Different types of cell death are often defined by morphological criteria, without a clear reference to precise biochemical mechanisms. The Nomenclature Committee on Cell Death (NCCD) proposes unified criteria for the definition of cell death and of its different morphologies, while formulating several caveats against the misuse of words and concepts that slow down progress in the area of cell death research. Authors, reviewers and editors of scientific periodicals are invited to abandon expressions like 'percentage apoptosis' and to replace them with more accurate descriptions of the biochemical and cellular parameters that are actually measured. Moreover, at the present stage, it should be accepted that caspase-independent mechanisms can cooperate with (or substitute for) caspases in the execution of lethal signaling pathways and that 'autophagic cell death' is a type of cell death occurring together with (but not necessarily by) autophagic vacuolization. This study details the 2009 recommendations of the NCCD on the use of cell death-related terminology including 'entosis', 'mitotic catastrophe', 'necrosis', 'necroptosis' and 'pyroptosis'.

N-Methyl-D-aspartate (NMDA) receptor-mediated neurotoxicity may depend, in part, on the generation of nitric oxide (NO.) and superoxide anion (O2.-), which react to form peroxynitrite (OONO-). This form of neurotoxicity is thought to contribute to a final common pathway of injury in a wide variety of acute and chronic neurologic disorders, including focal ischemia, trauma, epilepsy, Huntington disease, Alzheimer disease, amyotrophic lateral scelerosis, AIDS dementia, and other neurodegenerative diseases. Here, we report that exposure of cortical neurons to relatively short durations or low concentrations of NMDA, S-nitrosocysteine, or 3-morpholinosydnonimine, which generate low levels of peroxynitrite, induces a delayed form of neurotoxicity predominated by apoptotic features. Pretreatment with superoxide dismutase and catalase to scavenge O2.- partially prevents the apoptotic process triggered by S-nitrosocysteine or 3-morpholinosydnonimine. In contrast, intense exposure to high concentrations of NMDA or peroxynitrite induces necrotic cell damage characterized by acute swelling and lysis, which cannot be ameliorated by superoxide dismutase and catalase. Thus, depending on the intensity of the initial insult, NMDA or nitric oxide/superoxide can result in either apoptotic or necrotic neuronal cell damage.

During ischemic brain injury, glutamate accumulation leads to overstimulation of postsynaptic glutamate receptors with intracellular Ca2+ overload and neuronal cell death. Here we show that glutamate can induce either early necrosis or delayed apoptosis in cultures of cerebellar granule cells. During and shortly after exposure to glutamate, a subpopulation of neurons died by necrosis. In these cells, mitochondrial membrane potential collapsed, nuclei swelled, and intracellular debris were scattered in the incubation medium. Neurons surviving the early necrotic phase recovered mitochondrial potential and energy levels. Later, they underwent apoptosis, as shown by the formation of apoptotic nuclei and by chromatin degradation into high and low molecular weight fragments. These results suggest that mitochondrial function is a critical factor that determines the mode of neuronal death in excitotoxicity.

Mitochondria continuously undergo two opposing processes, fission and fusion. The disruption of this dynamic equilibrium may herald cell injury or death and may contribute to developmental and neurodegenerative disorders. Nitric oxide functions as a signaling molecule, but in excess it mediates neuronal injury, in part via mitochondrial fission or fragmentation. However, the underlying mechanism for nitric oxide–induced pathological fission remains unclear. We found that nitric oxide produced in response to β-amyloid protein, thought to be a key mediator of Alzheimer's disease, triggered mitochondrial fission, synaptic loss, and neuronal damage, in part via S-nitrosylation of dynamin-related protein 1 (forming SNO-Drp1). Preventing nitrosylation of Drp1 by cysteine mutation abrogated these neurotoxic events. SNO-Drp1 is increased in brains of human Alzheimer's disease patients and may thus contribute to the pathogenesis of neurodegeneration.

Matrix metalloproteinases (MMPs) are implicated in the pathogenesis of neurodegenerative diseases and stroke. However, the mechanism of MMP activation remains unclear. We report that MMP activation involves S-nitrosylation. During cerebral ischemia in vivo, MMP-9 colocalized with neuronal nitric oxide synthase. S-Nitrosylation activated MMP-9 in vitro and induced neuronal apoptosis. Mass spectrometry identified the active derivative of MMP-9, both in vitro and in vivo, as a stable sulfinic or sulfonic acid, whose formation was triggered by S-nitrosylation. These findings suggest a potential extracellular proteolysis pathway to neuronal cell death in which S-nitrosylation activates MMPs, and further oxidation results in a stable posttranslational modification with pathological activity.

Severely elevated levels of total homocysteine (approximately millimolar) in the blood typify the childhood disease homocystinuria, whereas modest levels (tens of micromolar) are commonly found in adults who are at increased risk for vascular disease and stroke. Activation of the coagulation system and adverse effects of homocysteine on the endothelium and vessel wall are believed to underlie disease pathogenesis. Here we show that homocysteine acts as an agonist at the glutamate binding site of the N -methyl- d -aspartate receptor, but also as a partial antagonist of the glycine coagonist site. With physiological levels of glycine, neurotoxic concentrations of homocysteine are on the order of millimolar. However, under pathological conditions in which glycine levels in the nervous system are elevated, such as stroke and head trauma, homocysteine’s neurotoxic (agonist) attributes at 10–100 μM levels outweigh its neuroprotective (antagonist) activity. Under these conditions neuronal damage derives from excessive Ca 2+ influx and reactive oxygen generation. Accordingly, homocysteine neurotoxicity through overstimulation of N -methyl- d -aspartate receptors may contribute to the pathogenesis of both homocystinuria and modest hyperhomocysteinemia.

Nitric oxide (NO) is an important messenger both systemically and in the CNS. In digital Ca2+ imaging and patch-clamp experiments, clinically available nitroso compounds that generate NO are shown to inhibit responses mediated by the NMDA subtype of the glutamate receptor on rat cortical neurons in vitro. A mechanism of action for this effect was investigated by using the specific NO-generating agent S-nitrosocysteine. We propose that free sulfhydryl groups on the NMDA receptor-channel complex react to form one or more S-nitrosothiols in the presence of NO. If vicinal thiol groups react in this manner, they can form a disulfide bond(s), which is thought to constitute the redox modulatory site of the receptor, resulting in a relatively persistent blockade of NMDA responses. These reactions with NO can afford protection from NMDA receptor-mediated neurotoxicity. Our results demonstrate a new pathway for NO regulation of physiological function that is not via cGMP, but instead involves reactions with membrane-bound thiol groups on the NMDA receptor-channel complex.