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一、细胞凋亡概述
细胞凋亡的概念与过程
细胞凋亡是由基因控制的细胞自主的有序死亡，以维持内环境稳定。它是一种主动性死亡方式，由体内外因素触发的预先存在的死亡程序而导致。细胞凋亡与坏死不同，属于主动过程，涉及一系列基因的激活、表达以及调控等。
细胞凋亡的过程大致可分为以下几个阶段：首先是接受凋亡信号，细胞可以从外部刺激（如药物、辐射等）或内部环境改变（如缺氧、营养不足等）接收到凋亡信号，启动特定的信号转导通路，主要包括死亡受体通路和线粒体通路等；接着是凋亡调控分子间相互作用，在接收到凋亡信号后，细胞内的一些蛋白质会发生改变，导致凋亡复合体的形成，这些复合体参与执行凋亡程序；然后是蛋白水解酶活化，在凋亡复合体的作用下，细胞会发生一系列生物化学变化，包括 DNA 断裂、细胞皱缩、形成凋亡小体等，此时细胞失去了生物活性，并逐渐分解，这个过程中，细胞不会引发周围的炎症反应；最后是进入连续反应过程，即清除阶段，凋亡的细胞被周围的健康细胞吞噬和清除，这个过程对于维持机体内部环境的稳定至关重要，清除过程主要通过巨噬细胞等免疫细胞来完成。
细胞凋亡在多细胞生物去除异常细胞中起着必要作用，参与生物体进化、内环境稳定以及多个系统发育。凋亡过程的紊乱可能与许多疾病的发生有关系，如肿瘤、自身免疫性疾病等。人的部分生理结构属于自然凋亡，如尾部的自动凋亡。细胞凋亡由于其 “自杀性”，对其他存活细胞没有明显影响，对机体的生理功能没有影响，也不会引起机体产生病理现象。若有其他疑问，建议咨询相关专业人士。
二、影响细胞凋亡的分子工具
1. 分子胶类工具
北京生命科学研究所所长王晓东团队与清华大学结构生物学高精尖创新中心的王宏伟团队、黄牛团队和齐湘兵团队合作，解析了三种结构不同的小分子化合物处理条件下的 PDE3A - SLFN12 复合物结构。三种小分子化合物 anagrelide、nauclefine、DNMDP 都能使 PDE3A 和 SLFN12 这两个蛋白质形成复合物，一旦形成该复合物，细胞就会出现凋亡现象。
基于所获得的 PDE3A - SLFN12 复合物结构模型与小分子结合模式，研究人员选用临床上药代动力学、药效学和安全性都较好的阿那格雷作为目标分子进行优化改造。结果表明，改造后的阿那格雷类似物诱导细胞发生凋亡的活性更高，且在小鼠成瘤模型实验中具有更强的抑制肿瘤生长的潜力。同时，研究人员还证实阿那格雷是通过 PDE3A - SLFN12 通路直接诱导了血小板生成的前体巨核细胞的凋亡。
不同结构的小分子化合物都能结合 PDE3A，是因为该蛋白的底物结合区域能容纳结构不同的化学基团。而这些小分子化合物能否激活细胞凋亡取决于其是否具有能与 SLFN12 结合从而把 PDE3A 和 SLFN12 “黏” 在一起的分子胶水的性质。该研究创造出了更有效的细胞凋亡诱导分子，为开发新型肿瘤治疗药物奠定了基础。
2. RIPK1 分子
RIPK1 是一个能决定细胞生死的双面分子，在同样一种细胞内可以决定细胞的生死，通过不同的下游信号途径，既可以促进细胞凋亡和坏死，也能引起细胞的分化存活。
上海营养与健康所章海兵研究组发现 RIPK1 的一个主要的泛素化位点 Lys376 的泛素化修饰是决定细胞命运的关键。Lys376 是 RIPK1 蛋白上的重要泛素连接位点，可以通过连接 K63 泛素链招募下游 IKK 复合体，从而激活 NF - kB 信号通路。利用 CRISPR - Cas9 基因编辑系统，研究人员构建了 RIPK1 K376R 位点突变的小鼠，发现纯合突变的小鼠在胚胎发育至 12.5 天时死亡。从突变小鼠胚胎分离的成纤维细胞对于 TNF - a 介导的细胞凋亡和细胞坏死表现出较野生型细胞更强的敏感性，而 RIPK1 的激酶抑制剂 Necrostatin - 1 能够有效抑制突变细胞的过度死亡。在突变小鼠的背景下同时敲除介导细胞凋亡的蛋白 FADD 和介导细胞坏死的蛋白 RIPK3 或 MLKL 能够使突变小鼠存活至成年。当小鼠仅携带一半剂量的突变基因时，该小鼠也能够存活至成年。这些结果说明，在胚胎正常发育过程中，Lys376 介导的 RIPK1 泛素化能够 “关闭” RIPK1 的激酶活性，从而抑制细胞异常的细胞凋亡和程序性坏死，保证胚胎的正常发育。
此外，研究人员发现在突变小鼠的基础上敲除 TNFR1 也能够阻止突变小鼠的胚胎致死，但是该双突变小鼠在出生后两周内会发生严重的系统性炎症。敲除 RIPK3 可以显著抑制这种系统性炎症疾病的发生。这些结果说明，在小鼠出生后，Lys376 介导的 RIPK1 泛素化能够抑制 RIPK3 依赖的系统性炎症。
综上所述，该研究阐明了 RIPK1 Lys376 位点通过调控 RIPK1 的激活介导的细胞死亡及炎症信号通路，从而调控胚胎发育和炎症性疾病的分子机制，为今后探究 RIPK1 的泛素化修饰在相关疾病中的作用以及寻找潜在药物靶点提供了新的思路。
3. lncRNA_RPA3_AS1/miR - 203a - 3p/BAG3 分子轴
国际检验医学杂志 2021 年 14 期刊登的内容显示，lncRNA_RPA3_AS1 可能通过影响 miR - 203a - 3p/BAG3 分子轴，促进人心肌细胞的活力并抑制其凋亡，从而保护人心肌细胞。
三、细胞膜穿透的分子工具
1. 小分子探针
小分子探针具有独特的优势和广泛的应用价值。它是一类特殊的有机化合物，通常具有低分子量，能够与特定生物分子相互作用，通过物理富集或化学反应形成可测量的信号变化，以实现对特定生物目标的定位或调控。
由于小分子探针分子量小、渗透性强，能够轻易穿透细胞膜，因此在生物医学研究和临床应用中具有重要价值。在实际研究中，小分子探针被用于跟踪生物分子的活动、检测细胞中的特定反应或研究特定的生物过程。例如附着荧光标签的小分子探针，可以帮助科学家直观地观察细胞内的特定分子如何移动并与其他分子互动。
小分子探针合成简单、特异性高、生物相容性好且稳定性高，具有使用灵活、成本较低的特点，使其成为生物医学研究和临床应用的有力工具。在疾病研究方面，可用于研究细胞内生物大分子的功能、信号通路和调控机制，阐述疾病发生发展过程中的分子机制；在药物研发领域，可用于发现潜在药物靶点，筛选先导化合物，以及评估候选药物的靶点亲和力、选择性、脱靶效应等性质，从而提高辅助药物的临床转化成功率；在临床诊断方面，可用于检测疾病标志物、分析药物靶点相互作用，从而实现早期诊断和个性化治疗。
随着研究的不断深入，小分子探针的功能及应用范围不断拓宽。一方面，兼具成像和组学能力的双功能探针开始涌现，为研究者提供了更准确、全面的信息，极大提升了小分子探针的适用范围和准确性。另一方面，结合放射性同位素、稳定同位素、荧光染料、亲和标签、生物正交化学、可逆共价基团、光激活基团等，小分子探针还开发出许多新功能。例如，结合生物正交化学，小分子探针实现了多个目标分子的同时标记和共定位分析；新型稳定同位素标签和定量质谱分析方法的创新，提高了组学分析的准确性和通量，加速了疾病分子机制的研究；采用双光子、近红外、长余辉等多种各具优势的成像策略，可以提高小分子探针在组织深度和分辨率方面的能力；结合人工智能和机器学习，可以实现海量数据分析，优化探针设计，并从复杂图像中提取关键信息。
未来，结合柔性电子传感技术，小分子探针还有可能发展为穿戴或便携式的诊断仪器，创造全新的主动健康管理方式，这一策略有望推动小分子探针在精准医学和转化医学领域作出重要贡献。
2. 脂质体衍生物 DSPE - Hyd - PEG - CY7
DSPE - Hyd - PEG - CY7 是一种先进的生物分子探针，它结合了磷脂、聚乙二醇以及荧光染料 CY7 的特点，具有良好的生物相容性和细胞膜穿透能力，可用于生物成像和药物载体。
DSPE - Hyd - PEG - CY7 由磷脂（DSPE，二硬脂酰磷脂酰乙醇胺）、聚乙二醇（PEG）以及荧光染料 CY7 组成。其中，DSPE 是一种常用的磷脂分子，具有良好的生物相容性和细胞膜穿透能力；PEG 则是一种亲水性聚合物，能够增加分子的水溶性并减少非特异性吸附；而 CY7 则是一种近红外荧光染料，具有强烈的荧光发射特性。
Hyd（酰腙键）作为 DSPE - Hyd - PEG - CY7 分子结构中的重要组成部分，连接着 DSPE 和 PEG - CY7 两部分。酰腙键是由氮原子和碳原子之间的共价键形成的，这种结构特点使得 DSPE - Hyd - PEG - CY7 具有较高的稳定性，能够承受一定的化学反应条件。同时，酰腙键的引入还使得该分子在特定条件下能够实现可控的断裂和重组，从而实现对药物的精确控制释放。
DSPE - Hyd - PEG - CY7 的荧光特性使其在生物成像领域具有显著优势。近红外荧光成像具有组织穿透力强、信噪比高等优点，特别适用于体内深层次的生物结构观察和药物跟踪。通过 DSPE - Hyd - PEG - CY7 的荧光信号，研究人员可以实现对生物样品、细胞或动物体内特定区域的非侵入式成像，为生物医学研究提供有力的工具。
此外，DSPE - Hyd - PEG - CY7 还可以作为药物载体，实现药物的靶向传递和控制释放。通过将药物与 DSPE - Hyd - PEG - CY7 结合，研究人员可以将药物精确送达病变部位，并通过改变外部环境（如温度、光照等）来调节药物的释放速度和量，从而提高治疗效果并减少副作用。
3. 细胞转染试剂
细胞转染试剂是一种用于将外源核酸（如 DNA、RNA）传递到细胞内的物质。其作用机制可以概述为细胞膜穿透机制和核酸释放机制。
一、细胞膜穿透机制
细胞转染试剂可以通过不同的机制穿透细胞膜，从而将外源核酸传递到细胞内。其中常见的机制包括：
离子共价结合：转染试剂可以与 DNA 或 RNA 形成带电复合物，利用复合物与细胞膜上的负电荷之间的吸引作用来穿过细胞膜。
脂质体介导：某些转染试剂是由脂质体组成的，脂质体与细胞膜融合后将载体内的核酸释放到细胞内。
蛋白质介导：一些转染试剂可以与核酸形成蛋白质 / 核酸复合物，利用细胞膜上的蛋白质受体介导转运。
二、核酸释放机制
一旦转染试剂穿透了细胞膜，核酸需要被释放到细胞质中，以发挥其功能。
破坏性释放：某些转染试剂通过破碎或破坏载体来释放核酸到细胞质中。
温和释放：温和的转染试剂可以保护载体，通过一些不同的刺激来使核酸渗透出转染试剂，进入细胞质。
胞吞作用：某些转染试剂可以促进细胞膜的内胞吞作用，将溶液及其中的核酸引入细胞质。
4. 细胞穿膜肽
细胞穿透肽是一类以非受体依赖方式、非经典内吞方式直接穿过细胞膜进入细胞的多肽，可携带多种生物活性物质进入细胞，跨膜机理包括倒置胶粒模型、直接穿透和内吞方式。
细胞穿透肽的一个重要特点是可以携带多种不同大小和性质的生物活性物质进入细胞，包括小分子化合物、染料、多肽、多肽核酸、蛋白质、质粒 DNA、siRNA、200nm 的脂质体、噬菌体颗粒和超顺磁性粒子等，这一性质为其成为靶向药物的良好载体提供了可能。
不同的细胞穿透肽跨膜机制不同，一个细胞穿透肽的具体机制有赖于几个参数，如分子大小（携带物质）、温度、细胞类型和细胞内外的稳定性等。细胞穿透肽进入细胞的具体机制目前还不清楚，比较流行的推测包括以下三种：
A：倒置胶粒模型，CPPs 通过细胞膜上磷脂分子的移动形成倒置胶粒结构，而进入胞浆。
B：直接穿透，即孔隙结构模型，CPPs 在细胞膜上组成跨膜的孔隙结构而进入胞浆。
C：内吞方式进行细胞摄取。
细胞穿透肽 HIV TAT 可以以直接穿透和内吞两种方式进入细胞。HIV TAT 或者简单的多聚精氨酸可被设计作为有效的药物载体，但 CPP（如 HIV TAT）是如何实现胞膜转运，目前仍不清楚。简单的 HIV TAT 是如何促进象直接穿透和内吞作用的入胞机制的呢？来自 Gerard Wong 实验室的研究人员研究了在不同的条件下，HIV TAT 是如何与细胞质膜、细胞骨架、特异的胞膜受体相互作用，从而诱导了多重转运途径。有趣的是，TAT 在不同条件下可与同一序列发生多种不同的反应，因而与胞膜、细胞骨架、特异受体相互作用可产生多种转运途径。
CPP 的跨膜机制与多肽序列存在很敏感的关系，如果在一个纯亲水性的 CPP 中增加一个疏水残基，就能彻底地改变其转运机制。例如，最简单的 CPP 原型 - 多聚精氨基，可以诱导细胞膜上形成跨膜的孔隙结构。疏水氨基酸通过插入胞膜来形成正曲率，精氨酸可同时形成正曲率和负曲率，赖氨酸只能沿一个方向形成负曲率，这就意味着在精氨酸与赖氨酸 / 疏水物之间存在补偿关系。
5. 纳米机械
韩国科学技术院开发的新型生化纳米机械，能够穿透细胞膜，并通过在癌细胞环境中的折叠和展开的分子运动杀死细胞。这种纳米机械的出现为癌症治疗提供了新的思路和方法。它利用独特的分子运动机制，能够精准地攻击癌细胞，同时对正常细胞的影响较小，具有较高的特异性和安全性。未来，随着技术的不断进步，这种纳米机械有望在癌症治疗领域发挥更大的作用。
四、分子工具与细胞凋亡的互动
细胞凋亡存在三条通路：死亡受体通路、线粒体通路和质网通路，各条通路间又有相互联系，共同控制细胞凋亡。分子工具如分子胶、RIPK1 分子等通过不同的机制影响细胞凋亡通路，而细胞膜穿透的分子工具可以为研究细胞凋亡提供新的手段和方法。
细胞膜穿透的分子工具具有独特的优势，能够深入细胞内部，与细胞内的分子相互作用，从而影响细胞凋亡的过程。这些工具包括小分子探针、脂质体衍生物 DSPE - Hyd - PEG - CY7、细胞转染试剂、细胞穿膜肽和纳米机械等。
小分子探针具有低分子量、渗透性强的特点，能够轻易穿透细胞膜。它可以与特定生物分子相互作用，通过物理富集或化学反应形成可测量的信号变化，以实现对特定生物目标的定位或调控。在生物医学研究和临床应用中，小分子探针被用于跟踪生物分子的活动、检测细胞中的特定反应或研究特定的生物过程。例如，附着荧光标签的小分子探针，可以帮助科学家直观地观察细胞内的特定分子如何移动并与其他分子互动。
脂质体衍生物 DSPE - Hyd - PEG - CY7 结合了磷脂、聚乙二醇以及荧光染料 CY7 的特点，具有良好的生物相容性和细胞膜穿透能力。它由磷脂（DSPE）、聚乙二醇（PEG）以及荧光染料 CY7 组成，其中 Hyd（酰腙键）连接着 DSPE 和 PEG - CY7 两部分，具有较高的稳定性，能够在特定条件下实现可控的断裂和重组，从而实现对药物的精确控制释放。DSPE - Hyd - PEG - CY7 的荧光特性使其在生物成像领域具有显著优势，能够实现对生物样品、细胞或动物体内特定区域的非侵入式成像，同时还可以作为药物载体，实现药物的靶向传递和控制释放。
细胞转染试剂是一种用于将外源核酸传递到细胞内的物质，其作用机制包括细胞膜穿透机制和核酸释放机制。细胞膜穿透机制主要有离子共价结合、脂质体介导和蛋白质介导等方式。核酸释放机制包括破坏性释放、温和释放和胞吞作用等。细胞转染试剂在疾病研究、药物研发和临床诊断等方面具有重要应用价值。
细胞穿膜肽是一类以非受体依赖方式、非经典内吞方式直接穿过细胞膜进入细胞的多肽，可携带多种生物活性物质进入细胞，跨膜机理包括倒置胶粒模型、直接穿透和内吞方式。不同的细胞穿透肽跨膜机制不同，其具体机制有赖于分子大小、温度、细胞类型和细胞内外的稳定性等参数。细胞穿透肽 HIV TAT 可以以直接穿透和内吞两种方式进入细胞，其跨膜机制与多肽序列存在敏感关系。
韩国科学技术院开发的新型生化纳米机械，能够穿透细胞膜，并通过在癌细胞环境中的折叠和展开的分子运动杀死细胞。这种纳米机械的出现为癌症治疗提供了新的思路和方法，具有较高的特异性和安全性，未来有望在癌症治疗领域发挥更大的作用。
分子工具与细胞膜穿透的分子工具相互作用，共同影响细胞凋亡的过程。例如，分子胶类工具可以通过诱导蛋白质 - 蛋白质相互作用，激活细胞凋亡通路。北京生命科学研究所所长王晓东团队与清华大学结构生物学高精尖创新中心的王宏伟团队、黄牛团队和齐湘兵团队合作，解析了三种结构不同的小分子化合物处理条件下的 PDE3A - SLFN12 复合物结构，创造出了更有效的细胞凋亡诱导分子，为开发新型肿瘤治疗药物奠定了基础。
RIPK1 分子是一个能决定细胞生死的双面分子，通过不同的下游信号途径，既可以促进细胞凋亡和坏死，也能引起细胞的分化存活。上海营养与健康所章海兵研究组发现 RIPK1 的一个主要的泛素化位点 Lys376 的泛素化修饰是决定细胞命运的关键。
lncRNA_RPA3_AS1/miR - 203a - 3p/BAG3 分子轴可能通过影响 miR - 203a - 3p/BAG3 分子轴，促进人心肌细胞的活力并抑制其凋亡，从而保护人心肌细胞。
综上所述，分子工具与细胞膜穿透的分子工具在细胞凋亡的研究中具有重要作用，为深入了解细胞凋亡的机制和开发新型治疗方法提供了新的途径。
