許雲(yún) 何媛
傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為,細(xì)胞死亡有2種形式:細(xì)胞壞死和細(xì)胞凋亡。細(xì)胞死亡是生命的基本過程,對(duì)多細(xì)胞生物的發(fā)育、自穩(wěn)平衡及發(fā)病機(jī)制起重要作用。隨著對(duì)細(xì)胞死亡機(jī)制的不斷深入研究,發(fā)現(xiàn)在某些情況下壞死也會(huì)受到一系列信號(hào)分子調(diào)控。Degterev等[1]開展研究并篩選15 000種化合物,找到一個(gè)小分子命名為necrostatin-1(Nec-1),這種可被Nec-1特異性阻斷的與死亡受體相關(guān)的壞死被稱為程序性壞死,它是一種半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶(cysteinyl aspartate specific proteinase,caspase)非依賴性的細(xì)胞死亡方式。越來越多的研究發(fā)現(xiàn)程序性壞死在視網(wǎng)膜疾病發(fā)生和發(fā)展中起關(guān)鍵作用,如視網(wǎng)膜色素變性(retinitis pigmentosa,RP)[2]、視網(wǎng)膜脫離(retinal detachment,RD)[3]、年齡相關(guān)性黃斑變性(age-related macular degeneration,AMD)[4]、視網(wǎng)膜缺血性疾病[5]和青光眼[6]等。本文就程序性壞死的分子機(jī)制及其在視網(wǎng)膜疾病中的作用進(jìn)行綜述,探究程序性壞死與視網(wǎng)膜疾病的關(guān)系,為治療視網(wǎng)膜疾病提供新思路。
1.1 程序性壞死的定義程序性壞死又稱壞死性凋亡,是近年來發(fā)現(xiàn)的一類在凋亡通路抑制條件下,配體與死亡受體結(jié)合可控性非caspase依賴的新型細(xì)胞死亡方式,RIP1和RIP3是其關(guān)鍵的調(diào)控因子。其是一種既受死亡信號(hào)調(diào)控,又有壞死樣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的死亡形式[7]。
1.2 細(xì)胞程序性壞死的啟動(dòng)程序性壞死的啟動(dòng)因子頗多[7-8],死亡受體家族里包含死亡結(jié)構(gòu)域的一類受體,包括腫瘤壞死因子受體1(tumor necrosis factor receptor 1,TNFR1)、自殺相關(guān)因子(factor associated suicide,Fas)、腫瘤壞死因子相關(guān)凋亡誘導(dǎo)配體(TNF-related apoptosis-inducing ligand receptor,TRAIL)和死亡受體3(death receptor 3,DR3)、DR4等及模式分子受體,此類受體包括存在于細(xì)胞膜和內(nèi)含體膜表面相關(guān)的Toll樣受體(Toll-like receptor,TLR)和病原生物表面的病原體相關(guān)分子模式(pathogen-associated molecular pattern,PAMP)等[7-8],死亡受體與相應(yīng)的死亡受體配體結(jié)合后,便可激活啟動(dòng)信號(hào)通路,不同的細(xì)胞根據(jù)其所處內(nèi)外環(huán)境及活化程度選擇凋亡或程序性壞死。
1.3 程序性壞死的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)目前研究最廣泛的程序性壞死模式由TNFR1介導(dǎo)。TNF誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡需要TNF在細(xì)胞膜上與TNFR1結(jié)合,并在細(xì)胞內(nèi)募集多種蛋白參與這一級(jí)聯(lián)反應(yīng)過程形成不同的復(fù)合體。其中,由TNF受體相關(guān)死亡結(jié)構(gòu)域(TNFR-associated death domain,TRADD)、TNFR相關(guān)因子2(TNFR-associated factor 2,TRAF2)、TRAF5、胞內(nèi)凋亡蛋白抑制因1(cellular inhibitor of apoptosis protein 1,cIAP1)、cIAP2、RIP1和線性泛素鏈組裝復(fù)合物(linear ubiquitin chain assembly complex,LUBAC)等組成復(fù)合體Ⅰ[9-10]。RIP1的泛素化在調(diào)節(jié)其激酶活性中起著重要作用,RIPK1通過cIAP1和cIAP2泛素化,招募轉(zhuǎn)化生長因子β激活激酶1(transforming growth factor-β activated kinase 1,TAK1)、TAK 結(jié)合蛋白2(TAK1-binding protein 2,TAB2)、TAB3,形成TAK1-TAB2-TAB3復(fù)合物,從而激活核因子-κB信號(hào)通路和絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinases,MAPK)級(jí)聯(lián)反應(yīng),形成促炎癥信號(hào)并抑制細(xì)胞死亡。當(dāng)RIP1上的K63多聚泛素鏈被去泛素化酶CYLD[11]或泛素修飾酶A20[12]切割后,TNFR1信號(hào)復(fù)合體Ⅰ變得不穩(wěn)定,去泛素化RIP1從復(fù)合體Ⅰ解離,與TRADD、Fas死亡結(jié)構(gòu)域相關(guān)蛋白(Fas-associated protein via death domain,FADD)及caspase-8形成復(fù)合體Ⅱa,啟動(dòng)細(xì)胞發(fā)生凋亡[13]。當(dāng)cIAPs、TAK1的表達(dá)下降或敲除[14]及NEMO敲除[15],TNF刺激促進(jìn)由RIP1、RIP3、FADD和pro-caspase-8組成的復(fù)合體Ⅱb的形成,當(dāng)caspase-8活性降低或RIPK3和MLKL水平較高時(shí),復(fù)合物 Ⅱ b可能通過壞死體形成而起作用。當(dāng)caspase-8被抑制或缺失時(shí),RIP1和RIP3通過RHIM結(jié)合使RIP1發(fā)生磷酸化,同時(shí)在刺激因子作用下RIP3的Thr231和Ser232位點(diǎn)發(fā)生自磷酸化,活化的RIP1-RIP3復(fù)合體發(fā)生淀粉蛋白樣結(jié)構(gòu)改變,激活MLKL并啟動(dòng)下游壞死性凋亡信號(hào),結(jié)合成necrosome復(fù)合物(由RIP1、RIP3和MLKL組成)[16],啟動(dòng)程序性壞死的發(fā)生[17]。
1.4 程序性壞死的執(zhí)行MLKL已被確定為程序性壞死通路中最下游的效應(yīng)分子[18]。MLKL是擁有激酶結(jié)構(gòu)域但無激酶功能的假激酶,包含N-端4個(gè)卷曲螺旋束結(jié)構(gòu)域和C-端假性激酶樣結(jié)構(gòu)域,將二者相連的2個(gè)α-螺旋連接域是程序性壞死關(guān)鍵,它在兩者之間傳遞磷酸化信號(hào)[19]。RIP3與MLKL的結(jié)合依賴于RIP3激酶的活性和RIP3磷酸化[20],RIPK3介導(dǎo)MLKL激酶結(jié)構(gòu)域Thr357和Ser358磷酸化導(dǎo)致MLKL構(gòu)象改變,轉(zhuǎn)化為開放的活性構(gòu)象暴露4HBD,形成依賴于二硫鍵的類淀粉樣聚合物[21-23]。隨后形成的MLKL寡聚體從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞膜,并與膜上的心磷脂和脂類物質(zhì)磷脂酰肌醇結(jié)合,磷酸肌醇作為一種新發(fā)現(xiàn)的調(diào)節(jié)程序性死亡的分子,在MLKL寡聚和質(zhì)膜定位中起關(guān)鍵作用[22],能破壞細(xì)胞膜完整性并形成孔道[24-26],離子和細(xì)胞因子從破裂的質(zhì)膜中釋放出來,以及Na+、Ca2+的內(nèi)流,最終誘發(fā)程序性壞死[27-30]。最近研究發(fā)現(xiàn),熱休克蛋白90(heat shock protein 90,Hsp90)能調(diào)控TNF誘導(dǎo)的程序性壞死,Hsp90與其協(xié)同伴侶分子(CDC37)對(duì)程序性壞死關(guān)鍵蛋白(RIP1、RIP3或MLKL)的激活和穩(wěn)定是必不可少的[31],Hsp90促進(jìn)MLKL寡聚及向細(xì)胞膜轉(zhuǎn)移,促進(jìn)MLKL引起的細(xì)胞程序性壞死[32-33]。Hsp90的抑制劑如格爾德霉素(geldanamycin,GA)和kongensin A(KA),可通過靶向Hsp90的不同位點(diǎn)來保護(hù)細(xì)胞免于程序性壞死[33-35]。
2.1 程序性壞死與RPRP是一個(gè)可致盲的遺傳性視網(wǎng)膜疾病家族。在RP中,光感受器細(xì)胞死亡是視力下降的基礎(chǔ),視力喪失通常始于視桿細(xì)胞功能障礙和死亡而導(dǎo)致的夜視力喪失,隨后繼發(fā)視錐細(xì)胞死亡而導(dǎo)致的中心視力喪失?;蚍治鲆汛_定超過40多種基因突變與RP相關(guān),而這些突變基因大多在視桿細(xì)胞中唯一表達(dá),不存在基因突變的視錐細(xì)胞在視桿細(xì)胞丟失后死亡。Murakami等[2]以視桿細(xì)胞特異性基因Pde6β突變模擬RP小鼠模型,發(fā)現(xiàn)視桿細(xì)胞具有凋亡形態(tài),未見RIP的表達(dá),而視錐細(xì)胞呈壞死的形態(tài),且RIP1和RIP3表達(dá)水平均升高,RIP3缺乏可降低視錐細(xì)胞死亡和小膠質(zhì)細(xì)胞活化,RIP激酶介導(dǎo)程序性壞死機(jī)制是RP小鼠視錐細(xì)胞死亡的主要形式。在pde6c(-/-)斑馬魚模型中,視錐細(xì)胞表達(dá)高水平的RIP1和RIP3,相反,視桿細(xì)胞依賴caspase凋亡途徑,在敲除IRP3的pde6c(-/-)斑馬魚模型中也得出相同的結(jié)論[36]。上述研究證明程序性壞死很可能是RP中視錐細(xì)胞死亡的主要機(jī)制。Sato等[37]建立光感受器間維生素A類結(jié)合蛋白缺陷RP小鼠模型,他們?cè)谄淠P椭杏^察到RIP1和RIP3表達(dá)增加,抑制RIP1激酶能防止視錐細(xì)胞發(fā)生程序性壞死。這提供了進(jìn)一步的證據(jù)表明,至少在某些疾病模型中,抑制RIP通路可能是治療RP的靶點(diǎn)。在突變型視紫紅質(zhì)s334ter小鼠模型中,視桿細(xì)胞變性最初是依賴caspase凋亡介導(dǎo),而視錐細(xì)胞的死亡則是通過程序性壞死作用。然而,在突變型視紫紅質(zhì)sp23h小鼠模型中,視桿細(xì)胞通過RIP3依賴程序性壞死而死亡,而視錐細(xì)胞則因炎癥體的激活而死亡[38]。表明在RP不同模型中視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞具有不同的死亡機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)rd10/SIR(+/+)與rd10/SIR(+/+)小鼠相比,視網(wǎng)膜RIP1和RIP 3在5周后顯著升高,SIR基因敲除促進(jìn)視網(wǎng)膜RIP1/RIP3通路的激活,也可促進(jìn)caspase-3的激活,表明SIR基因敲除對(duì)rd 10小鼠光感受器細(xì)胞的雙相作用,起初促進(jìn)視桿細(xì)胞的存活,然后加劇視桿細(xì)胞凋亡,最后是繼發(fā)視錐細(xì)胞程序性壞死[39]。
2.2 程序性壞死與RDRD是視網(wǎng)膜神經(jīng)上皮層和色素上皮層分離,RD后存在死亡受體通路的激活,光感受器細(xì)胞不僅有凋亡,同時(shí)還可能發(fā)生程序性壞死[40]。Dong等[3]在視網(wǎng)膜退行性病變小鼠用caspase抑制劑進(jìn)行誘導(dǎo)后,可有效降低光感受器細(xì)胞凋亡率,但并不能阻止光感受器細(xì)胞繼續(xù)丟失,其壞死率增加,且Nec-1通過抑制RIP1磷酸化阻止光感受器細(xì)胞死亡。他們繼續(xù)在Sprague-Dawley大鼠視網(wǎng)膜下注入10 g·L-1透明質(zhì)酸鈉建立RD模型,電子顯微鏡觀察光感受器細(xì)胞的死亡方式及形態(tài)學(xué)特點(diǎn),光感受器細(xì)胞的死亡方式主要為凋亡和壞死及光感受器細(xì)胞形態(tài)與壞死細(xì)胞類似,表現(xiàn)為細(xì)胞腫脹,質(zhì)膜不完整、破裂,染色質(zhì)濃集和邊聚,且伴有明顯的自噬泡[41]。其研究還發(fā)現(xiàn),RD 3 d后,光感受器細(xì)胞程序性壞死是由RIP1磷酸化激活介導(dǎo)的,與LC-3Ⅱ和自噬體的誘導(dǎo)有關(guān),Nec-1也可以抑制RIP1磷酸化和LC-3Ⅱ誘導(dǎo)[42]。這些研究表明在RD病程中,程序性壞死也是光感受器細(xì)胞死亡的另一條主要途徑。最新研究表明,在Sprague-Dawley大鼠視網(wǎng)膜下注射透明質(zhì)酸鈉建立RD動(dòng)物模型,并在視網(wǎng)膜下注射Z-VAD-FMK或Z-VAD-FMK與雷帕霉素組合,caspase抑制劑Z-VAD-FMK可以抑制細(xì)胞凋亡,但增加RIP介導(dǎo)程序性壞死,而雷帕霉素聯(lián)合Z-VAD-FMK可以減少光感受器細(xì)胞壞死,通過抑制RIP-1表達(dá)來阻止Z-VAD-FMK誘導(dǎo)的程序性壞死[43]。給Sprague-Dawley大鼠注射CYLDsh RNA慢病毒(抑制CYLD的表達(dá))3周后,進(jìn)行視網(wǎng)膜脫離手術(shù),發(fā)現(xiàn)CYLD表達(dá)下調(diào)導(dǎo)致caspase-8活性降低,感光細(xì)胞凋亡的數(shù)目減少,泛素化RIP1水平升高,CYLD通過調(diào)節(jié)泛素化RIP1來調(diào)節(jié)光感受器細(xì)胞的凋亡和程序性壞死[44]。 Daruich等[45]在鐵超負(fù)荷培養(yǎng)條件下建立了大鼠RD體外模型,研究鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對(duì)視網(wǎng)膜的保護(hù)作用。研究表明,鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白通過減少細(xì)胞凋亡、炎癥和氧化應(yīng)激而發(fā)揮視網(wǎng)膜神經(jīng)保護(hù)作用[46]。最近研究發(fā)現(xiàn),鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白能降低RD誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡和程序性壞死[45]。補(bǔ)充鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白作為手術(shù)的輔助治療,改善RD患者的視力可能是治療RD一種新的治療策略。
2.3 程序性壞死與AMDAMD是一種緩慢進(jìn)展的疾病,其特征是視網(wǎng)膜光感受器和視網(wǎng)膜色素上皮(retinal pigment epithelium,RPE)細(xì)胞變性及脈絡(luò)膜新生血管的形成。AMD被認(rèn)為是一種病因不明的多因素疾病,遺傳因素、氧化應(yīng)激和炎癥等是AMD發(fā)病的重要因素。以往的研究大多認(rèn)為凋亡是RPE細(xì)胞在氧化應(yīng)激誘導(dǎo)后死亡的主要機(jī)制,目前研究發(fā)現(xiàn),在氧化應(yīng)激作用下,RPE細(xì)胞出現(xiàn)ATP耗竭、RIPK3聚集,高遷移率族蛋白1(high mobility group box-1 protein 1,HMGB1)從細(xì)胞核中釋放,核膜和質(zhì)膜滲漏及破壞,這是RPE細(xì)胞發(fā)生程序性壞死的主要特征,用siRNA敲除RIPK3能提高氧化應(yīng)激引起RPE細(xì)胞存活率。在AMD小鼠和AMD(特別是GA)患者中也能觀察到細(xì)胞腫脹和空泡化等壞死特征,說明程序性壞死是RPE細(xì)胞在氧化應(yīng)激下死亡的主要途徑[4,47]。NaIO3可致RPE細(xì)胞急性氧化損傷,RPE細(xì)胞發(fā)生壞死,隨后出現(xiàn)光感受器細(xì)胞凋亡和視網(wǎng)膜變薄,NaNO3誘導(dǎo)RPE細(xì)胞程序性壞死和光感受器細(xì)胞凋亡,Nec-1能顯著降低NaNO3誘導(dǎo)的RPE細(xì)胞死亡,但對(duì)光感受器細(xì)胞無保護(hù)作用[48-49]。在dsRNA誘導(dǎo)的視網(wǎng)膜退化小鼠模型中,dsRNA是AMD中玻璃膜疣的組分,dsRNA等促炎成分參與了RPE細(xì)胞程序性壞死,在視網(wǎng)膜下腔注射聚肌苷酸胞苷酸,RPE細(xì)胞更多地表現(xiàn)出程序性壞死的特征,視網(wǎng)膜組織RIP3水平升高,RIPK3敲除小鼠中同樣注射聚肌苷酸胞苷酸,RPE細(xì)胞程序性壞死比率下降[50]。在Ccl2(-/-)/CX3cr1(-/-)小鼠、高膽固醇飲食載脂蛋白E敲除AMD小鼠模型,出現(xiàn)RPE細(xì)胞腫脹和空泡化,這是壞死的典型特征[4]。這些研究充分證明在AMD發(fā)展過程中,程序性壞死對(duì)RPE細(xì)胞死亡起重要作用。在TNF誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡過程中,caspase-8通過切割RIPK3抑制RIP3-RIP1激酶復(fù)合物依賴的程序性壞死,因RPE細(xì)胞中caspase-8和DFF蛋白的表達(dá)水平較低[51],當(dāng)RPE細(xì)胞的凋亡通路受到損害,RPE細(xì)胞更容易走向程序性壞死,這與RPE細(xì)胞主要死于程序性壞死的假設(shè)是一致的。苯二酚衍生物4-AC抑制RIP3激酶激活和減少HMGB1釋放及上調(diào)NQO1和HO-1基因,減少細(xì)胞內(nèi)ROS,從而保護(hù)RPE細(xì)胞免受氧化應(yīng)激所致的壞死[52]。Xiao等[53]發(fā)現(xiàn)NaIO3氧化RPE細(xì)胞,fas激活分別導(dǎo)致RPE細(xì)胞和光感受器細(xì)胞的程序性壞死和凋亡及視網(wǎng)膜外的小膠質(zhì)細(xì)胞/巨噬細(xì)胞數(shù)量顯著增加,然而,F(xiàn)as受體的小肽拮抗劑MET12,顯著降低fas介導(dǎo)的死亡通路的激活,具有保護(hù)RPE細(xì)胞和光感受器細(xì)胞免受氧化應(yīng)激所致的程序性壞死和凋亡。綜上所述,基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)均證實(shí)了在AMD病程中,RPE的死亡與程序性壞死有關(guān),阻斷程序性壞死途徑也可能是治療AMD一種新方法。
2.4 程序性壞死與缺血性視網(wǎng)膜疾病視網(wǎng)膜缺血再灌注(retinal ischemia-reperfusion injury,RIRI)損傷參與了許多視網(wǎng)膜疾病的病理過程,RIRI是常見的致盲原因。程序性壞死在RIRI中的關(guān)鍵作用已被證明[5]。Kim等[54]發(fā)現(xiàn)RIRI TNF-α表達(dá)增加,尤其在神經(jīng)節(jié)細(xì)胞層中,TNF-α激活引起程序性壞死因子的釋放,Nec-1可降低視網(wǎng)膜RIP1水平,減少視網(wǎng)膜細(xì)胞丟失。彭亞力等[55]在RIRI小鼠使用Nec-1后,RIP1和RIP3的mRNA表達(dá)均顯著降低,視網(wǎng)膜中IL-1β、IL-6、TNF-α等促炎因子的mRNA表達(dá)降低,然而Nec-1對(duì)caspase-8 mRNA表達(dá)無影響。結(jié)合程序性壞死有大量炎癥發(fā)生的特點(diǎn),使用Nec-1后促炎因子的表達(dá)降低,也從另一個(gè)方面印證了其對(duì)程序性壞死的阻斷作用。Dvoriantchikova等[56]發(fā)現(xiàn)Nec-1抑制視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(retinal ganglion cell,RGC)RIPK 1/RIPK 3通路的激活,可顯著減輕缺血再灌注引起的RGC程序性壞死和促炎因子的表達(dá),從而表明RGC程序性死亡在缺血再灌注后通過細(xì)胞直接丟失和誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)導(dǎo)致視網(wǎng)膜損傷。Gao等[6]報(bào)道RIRI早期,RGC通過ERK 1/2-RIP 3通路參與了程序性壞死,ERK直接或間接地促進(jìn)RIP3的積累,誘導(dǎo)壞死小體的聚集,激活下游信號(hào),導(dǎo)致程序性壞死。
2.5 程序性壞死與青光眼青光眼是一組以RGC死亡和形成視神經(jīng)纖維的軸突變性為特征的疾病。青光眼病程中RGCs在不同時(shí)間死亡的原因涉及許多潛在因素,包括缺血、靜水壓、藍(lán)光和視網(wǎng)膜膠質(zhì)細(xì)胞釋放的多種化學(xué)物質(zhì)等[57-61],缺血性損傷導(dǎo)致視網(wǎng)膜細(xì)胞凋亡和程序性壞死[62],眼壓的快速升高是引起急性青光眼的一個(gè)重要易感因素。Rosenbaum等[5]在大鼠急性高眼壓模型,發(fā)現(xiàn)大鼠視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞層存在大量壞死細(xì)胞,RIP3的上調(diào)參與RGC程序性壞死[63]。高眼壓對(duì)穿行于視盤的視網(wǎng)膜中央動(dòng)脈壓迫引起RGC缺氧-缺血外一個(gè)重要的病理生理機(jī)制[64],氧-糖剝奪處理后RGC-5存在程序性壞死,且RIP3通過氧化應(yīng)激介導(dǎo)了RGC-5的程序性壞死[65]。Del等[66]發(fā)現(xiàn)藍(lán)光導(dǎo)致RGC活力喪失,同時(shí)增加RIP1和RIP3表達(dá),Nec-1對(duì)光誘導(dǎo)RGC的死亡有顯著的抑制作用,而caspase抑制劑Z-VAD-FMK未顯示出這種作用。最近研究表明,RIC一種新型的RIPK1抑制性化合物,RIC在體內(nèi)和體外均抑制RIPK1催化活性,阻斷RGC程序性壞死是通過阻斷壞死小體形成和線粒體功能障礙,RIC對(duì)急性高眼壓所致大鼠青光眼模型中導(dǎo)致RGC損失有保護(hù)作用[67]。
在許多致盲的視網(wǎng)膜疾病中,視網(wǎng)膜細(xì)胞死亡是視力喪失的根本原因。這不僅包括各種遺傳性視網(wǎng)膜營養(yǎng)不良,如RP,而且更常見眼底疾病,如AMD、RD、青光眼等。不同視網(wǎng)膜疾病死亡機(jī)制也有差異,隨著對(duì)視網(wǎng)膜細(xì)胞死亡的更多研究,發(fā)現(xiàn)程序性壞死在多種視網(wǎng)膜疾病的發(fā)生和發(fā)展中扮演了重要角色,并且明確了程序性壞死在不同視網(wǎng)膜疾病中的作用機(jī)制及應(yīng)用。針對(duì)程序性壞死進(jìn)行調(diào)控也成為治療這些疾病的有希望的發(fā)展方向。