中国细胞生物学学报 Chinese Journal of Cell Biology2021，43⑴：39~46DOI: 10.11844/cjcb.2021.01.0006
一种新的细胞死亡形式---parthanatos研究进展
杨希瑶张娜杨洋徐天瑞*安输*
(昆明理工大学生命科学与技术学院，云南省高校靶点药物筛选与利用重点实验室，昆明650000)
摘要 作为一种不同于凋亡的新型调控性细胞死亡形式，parthanatos与神经退行性疾病、中风、谷氨酸兴奋性中毒、活性氧(R O S)诱导的损伤和肿瘤等诸多疾病的发生发展密切相关。由于 多聚A D P核糖聚合酶-l(ADP-ribose p〇lymerase-l,P A R P-1)的异常活化是诱发parthanatos发生的先 决条件，所以parthanatos亦被称为P A R P-1介导的细胞调亡。此夕卜，调亡诱导因子(apoptosis inducing factor,A I F)和巨嗤细胞迁移抑制因子(migration inhibitory factor,M I F)亦是parthanatos发生过程的关 键因子。该文欲对parthanatos发生的分子机制及parthanatos对相关疾病发生发展影响的最新研究 进展作一综述。
关键词 parthanatos；渦亡诱导因子；多聚A D P核糖聚合酶-1；巨嗤细胞迁移抑制因子；细胞凋亡
Recent Progress in Parthanatos—a New Form of Cell Death
Y A N G Xiy a o,Z H A N G N a,Y A N G Y a n g,X U Tianrui*,A n S h u*
(Key Laboratory o f Target Drug Screening and Utilization o f Yunnan Province, College o f L ife Sciences and Technology,
Kunming University o f S cience and Technology, Kunming 650000, China)
Abstract A s a n e w form of regulated cell death,parthanatos occurs by a m e c h a n i s m different from apoptosis,and plays a key role in the pathological process of neurodegenerative diseases,stroke,glutamate-induced excitotoxicity,R O S(reactive o x y g e n species)-induced injury and tumors.Because the abnormal activation of P A R P-1i s required for the induction of parthanatos,parthanatos i s also k n o w n as P A R P-1-mediated apoptosis. Additionally,A I F(apoptosis inducing factor)and M I F(macrophage migration inhibitory factor)are also the two key factors in the process of parthanatos.This review will describe the molecular m e c h a n i s m of parthanatos and discuss i t s influence on the occurrence and development of s o m e diseases.
Keywords parthanatos;A I F;P A R P-1;M I F;apoptosis
多聚A D P核糖聚合酶-1(ADP-ribose polymerase-1, P A R P-1)依赖性细胞死亡(parthanatos)是一种新型调 控性细胞死亡，于2008年被H A R R A Z等⑴命名为 parthanatos，“par”代表 P A R(p o l y A D P-ribose)，后缀 “thanatos”来源于古希腊神话，意思是“死亡”。当前 观点认为，根据细胞死亡发生过程的
差异可将其分为两种，细胞凋亡和细胞坏死。细胞凋亡发生时会 伴随许多细胞结构的形态变化，同时需要依赖众多 酶共同协调作用，最终将细胞从体内清除。其最主 要特征在于细胞凋亡对所在组织的伤害较小或是组 织器官发育和重构所需要的。而坏死通常被理解为，当细胞受到严重损伤时，细胞所发生的被动的失控
收稿日期：2020-09-19 接受日期：2020-10-23
国家自然科学基金(批准号：81760264、8】960394)和云南省基础研宄计划重点项目(批准号：202001AS070024)资助的课题
*通讯作者。Tel**************,E-mail:******************;***************.edu
Received: September 19,2020 Accepted: October 23,2020
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No.81760264, 81960394) and the Key Fund of Yunnan Basic Research Program (Grant No.202001 AS070024)
•Correspondingauthors.Tel:+86-871-65939327,E-mail:******************;***************.edu
URL: /arts.asp?id=5425
40.综述.
性死亡。细胞坏死致使细胞中的内含物溢出到周围 组织中并对机体造成损害。其实坏死有时也受多种 信号通路的严密调控，被称为调控性坏死p1，目前己 知的调控性坏死有程序性坏死、铁坏死(ferroptosis)、亲环素D(cyclophilin D,C y p D)依赖的坏死，parthan-atos根据其发生过程与结果也可以被归类为调节性 坏死[31。
Parthanatos的发生过程与凋亡和其他调控性坏 死不同，主要表现在：（l)parthanatos发生时，P A R P-1异常活化并产生大量P A R; (2)线粒体膜发生去极化 时,A T P和N A D P H水平下降，调亡诱导因子(apoptosis inducing factor,A I F)由线粒体进入至胞核；（3) Ca s-pase虽在parthanatos发生后期被激活，但caspase抑制 剂并不能抑制该调控性细胞坏死，但P A R P-1抑制剂 或烈基因敲除可以阻止其发生(4) A I F转移 至细胞核，核内染质凝聚并产生大量15 K b到50 ICb 不等的D N A碎片(表1)。本文将聚焦parthanatos发生 的主要分子机制，综述parthanatos对祌经退行性疾病 及肿瘤发生发展影响研宂的最新进展。
1Parthanatos发生的分子机制
Parthanatos广泛发生于神经退行性疾病、中风、谷氨酸兴奋性中毒、炎症损伤、活性氧(reactive oxygen species,R O S)诱导的损伤和肿瘤等诸多神经和非神经疾病的病理过程中，其在发生过程中会
导致P A R P-1异常活化，产生大量通过糖苷键连接的 A D P-核糖聚合物(poly A D P-ribose,P A R)，而P A R本 身就对细胞具有毒性作用。因此，P A R聚合物信号 传导至线粒体，介导A I F由线粒体向核转移是引起 parthanatos的关键途径。
1.1 DNA损伤后PARP-1的过度激活
作为P A R P超家族中被研宄最为透彻的成员, P A R P-1在细胞内充当D N A损伤感受器的作用(图1)。当D N A受到轻度破坏时，P A R P-1的酶活性可增强近 500倍，P A R P-1以消耗A T P产生的氧化N A D(N A D f)为底物来合成P A R聚合物，细胞中超过95%的P A R聚合物是由P A R P-1合成的叭随后有50~200个P A R聚 合物残基会连接到P A R P自身(自动核糖基化)和其他 核内蛋白(异核糖基化)上，例如组蛋白、拓扑异构酶 I和II、D N A聚合酶、D N A连接酶2、高迁移率基团 蛋白和转录因子等，以实现对D N A的损伤修复来抑 制细胞的坏死['当D N A受到严重破坏时,P A R P-1被过度激活并产生长链分支的P A R聚合物，从而引起线 粒体膜磷脂酰丝氨酸的外在化，线粒体膜电位的耗散，进而导致A I F从线粒体膜上释放至细胞核及染质浓 缩和大规模的D N A片段化(约50 K b)，最终诱发parthan­atos的发生。R O S、过氧化氢 (H202)或羟基自 由基造 成的氧化应激，N O或过亚硝酸盐(O N O O-)引起的亚 硝化应激，炎症、局部缺血(或缺血性再灌注)、缺氧、低血糖和D N A烷基化试剂从甲基硝基亚硝
基胍（A L methyl-A r-nitro-A r-nitrosoguanidine，M N N G)均可直接或间接地损伤D N A'这些损伤均可引起 P A R P-1过度活化，诱使细胞发生parthanatos。
1.2 PAR的介导作用
P A R聚合物作为P A R P-1被过度活化后的产物，是parthanatos级联反应中的关键信号分子。当细胞受 到可以引起D N A显著损伤的有害刺激时，P A R P-1将 过度活化并产生大量的P A R，P A R的有害性随着P A R 的量和结构复杂性的增加而增加，相较于简单和较 短的聚合物，高度复杂的长链聚合物对细胞的损伤 更为严重181。在对帕金森病(Parkinson’s disease,P D)的研宄中发现,P A R对神经元有直接毒性,P A R的产 生加速了病理性a-突触核蛋白(a-syntrophin,a-syn)的形成和a-syn的原纤维化，导致parthanatos发生而引发 细胞死亡。P D患者的脑脊髓液和大脑中的P A R水平 升高，当前学界已明确P A R可介导并加速帕金森病的 神经变性[9]。此外，P A R可作为一种游离的聚合物以 诱导细胞死亡，其也被证明可使多种蛋白
如P A R P-1和A I F均能与P A R结合，P A R与这些蛋白质 的结合可抑制或激活它们的生物学功能。现在普遍 认为，线粒体中约80%的A I F位于线粒体的内膜和膜 间隙，只有约20%的A I F位于线粒体外膜，并且该研 宂表明，P A R只能结合线粒体外膜胞质侧的A I F，并诱 导A I F从线粒体的释放。所以P A R所结合的A I F数量 有限，且P A R引起A I F从线粒体释放的机制亦尚不清 楚。但有研究发现，P A R有可能通过促进瞬时受体电 位M2依赖的钙离子通道开放，增加细胞内钙离子从 而激活calpains，剪切并促进A I F自线粒体释放这为研宄A I F与P A R作用关系提供了思路。
1.3 AIF自线粒体的释放与入核后的DNA剪切
A I F即细胞凋亡诱导因子，在细胞中既充当N A D H氧化还原酶又充当细胞凋亡诱导因子。在 细胞响应碉亡刺激时，它从线粒体膜间隙释放到胞质溶胶和细胞核中[u]。在细胞核中的可溶性
杨希瑶等：一种新的细胞死亡形式---parthanatos研宄进展 41
表1Parthanatos与)周亡和坏死的区别
Table 1The difference between parthanatos and apoptosis/necrosis
类别细胞凋亡细胞坏死
Parthanatos
Types Apoptosis Necrosis
Description Tightly regulated Random and uncontrolled Programmed death
Caspase dependent Great damage to Great damage to
Little damage to
surrounding tissues
surrounding tissues surrounding tissues
Mitochondrial Caspase activation
Mitochondrial depolarization
Irreversible Aym
dissipation
CYTc release
Release of IMA proteins Degradation Depolarization
Irreversible A\j/m dissipation
ATP and NADH depletion
AIF release
CYTc release
Cytoplasmic Shrinkage Swelling (including
organelles)PAR polymer accumulation PAR-AIF interactions
PAR-MIF interactions
AIF translocation to the nucleus
Nuclear PARP cleavage Chromatin digestion Rapid PARP-1 activation (not
Chromatin condensation DNA fragmentation (small-scale, DNA ladder)DNA hydrolysis (smear)cleavage)
PARP-1-mediated PAR synthesis
Chromatin condensation
PAAN activation (putative)
DNA fragmentation (large-scale, ~50Kb)
Structural changes Membrane integrity Loss of integrity Loss of integrity
preserved
Formation of apoptotic bodies Membrane blebbing Phosphatidylserinc extemalization Blebbing
Cell lysis
Phosphatidylserine extemalization
Examples of trigger Death receptor Excitotoxicity Excitotoxicity factors and conditions signalling Ischaemia Ischaemia
DNA damage Stroke DNA damage
Trophic factor Reactive oxygen/nitrogen Stroke
withdrawal Viral infections species Reactive oxygen/nitrogen
species
ATP requirement+-
reactive oxygen species是什么意思
Caspase-dependence+--
Inflammatory component-+-
Major mediators)Caspase Calpains, CYPD, RIP-1, RIP-3PARP-1
PAR, AIF, MIF Pharmacological inhibition Caspase inhibitors Necrostatin-1PARP-1 inhibitors (DPQ) (z-VAD-fmk)Alpain inhibitors MIF inhibitors
Genetic inhibition BCL2 overexpression Inhibition of RIP-1PARP-1 or MIF knockout
Inhibition of caspases (3, 8 and 9)
Inhibition of PP2A or RIP-3AIF down-regulation (e.g. in
harlequin mouse)
+：有；无。CYTc：细胞素C; IM A：缺血修饰白蛋ft; NADH：烟酰胺腺喋呤二核苷酸的还原态(还原型辅_丨)；PAAN: PARP-1依赖的AIF相关 核/^ RIP-丨：受体相互作用蛋白-1; RIP-3：受体相辽作用蛋白-3: PP2A：蛋白磷酸酶2A。
+ :Yes; :No. CYTc: Cytochrome c; IMA: ischemia modified albumin; NADH: nicotinamide adenine dinuc
leotide; PAAN: PARP-1-dependent AIF- associated nuclease; RIP-1: receptor interacting protein-1; RIP-3: receptor interacting protein-3; PP2A: protein phosphatase 2A.
A I F(AlFsol)则可诱导parthanatos发生，使细胞发生不 依赖caspase的染体D N A片段化p31。A I F在细胞中 存在三种形式，分别是分子量为67 k D a、62 k D a和57k D a的A I F。其中在细胞质中表达的A I F前体为67 k D a，之后定位于线粒体并被酶切成62 k D a的成 熟态A I F。当细胞在凋亡诱导因素的刺激下，62 k D a 的A I F又被酶切成57 k D a的A IF，并从线粒体转运至细 胞核，引起染质的固缩和D N A的断裂，进而引起细
42.综述.
PARP
Repair enzymes
activation ■
PARP-1binds to
damaged DNA
磡PARP-1^、
Poly ADP-ribose
degradation
9o PARP
a. NAD- binding site
b: automodification domain
c： DNA binding domain
图1PARP-1参与DNA的损伤修复
Fig.l PARP-1 involved in DNA damage repair
Repaired DN A
胞的凋亡U41。因A[F无明显核酸内切酶活性，所以研 究者一直在寻在parthanatos阔亡途径中起关键
作 用的核酸酶。有研究识别并验证了巨噬细胞迁移抑 制因子(migration inhibitory factor,M I F)是…种P A R P-1依赖性A I F相关核酸酶(parthanatos A I F associated en­donuclease,P A A N)115】。A I F是将M I F募集至细胞核所 必须的，M I F具有3^核酸外切酶和核酸内切酶活性，可 将基因组D N A切割成大片段并使其降解。通过阻止 A r F-M I F复合物的形成或抑制M I F的核酸酶活性来干 扰这种级联反应，可防止D N A片段化并促进细胞存 活。Y A N G等M发现，敲除M/F基因也能够保护神经 元免受parthanatos发生所造成的损伤，在敲除A//F后，D N A链断裂明显减少，证明敲除M/尸能够降低在体内 氧化应激模拟脊髓损伤(spinal cord injury,S CI)之后 parthanatos所造成的神经元细胞损害。还有研宄表明，A I F进入细胞核后可以和组蛋白H2A X及核酸内切酶 C y p A结合，导致D N A降解复合物形成，引起染质浓 集，促进D N A断裂m。
总而言之，parthanatos即PARJP-1依赖性细胞死 亡，其发生依赖于P A R P-1的激活，是一种调控性细 胞坏死。在此过程中，P A R P-1充当D N A损伤感受器，D N A损伤后迅速激活其酶活性致使P A R P-1活性 猛增了近500倍，生成聚合物P A R分散于细胞质或致 使靶蛋白被P A R化，细胞内生成和降解P A R的动态平 衡被打破，从而产生长短不一的P A R@2°]，诱导A I F从线粒体中释放。AIF可以和核酸酶M丨F结合并活化 M I F，A I F和M I F接着易位至细胞核导致核皱缩、染 质凝集并产生15 K b到50 K b不等的大D N A碎片，最终导致细胞发生parthanatos141(图2)。Parthanatos 是一种区别于凋亡和坏死的新型程序性死亡，其主 要特征在于caspase不参与该过程，P A R P-1抑制剂或 基因缺失可以完全阻断p
arthanatos的发生，而caspase抑制剂则不能抑制parthanatos的发生。除 了在脑损伤疾病中，活性氧簇、紫外照射和烷化剂 等诸多因素亦可引起D N A断裂，都能导致P A R P-1过 度活化进而引起parthanatos的发生。其中P A R P-1的过度活化、P A R积累和A I F核位移均是parthanatos发 生的主要标志。
2 Pathanatos对相关疾病发生发展影响 的研究进展
当前研宄表明，parthanatos这种调控性细胞死 亡与诸多疾病如神经退行性疾病、谷氨酸兴奋性中 毒和肿瘤等的发生发展密切相关％。其中parthana­tos在神 经退行性疾病和肿瘤发生发展中的 作用被 研究得最为透彻。
2.1 Pathanatos在神经退行性疾病发生发展中的
作用
神经退行性疾病是由于神经变性引起的慢性 脑部疾病，包括阿尔茨海默柄(Alzheimer’s disease
,
杨希瑶等：一种新的细胞死亡形式---parthanatos研究进展43
Mitochondria
Cytoplasm
图2 Parthanatos发生的分子机制
Fig.2 Molecular mechanism of parthanatos
A D)、帕金森病、亨廷顿氏病(Parkinson’s disease, H D)、肌萎缩性侧索硬化症（A m y o t r o p h i c lateral sclerosis,A L S)，同时也存在急性病变，类似于脑缺血 与再灌注等，这些疾病的典型病理表征为病理蛋白 聚集，或缺血性损伤与脑内氧化应激反应相互作用 加剧应激压力导致线粒体功能障碍，应激伤害累积 导致细胞功能被破坏，最终致使神经细胞以一种独 特的parthanantos形式死亡其与P A R P-1的过度活 化密切相关。
2.1.丨Parthanatos与阿尔茨海默病(A D)神经细胞死亡是神经退行性疾病的主要病理特征之一，对多 种神经退行性疾病模型的研究表明，parthanatos是造 成神经系统疾病中神经元丢失的主要原因M。A D 是最常见的神经退行性疾病，研究发现诱发parthan­atos的主 要蛋白 P A R P-1在罹患 A D的人脑中 活性极 高，且A D患者的脑脊液中有大量游离P A R，并且检 测到高水平M I F[221。M A R T I R E等[231的研
究表明，将 P-淀粉样蛋白注射于T g C R N D8小鼠脑内，之后小鼠 的海1体和脑皮层均出现P A R积累，P A R P-1被异常 激活,A I F发生质核易位％。体外研宄显示，通过将 P A R P-1抑制剂PJ34与T g C R N D8小鼠海马体和脑皮 层细胞共培养，则可减少P A R的积累和抑制P A R P-1的过度激活[25I»T U R U N C B A Y R A I C D A R等1261利用h A P P-J20小鼠与P从P-/基因敲除小鼠杂交，产生
杂交小鼠，A D造模后发现，与野 生型小鼠相比，杂交小鼠的脑部病理症状显著减轻，海马突触结构较为完整，认知功能损伤相对较小。这些数据表明，通过遗传学或药理学方法分别降低 P A R P-丨的表达或抑制其活性，则可显著改善A D模 型小鼠的症状和病理特征。综上所述，P A R P-1在A D 发生发展过程中发挥着重要作用。
2.1.2 Parthanatos与帕金森病(P D)P D是最常见的运动障碍疾病，其神经退化源于a-突触核蛋白纤 维素引起的渐进性年龄依赖的神经元丢失[271，在P D 患者初级神经元酪M酸轻化酶(tyrosine hydroxy丨ase, T H)阳性神经元中，a-突触核蛋白纤维素使P A R P-1过度活化，从而导致P A R积累P A R可以与a-突触 核蛋白相互作用，从而促进更多P A R的聚集，进而 放大其细胞毒性〜91，除了P A R P-1被激活外，A I F也 发生了核易位〜1。同时，在P D患者的脑脊液中发现 P A R水平升高，这表明P A R可能是T O的潜在生物标 志物[91。
帕金森病最主要的病理改变为黑质多巴胺能神经元的变性坏死，纹状体内多巴胺含量明显减少。当前研宄认为，parthanatos特异性地发生在多巴胺能神经元中并促进P D 病理进程的主要原因有:

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