【細胞凋亡原創系列二】細胞凋亡通路
細胞凋亡通過信號傳導通路發生，有序而不失節奏的經歷著啟動、進行、結束的過程。每條傳導通路由於受到重要因子的精準調控，天生兼具複雜而獨特的機制與氣質。
介導凋亡的信號通路主要可分為3大類，分別是線粒體通路（或內在通路intrinsic pathway）、死亡受體通路（或外在通路extrinsic pathway）以及內質網通路。各通路間相互作用、互相聯繫，共同調節凋亡過程。每條通路中包含不同的實現途徑，下面向大家一一介紹。
線粒體通路
1.Cyt C途徑
線粒體是細胞凋亡的調控中心，Cyt C作為關鍵性分子，是胞核基因編碼的蛋白質，其釋放介導的凋亡途徑與Bcl-2家族成員的調節控制有關。
受到凋亡刺激後（如：DNA的損傷、生長因子缺乏等），引起Bax/Bak形成低聚物複合體，插入到線粒體外膜孔隙，導致線粒體滲透壓改變，跨膜電位丟失，促使Cyt C從線粒體釋放到細胞質，並與細胞凋亡激活因子1（Apaf-1）結合形成凋亡複合體，活化Caspase-9前體，進而激活Caspase-3和Caspase-7，引發Caspase級聯反應，從而誘發細胞凋亡。期間，Smac、Omi和ARTS等其他促凋亡蛋白抑制IAPs，共同促進凋亡反應[2]。
圖1 Cyt C介導的凋亡通路[2]
2. PTP通道
蛋白質酪氨酸磷酸酶（protein tyrosine phosphatase，PTP）鑲嵌在線粒體內膜和外膜之間，介導形成線粒體通透性轉換孔（Mitochondrial Permeability Transition Pore，MPTP），可以無選擇性地允許≤1.5 kD分子通過，當線粒體基質內處於高滲透壓時，通道開放引起凋亡[1]。Zhang等[3]從遠志的根中，分離PTP，作用於人卵巢癌OVCAR-3細胞，實驗表明PTP能夠介導線粒體通路，引發凋亡反應。
死亡受體通路
死亡受體（DR）包括多種分子，均屬腫瘤壞死因子受體TNFR基因超家族。目前已知的死亡受體有5種，TNFR-1、Fas（CD95）、DR3、TRAIL-R1（DR4）和TRAIL-R2（DR5）。
圖2 死亡受體通路[4]
1. Fas/FasL和TRAILR/TRAIL途徑
作為腫瘤壞死因子TNF家族促凋亡成員，FasL和TRAIL分別與死亡受體Fas（CD95）、TRAIL-R1（DR4）或TRAIL-R2（DR5）結合，形成死亡誘導信號複合體（DISC），DISC包含接頭分子FADD和Caspase-8酶原，Caspase-8酶原自我剪切形成活性Caspase-8，啟動下游的Caspase級聯反應[4]。
其次，活化的Caspase-8能夠切割Bcl-2家族促凋亡蛋白Bid，產生的帶羧基片段tBid可以轉移到線粒體，與線粒體膜結合引起線粒體釋放Cyt C等促凋亡物質，引發凋亡反應。
2. TNFR1/TNF途徑
在TNFR-1介導的凋亡通路中，三聚化的TNFR-1募集接頭蛋白TRADD，TRADD通過自身的DD可匯聚FADD、RIP和TRAF-2。這裡分2條通路：（1）當結合的是FADD，便導致Caspase-8前體寡聚化，引發Caspase級聯反應和凋亡；（2）當結合的是RIP，便激活TRAF-2，形成TRADD-RIP-TRAF-2複合物，通過磷酸化進一步激活NF-κB誘導激酶（NIK），NIK活化IκB激酶（IKK），IKK磷酸化IκB，導致NF-κB的降解和釋放，NF-κB轉位至細胞核發揮激活轉錄的作用，主要激活一些抗凋亡基因如c-IAP1等的轉錄，繼而通過抑制caspase-8的活化等途徑發揮抗凋亡作用[1]。
因此，TNFR可能參與凋亡和抗凋亡兩種截然相反的信號途徑。TNFR通路活化後，細胞的發展方向取決於雙方的信號水平強弱等因素。
內質網通路
內質網在細胞中負責蛋白的合成、加工和修飾。在病毒感染、鈣穩態失調等的情況下，致使非摺疊蛋白的累積和聚集，導致嚴重的內質網應激反應（ER stress）。越來越多的研究顯示，持續的ER stress大多來源於非摺疊蛋白反應（unfolded protein response，UPR）狀態的改變[5]。
圖3 內質網信號通路
（圖片來自網路）
1. IRE1信號通路
UPR條件下，IRE1-JNK幫助細胞自救，是重要的信號通路。一方面，IRE1活性運動可切割XBP-1 mRNA，使它成為有效的轉錄激活因子，誘導蛋白基因轉錄，編碼ER分子伴侶，緩解ER壓力。另一方面，IRE1可結合TRAF2，通過激酶活性增加ER stress，在ASK1存在條件下，激活JNK。持續的ER stress使得IRE1募集TRAF2，激活ASK和JNK的蛋白激酶，啟動凋亡級聯[6]。
2. PERK信號通路
ER stress增加PERK蛋白激酶活性，PERK磷酸化elF2，抑制蛋白翻譯和合成，緩解ER壓力。同時，elF2的磷酸化能夠選擇性地啟動ATF4翻譯，增加其結合配體的合成，影響氨基酸代謝，從而抑制蛋白的翻譯和合成[6]。
正常情況下，CHOP在細胞質中維持低水平表達。當ER stress發生時，Bip/GRp78與內質網跨膜蛋白PERK、ATF6等的解離均能激活CHOP[1]。
CHOP誘導凋亡蛋白（如：GADD34、ERO1、DR5）的表達，可直接激活GADD34，促進ER下游蛋白的生物合成。實驗顯示，氧化酶ERO1a很可能在二硫鍵形成過程中介導適應性反應失敗或持續性壓力。因此，CHOP的過度表達能夠導致活性氧（ROS）的產生，引發ER stress，介導凋亡[6]。同時，CHOP的大量表達，也可引起Bcl-2表達的下降，導致Bax從細胞質轉運至線粒體，啟動線粒體凋亡通路[1]。
Ca2＋途徑
由於Ca2＋在線粒體和內質網凋亡通路中也扮演著重要的角色，所以我們放到最後一起介紹。
在體內，Ca2＋濃度對維持線粒體膜的通透性起著重要作用，線粒體內鈣離子濃度的上升會導致ROS的產生，進而釋放Cyt C，誘導凋亡。
Ca2＋也可維持內質網的穩定，並且調控了大量的酶反應。其正常狀態的改變可引發ER stress，開啟JNK通路，刺激Bax活化。除此之外，Ca2＋能夠調節Calpain，Calpain切割Bax N端，產生促凋亡片段，可促進凋亡反應。
除了上述主要信號通路外，還有其他介導凋亡的途徑，有些作用機制還不是很清楚。也許正是因為神秘的特質，所以生命科學激發著一代又一代科研工作者的興趣。這是一片廣闊而有趣的微世界，也正等待著我們的積極探索。當它神秘的面紗一點一點被揭開，當我們一步一步地更加了解自己，當人類的疾病和苦痛因為某項發現或某種發明得到了緩解，我們是不是應該迎著朝陽感慨道：且將新火試新茶，科研，趁年華！
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參考文獻
[1] 蔣紅，李繼昌，王宏軍. 細胞凋亡的信號通路和檢測方法. 中國飼料，2012（13）：24-29.
[2] Xiong, S.B., et al., 2014. Mitochondria-mediated apoptosis in mammals. Protein & Cell, 5(10), 737-749.
[3] Zhang, F., et al., 2015. Polygala tenuifolia polysaccharide PTP induced apoptosis in ovarian cancer cells via a mitochondrial pathway. Tumour Biol, 36(4), 2913-9.
[4] Obexer, P., and Ausserlechner, M.J., 2014. X-Linked Inhibitor of Apoptosis Protein – A Critical Death Resistance Regulator and Therapeutic Target for Personalized Cancer Therapy. Front Oncol, 4, 197.
[5] Wang, W.A., Groenendyk, J., and Michalak M., 2014. Endoplasmic reticulum stress associated responses in cancer. Biochim Biophys Acta, 1843, 2143–2149.
[6] Liu, K., et al., 2017. Roles of endoplasmic reticulum stress and apoptosis signaling pathways in gynecologic tumor cells: A systematic review. Oncology and Translational Medicine, 3(3), 131-135.
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