① 细胞死亡途径和相关的形态学和生化标志特征
细胞死亡的途径包括：细胞凋亡（Apoptosis）、坏死性凋亡（Necroptosis）、自噬（Autophagy）、铁死亡（Ferroptosis）、细胞焦亡（Pyroptosis）、坏死（Necrosis），细胞死亡途径与不同的形态学和生化特征相关（表1）。本文重点帮助大家梳理了所有的细胞死亡形式及分子水平的变化。注：文中的发文趋势统计及关联基因分析来自于citexs赛特新思文献计量学在线分析https://www.citexs.com/Summary表1
② 细胞凋亡（Apoptosis）
细胞凋亡可由两种不同的途径触发：内源性的线粒体途径（也称为线粒体或BCL-2 调节）和外源性的死亡受体途径。内源性途径受 BCL-2 蛋白家族的促凋亡和抗凋亡成员调节。图1：2013-01至2023-03 apoptosis相关文献的年度发文趋势图2：2013-01至2023-03 apoptosis关联基因分析
在健康细胞中，抗凋亡蛋白 BCL-2、BCL-XL、MCL-1、BCL-W 和 A1/BFL1通过抑制细胞死亡的基本效应因子BAX 和 BAK 来保护细胞存活 。当细胞处于应激状态时（例如生长因子剥夺、DNA损伤、内质网应激），细胞凋亡的关键启动子BH3-only 蛋白（BIM、PUMA、BID、BMF、BAD、HRK、BIK、NOXA）被转录或转录后上调。 BH3-only 蛋白以高亲和力结合抗凋亡 BCL-2蛋白，从而释放 BAX 和 BAK。据报道，一些 BH3-only 蛋白也可以直接激活 BAX和BAK 。激活后，BAX 和 BAK 形成寡聚体，导致线粒体外膜通透性增加，随后线粒体释放细胞色素 C和 Smac/DIABLO 等凋亡因子。这些凋亡因子促进 caspase 级联的激活，导致数百种蛋白质的裂解，从而导致细胞的破坏。死亡受体途径是通过肿瘤坏死因子受体 (TNFR) 超家族成员的连接激活的，这些成员通过各自的配体（例如FAS 配体激活的FAS）。这促进了细胞内死亡诱导信号复合物的形成，导致 caspase-8 的激活和凋亡蛋白（图3）。图3：细胞凋亡和坏死性凋亡的分子通路 DOI: 10.1038/s41418-021-00814-y
③ 坏死性凋亡（Necroptosis）
细胞坏死性凋亡是 PCD 的一种溶解形式，可驱动炎症。坏死性凋亡是一种由RIP1和RIP3介导的程序性细胞死亡，其特征是胞浆内容物大量渗漏和细胞器肿胀。图4：2013-01至2023-03 Necroptosis相关文献的年度发文趋势图5：2013-01至2023-03 Necroptosis关联基因分析
当RIPK1没有泛素化， caspase-8 的活性被药物或病毒抑制剂阻断时，肿瘤坏死因子受体1（TNFR1）、TLR 和某些其他受体的刺激可诱导坏死性凋亡。这个过程涉及受体相互作用的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶1(RIPK1)，它由自身磷酸化激活。这使 RIPK1 能够在称为坏死体的细胞质高分子量复合物中激活激酶 RIPK3。 RIPK3然后磷酸化并因此激活假激酶MLKL，MLKL 是导致质膜裂解的坏死性凋亡的末端效应物。这些变化允许MLKL转移并破坏质膜的完整性。由此产生的水和钠(Na+)的流入，以及钾(K+)的流出，导致细胞肿胀，膜电位中断，最终细胞裂解。这有助于释放损伤相关分子模式 (DAMP)，在受感染细胞的情况下，还会释放病原体相关分子模式(PAMP) ，从而引发炎症反应（图6）。在癌症中，有相互矛盾的报道声称坏死性凋亡可以促进或抑制肿瘤生长，这可能取决于癌症的类型或坏死性凋亡是发生在恶性细胞还是肿瘤微环境的细胞中。在头颈部鳞状细胞癌中，与健康组.织相比，RIPK1表达下调，而在肺癌患者和肺癌小鼠模型中，RIPK1表达在肿瘤组.织中显著升高。在一项针对GBM患者的研究中，约 30% 的肿瘤表现出高水平的RIPK1 表达 ，这与不良预后相关。图6： 坏死细胞死亡的分子机制 DOI: 10.1016/j.jmb.2021.167378
④ 与自噬相关的细胞死亡（Cell death associated with autophagy）
自噬是一种高度保守的降解大分子结构甚至整个器官的过程，在细胞和组.织稳态中起着关键作用。这个过程对于调节蛋白质和整个细胞器的细胞质更新很重要。营养剥夺、氧化应激和蛋白质聚集等刺激可以增强细胞自噬。自噬可分为三种亚型：巨自噬（macro-autophagy）、微自噬（micro-autophagy）和分子伴侣介导的自噬（chaperone-mediated autophagy）（图7）；这些过程中的每一个都是不同的，不过，它们都聚集在溶酶体上以进行货物降解和细胞内内容物的回收。尽管自噬通常用于促进细胞存活，但在某些情况下，例如果蝇发育过程中唾液腺的退化，自噬与细胞杀伤有关。神经退行性疾病的标志包括蛋白质聚集体和泛素化包涵体的积累，它们被认为与这些疾病的病因有关。异常自噬是多种神经系统疾病的特征。在ALS中，突变自噬相关基因，包括SQSTM1、OPTN、TBK1、VCP和C9ORF72，与该疾病的家族形式有关。据报道，自噬体在ALS患者脊髓神经元细胞质中的积累，以及SOD1突变转基因小鼠中自噬体形成的增加。图7：三种不同的自噬途径A. 巨自噬；B. 微自噬；C. 伴侣介导的自噬 DOI:10.1016/j.cell.2021.03.048图8：2013-01至2023-03 Cell death 和 autophagy相关文献的年度发文趋势图9：2013-01至2023-03 Cell death 和 autophagy关联基因分析
⑤ 细胞铁死亡（Ferroptosis）
Ferroptosis于2012年首次提出，是指铁依赖性坏死PCD 的一种形式。铁死亡的最终效应是以压倒性的脂质过氧化导致完全细胞衰竭。尽管铁死亡表现出许多以前通常称为氧化应激诱导的细胞死亡的特征，但有许多方面可以将其区分为一种独特的细胞死亡形式。例如，铁死亡在形态和功能上都不同于“一般”氧化应激，例如过氧化氢诱导的坏死。已经确定了铁死亡的许多分子成分，包括产生易受过氧化影响的膜脂的ACSL4和LPCAT3 ，以及向细胞提供半胱氨酸所需的谷氨酸?胱氨酸反转运体系统 xCT。图10：2013-01至2023-03 ferroptosis相关文献的年度发文趋势图11：2013-01至2023-03 ferroptosis关联基因分析
（1）System Xc-/GpX4途径，即胱氨酸（Cystine）经嵌于细胞膜表面的SLC7A11和SLC3A2二聚体（System Xc-）进入细胞，然后被氧化成半胱氨酸（Cysteine），然后经谷氨酸-半胱氨酸连接酶(GCL)和谷胱甘肽合成酶(GSS)催化合成谷胱甘肽(GSH)。谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）利用GSH能够将脂质过氧化的过氧键（L-OOH）转变为羟基（L-OH），失去其过氧化物的活性。此过程起到抵制细胞“铁死亡”的作用。
（2）脂代谢途径：多不饱和脂肪酸（PUFA），经脂酰辅酶A合成酶长链家族成员4(ACSL4)和溶血磷脂酰胆碱酰基转移酶3(LPCAT3)将PUFA与磷脂酰乙醇胺（PE）结合形成多不饱和脂肪酸的磷脂（PUFA-PE），后者易受脂氧合酶（LOX）介导的自由基引发的氧化的影响，诱发铁死亡。
（3）铁代谢途径（iron metabolic），即Fe3+经转铁蛋白（TF, transferrin）及转铁蛋白受体（TFR1）摄取，被STEAP3还原为Fe2+，后经DMT1、铁代谢调节因子锌铁调控蛋白家族中的两种蛋白（ZIP8/14）转运进入胞质不稳定铁池（labile iron pool，LIP）。多余部分Fe2+则由膜铁转运蛋白（ferroportin，FPN）转出细胞。然而，在过量Fe2+存在的情况下，可通过芬顿途径增加活性氧生成，促进过氧化脂质形成，从而诱发细胞铁死亡。
防止脂质过氧化的关键是内源性机制，包括谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）和铁死亡抑制蛋白1（AIFM2） ，它们分别使用谷胱甘肽和泛醌作为还原底物，以及由 GTP 环水解酶合成的四氢生物蝶呤-1 。Ferroptosis诱导剂包括 GPX4 抑制剂（RSL3、ML210、ML162、FIN56、FINO2）、谷胱甘肽合成的破坏（丁硫氨酸亚砜亚胺）、通过抑制系统 xCT 破坏半胱氨酸供应（erastin、索拉非尼、柳氮磺胺吡啶、谷氨酸盐） , 铁和铁干扰刺激。铁死亡的内源性抑制剂包括谷胱甘肽、泛醌、维生素E 和硒。外源性铁死亡抑制剂包括自由基捕获抗氧化剂 (RTAs; ferrostatin-1, liproxstatin-1)、脂氧合酶的抑制（在没有RTA 活性）和铁螯合剂（去铁胺、去铁酮）。RTA 的选择性和效力说明了脂质过氧化在铁死亡中的作用。很难确定铁死亡在疾病环境中作用的具体证据。几乎所有神经退行性疾病似乎都表现出脂质过氧化作用。同样，铁稳态失调和谷胱甘肽减少也是神经变性的常见特征。也许最好的证据来自铁死亡抑制剂在疾病动物模型和最终人与体临床试验中提供的保护。据报道，典型的RTAferroptosis 抑制剂 liproxstatin?1 和 ferrostatin?1 在中风小鼠模型、 PD 和 HD 切片培养试验中表现出疗效。维生素E可防止条件性神经元 Gpx4 敲除小鼠的神经元快速死亡，而GPX4的过度表达可防止大鼠发生脑出血。图12：铁死亡和细胞焦亡的分子通路 DOI: 10.1038/s41419-020-2298-2
⑥ 细胞焦亡（Pyroptosis）
细胞焦亡（pyroptosis）是一种最近发现的细胞程序性死亡方式，表现为细胞不断胀大直至细胞膜破裂，导致细胞内容物的释放进而激活强烈的炎症反应。细胞焦亡是机体重要天然免疫反应，在拮抗感染和内源危险信号中发挥重要作用。相比于细胞凋亡（apoptosis），细胞焦亡发生的更快，并会伴随大量促炎症因子的释放。图13：2013-01至2023-03 pyroptosis相关文献的年度发文趋势图14：2013-01至2023-03 pyroptosis关联基因分析
细胞焦亡是PCD的一种炎症形式，涉及炎性体激活caspase-1。Caspase-1蛋白水解将pro-IL-1β和pro-IL-18分别加工成成熟的炎性细胞因子IL-1β和IL-18。Gasdermin D (GSDMD) 是细胞焦亡的关键执行者。Caspase-1切割 GSDMD，其N 末端片段组装成质膜孔。这是释放具有生物活性的 IL-1β和IL-18 以及其他细胞内容物和杀死细胞所必需的。从历史上看，细胞焦亡通常被认为是一种单核细胞特异性细胞凋亡形式，因为它表现出质膜起泡形态。然而，最近 GSDMD 及其成孔活性的发现将细胞焦亡重新定义为细胞死亡的一种坏死形式。细胞焦亡可以响应生理或病理损伤而被激活，这会导致炎症小体的激活，例如NLRP3炎症小体，其中招募了衔接子ASC，从而导致 caspase-1的激活。 Caspase-1蛋白水解将pro-IL-1β 和 pro-IL-18 加工成这些细胞因子的生物活性形式。Caspase-1 也可以切割 GSDMD，GSDMD 的 N 端片段被募集到质膜上，导致孔形成、细胞肿胀和质膜破裂。 图15：铁死亡和细胞焦亡的分子通路 DOI: 10.1038/s41418-021-00814-y
⑥ 坏死（Necrosis）：不受控制的细胞死亡
坏死通常被认为是一种未编程和不受调节的细胞死亡过程，其特征是细胞肿胀、膜完整性丧失、细胞内内容物（DAMPs和PAMPs）“溢出”到细胞外环境和离子梯度消散。坏死可能由于来自细胞外的强烈刺激而发生，例如缺氧、冷冻或燃烧、某些病原体、物理化学应激（例如H2O2）、缺血再灌注和钙过载。坏死的早期事件包括细胞内Ca2+浓度增加和活性氧物质的产生最终导致不可逆细胞损伤的事件。图16：2013-01至2023-03 necrosis相关文献的年度发文趋势图17：2013-01至2023-03 necrosis关联基因分析
然而，与necroptosis不同，坏死缺乏明确的核心细胞信号机制，但 Ninj1 最近被确定为对质膜破裂至关重要。值得注意的是，Ninj1 对于坏死性凋亡、细胞焦亡和继发性坏死期间发生的质膜最终破裂也很重要，这些继发性坏死是在经历凋亡的细胞未被邻近的吞噬细胞吞噬时看到的。在许多病理条件下都观察到坏死，包括心肌梗塞、中风、几种神经退行性疾病和某些癌症，其中坏死的恶性细胞释放的因子可能会影响肿瘤微环境。注：文中的发文趋势统计及关联基因分析来自于citexs赛特新思文献计量学在线分析关联基因分析
参考文献：
1.Molecular mechanisms of cell death in neurological diseases；10.1038/s41418-021-00814-y
2.Molecular mechanisms of cell death: recommendations of the Nomenclature Committee on Cell Death 2018；10.1038/s41418-017-0012-4
3.Ferroptosis: past, present and future ；10.1038/s41419-020-2298-2
4.Apoptosis, Pyroptosis, and Necroptosis-Oh My! The Many Ways a Cell Can Die ；10.1016/j.jmb.2021.167378
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