配蛋白。FADD 中的死亡效應結構域（DED）然後與 caspase-8 酶原體中的兩個 DED 之一相互作用。caspase-8 中的串聯 DED 支援由 caspase-8 及其催化不活躍的同源物 cFLIP 組成的螺旋狀 DED 絲狀體的組裝。
caspase-8 的近鄰誘導的同源二聚體，或者 caspase-8 與長型 cFLIP（cFLIPL）的異源二聚體，自我蛋白水解處理產生完全活躍的 caspase-8。caspase-8 的催化亞基之間的切割允許構象變化，穩定活性位點，但在 caspase-8/cFLIPL 異源二聚體中這一點不那麼關鍵。異源二聚體介導的 caspase-8 同源二聚體的切割可能促進 caspase-8 的啟用，至少在最初階段如此。caspase-8 與 cFLIPL 的比例很重要，因為豐富的 cFLIPL 可以透過限制 DED 寡聚體中合併的 caspase-8 的總量來抑制 caspase-8 的啟用。較短的 cFLIP 異構體（例如人類 cFLIPS 和病毒 FLIP 蛋白）透過擾亂定向 caspase-8 二聚體的螺旋狀 DED 絲狀體來抑制 caspase-8 的啟用。環己醯胺似乎透過減少高度不穩定的 cFLIPL 量來促進 TNF 誘導的凋亡。cFLIPL 丰度的嚴格調控可能是為了促進快速殺死蛋白質翻譯受損的病毒感染細胞而進化的。一些病毒獲得了自己的 cFLIPS 版本，作為阻斷外源性凋亡的手段。其他病原體，包括腸致病性大腸桿菌（EPEC），也獲得了其他阻止死亡受體訊號傳導的手段。例如，EPEC 毒力因子 NleB1 是一種乙醯葡萄糖胺轉移酶，可以修改並停用 DD，包括 TNFR1、TRADD、RIPK1 和 FADD 中的那些。
許多未感染的原代細胞對 TNF 的反應是低水平的 caspase-8 啟用，不會觸發凋亡。現有證據表明，在這種情況下，caspase-8 切割複合體 II 中的 RIPK1 支架，從而在有足夠活躍的 caspase-8 有效切割和啟用 caspase-3 和 -7 之前破壞複合體 II。與此模型一致的是，消除 RIPK1 中 caspase-8 切割位點的雜合突變增強了 TNF 誘導的 caspase-8 啟用和凋亡。XIAP，作為 caspase-3、-7 和 -9 的抑制劑，可能增加了一層保護，防止凋亡的誘導。報道的其他限制複合體 II 的機制包括透過自噬相關蛋白 9A (ATG9A) 將複合體靶向溶酶體，以及透過聚 ADP 核糖聚合酶 tankyrase-1 的多聚 ADP 核糖化和隨後的泛素化而導致的複合體的蛋白酶體降解。
健康細胞中TNFR1對caspase-8的“撓癢”並非徒勞，因為它為當病原體抑制caspase-8時穩定化誘導死亡的複合體II（Complex II）奠定了基礎。如果在複合體II中，活躍的RIPK1未被caspase-8切割，則它可以啟用激酶RIPK3，釋放caspase獨立的混合譜系激酶結構域樣（Mixed Lineage Kinase Domain-Like, MLKL）介導的壞死性死亡（necroptosis，如下所述）。因此，透過皰疹病毒B13R、牛痘病毒CrmA或小分子泛caspase抑制劑對caspase-8的抑制，會使某些細胞對TNF誘導的細胞死亡更加敏感。RIPK1和RIPK3透過它們的RIP同型互作基序（RIP Homotypic Interaction Motifs, RHIMs）相互作用。RHIM驅動的RIPK3寡聚化啟用其激酶活性，導致偽激酶MLKL的磷酸化。MLKL隨後形成寡聚體並轉移到膜上，引發細胞裂解。壞死性死亡作為一種抗病毒防禦機制的重要性，透過發現阻止RIPK3啟用MLKL的病毒MLKL樣假體（decoys）而凸顯出來。已經鑑定出透過干擾RHIM依賴的RIPK3啟用或針對RIPK3進行蛋白酶體降解來阻斷壞死性死亡的病毒和細菌蛋白。
雖然人類RIPK3的功能喪失突變與單純皰疹腦炎（herpes simplex encephalitis）有關，但目前尚不清楚該疾病是否源於病毒感染細胞壞死性死亡受損，因為RIPK3還有壞死性死亡獨立的功能。與RIPK3壞死性死亡獨立作用一致，極少數MLKL缺陷病例未表現出對傳染性病原體的增加敏感性。
在小鼠中，腸上皮細胞或角質細胞中過量的TNFR1驅動細胞死亡是炎症的強勁驅動因素。例如，在LUBAC功能受損的Sharpincpdm突變小鼠中，慢性增生性皮膚炎可透過消除TNFR1、CYLD、FADD、caspase-8或RIPK1的激酶活性而被阻止。由於腸上皮細胞中IKK亞單位NEMO的喪失引起的結腸炎也可透過丟失TNFR1、FADD或RIPK1的激酶活性而被阻止。因此，即使在沒有促炎症NF-κB訊號的情況下，TNFR1誘導的細胞死亡也能驅動炎症。過度的凋亡可能會破壞皮膚或腸道這些屏障，並允許微生物的湧入，進而驅動炎症。
在人類中，TNFR1誘導的細胞死亡被認為是由TBK1或OTULIN缺陷引起的自身炎症綜合徵的重要驅動因素。OTU去泛素化酶具有線性連線特異性（OTULIN, OTU deubiquitinase with linear linkage specificity）透過從泛素連線酶去除M1連結的多聚泛素來保持LUBAC活性。缺乏TBK1或OTULIN的患者細胞在培養中表現出對TNF誘導死亡的高度敏感性，值得注意的是，這些患者接受TNF抑制治療可以緩解疾病。與人類不同，小鼠中Tbk1或Otulin失活突變會導致胚胎死亡。Tbk1缺陷導致胎兒肝臟中由TNFR1和RIPK1激酶活性驅動的細胞死亡，而Otulin失活（或丟失核心LUBAC基因Hoil1或Hoip）引起的胚胎致死部分依賴於TNFR1和活躍的RIPK1。缺乏NEMO的人類中的一些炎症病變對TNF阻斷有反應，鑑於IKK缺陷增強了TNFR1刺激的細胞死亡，它們也可能反映了異常的TNF誘導細胞死亡。
編碼A20的TNFAIP3的半數不足可以引起自身炎症和自身免疫症，有些患者對TNF阻斷有反應。雖然A20缺陷增加了對TNF誘導細胞死亡的敏感性，但完全缺乏A20的小鼠會發展出獨立於TNF或TNFR1訊號的嚴重早發炎症。後一觀察表明，TNF誘導的細胞死亡只是A20負向調控的幾個促炎過程之一。表達低活性A20且具有失活的鋅指7（Zinc Finger 7, ZnF7）泛素結合結構域的小鼠會發展出TNF驅動的關節炎，而在A20中同時突變ZnF4和ZnF7會引發與A20缺陷相關的更嚴重表型。在完全缺乏A20或A20 ZnF4/ZnF7突變小鼠中消除依賴caspase-8的細胞死亡和依賴MLKL的壞死性死亡的影響尚未報道。因此，尚不清楚死亡受體或TRIF依賴的TLRs引發的異常細胞死亡是否是其致死性的主要驅動因素。
TNFR1(腫瘤壞死因子受體1)刺激細胞死亡在沒有通路負調控因子基因突變失活的情況下，其在人類炎症性疾病中的作用尚不明確。儘管如下所述，RIPK1 (受體相互作用蛋白激酶1)抑制劑的臨床試驗可能提供一些見解，但是抑制RIPK1的激酶活性也可能阻止FAS、TRAILR1、TRAILR2、TLR3和TLR4觸發的某些形式的細胞死亡。接受RIPK1抑制劑GSK2982772治療的類風溼關節炎和結腸炎患者在臨床試驗中未顯示出益處（ClinicalTrials.gov 研究: NCT02858492和NCT02903966），但其他RIPK1抑制劑正在皮膚紅斑狼瘡（ClinicalTrials.gov 研究: NCT04781816）和肌萎縮側索硬化症（ClinicalTrials.gov 研究: NCT05237284）的臨床試驗中。
DR3
DR3的表達範圍不如TNFR1廣泛，主要發現於淋巴細胞上，但它似乎與TNFR1以相似方式發出訊號。TL1A (腫瘤壞死因子樣配體1A) 與DR3的結合主要刺激促炎細胞因子和趨化因子的產生，但如cIAP缺乏這類擾動會促進細胞質中誘導訊號複合體的組裝。TL1A抑制劑已被證明對炎症性腸病患者有益，這表明TL1A像TNF一樣，是慢性炎症的重要驅動因子。
FAS和TRAIL受體
FAS、TRAILR1和TRAILR2這些死亡受體也透過兩個連續的複合體發出訊號，但順序與TNFR1和DR3相反。與受體相關的複合體觸發細胞死亡，而第二個細胞質複合體稱為FADDosome（FADD相關複合體），在未能死亡的細胞中可以刺激NF-κB和MAPK訊號通路。FAS或TRAIL受體的DD（死亡結構域）直接與FADD結合以啟用caspase-8。儘管caspase-8可以直接切割並激活caspase-3和-7，但FAS在“第二型”細胞（例如小鼠肝細胞）中誘導的凋亡需要caspase-8介導的促凋亡BH3僅限蛋白BID的蛋白水解啟用，產生tBID。需要啟用內在途徑以克服XIAP介導的caspase-3和-7的抑制。FAS和TRAIL受體像TNFR1一樣，在caspase-8被抑制時可以訊號觸發壞死性凋亡，這種細胞死亡依賴於RIPK1的激酶活性。RIPK1被FADD招募至受體複合體，隨後與RIPK3結合促進壞死性凋亡。
FADDosome的組裝需要FADD和caspase-8，但不需要caspase-8的催化活性。FADDosome似乎包含了TNFR1複合體I的許多組分，包括TRADD、cIAP1/2、RIPK1、TRAF2、IKK、TAK1和A20。對於抵抗TRAIL誘導細胞死亡的腫瘤細胞，FADDosome調控的基因表達已被提出可調節抗腫瘤免疫細胞反應。
FASL和TNF是細胞毒性T細胞用來殺死其靶細胞的武器，除了穿孔素和顆粒酶。過度的TNFR1驅動細胞死亡和過度的FAS或TRAILR觸發的細胞死亡都可能導致組織損傷和炎症。FASL還透過殺死不再需要的淋巴細胞來維持淋巴穩態。FASL或FAS功能受損的小鼠和人類會發展成自身免疫性淋巴增生綜合徵（ALPS），一種通常稀有的、非傳統B和T細胞異常累積的疾病。FADD或caspase-8酶活性的缺失（阻止所有外源性凋亡）對小鼠和人類的影響不同。無法啟用caspase-8的小鼠會因未受控的TNFR1-、RIPK1-、RIPK3-和MLKL依賴的壞死性凋亡而在胚胎期死亡。相比之下，缺乏FADD或caspase-8的人類可能表現出ALPS、反覆感染和早發性炎症性腸病。是否壞死性凋亡驅動了人類疾病尚不清楚。受損的caspase-8切割RIPK1必須促進炎症，因為雜合性RIPK1突變破壞了caspase-8切割位點，導致週期性發熱綜合徵。NEDD4結合蛋白1（N4BP1）的切割和失活可能導致FADD或caspase-8缺陷患者的先天免疫受損。在人和小鼠的骨髓細胞中，N4BP1透過僅透過髓樣分化基因88（MyD88）介面卡訊號的TLRs抑制細胞因子和趨化因子的產生。N4BP1是一種泛素結合核心糖核酸酶，但它如何精確地限制細胞因子和趨化因子反應還需進一步研究。
TLR3、TLR4和ZBP1
TLR3和TLR4都利用含RHIM（RIP同源相互作用基序）的適配蛋白Toll/IL-1受體域含有誘導干擾素-β的適配蛋白（TRIF）來與RIPK1和RIPK3結合（圖3A）。反過來，RIPK1可能招募TRADD-TRAF2-cIAP1/2和FADD-caspase-8，最終導致NF-κB和MAPK啟用以及caspase-8依賴的N4BP1切割。已顯示阻斷LUBAC或同時阻斷cIAP1和cIAP2可使TLR3訊號轉向強烈的caspase-8啟用和細胞死亡。如果caspase-8被抑制，那麼TLR3和TLR4都可以刺激壞死性凋亡。抑制RIPK1可阻止巨噬細胞中TLR3或TLR4誘導的壞死性凋亡，這表明RIPK1的激酶活性通常是TRIF依賴性壞死性凋亡所必需的。然而，小鼠的遺傳研究表明，即使在RIPK1缺失的情況下，TRIF或ZBP1也可以啟用壞死性凋亡。實際上，小鼠RIPK1似乎利用其RHIM來抑制TRIF或ZBP1誘導的壞死性凋亡，因為RIPK1 RHIM突變小鼠中的炎症和圍產期死亡可以透過失去MLKL或同時失去TRIF和ZBP1來預防。與RIPK1阻止TRIF從事細胞死亡機械相一致，缺乏RIPK1的原代人成纖維細胞對LPS或TLR3激動劑poly(I:C)誘導的細胞死亡更為敏感。總體而言，這些資料表明RIPK1的啟用可能緩解其RHIM依賴性但又不甚明瞭的TRIF或ZBP1訊號抑制。
圖3-TLR3和ZBP1的細胞死亡訊號（Credit: Cell）
RIPK1支架也抑制caspase-8驅動的細胞死亡，因為Ripk1缺失的小鼠在圍產期死亡，除非消除caspase-8和MLKL依賴的死亡程式。相比之下，RIPK1的激酶活性對小鼠的存活來說是可有可無的。RIPK1似乎至少部分限制凋亡，是透過阻止TRADD-FADD-caspase-8訊號複合體的組裝。考慮到RIPK1和TRADD似乎並行作用並且繫結相同的DD蛋白，RIPK1的缺失可能允許更多TRADD進入訊號複合體，同時伴隨著NF-κB和MAPK訊號受損和cFLIPL表達減少。RIPK1缺失的原代人成纖維細胞也增強了TNF誘導的細胞死亡。儘管RIPK1的缺失在小鼠中是致命的，但缺乏RIPK1的人類主要表現為免疫細胞功能障礙，導致淋巴細胞減少、感染、關節炎和早發性炎症性腸病。小鼠與人類對RIPK1的更廣泛需求可能反映了物種特異性差異，例如RIPK1的表達模式或其他通路組分的差異。
ZBP1具有兩個Zα結構域用於識別Z型核酸和一個RHIM與RIPK3結合。ZBP1-RIPK3相互作用可以透過MLKL觸發壞死性凋亡或透過RIPK1、FADD和caspase-8觸發凋亡（圖3B）。RIPK1的激酶活性對這種細胞死亡來說是非必需的。製造Z-RNA的病毒包括鉅細胞病毒、流感A病毒、單純皰疹病毒1和牛痘病毒。鉅細胞病毒透過產生caspase-8和RHIM-RHIM相互作用的抑制劑來逃避細胞死亡，而牛痘病毒則產生caspase抑制劑和一個Zα結構域蛋白，用以遮蔽病毒Z-RNA免受ZBP1的檢測。內源性逆轉錄病毒元件產生的Z型核酸在過度的ZBP1依賴性細胞死亡導致皮膚或腸道炎症的小鼠模型中被暗示。
有趣的是，ZBP1訊號的輸出不僅限於細胞死亡。ZBP1還可以獨立於RIPK3、RIPK1 RHIM或細胞死亡，促進干擾素刺激基因（ISGs）的表達。解開這一訊號通路將是重要的，因為ZBP1對由Adar1突變導致的ISG驅動病理有所貢獻。人類ADAR1突變引起的重症特徵是ISG表達增加，包括艾卡蒂-古蒂耶症候群（Aicardi-Goutieres syndrome）。特異性腺苷脫氨酶RNA（ADAR1）具有Zα結構域，似乎繫結並編輯會否則啟用ZBP1的Z-RNAs。鑑於ZBP1誘導的壞死性凋亡和ISG表達的促炎性質，其他人提出利用ZBP1激動劑來增強癌症免疫療法。
焦亡(Pyroptosis)
焦亡是指由細胞質膜上的gasdermin孔洞引起的細胞死亡。焦亡作為一種獨特的細胞死亡程式，起源於對感染沙門氏菌的巨噬細胞的研究。這種感染巨噬細胞的死亡依賴於caspase-1，這是一種蛋白酶，可以蛋白水解成熟IL-18和內源性發熱原IL-1β。後續研究揭示，在人類中，caspase-1、-4和-5，以及在小鼠中，caspase-1和-11，都可以透過切割gasdermin D（GSDMD）引起焦亡。GSDMD的N端切割片段透過寡聚化並在膜上形成孔洞，促進細胞裂解。GSDMD在細胞膜上的孔洞會破壞離子梯度，並導致水分的大量湧入，最終引發依賴於ninjurin 1（NINJ1）的細胞質膜破裂（PMR）以及大量促炎DAMPs的釋放。然而，包括IL-1β在內的小型DAMPs可以透過GSDMD孔洞離開細胞。在某些情況下，細胞膜修復機制可能限制GSDMD孔洞的形成。GSDMD孔洞是否能在不觸發焦亡的情況下釋放IL-1β仍未解決。
炎症小體(Inflammasomes)
Caspase-1在細胞質複合體中形成活性二聚體，這些複合體被稱為炎症小體（圖4）。炎症小體的組裝由感應特定DAMPs或PAMPs的蛋白質觸發，然後形成寡聚骨架。一些“感應器”蛋白質直接與DAMPs或PAMPs結合，而其他蛋白質則檢測DAMPs或PAMPs在細胞內引起的擾動。前者包括absent in melanoma 2（AIM2），它與病毒或細菌的雙鏈DNA結合，以及NLR家族凋亡抑制蛋白（NAIPs），它們與細菌的鞭毛、針和內杆蛋白結合。NLR家族含有pyrin結構域的1（NLRP1）和caspase啟用和招募結構域8（CARD8）能夠感知某些感染，因為它們各自具有一個抑制結構域，可以被細菌或病毒酶修飾並靶向蛋白酶體降解。這種抑制結構域的去除促進了炎症小體的組裝。
圖4-炎症小體誘導的GSDMD依賴性焦亡（Credit: Cell）
識別PAMPs或DAMPs的炎症小體感應器包括PYRIN和NLRP3。PYRIN能夠感知修改和失活Rho GTP酶的細菌毒素，PYRIN的去磷酸化和微管聚合在炎症小體組裝中發揮作用。NLRP3對多種刺激物作出反應，包括細菌毒素nigericin、胞外ATP和與痛風相關的尿酸晶體。細胞內鉀離子流出被認為是驅動NEK7依賴性NLRP3寡聚化的統一事件，但這一過程的機制細節仍然不清楚。NLRP3在無菌炎症的背景下啟用促使了小分子NLRP3抑制劑的開發。NLRP3抑制劑的臨床試驗集中在自身炎症性疾病上，包括骨關節炎、神經炎症以及COVID-19。PYRIN、NLRP1和NLRP3-NIMA相關激酶7（NEK7）炎症小體都包含了caspase-1適配蛋白含有CARD的凋亡相關斑點狀蛋白（ASC），它有一個CARD與caspase-1中的CARD結合。NAIP和CARD8炎症小體不需要ASC，因為NAIP相互作用蛋白NLR家族含有CARD的4（NLRC4）中的CARD或CARD8本身可以與caspase-1結合。
caspase-4或-5（齧齒動物caspase-11的人類對應物）中的CARD直接與細菌LPS的細胞質寡聚體結合。這種結合不需要表面表達的LPS受體TLR4。這些非典型炎症小體複合物產生活性的caspase二聚體，觸發GSDMD依賴性焦亡。焦亡細胞還釋放成熟的IL-1β，因為GSDMD切割引起的擾動啟用NLRP3炎症小體和caspase-1。
GSDMD依賴性焦亡在病原體防禦和炎症性疾病中的作用
小鼠的遺傳研究表明，GSDMD依賴性焦亡是限制沙門氏菌等細胞內病原體生長的重要機制。其他細胞內細菌透過使用抑制焦亡的毒力因子來保護其複製生態位。志賀氏菌有兩個效應器武器來阻止焦亡，caspase-4和-11的抑制劑OspC3和泛素連線酶IpaH7.8。後者透過將人類GSDMD和GSDMB（下文將描述）靶向蛋白酶體降解來抑制焦亡。
焦亡的促炎性質有助於抗擊病原體，因為包括中性粒細胞在內的免疫細胞被招募到感染部位。但是，由於通路失調導致的過度焦亡會引起疾病。人類NLRP1、NLRP3、NLRC4和MEFV（編碼PYRIN）的生殖系啟用突變破壞了正常的炎症小體調節，並引起一系列自身炎症性疾病。這些疾病的患者通常對IL-1β阻斷反應良好，異常的IL-1β產生可能反映了焦亡的增強。與這一觀點一致的是，Gsdmd的缺失阻止了表達疾病相關PYRIN或NLRP3突變體的基因敲入小鼠中炎症性病變和活性IL-1β水平的升高。值得注意的是，在體外培養細胞中，Gsdmd缺失延緩而不是阻止了經典炎症小體啟用後的細胞死亡和IL-1β釋放。細胞死亡仍然發生，因為caspase-1還可以透過蛋白水解啟用caspase-3和-7來觸發較慢的凋亡過程。因此，體內的細胞死亡型別很重要。可以推測，在Mefv或Nlrp3基因敲入突變小鼠中，Gsdmd缺陷細胞透過凋亡死亡可能有益，因為在繼發膜損傷釋放由caspase-1產生的促炎、成熟形式的IL-1β之前，它們被吞噬細胞清除。
Gsdmd缺失還改善了小鼠敗血症模型中的疾病。caspase-1、IL-1β和IL-18對小鼠LPS誘導的敗血性休克是可有可無的，而caspase-11依賴性焦亡在內皮細胞中似乎驅動血管洩漏和低血壓。透過內皮GSDMD孔洞的Ca2+流入可能促進微血管中致命的凝血和血塊形成。總體來看，這些研究表明GSDMD抑制劑在暴發性炎症環境中可能提供治療益處。有趣的是，最近的研究報告稱，外源性新增的拮抗性GSDMD奈米體能夠抑制體外細胞中的GSDMD依賴性焦亡。據稱，GSDMD奈米體透過最初的GSDMD孔洞進入細胞，然後抑制進一步孔洞的形成。最初的GSDMD孔洞被認為是短暫的，並且透過膜修復機制從質膜中移除。這些發現表明GSDMD是可藥用的，但這些奈米體是否能在體內抑制GSDMD尚不清楚。由於奈米體只能結合人類GSDMD，因此無法在臨床前小鼠模型中評估其療效。
除了半caspase-1、-4、-5和-11，還有其他蛋白酶也能切割並激活GSDMD（Gasdermin D）。由caspase-8切割GSDMD引起的細胞焦亡在應對耶爾森菌感染的宿主反應中扮演了重要角色。中性粒細胞彈力酶也被證實能夠切割並激活GSDMD。相比之下，據報道caspase-3透過在N端形成孔的域內切割來使GSDMD失活。
更廣泛的氣道上皮細胞死亡蛋白家族
人類有六種氣道上皮細胞死亡蛋白家族成員（GSDMA, GSDMB, GSDMC, GSDMD, GSDME, 和 GSDMF），而小鼠缺少Gsdmb，但有三種Gsdma基因（Gsdma1, Gsdma2, 和 Gsdma3），四種Gsdmc基因（Gsdmc1, Gsdmc2, Gsdmc3, 和 Gsdmc4），以及Gsdmd, Gsdme, 和 Gsdmf。除了GSDMF，每種氣道上皮細胞死亡蛋白都有一個在N端的保守形成孔的域，被C端控制著。不同的蛋白酶切割不同的氣道上皮細胞死亡蛋白以釋放形成孔的域，這些域隨後可以與細胞膜、細胞器膜或細菌的外膜結合。缺乏Gsdma1（或Gsdma1-3）、Gsdmc1-4、或Gsdme的小鼠比野生型對照組對某些細菌或蠕蟲感染更易感，這表明許多氣道上皮細胞死亡蛋白有助於宿主對病原體的防禦。
在培養細胞中，caspase-3對GSDME的蛋白水解啟用被報告可以引起細胞焦亡或凋亡後的次級膜損傷。後者的生理意義不太確定，因為在體內吞噬細胞通常會迅速清除凋亡細胞。無論如何，GSDME已被證實在小鼠中介導化療藥物引起的組織損傷或感染腸道病毒71型。
由細胞毒性淋巴細胞釋放的Granzyme B可以切割並激活caspase-3來切割GSDME，但它也可以直接在靶向腫瘤細胞中切割GSDME。在各種腫瘤細胞中，GSDME的表觀遺傳沉默或突變失活暗示了GSDME在抑制腫瘤中的作用。因此，進行實驗以檢視Gsdme缺陷是否增強小鼠自發性腫瘤模型中的腫瘤發生將是有啟發性的。已有報告稱，嵌合抗原受體T細胞引起的GSDME驅動的腫瘤細胞裂解在小鼠中觸發細胞因子釋放綜合徵。
GSDMA主要在上皮細胞中表達。它似乎直接作為病原體感測器，透過鏈球菌致熱外毒素B（SpeB）的蛋白水解切割後誘導細胞焦亡。GSDMB可以被細胞毒性淋巴細胞釋放的Granzyme A切割並激活，Granzyme A是另一種效應蛋白酶。值得注意的是，已在不同細胞型別中描述了多種GSDMB剪接變體，其中一些編碼無功能的GSDMB蛋白，這些蛋白不能誘導細胞焦亡。哪些亞型最具生理相關性尚不清楚，這使得解釋將GSDMB的單核苷酸多型性與哮喘、克羅恩病和相關聯的全基因組關聯研究變得複雜。較少研究的GSDMC可能透過從杯狀細胞和潘氏細胞釋放IL-33在小鼠中介導抗蠕蟲防禦。
NINJ1依賴的質膜修復（PMR）
由NINJ1介導的PMR負責焦亡細胞的破裂，NINJ1是一種表達在細胞表面的跨膜（TM）蛋白。消除NINJ1並不會阻止細胞死亡，但會阻礙大型細胞內分子（如乳酸脫氫酶（LDH），PMR的標準標記物，和HMGB1）的釋放。在培養中誘導焦亡的Ninj1缺陷細胞因其持續膨脹的形態而顯著。認為從死亡細胞中排出的大型DAMPs（損傷相關分子模式）可“警告”免疫細胞，因為缺乏Ninj1的小鼠比野生型對照組更易感染腸桿菌屬鼠傷寒桿菌或偽結核耶爾森菌。
在活細胞中，NINJ1似乎是單體或二聚體，但在焦亡細胞中則是寡聚體。純化的NINJ1形成的纖維在一個表面上是疏水的，而另一個表面上是親水的，這表明NINJ1透過封頂膜邊緣245或形成類似奈米盤的環，從而撕裂膜的部分。目前尚不清楚什麼觸發了垂死細胞中NINJ1的寡聚化。一種可能性是NINJ1感知到隨著細胞膨脹而發生的膜張力或脂質排列的變化。
在培養中，NINJ1也介導凋亡細胞的次級PMR。凋亡細胞最終會膨脹，因為ATP水平下降和Na+/K+ ATPase泵功能失常。caspase-3對GSDME的切割和GSDME孔的形成可能會透過滲透壓加速膨脹。有趣的是，NINJ1對經歷壞死或鐵死亡的細胞的PMR是可有可無的。NINJ1依賴的DAMP釋放是否加劇炎症和疾病嚴重程度，是一個活躍的研究領域。
細胞死亡的靈活途徑
有越來越多的證據表明哺乳動物細胞在程式設計性細胞死亡途徑中的靈活使用。例如，巨噬細胞中的炎症小體可以啟用caspase-1或-8，焦亡通常因為其更快的動力學而佔優勢。在小鼠中的遺傳實驗揭示了當通常占主導地位的死亡途徑受阻時，細胞死亡的意外途徑。例如，在小鼠中表達蛋白水解失活的caspase-8會激發致命的壞死，但如果消除MLKL以防止壞死，那麼ASC和caspase-1訊號傳導則有助於致死性。在另一個例子中，FADD缺陷的小鼠腸上皮細胞的迴腸炎是由壞死或GSDMD依賴的焦亡驅動的。最後，壞死可以觸發細胞內NLRP3炎症小體的啟用，導致caspase-1的啟用和活化IL-1β的釋放。假設NLRP3在垂死細胞內檢測到某種形式的細胞擾動。儘管NLRP3和caspase-1不是這些細胞死亡所必需的，但它們仍然透過允許垂死細胞釋放成熟的IL-1β，從而為死亡的炎症性質做出貢獻。
鐵死亡
鐵死亡指的是細胞積累致命水平的依賴鐵的磷脂過氧化物，從而導致非凋亡性死亡。經歷鐵死亡的細胞會破裂，但磷脂過氧化物如何破壞質膜的完整性尚不清楚。合成易氧化膜脂的代謝酶（例如，長鏈醯基輔酶A合成酶家族成員4 [ASCL4] 和溶血磷脂醯膽鹼醯基轉移酶3 [LPCAT3]）和氧化膜脂的鐵依賴酶（例如，花生四烯酸脂氧酶）賦予細胞對鐵死亡的易感性（圖5）。常用的鐵死亡誘導劑包括小分子erastin和RSL3，它們透過干擾限制膜脂過氧化物的機制發揮作用。RSL3抑制谷胱甘肽過氧化物酶4（GPX4），這是一種利用谷胱甘肽將還原為無毒的脂質醇的脂質過氧化物酶。Erastin透過抑制進口半胱氨酸和使半胱氨酸可用於谷胱甘肽合成的xc−系統來耗盡細胞內谷胱甘肽。抑制其他自由基清除代謝物的產生，包括輔酶Q10（CoQ10）和四氫生物蝶呤（BH4），也可以使細胞對鐵死亡更加敏感。增加遊離鐵的丰度是使細胞準備好鐵死亡的另一種方式。
圖5-細胞組分決定對鐵死亡的敏感性（Credit: Cell）
鐵死亡已被暗示與許多疾病有關，但在基因層面上測試其在臨床前疾病模型中的因果關係很困難，因為鐵死亡的媒介物在正常細胞代謝中也扮演著關鍵角色。檢測鐵死亡是另一個挑戰，因為沒有一個獨特的標記物能夠區分這種細胞死亡形式。必須觀察到脂質過氧化，並評估一系列標記物以排除其他形式的細胞應激。儘管如此，一個活躍的研究領域是探索是否可以透過誘導鐵死亡選擇性地消除癌細胞。例如，一些腫瘤細胞可能比正常細胞更依賴半胱氨酸的攝入。
結論和未來方向
細胞死亡對於多細胞生物的存活和適應性是必需的，但必須嚴格調節以防止疾病。對細胞死亡訊號機制的全面理解揭示了在疾病中抵制異常細胞死亡的機會。就內在凋亡途徑而言，成功的故事是BCL-2抑制劑Venetoclax的開發，用於治療某些血液系統惡性疾病。基於在臨床前炎症性疾病模型中遺傳消除這些途徑的益處，抑制促炎細胞死亡程式的抑制劑的識別是一項較新的努力。焦亡的效應器，如NLRP3和GSDMD，以及作為外源性凋亡和壞死途徑的介質的RIPK1，是感興趣的靶點。這些努力的關鍵是知道不同細胞死亡途徑在人類疾病中何時何地被啟用。各種形式的細胞死亡的分子標記已被定義，例如，壞死途徑的磷酸化RIPK3或磷酸化MLKL，以及炎症小體誘導的焦亡的切割GSDMD，但它們在組織中的存在可能是短暫的，因為噬菌細胞會迅速清除死亡細胞。因此，即使在遺傳學告訴我們途徑處於活躍狀態的臨床前模型中，檢測途徑啟用標記也可能具有挑戰性。
真正重要的是，阻斷一個死亡途徑是否會在臨床上帶來好處。如果焦亡是驅動敗血症中失控炎症的引擎，那麼針對GSDMD等焦亡的特異性抑制劑應該是有效的。這樣的治療的前景值得進一步調查。類似地，BCL-2抑制劑在臨床上的巨大成功激勵了開發針對常在固態惡性腫瘤中過度表達的MCL-1和BCL-XL的抑制劑。將這些抑制劑靶向癌細胞將至關重要，以避免對正常健康細胞的靶向毒性，但正在取得進展。例如，與針對腫瘤抗原CD276的特異性抗體結合的BCL-XL抑制劑似乎在保留抗腫瘤活性的同時引起的血小板減少症較少。希望過去50年在細胞死亡研究中取得的進展將繼續轉化為有意義的救命療法。
感謝您能耐心讀完
https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.11.044
責編|探索君
排版|探索君
End
圍觀
Nature | 自身免疫性疾病能被治癒嗎？科學家們終於看到了希望
Nature | 慢性壓力如何傷害腸道？新線索浮出水面
