# 第 01 章 细胞生物学知识补充

> 本章为零基础读者补齐“细胞生物学”这层背景知识。目标不是背书，而是让后续章节里“焦亡基因 × 肝癌”的每一个名词都听得懂：细胞、基因表达、细胞死亡、焦亡机制、肿瘤微环境。请带着“这些概念将来会变成哪张数据表”的想法来读。

## 本章目标

1. 能用一句话说清“细胞是生命的基本单位”，并说出细胞生物学在研究什么；
2. 能复述中心法则（DNA→RNA→蛋白质），并理解转录组测序如何把“基因表达量”变成数字；
3. 能区分凋亡、坏死、焦亡、铁死亡、自噬性死亡五种细胞死亡方式的核心特征；
4. 能画出细胞焦亡的经典通路（NLRP3 炎症小体→caspase-1→GSDMD→膜穿孔→IL-1β/IL-18 释放），并说出非经典通路的差别；
5. 能用自己的话解释“焦亡 × 肝细胞癌”为什么是一个有临床意义的研究方向。

## 1. 细胞与细胞生物学是什么

细胞（cell）是生命的基本单位：所有生物——从细菌到人体——都由细胞构成。细胞内部独立完成新陈代谢（metabolism），储存并传递遗传信息，对外界信号做出反应；多细胞生物的身体，就是无数细胞分工协作的“城市”。人体大约由数十万亿个细胞组成（数量级在 10¹³ 上下，具体数值随估计方法不同有差异，记住数量级即可），其中肝脏主要由肝细胞（hepatocyte）构成——它正是本教程的主角之一。

细胞生物学（cell biology）研究细胞的结构、功能与行为：细胞膜与各种细胞器如何分工（线粒体供能、内质网合成蛋白质、溶酶体降解废物）；细胞如何增殖（proliferation）、分化（differentiation）、通讯（即信号转导，signal transduction）；以及最重要的——细胞如何决定自己的生死。

“死亡”听起来是终点，但细胞死亡其实是发育、免疫和肿瘤中反复登场的核心角色：胚胎手指间多余的细胞要靠死亡“雕刻”出来；被病毒感染的细胞要靠死亡被清除；而癌细胞恰恰是“拒绝死亡”的细胞。本章后面会看到：细胞“怎么死”“死得是否体面”，会直接决定一个肿瘤的命运。

## 2. 中心法则与基因表达：细胞怎么“读出”自己的说明书

中心法则（central dogma of molecular biology）是分子生物学的“宪法”：遗传信息从 DNA 流向 RNA（这一步叫转录，transcription），再从 RNA 流向蛋白质（这一步叫翻译，translation）。我们可以这样类比：基因（gene）是 DNA 上的一段功能片段，相当于说明书里的一个“章节”；mRNA（信使 RNA，messenger RNA）是章节的“复印件”；蛋白质则是照着复印件“生产出来、真正干活的人”。

关键问题来了：细胞如何控制某个基因“读得有多勤”？答案就是基因表达（gene expression）的强度——转录出的 mRNA 越多，通常说明该基因越活跃。这里必须严谨地补充一句：mRNA 数量并不严格等于蛋白质数量（还存在转录后调控、翻译效率、蛋白质降解等环节），但在高通量测序的尺度上，mRNA 水平是最常用、最可测的“表达量代理指标”。本教程里说“基因 A 在肿瘤里高表达”，指的就是“基因 A 的 mRNA 在肿瘤样本里更多”。

转录组测序（RNA-seq，即 RNA sequencing）如何测量表达量？流程大致是：从样本中提取总 RNA → 利用 polyA 尾巴富集 mRNA → 逆转录成更稳定的 cDNA → 片段化并加上测序接头（adapter）→ 上机测序得到海量短读段（reads）→ 把 reads 比对（alignment）到参考基因组 → 统计每个基因被“覆盖”了多少次。这个计数就是最原始的“表达量”。整个过程见图 02。

![图02 中心法则与转录组测序（示意图）](../figures/fig02_central_dogma.png)

> 图 02 为教学示意图（模拟绘制，仅演示概念），左侧展示 DNA→mRNA→蛋白质的信息流向，右侧展示 RNA-seq 如何把 mRNA 变成数字读段计数。读者用真实数据跑出的是自己的图。

## 3. 细胞死亡方式大家族：凋亡、坏死、焦亡、铁死亡、自噬性死亡

细胞死亡不是一个词，而是一个“大家族”。粗略可分为两大类：意外死亡（如坏死）与程序性死亡（regulated cell death，受基因精确调控的死亡）。五种最常见的死亡方式对比如下（图 03 为示意图）：

| 死亡方式 | 英文 | 核心机制 | 形态特征 | 是否引发炎症 |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| 凋亡 | apoptosis | 半胱天冬酶（caspase）级联，细胞“自我拆解” | 细胞皱缩、膜出泡、形成凋亡小体，被吞噬清除 | 通常不引发（“安静地死”） |
| 坏死 | necrosis | 意外损伤（缺氧、物理/化学损伤）导致膜破裂 | 细胞肿胀、膜破裂、内容物泄漏 | 强烈（“爆炸式死”） |
| 焦亡 | pyroptosis | gasdermin 家族蛋白在细胞膜上打孔 | 膜穿孔、细胞肿胀破裂 | 强烈促炎（“边死边喊救兵”） |
| 铁死亡 | ferroptosis | 铁依赖性脂质过氧化 | 线粒体变小、膜完整性尚存 | 可引发 |
| 自噬性死亡 | autophagic cell death | 自噬（autophagy）过度激活 | 大量自噬体/自噬溶酶体堆积 | 较弱 |

这里有两处需要严谨说明：其一，自噬本身通常是细胞的“自救机制”（把受损的细胞器回收再利用），只有过度或失控的自噬才会导致死亡；其二，凋亡与焦亡虽然都属于程序性死亡，关键区别在于“死法是否安静”——凋亡是拆卸后打包送走，不惊动免疫系统；焦亡是打孔炸开，同时释放促炎因子，相当于“边死边喊救兵”。

![图03 细胞死亡方式对比（示意图）](../figures/fig03_cell_death.png)

> 图 03 为教学示意图（模拟绘制），仅用于直观对比五种死亡方式的形态与炎症特征，不代表任何真实实验数据。

为什么焦亡近年成为研究热点？主要有三个原因。第一，**机制清晰化**：2015 年邵峰团队在 Nature 杂志报道 gasdermin D（GSDMD）是焦亡的关键执行蛋白，焦亡从此从“现象”变成“可操作的分子通路”；第二，**疾病相关性**：焦亡是感染与炎症性疾病的重要推手，也与肿瘤关系密切；第三，**转化价值**：gasdermin（GSDM）家族蛋白本身成为药物靶点与生物标志物的候选。对肿瘤免疫尤其重要的是：焦亡是一种“免疫原性”很强的死亡方式，理论上可以把“没人理”的冷肿瘤变成“被免疫系统围攻”的热肿瘤——这直接关系到第 5 节的肝癌话题。

## 4. 细胞焦亡的分子机制详解

焦亡（pyroptosis）的严谨定义：由 gasdermin 家族蛋白介导的、伴随强烈炎症反应的程序性坏死样细胞死亡（lytic cell death）。“坏死样”指细胞最终会破裂（lysis），“程序性”指它由特定蛋白精确执行，而不是意外事故。

**经典通路（canonical pathway，图 04 左半）**，一条“报警→点火→爆破→呼救”的流水线：

1. **感应**：危险信号（病原体成分如脂多糖 LPS、损伤相关分子、尿酸结晶等）被模式识别受体识别，招募组装 NLRP3 炎症小体（inflammasome）。NLRP3 全名很长，你只需记住它是一个“报警平台”；
2. **激活**：炎症小体把无活性的 pro-caspase-1 剪切成有活性的 caspase-1（半胱天冬酶-1，一种蛋白酶）；
3. **裂解底物**：caspase-1 同时做两件事——把 GSDMD 裂解成“N 端成孔片段”和“C 端抑制片段”（平时 N 端被 C 端“锁住”，裂解后解锁），并把无活性的 pro-IL-1β、pro-IL-18 裂解成成熟的白细胞介素（interleukin）IL-1β 与 IL-18；
4. **打孔与释放**：GSDMD 的 N 端片段在细胞膜上寡聚成环、插入膜内形成孔洞，细胞肿胀破裂，成熟的 IL-1β/IL-18 连同细胞内其他内容物一起释放，招募并激活免疫细胞，放大炎症。

**非经典通路（non-canonical pathway，图 04 右半）**：人源的 caspase-4、caspase-5（小鼠中对应为 caspase-11）能直接识别进入胞质的脂多糖（LPS，革兰氏阴性菌外膜成分），被激活后同样裂解 GSDMD 打孔，并间接激活 NLRP3/caspase-1 通路，进一步放大炎症。

![图04 焦亡分子机制（示意图）](../figures/fig04_pyroptosis_mechanism.png)

> 图 04 为教学示意图（模拟绘制），仅示意经典与非经典两条通路的骨架，省略了大量辅助蛋白细节（如 ASC 接头蛋白等），教学目的而非完整分子图谱。

GSDM 家族还包括 GSDMA、GSDMB、GSDMC、GSDME 等成员。其中 GSDME 能被“凋亡执行者”caspase-3 裂解——这解释了为什么某些化疗药物会诱导肿瘤细胞发生焦亡样死亡。对初学者而言，先把 GSDMD 这条主线记牢即可。

## 5. 肿瘤生物学速览：为什么我们关心“焦亡 × 肝癌”

肝细胞癌（hepatocellular carcinoma, HCC）是最常见的原发性肝癌类型（约占 75%–85%），也是全球癌症相关死亡的主要原因之一。主要危险因素包括：慢性乙型肝炎病毒（HBV）或丙型肝炎病毒（HCV）感染、酒精性肝病、非酒精性脂肪性肝病（NAFLD，现常称代谢相关脂肪性肝病 MASLD）以及黄曲霉毒素暴露。中国是 HBV 相关性肝癌的高发国家，HCC 因此是国内肿瘤研究的热点。

肿瘤并不只是“一堆疯狂增殖的细胞”。著名肿瘤学家 Hanahan 与 Weinberg 提出“癌症的标志”（hallmarks of cancer），包括：持续增殖信号、逃避生长抑制、抵抗细胞死亡、无限复制潜能、诱导血管生成、激活侵袭转移、重编程能量代谢、逃避免疫摧毁等。注意“抵抗细胞死亡”是其中的标志之一——癌细胞的“抗死能力”是它猖獗的根源，这反过来提示：诱导肿瘤细胞“以正确的方式死亡”（比如焦亡），是潜在的治疗思路。

肿瘤微环境（tumor microenvironment, TME）是肿瘤细胞周围的“小社会”：包括免疫细胞（CD8+ T 细胞、调节性 T 细胞、肿瘤相关巨噬细胞 TAM、NK 细胞等）、成纤维细胞（CAF）、血管内皮细胞、细胞外基质与各类细胞因子。打个比方：免疫细胞是“警察”，肿瘤细胞是“罪犯”，TME 就是警匪之间的博弈场。通常，CD8+ T 细胞浸润多、免疫活跃的肿瘤（俗称“热肿瘤”）预后相对较好，对免疫检查点抑制剂（如 PD-1/PD-L1 抗体）的响应率也更高；而免疫细胞稀少、“冷冰冰”的肿瘤（“冷肿瘤”）则更难被免疫系统清除。

为什么“焦亡 × 肝癌”有临床意义？第一，HCC 对传统化疗不敏感，免疫治疗（如 PD-1/PD-L1 抑制剂联合抗血管生成药物）虽已进入一线，但仍有相当比例的患者不响应；第二，焦亡释放损伤相关分子模式（DAMPs，damage-associated molecular patterns）和 IL-1β/IL-18，能招募并激活免疫细胞，有潜力把“冷”肝癌变成“热”肝癌，增强抗肿瘤免疫；第三，焦亡基因的表达水平可以作为生物标志物（biomarker），帮助预测患者预后或免疫治疗响应；第四，也是本教程最实际的——TCGA-LIHC 与 GSE14520 等公共数据库里就有肝癌患者的表达谱与生存数据，“焦亡基因在肝癌中表达是否异常、哪些与预后相关”这个问题可以完全用公开数据回答。这正是本教程示例课题要做的事。

## 本章小结

- 细胞是生命的基本单位；细胞生物学研究细胞的结构、功能与“生死决策”。
- 中心法则：DNA→RNA→蛋白质；RNA-seq 通过统计读段计数来测量 mRNA 表达量——表达量是蛋白质产量的“代理指标”，而非严格等同。
- 细胞死亡分意外死亡与程序性死亡两大类；凋亡安静、焦亡炸裂促炎、坏死是意外、铁死亡靠脂质过氧化、自噬性死亡是“自救过头”。
- 焦亡经典通路：NLRP3 炎症小体→caspase-1→GSDMD 裂解→膜打孔→IL-1β/IL-18 释放；非经典通路由 caspase-4/5/11 直接感应 LPS。
- HCC 是常见的原发性肝癌，其微环境中免疫细胞与肿瘤博弈；焦亡有望把冷肿瘤变热、焦亡基因可作预后生物标志物——这是示例课题的科学动机。

## 思考题

1. 为什么说“mRNA 表达量”只是蛋白质产量的“代理指标”？在什么场景下这个代理可能失真？
2. 凋亡和焦亡都是程序性死亡，为什么焦亡会引发炎症而凋亡通常不会？
3. 如果一个焦亡基因在肝癌中高表达，你能列出至少两种互相矛盾的解释吗？如何用数据帮助区分？
4. “焦亡能抗肿瘤”与“慢性炎症促肿瘤”听起来矛盾，你能用本章知识解释这种“双刃剑”现象吗？
