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分子編程或能逆轉(zhuǎn)細胞凋亡及其他形式的細胞程序性死亡。

2007年，鄧浩雯停下她在愛荷華州立大學的本科學習，參加到在香港中文大學攻讀博士的哥哥鄧浩林的工作中。那時，鄧浩林在馮明釗的免疫學實驗室研究細胞骨架破壞對細胞凋亡（apoptosis）中線粒體破碎的作用。細胞凋亡是研究最多的細胞自殺形式，但兄妹二人認為一個更基本的問題還懸而未決：一旦細胞凋亡啟動，細胞還能從一地雞毛中重生嗎？

細胞凋亡的啟動因素眾多，但任何途徑最終的劊子手都將是胱冬肽酶（caspase）。胱冬肽酶肆意破壞細胞中數(shù)以百計的各類蛋白質(zhì)，損傷染色體，攻擊組成細胞器的結(jié)構(gòu)蛋白，并拆解細胞骨架，于是細胞皺縮、出泡、破碎，看似已無回天之力。“在那時，其實一直到現(xiàn)在，大家的看法都是細胞凋亡不可逆，”鄧浩林回憶道，“我和浩雯很好奇，事實果真如此嗎?”

兄妹二人試著用乙醇之類的有毒物質(zhì)處理人類癌細胞，觀察到特征性的細胞凋亡征兆，如胱冬肽酶的激活和細胞皺縮。接著，他們并沒有就這樣在實驗結(jié)束后扔掉那些“死”細胞?！拔覀兿慈ザ舅兀尤胄迈r的培養(yǎng)基，然后培養(yǎng)過夜。”鄧浩林說。

“第二天早上觀察的時候，我們都很驚訝，有些細胞又恢復(fù)了正常的形態(tài)?！彼麄兘o這個現(xiàn)象命名為“復(fù)活（anastasis）”。apoptosis一詞在希臘語中有“墜落、降落”之意，這一現(xiàn)象保證了細胞群的正常周轉(zhuǎn)，像是花謝時落下的花瓣，或是滿地的秋葉。而anastasis則是其反面，意味著“升起”，同時在基督教中也指耶穌復(fù)活。

學術(shù)圈最初對細胞復(fù)活持懷疑態(tài)度。“我們的發(fā)現(xiàn)相當有爭議，最開始的幾篇文章在3年內(nèi)被拒稿11次以上?！编嚭屏终f。他現(xiàn)在是約翰霍普金斯大學的分子和遺傳生物學家。

在鄧浩林加入約翰霍普金斯大學細胞和發(fā)育生物學家丹妮斯·蒙特爾（Denise Montell）的實驗室后，得到了更多有關(guān)細胞復(fù)活的實驗證據(jù)。同他的新實驗團隊、他之前在中國的同事以及他的妹妹——她讀完碩士學位后從愛荷華州跟著哥哥來到了巴爾的摩——一起，鄧浩林的實驗對象不再局限于海拉（Hela）細胞這種人類癌細胞系，也拓展到培養(yǎng)的小鼠肝細胞、大鼠心臟細胞、白鼬腦細胞以及包括成纖維細胞的多種人類細胞。實驗中，細胞似乎也能從凋亡晚期恢復(fù)，甚至DNA被破壞和細胞破碎后也是如此。“我們錄下了一段人類肺癌細胞皺縮、出泡，最后恢復(fù)過來的影像，那時我就認定這一現(xiàn)象意義重大，”現(xiàn)就職于加州大學圣芭芭拉分校的蒙特爾表示，“這很驚人?！?/p>

2012年，這一現(xiàn)象正式被命名為“細胞復(fù)活”，之后，研究者鉆研于細胞在凋亡時被嚴重破壞后復(fù)原的具體機制?？茖W家見證了培養(yǎng)的人類細胞中破碎的線粒體又恢復(fù)原樣，以及細胞凋亡過程中mRNA的產(chǎn)生與儲存，猶如是計算機的高速緩沖儲存器，啟動并推進了細胞的復(fù)活。同時也發(fā)現(xiàn)了果蠅體內(nèi)存在細胞復(fù)活的證據(jù)。

“我們一致認為細胞凋亡現(xiàn)象是要么有要么無的，所以這一發(fā)現(xiàn)相當有趣，我們一舉推翻了一直以來的看法，”英國格拉斯哥大學細胞生物學家史蒂芬·泰特（Stephen Tait）說，“胱冬肽酶破壞了細胞中那么多蛋白質(zhì)，細胞不像能活下來的樣子，而事實恰恰相反?！?/p>

“這將改變科學家們在細胞層面對生存和死亡的定義，”匹茲堡大學醫(yī)學中心免疫學家和細胞生物學家鞏乙南（Yinan Gong）補充道，“對細胞而言，死亡是什么呢？”

細胞如何幸存

細胞可以活很久，甚至可以長達幾年，然而一旦細胞凋亡開始，死亡會立刻降臨。胱冬肽酶被激活后的10分鐘內(nèi)，細胞將出現(xiàn)可見的變化：細胞皺縮，細胞膜扭曲，DNA固縮成束而后裂解開來。胱冬肽酶同時也使磷脂酰絲氨酸分子從細胞膜內(nèi)外翻，成為吞噬細胞的吞噬標記。法國里昂大學的細胞生物學家加布里埃爾·伊希姆（Gabriel Ichim）說：“激活胱冬肽酶就像雇了一個殺手，它在5到10分鐘內(nèi)分解幾百個細胞內(nèi)容物并殺死細胞?！?/p>

細胞凋亡的因素可能多種多樣，但是最終都會啟動胱冬肽酶，它破壞細胞的DNA、細胞器和細胞骨架。它也募集其他細胞吞噬將死細胞的殘骸。即使這一細胞自殺途徑已經(jīng)啟動，細胞仍然能通過細胞復(fù)活這一新發(fā)現(xiàn)的過程來進行恢復(fù)。但如果細胞復(fù)活發(fā)生于細胞凋亡晚期，那么幸存的細胞會有很多染色體瘢痕，以及一些其他的基因缺陷，可能造成惡性腫瘤的發(fā)生。

2015年，伊希姆、泰特和一些同事在培養(yǎng)的人類細胞中發(fā)現(xiàn)了與細胞復(fù)活相似的另一種現(xiàn)象，稱為“失敗的凋亡”：細胞在部分經(jīng)歷凋亡的特征性變化后又恢復(fù)了。過去認為當細胞線粒體開始漏出細胞色素c這一強效胱冬肽酶激活劑后，細胞中所有細胞器將同步地發(fā)生這種變化。然而研究者仔細研究后發(fā)現(xiàn)，有時只有一部分細胞線粒體發(fā)生漏出，意味著只有一小部分胱冬肽酶被激活，于是細胞得以幸存。

“正如細胞復(fù)活，失敗的凋亡同樣說明凋亡的啟動并不像人們常常認為的，是對細胞宣判死刑?！碧┨卣f。但失敗的凋亡發(fā)生于經(jīng)歷部分凋亡進程的細胞——細胞中被激活的胱冬肽酶水平遠低于凋亡成功發(fā)生的情況，也只有一定數(shù)量的酶解目標被破壞。而鄧氏兄妹的發(fā)現(xiàn)完全不同：細胞即使完全經(jīng)歷了凋亡進程，也能夠恢復(fù)。

2019年早些時候，研究者發(fā)表的研究顯示：延時活細胞顯微鏡下海拉細胞的碎片重新組裝成一個形態(tài)上明顯正常的細胞。似乎細胞凋亡的啟動因素無關(guān)緊要，如果條件合適，那么細胞復(fù)活進程將拯救經(jīng)歷了各種打擊的細胞，包括冷性休克、蛋白質(zhì)缺乏以及接觸毒性化學物質(zhì)。鄧氏兄妹和同事們發(fā)現(xiàn)，如果細胞已經(jīng)到了凋亡進程的晚期，線粒體碎片甚至能融合并重新恢復(fù)正常結(jié)構(gòu)?；謴?fù)中的細胞也在幾小時內(nèi)擺脫了細胞膜表面的吞噬標記，因而逃過了吞噬細胞。

2017年，蒙特爾和鄧氏兄妹分別獨立發(fā)表了細胞復(fù)活分子信號的深入研究。蒙特爾團隊發(fā)現(xiàn)凋亡進程中的海拉細胞在獲得新鮮培養(yǎng)基后，會有超過1 000個基因被上調(diào)，而在一定程度上，這一分子效應(yīng)類似于細胞通過自噬恢復(fù)時發(fā)生的，細胞通過自噬這一進程保證了蛋白和細胞器的回收利用。同時，與細胞恢復(fù)相關(guān)的mRNA在細胞凋亡進程中斷前就顯著積累，意味著細胞在凋亡進程早期就開始為可能的細胞復(fù)活做好了準備。在小鼠原代肝細胞的實驗中，鄧氏兄妹和同事們注意到涉及受損線粒體、有害自由基和一些其他細胞組分清除的基因發(fā)生了顯著變化，同時發(fā)生細胞周期的阻滯，或許是為細胞修復(fù)創(chuàng)造條件。

細胞的第二次生命?；罴毎簿劢癸@微鏡下的海拉細胞：上圖為誘導(dǎo)產(chǎn)生細胞凋亡前；中圖為用乙醇誘導(dǎo)細胞死亡后；下圖為清洗后用新鮮培養(yǎng)基培養(yǎng)30小時后

泰特說：“關(guān)鍵信息很明確，細胞死亡沒有被正確定義，我們曾經(jīng)認為細胞非死即活，但我現(xiàn)在認為生死間存在著大量的灰色地帶?！?/p>

證實細胞復(fù)活

盡管科學家開始認為細胞凋亡并非最終結(jié)局，但仍然有人對這些結(jié)論持懷疑態(tài)度。其中一種懷疑觀點是這些暴露于凋亡誘導(dǎo)因素的細胞是否真正激活了胱冬肽酶，或者是這些細胞實際上從中逃逸出來，而并沒有激活最終的劊子手。這些經(jīng)歷了細胞復(fù)活的細胞與周圍的健康細胞難以區(qū)分?！拔覀兒茈y長期追蹤這些幸存下來的細胞，尤其是在體內(nèi)?！币料Ｄ氛f。

為了追蹤體內(nèi)凋亡后幸存下來的細胞，鄧氏兄妹和蒙特爾分別在2015和2016年開發(fā)了基因結(jié)構(gòu)CaspaseTracker7和CasExpress8，它們在胱冬肽酶激活時產(chǎn)生熒光蛋白，并能夠保持發(fā)出熒光的狀態(tài)。單細胞和延時活細胞顯微鏡就能以此掌握細胞的命運。

這種手段讓試驗組首次觀察到體內(nèi)的細胞復(fù)活。鄧氏兄妹和蒙特爾利用這些基因結(jié)構(gòu)，觀察到果蠅胚胎中多種組織在表現(xiàn)出如細胞皺縮和膜出泡這類細胞凋亡特征后，完全恢復(fù)的過程中，胱冬肽酶確實被激活。研究者如今在探究嚙齒類動物是否也是如此。

但這一結(jié)果還不能說明問題，其中一種質(zhì)疑的聲音是胱冬肽酶并非僅僅在細胞死亡中有它的作用。譬如，“在神經(jīng)系統(tǒng)中，與學習和記憶相關(guān)的神經(jīng)元修剪過程也激活了胱冬肽酶，”斯坦福大學化學生物學家斯考特·迪克遜（Scott Dixon）提到，“因此，胱冬肽酶并非就是細胞凋亡的特征性標志?！?/p>

蒙特爾和她的同事們注意到細胞復(fù)活與其他涉及胱冬肽酶過程的不同之處：非凋亡胱冬肽酶的激活僅僅發(fā)生于過程中的特定階段，并出現(xiàn)在組織的所有同類細胞中；在細胞復(fù)活過程中，則在時間上分散地出現(xiàn)于任意細胞中。但蒙特爾也同樣認為，在明白究竟發(fā)生了什么之前，還有許多工作要做。假設(shè)細胞確實可以在某些情況下從細胞凋亡或其他一些看似致命的過程中恢復(fù)，那么這種現(xiàn)象有多廣泛，而又有多重要呢？“這是全新的領(lǐng)域，”不列顛哥倫比亞大學細胞和分子生物學家舒卡特·德哈爾（Shoukat Dedhar）說，“除了要證實鄧氏兄妹、蒙特爾和其他人的早期發(fā)現(xiàn)外，研究者還要探討這一現(xiàn)象的存在意義。”

細胞凋亡恢復(fù)的效果

“細胞復(fù)活的功能可能是一種細胞存活機制，”鄧浩林指出，“由此細胞可以在面對暫時的困境時，限制永久性的損傷?！北热缯f，發(fā)育中器官內(nèi)的組織有可能會短暫地缺乏生長因子，這可能導(dǎo)致細胞在快速增殖的同時發(fā)生細胞凋亡。蒙特爾和她的同事們發(fā)現(xiàn)果蠅發(fā)育時體內(nèi)可能存在細胞復(fù)活現(xiàn)象，幼蟲腦和成蟲盤中的細胞可能從胱冬肽酶手中存活下來，并隨著變態(tài)過程，成長為成蟲肢體和器官。

細胞復(fù)活同時可能有利于進化，鄧浩林說：“我們的研究顯示果蠅生殖細胞在短暫暴露于像饑餓和冷性休克等生理和環(huán)境應(yīng)激后，會出現(xiàn)細胞復(fù)活的現(xiàn)象。而這提高了細胞獲得新變異的概率，這種變異來自細胞凋亡，并能傳給后代?！?/p>

細胞復(fù)活的作用可能不只是單純的自我保護。2012年，鄧氏兄妹和蒙特爾發(fā)現(xiàn)在細胞從凋亡恢復(fù)的過程中，可以修復(fù)損傷的基因，但修復(fù)過程中可能出錯。因此，存活下來的細胞會有染色體異常和其他的基因缺陷，并可能發(fā)展為惡性腫瘤。這意味著如果細胞反復(fù)多次經(jīng)歷命懸一線的困境，如組織反復(fù)受到損傷，會產(chǎn)生更高癌變的概率，例如酗酒導(dǎo)致肝癌，經(jīng)常飲用熱飲導(dǎo)致口腔、食管或胃癌。據(jù)泰特、伊希姆和他們同事的研究結(jié)果，即使細胞凋亡沒有進行到底，損傷并不那么嚴重，但細胞染色體可能會因此變得不穩(wěn)定，有些細胞甚至可能發(fā)展為惡性腫瘤。“我們長時間追蹤細胞來研究它是否會癌變，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它們的染色體變得不穩(wěn)定了，”伊希姆說，“變得咄咄逼人，小鼠會在體內(nèi)形成較大的腫瘤?！?/p>

細胞逃脫程序性死亡的能力也許還能夠解釋一些治療方法對癌細胞效果不佳。放療和一些常用的化療藥正是通過誘導(dǎo)細胞凋亡進行治療，這對大部分腫瘤細胞是有效的，然而一旦有幸存的癌細胞，那么就有復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移的可能性?！斑@些癌細胞可能會進一步通過變異獲得耐藥性。”德哈爾說，他現(xiàn)在正在尋找那些“從鬼門關(guān)回來的”癌細胞被激活的分子途徑。

鄧浩林和同事們發(fā)現(xiàn)果蠅體內(nèi)細胞復(fù)活的過程中，與血管生成和細胞遷徙相關(guān)的基因會被激活，這一過程增強細胞吸收營養(yǎng)、清除廢物的能力，有利于細胞從凋亡中的恢復(fù)。而這些變化也能加強癌細胞的傳播能力。

如果癌癥和細胞復(fù)活間存在這種聯(lián)系，那么靶向這一過程的干預(yù)治療將預(yù)防癌癥發(fā)展，或?qū)⑵涠髿⒂趽u籃之中。鄧浩林說：“在治療癌癥過程中和之后抑制垂死癌細胞的復(fù)活將是一種全新的治療策略，它能夠阻止癌癥復(fù)發(fā)，治愈癌癥。”

他同時提到，與之相反的情況是，對于那些不可再生細胞受損造成的疾病，譬如心肌細胞和神經(jīng)元疾病，細胞復(fù)活或許也能成為一種治療手段。“現(xiàn)在我們實驗室的一個主要研究方向是找出細胞復(fù)活的調(diào)控手段，以及促進或抑制細胞復(fù)活的小分子，”鄧浩林說，“這些研究成果將給我們提供控制細胞復(fù)活的必要工具，以此為基礎(chǔ)，會打開探索細胞復(fù)活潛在功能和疾病治療價值的新天地。”

最根本的是，更好理解細胞復(fù)活除了能夠救治受傷患疾的細胞，還將讓科學家更好地理解細胞死亡。“我們怎樣才能在單細胞層面上預(yù)測細胞的命運，這個問題是我們的圣杯，”鞏乙南說，“比如說，如果我們對腫瘤進行放射治療，我們也許知道腫瘤會縮小90%，但我們不知道是哪90%。預(yù)測哪些細胞會死亡，又會怎么死亡，這些有利于我們將副作用最小化，而療效最大化。這才是細胞死亡的2.0版本?！?/p>

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細胞復(fù)活：細胞如何騙過死神

啟動細胞凋亡的因素可能多種多樣，但是最終都會啟動胱冬肽酶，它破壞細胞的DNA、細胞器和細胞骨架。它也募集其他細胞吞噬將死細胞的殘骸。即使這一細胞自殺途徑已經(jīng)啟動，細胞仍然能通過細胞復(fù)活這一新發(fā)現(xiàn)的過程來進行恢復(fù)。但如果細胞復(fù)活發(fā)生于細胞凋亡晚期，那么幸存的細胞會有很多染色體瘢痕以及一些其他的基因缺陷，可能造成惡性腫瘤的發(fā)生。

細胞凋亡

細胞復(fù)活

1.細胞凋亡的啟動因素有很多。一旦細胞凋亡啟動，會出現(xiàn)線粒體外膜通透化（MOMP），是線粒體破裂過程的關(guān)鍵

2.MOMP促使細胞色素c和一些其他因子釋放，啟動凋亡小體的形成，它具有激活胱冬肽酶的作用

3.胱冬肽酶破壞DNA修復(fù)相關(guān)蛋白，并激活破壞DNA的酶

4.胱冬肽酶同時攻擊細胞骨架細胞，導(dǎo)致細胞皺縮變形

5.細胞膜分子磷脂酰絲氨酸從膜內(nèi)外翻，成為吞噬細胞的標記，促進吞噬細胞的吞噬

1.一定數(shù)量的熱休克蛋白將抑制MOMP和胱冬肽酶的激活

2.破碎的線粒體重新黏附在一起，同時一部分完好或有部分功能的線粒體為細胞恢復(fù)提供能量

3.細胞在因凋亡而死亡前，內(nèi)部會累積mRNA，這有利于細胞的快速恢復(fù)

4.受損的蛋白、線粒體和其他細胞組分通過自噬或其他途徑被清除

5.細胞表面磷脂酰絲氨酸的吞噬標記被去除

6.細胞復(fù)活能誘導(dǎo)血管生成和細胞遷徙，有利于細胞吸收營養(yǎng)，并清除凋亡產(chǎn)生的廢物。同時它阻滯細胞周期給細胞修復(fù)的時間

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死亡的多面性

細胞復(fù)活并非是給細胞緩刑的唯一形式。2018年，匹茲堡大學醫(yī)學中心的免疫學家和細胞生物學家鞏乙南和同事們出乎意料地在有關(guān)哺乳動物細胞基因沉默的實驗中，發(fā)現(xiàn)了細胞程序性死亡的另一種形式——壞死性凋亡（necroptosis）同樣能夠被逆轉(zhuǎn)。

細胞壞死是細胞在遭受傷害或應(yīng)激后產(chǎn)生的失控反應(yīng)，而壞死性凋亡則是程序性的壞死過程，其中一種具有混合系列蛋白激酶樣（mixed lineage kinase-like，MLKL）結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)在細胞膜上開孔，破壞細胞。鞏乙南和同事們發(fā)現(xiàn)壞死性凋亡并非一定致命。ESCRT-III蛋白復(fù)合物能夠?qū)⑦@些孔道分離開來，形成新的膜泡。而將這些膜泡分離出去就能夠修復(fù)細胞，這一過程被稱為“復(fù)蘇”。實驗組猜測壞死性凋亡將在MLKL徹底淹沒ESCRT-III后發(fā)生。

另一些細胞死亡形式也能逆轉(zhuǎn)。2012年，斯坦福大學的化學生物學家斯考特·迪克遜發(fā)現(xiàn)細胞鐵死亡（ferroptosis）這種依賴鐵元素的細胞死亡形式，能夠以脂溶性抗氧化劑和鐵螯合劑進行治療并逆轉(zhuǎn)?！耙恍┤苏J為一旦細胞暴露于致命的刺激后，就沒有生還的機會了，”迪克遜說，“但研究告訴我們即使細胞受到了致死的刺激，在一定時間內(nèi)還是有機會進行干預(yù)并救回細胞的?！?/p>

即使細胞侵入性死亡（entosis）這種可怕的細胞死亡形式——細胞活吞另一個細胞——也是可逆的，被吞入的細胞會脫離出來，并繼續(xù)活下去?！凹毎煌塘酥?，它的細胞核看起來還是正常的，細胞膜也是正常的，通過延時攝影，我們發(fā)現(xiàn)它能夠逃出來并繼續(xù)分裂，功能相當正常，”紐約紀念斯隆-凱特琳癌癥中心細胞生物學家邁克·奧爾霍爾茲（Mike Overholtzer）說，“細胞甚至被吞噬了也能進行分裂，然后逃脫，活性很好?！彼屯聜儼l(fā)現(xiàn)侵入性死亡在人類癌癥中很普遍，但決定被吞噬細胞命運的是什么仍不明晰。

總而言之，這說明這些途徑并不一定意味著死亡?！爱斸t(yī)生宣判一個人的死亡時，現(xiàn)在其明確的定義是腦死亡。我們明白當病情發(fā)展到一定程度，醫(yī)生就無能為力了，”鞏乙南說，“但細胞究竟是到了哪才能說它無力回天呢？”

細胞侵入性死亡

細胞侵入性死亡中，一個細胞活吞了另一個細胞，并在體內(nèi)通過溶酶體殺死并消化掉它。有時被吞噬的細胞能活下來，甚至在內(nèi)部繼續(xù)增殖并一同逃離。

壞死性凋亡

細胞壞死是細胞在遭受傷害或應(yīng)激后產(chǎn)生的失控反應(yīng)，而壞死性凋亡則是程序性的壞死過程。該進程中，MLKL蛋白質(zhì)在細胞膜上開孔，細胞破裂。但細胞可以通過ESCRT-III蛋白復(fù)合物緩解這一進程，它通過形成膜泡將這些孔道進行分離。將這些膜泡分離出去就修復(fù)了細胞，這一過程被稱作“復(fù)蘇”。

細胞鐵死亡

細胞鐵死亡是一種被調(diào)控的細胞死亡形式，其依賴鐵元素。當細胞攝取和代謝半胱氨酸這種氨基酸（胱氨酸是半胱氨酸的氧化二聚體）異常時，就會啟動這一通路。一旦細胞鐵死亡啟動，細胞將在幾小時內(nèi)死亡。但研究者們通過注射脂溶性抗氧化劑或鐵螯合劑保護細胞，避免了細胞鐵死亡。