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细胞死亡过程是可逆的

归档日期:05-06       文本归类:多态性      文章编辑:爱尚语录

  2007年,何文“冬青”唐休假从她的本科生物学研究在衣阿华州立大学加入她的哥哥,何林“法眼”唐,然后一个博士生在香港的中国大学,去努力一个项目在一起。在Ming-Chiu Fung的免疫学实验室,Hogan一直在研究细胞的细胞骨架中的紊乱如何导致细胞凋亡过程中线粒体的碎裂,这是最常见的细胞自杀形式。但兄弟姐妹有一个更基本的问题:一旦细胞凋亡开始,细胞可以从细胞混乱中恢复吗?

  细胞凋亡有许多不同的触发因素,但它们最终都会激活称为半胱氨酸蛋白酶的刽子手。在细胞内切割数百种不同种类的蛋白质,这些酶对基因组造成严重破坏,攻击构成细胞细胞器的结构蛋白质,并拆除细胞骨架,导致细胞收缩,发泡,破碎,看似死亡。“当时,甚至现在,一般的教条是细胞凋亡是不可逆转的,”Hogan(以下简称唐)回忆道。“霍莉和我非常好奇并问道,这是线;”

  Tangs将各种人类癌症细胞暴露于乙醇等毒素,并等待长期存在的细胞凋亡迹象,如半胱氨酸蛋白酶激活和细胞萎缩。接下来,不是在实验结束时扔掉“死”的细胞,“我们用新鲜的培养基清洗过夜,”唐说。

  细胞凋亡如何开始似乎并不重要。如果恢复良好的状态,在多种侮辱后,转移可以挽救细胞。

  “令人惊讶的是,当我们第二天早上看到它们时,一些细胞恢复了正常的形态。” 1兄弟姐妹将这种现象命名为anastasis。细胞凋亡意味着希腊语中的“下降”,这个过程促进了细胞的自然更新,类似于秋天从褪色的花朵或树叶上落下的花瓣。另一方面,Anastasis意味着“崛起”,而在基督教中则指的是耶稣的复活。

  研究界最初怀疑细胞可以从死者身上回来。“我们的发现颇具争议 - 我们的前几篇论文中有一篇在三年内被拒绝超过11次,”唐说,他现在是约翰霍普金斯大学的分子和遗传生物学家。

  在加入约翰霍普金斯大学的细胞和发育生物学家丹尼斯蒙特尔的实验室之后,他得到了更多的实验支持。唐先生与他的新实验室,中国前同事和他的妹妹合作,在爱荷华州立大学完成硕士学位后跟随他前往巴尔的摩,唐不仅对人类癌症细胞系(如HeLa)进行了实验,而且还进行了正常实验。 ,培养的小鼠肝脏,大鼠心脏和雪貂脑细胞,以及多种培养的人类细胞,包括成纤维细胞。2一次又一次,即使在DNA损伤和细胞破碎后,细胞似乎也从晚期细胞凋亡中恢复。“我真正知道有一个重要现象的那一刻是,我们制作了一部整个人类肺癌细胞的电影,这些细胞在萎缩,起泡然后恢复,”现在加州大学圣巴巴拉分校的蒙特尔说。“这很引人注目。”

  自2012年以来,当anastasis被正式命名时,研究人员已经深入研究细胞如何在被细胞凋亡严重破坏后显然可以将自身缝合在一起。科学家们目睹了培养的人类细胞中碎片状的线粒体再次变得完整,并且在细胞凋亡过程中产生并保留了mRNA的缓存,以帮助启动细胞恢复生命。他们还发现了 果蝇可以在体内发生转移的证据。

  格拉斯哥大学的细胞生物学家斯蒂芬泰特说:“我们一直将细胞凋亡视为黑白,全部或全部,所以现在研究结果非常令人着迷。” “你可以通过一种似乎与生命不相容的方式来切割所有这些蛋白质的caspase活化,但细胞却以某种方式存活下来。”

  匹兹堡大学医学中心的免疫学家和细胞生物学家Yinan Gong补充说,这一启示可能会改变科学家如何在细胞水平上定义生死。“死亡对一个细胞意味着什么?”

  细胞可以存活数天,数月甚至数年,但是一旦细胞凋亡开始,它就不会花费任何时间来进行死亡。在半胱天冬酶活化的10分钟内,细胞明显转化:细胞随细胞收缩而扭曲, DNA凝聚成束然后分裂。半胱天冬酶还导致称为磷脂酰丝氨酸的分子从细胞膜的内表面翻转到外表面,作为吞噬细胞的“吃我”信号。(见插图“你激活这些caspase就像雇佣的杀手一样,可以在细胞中裂解几百个底物并在五到十分钟内杀死细胞,” 法国里昂大学的细胞生物学家Gabriel Ichim说。

  细胞凋亡以许多不同的方式被触发,但它们最终都会激活被称为半胱天冬酶的酶,这些酶会破坏细胞的DNA,细胞器和细胞骨架。半胱氨酸蛋白酶也募集其他细胞来吃垂死细胞的遗体。即使在开始这种自杀过程后,细胞也可以通过最近发现的被称为anastasis的过程恢复。但如果在细胞凋亡的后期发生了转移,那么幸存的细胞可能携带主要的染色体瘢痕和其他可能导致恶性肿瘤的遗传缺陷。

  2015年,与培养的人类细胞Ichim,Tait及其同事合作,描述了一种类似但不同于被称为“凋亡失败”的转移的现象,其中细胞在仅部分经历通常在细胞凋亡期间发生的自由基变化后恢复。3以前认为当细胞的线粒体开始泄漏细胞色素c(一种有效的半胱天冬酶激活剂)时,所有的细胞器都在整个细胞中同步进行。然而,当研究人员检查时,他们发现有时只有少数细胞的线粒体泄漏,这意味着只有一小部分半胱天冬酶被激活,细胞存活下来。3

  与转移一样,凋亡失败表明细胞凋亡的起始并不是人们常常认为的死亡判决,Tait说。但凋亡失败涉及仅部分经历凋亡的细胞 - 活性半胱天冬酶的水平远低于凋亡成功时的水平,并且仅有限数量的酶的关键靶标被切割。相反,Tangs的研究结果表明,当细胞凋亡完全爆发时,细胞甚至可以恢复,Tait说。

  例如,Tangs及其同事发现,即使细胞开始分裂,转移也可能使细胞凋亡恢复。今年早些时候,研究人员发表了延时活细胞显微镜,显示HeLa细胞碎片重新组装成一个明显正常的形态。4 细胞凋亡如何开始似乎并不重要; 如果恢复有利条件,在多种损伤后,包括冷休克,蛋白质饥饿和暴露于有毒化学物质后,转移可以挽救细胞。唐氏及其同事发现,在已经发展到晚期细胞凋亡的细胞中,片段化的线粒体甚至可以融合并恢复其正常结构。4,5几小时后,恢复细胞也会从其表面失去“吃我”信号,从而逃避吞噬作用。2

  2017年,Montell和Tangs独立发表了关于转移分子特征的更深入的研究。Montell的研究小组发现,在给予新鲜培养基的情况下,超过1,000个基因在凋亡的HeLa细胞中被上调,并且转移的分子反应在一定程度上与从自噬中恢复的细胞相似,自噬是蛋白质和细胞器再循环的细胞过程。6此外,与细胞拯救相关的mRNA显然在细胞凋亡停滞之前积累,这表明细胞在凋亡早期准备好转移以支持潜在的恢复。在小鼠原发性肝细胞的转移期间,Tangs及其同事注意到参与去除受损线粒体,有害自由基和其他细胞成分的基因表达的显着变化,以及细胞周期的停滞,也许是让细胞有时间修复。7

  Tait说,带回家的信息很明确:细胞死亡并不明确。“有一种观点认为细胞死亡或不是,但我当然认为它们之间可能存在很多灰色。”

  尽管科学家在过去十年中已经提出细胞凋亡并不总是最终的,但仍然存在对这些结果的普遍怀疑。转移仍然存在争议的一个原因是接触诱导细胞凋亡的应激物后细胞是否存活,实际上是否经历了caspase活化,或者它们是否避免了会激活刽子手的应激源。经历吻合的细胞也可以与周围的健康细胞无法区分。“长期追踪这些幸存的细胞是一个真正的挑战,特别是在体内,”Ichim说。

  为了在细胞凋亡开始后监测体内细胞存活,Tangs和Montell分别独立开发了2015年的基因构建体-CaspaseTracker7和2016年的CasExpress8-在半胱天冬酶活化期间产生荧光蛋白,然后无限地发出另一种颜色。然后单细胞和延时活细胞显微镜跟踪细胞命运。

  这种方法帮助团队第一次在体内观察到了肠道内的病变。使用这些构建体,Tangs和Montell已经看到果蝇胚胎中多种类型组织中的细胞经历半胱天冬酶活化,然后在细胞凋亡通常标志(例如细胞收缩和膜起泡)出现后完全恢复。研究人员正在努力研究这些研究结果是否适用于啮齿动物。

  结果仍然没有被广泛接受,部分原因是之前的研究表明,半胱天冬酶有助于细胞死亡以外的过程。例如,在神经系统中,半胱天冬酶在与学习和记忆相关的神经元修剪过程中被激活,斯坦福大学的化学生物学家斯科特迪克森指出,因此半胱氨酸蛋白酶激活可能不是细胞凋亡的确定标记。

  Montell和她的同事指出,区分转移活性与其他涉及半胱天冬酶的活动的一种方法是非凋亡性caspase活化通常发生在发育的特定阶段和组织中相同类型的每个细胞中。相反,在发育过程中,随着时间的推移,随机分数的细胞可能会偶尔发生吻合。10蒙特尔同意需要更多的研究来了解究竟发生了什么。假设细胞在某些情况下可能会从细胞凋亡和其他看似致命的过程中反弹,目前尚不清楚这种恢复是多么普遍或重要。“这是一个新领域,”细胞和分子生物学家Shoukat Dedhar说 在不列颠哥伦比亚大学。他补充说,除了验证Tangs,Montell和其他人提出的早期发现之外,该领域的研究人员仍必须证明细胞死亡恢复的相关性。

  一种可能的转移功能是作为细胞存活机制,假定唐,限制了对临时情况作出反应时可能发生的永久性损伤。例如,发育中的生物体中的组织可能随机地经历生长因子的短暂缺失,这种事件可在细胞快速增殖时触发细胞凋亡。Montell和她的同事们发现在果蝇的发育过程中可能会发生转移,细胞在幼虫大脑和成虫椎间盘中的caspase激活中存活,在变态期间会发育成成人肢体和器官。10

  Tang说,Anastasis也可能促进进化改变。“我们最近的研究表明,在短暂暴露于饥饿或冷休克等生理和环境压力后, 果蝇生殖细胞中会出现转移,”他指出。9这提高了这些细胞可能获得可能传递给后代的细胞凋亡过程中产生的新突变的可能性。

  Anastasis可能比简单保护更有用。2012年,Tangs和Montell发现虽然从细胞凋亡中拯救的细胞可以修复遗传损伤,但有时它们将基因组编织在一起的方式也存在错误。结果,存活细胞的百分比具有染色体异常和导致恶性生长的其他遗传缺陷。这表明反复将细胞带到死亡的边缘可能解释了暴露于反复攻击的组织中癌症的高风险,例如因酒精中毒导致的肝癌以及经常食用非常热的口腔,食道或胃癌饮料。7 根据Tait,Ichim和他们的同事进行的研究,即使细胞凋亡失败,在恢复前损伤严重得多,细胞的基因组有时会变得不稳定,有些细胞甚至会变成恶性细胞。3 “我们正在关注细胞,看看是否会对癌症进展产生长期影响,我们发现它们可能会出现基因组不稳定,”Ichim说。“它们可能更具侵略性,并在老鼠身上形成更大的肿瘤。”

  细胞从程序性细胞死亡中恢复的能力也可能在一些癌症逃避治疗方法的能力中发挥作用。辐射和许多常用的化疗药物诱导细胞凋亡,虽然这可能会杀死大多数肿瘤细胞,但任何存活的细胞都可能导致复发和转移。9此外,幸存下来这种疗法可能被认为开发新的基因突变,帮助他们抗拒毒品癌细胞Dedhar,谁正在寻找那些在癌细胞激活的分子通路说,“从死亡的边缘恢复。”

  唐和他的同事还发现,anastasis可以激活基因果蝇与血管生成和细胞迁移,挂7个流程,可以提高营养的吸收和排除废物,帮助细胞凋亡恢复,他说。同时,这些变化可以增强癌细胞的传播。

  唐说,考虑到癌症和吻合之间的潜在联系,针对这一过程的干预措施可以帮助预防癌症的发展,或者一旦出现癌症就对其进行治疗。“在癌症治疗期间和之后抑制癌细胞死亡的抑制可能是一种通过抑制癌症复发来治愈癌症的新型治疗策略。”

  相反,他指出,有一天针对anastasis可能会治疗因无法再生细胞(如心肌细胞或神经元)丢失而导致的疾病。“目前,我实验室的一项主要工作重点是确定关键的转移调节因子和促进或抑制转移的小分子,”唐说。“我们的研究结果将为我们提供控制转移的基本工具清单,从而开辟新的研究领域,以探索转移的潜在功能和治疗应用。”

  最终,更好地了解转移可能不仅有助于挽救细胞免于疾病和损伤,而且还可以向科学家传授更多关于细胞死亡的信息。“圣杯的问题是我们能否预测单细胞水平的细胞命运,”龚说。“例如,如果我们照射肿瘤,我们可能知道可能有90%的肿瘤会缩小,但我们无法分辨出哪90%。预测哪些细胞会死亡以及以哪种方式最终将帮助我们减少副作用并最大化有益效果。这是细胞死亡2.0。“ 死亡的许多面孔

  Anastasis并不是授予细胞执行权的唯一方法。去年,在培养的哺乳动物细胞中进行基因沉默的实验中,匹兹堡大学医学中心的免疫学家和细胞生物学家Yinan Gong及其同事意外地发现另一种形式的程序性细胞死亡,坏死性凋亡,也可以逆转。

  在坏死性坏死病 - 坏死的程序化版本中,细胞死亡的一种形式与对受伤或应激的不受控制的反应相关联 - 称为混合谱系激酶样(MLKL)的蛋白质在质膜中打开孔,使细胞破裂。龚和他的同事发现,坏死性凋亡并不总是致命的。相反,ESCRT-III蛋白质复合物可以将这些孔分离到质膜上的气泡中。脱落这些气泡然后修复细胞,这是科学家称之为“复苏”的过程.10该团队假设当MLKL基本上压倒ESCRT-III时发生坏死性凋亡。

  其他形式的细胞死亡也是可逆的。例如,2012年,斯坦福大学的化学生物学家斯科特迪克森发现,铁蛋白沉积症是一种依赖于铁的细胞死亡形式,可以通过亲脂性抗氧化剂或铁螯合剂的治疗来逆转。“有些人可能会认为,一旦细胞暴露于致命的刺激,就是这样,就没有恢复的机会,”迪克森说。现在,研究显示“细胞可能会受到可能致命的刺激,但在一段时间内仍有机会进行干预以拯救细胞 - 并非所有希望都失去了。”

  即使是被称为entosis的醒目形式的细胞死亡,其中一个细胞吞下另一个细胞,也是可逆的,吞噬细胞可能会继续生存。“当一个细胞被吞没时,它的细胞核可以看起来很好,它的质膜看起来很好,随着时间推移的视频,我们发现它可以脱离并分裂并做得很好,”Memorial Sloan的细胞生物学家Mike Overholtzer说。 Kettering癌症中心在纽约。“细胞甚至可以在吞噬和出现时分裂,并且完全可行。”他和他的同事发现,人类癌症中常见的是entosis,其诱因包括细胞外基质脱离和葡萄糖戒断11,但是什么决定吞噬细胞命运仍不清楚。

  总而言之,这些发现表明这些途径可能并不总是死路一条。“对于人们来说,当医生需要称之为死亡时,它现在已被明确定义 - 这是脑死亡。我们知道,当患者达到某一点时,他们就无法回来,“龚说。“关于细胞在不回来之前必须达到什么程度,问题仍然存在。”

  在entosis中,一个细胞吞噬另一个活细胞,然后被溶酶体杀死和消化。有时被吞噬的细胞存活下来,甚至在它们的细胞捕获者中扩散或完全逃脱。

  坏死性坏死是一种坏死的程序化形式,一种细胞死亡形式与对受伤或压力的不受控制的反应有关。该过程涉及质膜MLKL在质膜上戳孔,导致细胞破裂。然而,细胞可以通过ESCRT-III蛋白质复合物钝化该过程,ESCRT-III蛋白质复合物将这些孔分离到质膜上的气泡中。脱落这些气泡然后修复细胞,科学家将其称为“复苏”。

  Ferroptosis是细胞死亡的一种调节形式,依赖于铁。当正常摄取和氨基酸半胱氨酸(胱氨酸是半胱氨酸的氧化二聚体形式)的代谢被扰乱时,细胞启动该途径。一旦触发,ferroptosis将在几个小时内导致细胞死亡。然而,研究人员可以使用亲脂性抗氧化剂或铁螯合剂来完全保护细胞免于死于这种形式的细胞死亡。

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