电离辐射的细胞内响应：从初始损伤到细胞命运与细胞间通讯

《Biology》：Intracellular Responses to Ionizing Radiation: From Initial Damage to Cell Fate and Intercellular Communication

　　

电离辐射通过直接能量沉积于生物分子以及由水辐解（water radiolysis）和活性氧（reactive oxygen species, ROS）介导的间接损伤诱导生物学效应。本综述综合了将上述初始反应与细胞命运决定相联系的细胞内和细胞间事件。照射后，细胞协调DNA损伤识别、检查点控制（checkpoint control）和修复与氧化应激及炎症信号传导。这些反应共同将初始分子损伤与随后的细胞内和细胞间事件联系起来。损伤严重程度、修复能力、细胞周期阶段、遗传背景和微环境信号之间的平衡塑造了包括恢复、暂时性或永久性停滞、衰老（senescence）、有丝分裂灾难（mitotic catastrophe）、凋亡（apoptosis）、调节性坏死（regulated necrosis）以及自噬相关的存活或死亡等结局。受照射细胞进一步通过细胞因子（cytokines）、趋化因子（chemokines）、衰老相关分泌因子（senescence-associated secretory factors）、损伤相关分子模式（damage-associated molecular patterns, DAMPs）以及环鸟苷酸-腺苷酸合成酶-干扰素基因刺激因子（cyclic GMP–AMP synthase–stimulator of interferon genes, cGAS–STING）信号传导影响周围组织。这些整合性反应决定了治疗效果和正常组织损伤，支持跨分子、细胞、免疫和组织水平的研究。

本文综述了电离辐射诱导的细胞内响应及其从初始损伤到细胞命运决定和细胞间通讯的连续过程。

在引言部分，文章指出电离辐射（ionizing radiation, IR）是指具有足够能量穿过物质并通过从原子或分子中移除电子来诱导电离的辐射。文章介绍了辐射的类型，包括X射线和γ射线等光子辐射以及α粒子、β粒子、质子和重离子等粒子辐射，并讨论了线性能量转移（linear energy transfer, LET）对生物学效应的影响，指出本综述讨论的机制通路主要基于常规低LET照射的研究发现。文章阐述了电离辐射通过直接能量传递和水分子的辐射分解产生间接生物学效应，导致DNA碱基损伤、单链断裂（single-strand breaks, SSBs）和双链断裂（double-strand breaks, DSBs）等各种形式的DNA损伤，其中复杂DNA损伤被认为是细胞难以修复的重要损伤形式。此外，照射后产生的ROS不仅影响DNA，还可影响蛋白质、脂质和细胞器。文章指出，细胞对辐射的响应应理解为贯穿整个细胞的复杂细胞应激反应，而非仅限于简单的DNA损伤。DNA损伤发生后，细胞通过ATM、ATR和DNA-PK等主要信号分子激活DNA损伤应答（DNA damage response, DDR），导致γ-H2AX形成、检查点激酶激活和p53依赖性信号传导。文章还讨论了辐射诱导的旁观者效应（radiation-induced bystander effect, RIBE）以及辐射响应从单个细胞扩展到邻近细胞和组织微环境的概念。综述的目的是提供整合性视角，聚焦细胞对辐射响应的时间进程及其生物学相互关系。

在辐射暴露后细胞即刻的物理和化学变化部分，文章阐述了直接作用和间接作用的经典区分。在直接作用中，电离辐射的能量直接传递给DNA，导致DNA分子的电离或激发，可能产生DNA碱基修饰、糖-磷酸骨架损伤、SSB、DSB和DNA-蛋白质交联等各种形式的DNA损伤。簇集性或复杂性DNA损伤由于修复困难而对细胞存活产生重要影响，其复杂性和空间分布受辐射质量和LET的影响。在间接作用中，辐射能量被水分子吸收导致水辐解，产生包括羟自由基（•OH）、水合电子（e^?_aq）和氢自由基（H•）在内的高活性化学物种，这些初级产物进一步反应可生成超氧阴离子（O₂^•?）和过氧化氢（H₂O₂）等ROS。其中•OH反应性特别强，是间接辐射诱导生物学损伤的主要贡献者。文章指出，辐射产生的ROS不仅损伤DNA碱基和糖-磷酸骨架，还可氧化细胞膜和细胞器的脂质，并诱导蛋白质氨基酸侧链氧化、断裂和结构改变。因此，辐射引起的初始氧化损伤应理解为同时影响整个细胞中DNA、脂质和蛋白质的过程。

在DNA损伤应答部分，文章指出电离辐射引起包括碱基损伤、SSB、DSB和簇集性DNA损伤在内的多种DNA损伤类型，其中DSB被认为是辐射诱导的最重要的细胞毒性DNA损伤之一。DDR的核心是ATM、ATR和DNA-PKcs，属于磷脂酰肌醇3-激酶相关激酶（phosphatidylinositol 3-kinase-related kinase, PIKK）家族。ATM主要响应DSB而激活，ATR在复制相关DNA结构中发挥重要作用，DNA-PKcs与Ku70/Ku80一起识别DNA末端并启动非同源末端连接（non-homologous end joining, NHEJ）。DSB发生时，组蛋白变体H2AX的Ser139残基在损伤位点周围迅速磷酸化形成γ-H2AX，作为DNA修复和信号蛋白组装的平台。文章引用了Rogakou等人首次证明DNA双链断裂诱导H2AX Ser139磷酸化的研究，以及ATM是IR诱导DSB后磷酸化H2AX的主要激酶。ATM和ATR的激活导致下游检查点激酶CHK2和CHK1的激活，最终调控p53和各种细胞周期调节蛋白的功能。文章还详细讨论了DSB修复的两条主要通路：NHEJ和同源重组（homologous recombination, HR）。NHEJ在大多数细胞周期阶段运作，Ku70/Ku80异二聚体识别损伤DNA末端后DNA-PKcs结合，随后Artemis、XRCC4、XLF和DNA连接酶IV参与DNA末端的加工和连接。HR利用同源DNA序列作为模板修复DSB，主要在有姐妹染色单体可用的S和G2期激活，BRCA2通过促进RAD51加载到单链DNA上发挥关键作用。文章总结指出，DDR不仅是简单的DNA修复过程，而是导致DNA损伤感知→信号放大→细胞周期检查点激活→DNA修复或细胞命运决定的整合性细胞反应。

在电离辐射激活的细胞内信号传导部分，文章讨论了MAPK、NF-κB和PI3K–AKT等通路与辐射引起的应激反应的密切关联。MAPK家族通常包括ERK、JNK和p38 MAPK，这些激酶响应各种细胞外和细胞内应激，也可被电离辐射激活。ERK信号通过Ras–Raf–MEK–ERK通路与生长因子介导的细胞增殖和存活密切相关，而JNK和p38 MAPK是响应ROS、DNA损伤等细胞应激的应激激酶。辐射还可激活NF-κB信号通路，NF-κB是参与炎症、免疫反应、细胞存活和应激适应的代表性转录因子。当DNA双链断裂发生时，ATM依赖性信号可将核内DNA损伤信号传递至细胞质IKK复合物，从而诱导NF-κB激活，ROS也是调节NF-κB信号的重要因子。PI3K–AKT通路也是可被辐射激活的代表性促存活信号通路，活化的AKT可通过抑制凋亡和促进细胞存活及DNA损伤修复来促进细胞对辐射的抵抗。文章还讨论了JAK–STAT通路作为连接辐射改变的细胞外环境与细胞内反应的重要次级信号通路，以及NRF2–HO-1轴作为连接辐射诱导氧化应激与细胞抗氧化防御的代表性信号通路。NRF2在正常条件下由KEAP1调控降解，氧化应激增加时NRF2稳定化并迁移至核内结合抗氧化响应元件（antioxidant response element, ARE），导致HO-1、NQO1和谷胱甘肽相关酶等抗氧化和细胞保护基因表达增加。

在决定受辐射细胞命运的部分，文章指出受电离辐射损伤的细胞不一定发生细胞死亡，细胞死亡不仅由初始DNA损伤程度决定，还由DNA修复过程进展和细胞周期检查点信号系统的完整性决定。文章引用了Feringa等人的研究，表明G2期停滞期间持续的DNA修复中间产物增强ATR依赖性信号和p21积累，促进永久性细胞周期退出和衰老。Puck等人建立了基于集落形成能力量化哺乳动物细胞X射线照射后存活反应的实验基础，集落形成实验至今仍是评估细胞辐射反应的金标准。Elkind和Sutton提供了哺乳动物细胞可从亚致死辐射损伤中恢复的实验证据。照射后DNA损伤激活涉及ATM–CHK2、ATR–CHK1和p53–p21的检查点信号通路，协调细胞周期停滞与DNA修复。文章详细讨论了凋亡作为电离辐射诱导的调节性细胞死亡的已知形式之一，Lowe等人证明p53是小鼠胸腺细胞中有效辐射诱导凋亡所必需的，而Strasser等人表明缺乏p53的增殖性淋巴样细胞仍可发生凋亡。辐射诱导的细胞衰老以稳定的增殖停滞为特征，尽管细胞仍保持活力和代谢活性。衰老细胞可发展衰老相关分泌表型（senescence-associated secretory phenotype, SASP），以炎性细胞因子、趋化因子和其他细胞外介质的分泌为特征。Rodier等人证明持续性DNA损伤信号而非短暂性DDR激活促进照射后包括IL-6和IL-8在内的炎性细胞因子的延迟分泌。此外，有丝分裂灾难是照射后已确立的细胞反应，当细胞在不完全DNA损伤或缺陷性检查点调控下进行异常有丝分裂时发生。文章还讨论了坏死性凋亡（necroptosis）、焦亡（pyroptosis）和铁死亡（ferroptosis）等其他调节性细胞死亡形式在特定实验模型中的辐射诱导作用。自噬是另一种电离辐射诱导的已知细胞反应，但自噬的诱导不一定意味着细胞死亡，辐射诱导的自噬可作为适应性存活机制发挥作用。辐射诱导的肿瘤细胞死亡还可通过免疫原性细胞死亡（immunogenic cell death, ICD）促进抗肿瘤免疫反应，钙网蛋白（calreticulin, CRT）暴露、细胞外ATP释放和高迁移率族蛋白B1（high-mobility group box 1, HMGB1）释放是ICD的代表性指标。文章总结指出，辐射诱导的细胞命运不能通过存活与细胞死亡的简单区分来解释，而是由DNA损伤持续性、修复能力、检查点完整性、遗传背景和应激响应信号之间的相互作用所决定。

在辐射暴露后细胞向周围环境发送信号的部分，文章指出细胞对电离辐射的响应并不在受照射细胞内结束。辐射诱导的DNA损伤和氧化应激可激活NF-κB和MAPK等细胞内信号通路，而包括cGAS–STING和细胞因子介导的JAK–STAT信号在内的其他情境依赖性通路可能有助于细胞因子、趋化因子和DAMPs的产生和释放。照射后出现的代表性可溶性介质可能包括IL-1β、IL-6、IL-8、TNF-α和CXCL10等细胞因子和趋化因子。在某些细胞和实验情境中，辐射诱导的DNA损伤可激活先天免疫感知通路，包括cGAS–STING通路。照射后染色体损伤和微核形成可能导致胞质DNA积累，可被cGAS识别。活化的cGAS生成环鸟苷酸-腺苷酸（cyclic GMP–AMP, cGAMP），导致STING激活和下游TBK1–IRF3信号传导，可诱导包括IFN-β产生在内的I型干扰素反应。I型IFN信号不仅限于简单的抗病毒反应，还在辐射诱导的抗肿瘤免疫中发挥重要作用。照射后传递给周围环境的信号还包括DAMPs，特别是在诱导ICD的过程中，CRT在细胞表面的暴露、细胞外ATP释放和HMGB1释放可作为代表性免疫原性信号。然而，辐射诱导的免疫反应并不总是以抗肿瘤方向发挥作用，辐射诱导的细胞因子和趋化因子可能促进效应免疫细胞的募集，但在某些情况下也可能增加慢性炎症、免疫抑制性细胞募集或组织损伤。

在结论部分，文章总结指出细胞对电离辐射的响应不是可通过简单DNA损伤和细胞死亡解释的单一过程。辐射能量直接电离生物分子或通过水辐解产生ROS，引起DNA、蛋白质和脂质的损伤。这些早期损伤激活以ATM、ATR和DNA-PKcs为中心的DNA损伤应答以及MAPK、NF-κB、PI3K–AKT和NRF2等应激响应信号通路。随后，根据损伤程度、细胞修复能力、细胞周期和细胞内在特征，细胞可表现出不同的命运。此外，对辐射的响应不仅限于受照射细胞内部，衰老细胞产生的SASP、辐射诱导的细胞因子和趋化因子以及垂死细胞释放的DAMPs诱导与周围细胞和免疫细胞的相互作用。文章强调辐射诱导的细胞反应高度依赖情境，即使在不类似的照射条件下，细胞结局也可能因辐射剂量和质量、DNA修复能力、遗传背景、细胞类型和周围微环境而不同。未来研究应阐明DNA损伤应答、细胞内信号网络和细胞间通讯之间的时间和情境依赖性相互作用，这些研究有助于鉴定决定辐射敏感或抵抗的关键因子，并更准确地预测细胞对照射的反应。