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细胞生物学/细胞死亡

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细胞衰老与死亡 - 细胞衰老 - 细胞死亡 - 细胞自噬
细胞死亡是指细胞生命现象的终结。细胞死亡的进程可以很快,如剧烈的理化因子可使细胞迅速死亡。但在非剧烈因素作用时,细胞死亡有一定的自然过程,尤其从细胞衰老到细胞死亡是一个渐进的过程,并且常有特征性的形态改变:细胞核对各种有害因子的反应最为敏感,如果核内的基因及其控制系统受到损伤,则转录、翻译等过程将中断,细胞的生命过程将改变或停止,细胞接近死亡时,核膜多发生断裂,DNA与蛋白质降解产物泄涌至核外,核仁亦逐渐溶解和消失;胞质内可发生内质网、线粒体肿胀,线粒体嵴断裂和消失;细胞表面微绒毛逐渐减少、消失;细胞的体积因失水而变小或因细胞间水分内渗而变大。由于细胞死亡原因的多样性,细胞死亡时形态改变的过程和程度也不完全一样。
引起细胞死亡的原因很多,细胞死亡的现象也错综复杂。根据死亡原因的不同,可以将细胞死亡分为正常死亡和非正常死亡。正常死亡一般表现为个体发育过程中的生理性死亡,但在某些病理因素条件下也呈现出这种死亡状态;非正常死亡主要指超过细胞可以承受的强度或阈值的环境因子引起的死亡,以及由于机体病理状态导致的细胞死亡。

细胞死亡的方式[编辑]

在正常生理和病理条件下,细胞可呈现出多种类型的死亡方式,目前发现主要有以下几类:
1、细胞凋亡 细胞凋亡指在特定信号诱导下,细胞内的死亡级联反应被触发所致的生理或病理性、主动性的死亡过程。细胞凋亡多发生于生理情况下,也可发生在病理情况下。细胞凋亡时,质膜始终保持完整,胞膜内陷将细胞内容物包被成一些囊状小体,即凋亡小体(apoptotic body), 后者被周围吞噬细胞吞噬,不引起炎症反应。
近些年来发现,过度的细胞自噬将导致细胞死亡,因其死亡过程(程序性死亡)同细胞凋亡,被称为Ⅱ型凋亡。
2、细胞坏死 细胞坏死(necrosis)指在外来致病因子作用下,细胞生命活动被强行终止所致的病理性、被动性的死亡过程。细胞坏死只发生于病理情况下(如创伤、缺血、缺氧等),是非正常死亡。导致细胞坏死的环境因子,可以是物理的,如高温与超低温、高渗与低渗、射线等;也可以是化学的,如化学毒物;还可以是生物的,如细菌和病毒的感染等。细胞坏死时,细胞膜和细胞质中细胞器的质膜发生破裂,细胞质外溢,细胞解体并引起周围组织发生炎症反应。
3、细胞焦亡 最近,发现一种新的细胞死亡方式,称为细胞焦亡(pyroptosis)又称细胞炎性坏死,表现为细胞不断胀大直至细胞膜破裂,导致细胞内容物的释放进而激活强烈的炎症反应,是一种程序性细胞坏死。细胞焦亡是机体一种重要的天然免疫反应,在抗击感染中发挥重要作用。相比于细胞凋亡,细胞焦亡发生的更快,并会伴随大量促炎症因子的释放。

细胞凋亡的概念与特征[编辑]

细胞凋亡是由死亡信号诱发的受调节的细胞死亡过程[编辑]

细胞凋亡(apoptosis)是细胞在一定的生理或病理条件下,遵循自身的程序,自己结束其生命的过程。"apoptosis"来源于希腊语,"apo"意为"分离", "plosis"指花瓣或树叶的脱落、凋零。当时选用这个词,是为了强调这种细胞死亡是自然的生理学过程。目前很多情况下,细胞凋亡亦被称作程序性细胞死亡(programmed cell death, PCD), 即在一定时间内,细胞按特定的程序发生死亡,这种细胞死亡具有严格的基因时控性和选择性。但有些学者认为细胞凋亡与PCD 有一定的区别,PCD 是一个功能性概念,描述在一个多细胞生物体中,某些细胞的死亡是个体发育中一个预定的,并受到严格控制的正常组成部分,而凋亡是一个形态学概念,指与细胞坏死受到不同的基因控制的细胞死亡形式; PCD的最终结果是细胞凋亡,但细胞凋亡并非都是程序化的。此外,细胞凋亡也可见于PCD之外的病理状态,如抗癌药所致的癌细胞死亡、循环负荷过重引起的细胞死亡等。
细胞凋亡现象普遍存在于人类及多种动、植物中,是多细胞生物体个体正常发育、维持成体组织结构不可缺少的部分,贯穿于生物全部的生命活动中,它是细胞生理性死亡的普遍形式。例如人体内每天有5×1011个血细胞通过细胞凋亡被清除,以平衡骨髓中新生的血细胞。哺乳动物神经系统的发生过程也是细胞凋亡的典型例子。在脊椎动物发育早期,一般先要产生过量的神经元,但后来近一半的神经元发生凋亡,只有那些与靶细胞(如肌肉细胞、腺体细胞等)建立起良好的突触联系,并充分接受了靶细胞分泌的存活因子的神经元才保留了下来。
一旦正常的细胞凋亡过程受到破坏,将引起一系列的疾病,包括癌症、感染性疾病、自身免疫性疾病等。例如,肿瘤的侵袭转移涉及肿瘤细胞黏附、基质降解、肿瘤细胞的迁移等,而失巢凋亡在肿瘤细胞的扩散和转移中起重要作用。

细胞凋亡呈现出特征性形态学变化[编辑]

主要包括细胞皱缩(cell shrinkage)、染色质凝聚(chromatin condensation)、凋亡小体形成、细胞骨架解体等,其中以胞核的变化最为显著。

  1. 细胞核的变化 凋亡细胞的核DNA在核小体连接处断裂成核小体片段,并向核膜下或中央部异染色质区聚集,浓缩成染色质块,使细胞核呈现新月状、花瓣状等多种形态, 染色质进一步聚集使核膜在核膜孔处断裂,形成核碎片或核残片。
  2. 细胞质的变化 由于脱水作用,凋亡细胞的胞质发生明显浓缩,其中的细胞器也发生不同程度的变化,尤其是线粒体和内质网。凋亡早期,可观察到细胞内线粒体增大,嵴增多,接着线粒体出现空泡化。多数情况下,凋亡细胞内的内质网腔增殖膨大,并为凋亡细胞形成的自噬体结构提供包裹膜。凋亡细胞原有的疏松有序的细胞骨架结构也变得致密和紊乱。细胞骨架的改变不仅仅是细胞凋亡的后果,还影响到细胞凋亡的过程。
  3. 细胞膜的变化 凋亡细胞表面原有的特化结构,如微绒毛、细胞突起及细胞间连接等逐渐消失,细胞膜起泡,但细胞膜仍保持完整,没有失去选择通透性。一些与细胞间连接有关的蛋白质从凋亡细胞的膜上消失,但正常情况下位于细胞膜内侧的磷脂酰丝氨酸(phosphatidylserine, PS)则从细胞膜的内侧翻转到细胞膜的表面,暴露于细胞外环境中。这些分子可能与凋亡细胞的清除过程有关。
  4. 凋亡小体的形成 凋亡小体的形成有三种方式:①发芽脱落机制。凋亡细胞内聚集的染色质块,形成大小不等的核碎片后,整个细胞通过发芽(budding)、起泡(zeiosis)等方式,形成一个球形的突起,并在根部绞窄脱落,形成一些大小不等,内含胞质、细胞器以及核碎片的膜包小体,即凋亡小体;②分隔机制。在凋亡细胞内由内质网分隔成大小不等的分隔区,靠近细胞膜端的分隔膜与细胞膜融合并脱落形成凋亡小体;③自噬体形成机制。凋亡细胞内线粒体、内质网等细胞器和其他胞质成分一起被内质网膜包裹形成自噬体,自噬体在与凋亡细胞膜融合后排出胞外,形成凋亡小体。有些细胞不形成凋亡小体,而仅仅发生核固缩和胞质浓缩,成为单个致密的结构,这也被称为凋亡小体。在病毒性肝炎中见到的嗜酸性小体(councilman body)就是凋亡小体的例子。

细胞凋亡时细胞生化改变的复杂性和多样性[编辑]

  1. DNA片段化 核小体(nucleosome)是基因组染色体的基本结构,它和连接区(linker)组成核心核小体亚单位(core nucleosomal subunit), 总长度为180~200bp。细胞凋亡时,细胞的内源性核酸内切酶(endonuclease)活化,特异地在连接区切断DNA链。因此,形成长度为180~200bp整数倍的寡聚核苷酸片段,这种DNA片段化(fragmentation)的结果是在进行琼脂糖凝胶电泳时,凋亡细胞表现出特征性的DNA梯状条带(DNA ladder)。而细胞坏死时,DNA随意断裂为长度不一的片段,琼脂糖凝胶电泳呈“弥散状”(smear)。因此,尽管不是所有凋亡细胞都出现DNA梯状条带,人们仍把它作为细胞凋亡最典型的生化特征之一。
  2. 细胞凋亡中的蛋白酶 细胞凋亡的始动,以及发生、发展,主要是通过多种蛋白酶控制的,蛋白酶级联切割可能是凋亡最关键的过程,因此有学者提出蛋白酶的作用是凋亡机制的核心部分。控制凋亡的蛋白酶有多种,如胱天蛋白酶(cystein aspartic acid specific protease, caspase)家族、端粒酶或分裂素及钙蛋白酶(calpain)等。
  3. 胞质Ca2+、pH的变化 有研究认为Ca2+能通过两条途径诱导细胞凋亡。一是胞内Ca2+库释放,胞外Ca2+内流使胞质内Ca2+持续升高,作为凋亡信号启动凋亡;二是Ca2+的释放打破了细胞内结构的稳定,使细胞凋亡系统的关键成分与正常时不能接触到的基质发生反应,从而触发凋亡。胞内的H+和Ca2+一样,其浓度对生命活动影响重大。用地塞米松诱导巨噬细胞凋亡时,可观察到胞质内的pH先是急速升高,之后又缓慢降低,胞质逐渐碱化,这表明胞质碱化和酸化均能影响细胞凋亡,前者可能与细胞凋亡的启动有关,而后者可能是细胞凋亡的必然结果。
  4. 线粒体在细胞凋亡中的作用细胞凋亡有胞核和胞质两条途径,即胞质中的细胞器也是凋亡的主要目标,尤其是凋亡时,线粒体发生一系列显著的变化:①线粒体呼吸链受损,能量代谢受到破坏,导致细胞死亡;②线粒体释放细胞色素C(cytochrome C, cyt C), 而cyt C是凋亡所必需的胱天蛋白酶家族的激活物;③线粒体是细胞产生活性氧类物质(reactive oxygen species, ROS)的主要来源,ROS是细胞凋亡的信使分子和效应分子,凋亡时线粒体生成ROS增多;④线粒体渗透转变孔(permeability transition pore, PT pore) 通透性增高这是凋亡早期的决定性变化。PT孔是线粒体内膜和外膜在接触部位协同组成的一条通道,PT孔的开放可导致线粒体呼吸链解耦联,并且线粒体内的cyt C 可通过开放的PT孔释放至胞质,进而触发caspase级联反应。PT孔开放抑制剂,如环孢素(cyclosporin), 能够阻断细胞凋亡,表明PT孔在凋亡过程中具有重要作用。此外,有学者曾提出线粒体调控细胞凋亡的观点,可见线粒体在细胞凋亡过程中起很重要的作用。

失巢凋亡是又一种形式的细胞程序死亡[编辑]

失巢凋亡(anoikis)是又一种形式的细胞程序死亡,是因细胞与细胞外基质和其他细胞脱离接触而诱发的。正常的上皮或内皮细胞具有黏附依赖性,其存活依赖于细胞间和细胞与基质间的信号传递,称为锚定依赖。正常上皮细胞或不具备转移性质的实体瘤细胞从原位脱落进入血流后就会引发细胞凋亡,这种在脱离原来生存环境的特殊情况下发生的细胞凋亡称为失巢凋亡。这种现象在某些细胞分化生长周期短、组织更新快的细胞中表现更为明显。例如,小肠上皮是入体内更新最快的组织之一,小肠上皮细胞从基底膜移动到上皮表面只需要6~7天的时间。小肠上皮细胞的生长和分化对基底膜的依赖性更为明显。因此,一旦发生脱落,细胞就很容易发生凋亡。在体外培养的情况下,小肠上皮细胞也很容易出现凋亡现象,因此经常以小肠上皮细胞作为研究凋亡现象的对象。除上皮细胞和内皮细胞外,其他类型的细胞也出现失巢凋亡现象,如骨骼肌细胞某些致瘤潜力低的黑色素瘤细胞以及胚胎成纤维细胞等。失巢凋亡的意义在于防止这些脱落的细胞种植并生长于其他不适宜的地方。而肿瘤细胞,尤其是一些容易发生远处转移的恶性肿瘤细胞,具有极强的抗失巢凋亡特性,从瘤体上脱落进入循环系统后并不发生凋亡,从而完成转移过程。恶性肿瘤的这种抗失巢凋亡特性已经在肺癌、肠癌、卵巢癌、恶性黑色素瘤、口腔鳞状细胞癌等的癌细胞体外培养实验中得到证实。

细胞凋亡与细胞坏死的比较[编辑]

由于细胞凋亡是一种主动的、由基因决定的细胞自杀(cell suicide)过程,其性质与细胞坏死完全不同,两者属于截然不同的细胞学现象。细胞坏死是指细胞受到激烈的物理、化学刺激或严重的病理性刺激后,引起的细胞损伤和死亡。细胞坏死时,细胞膜发生渗漏,细胞内容物(包括膨大、破碎的细胞器以及染色质片段等)释放到胞外,导致炎症反应;而在细胞凋亡过程中,细胞膜反折并包裹断裂的染色质片段或细胞器等,随后逐渐分离而形成众多的凋亡小体,并最终为邻近的吞噬细胞所吞噬破坏。行使吞噬功能的细胞一般是巨噬细胞,有时是上皮细胞或血管内皮细胞。整个凋亡过程中,细胞膜的完整性保持良好,死亡细胞的内容物不会逸散到胞外环境中,因此并不引发炎症反应。

细胞凋亡的影响因素[编辑]

随着细胞凋亡在医学、生物学方面研究的深入,人们发现能诱导细胞凋亡的因素越来越多。同一组织和细胞受到不同凋亡诱因的作用,其反应结果不尽相同,而同一因素对不同组织和细胞诱导凋亡的结果也各不相同。目前,多数研究者认为,细胞凋亡的发生受以下两种因素调节。
1、细胞凋亡的诱发因素
(1)生理性诱导因子:肿瘤坏死因子(TNF)及其家族中Fas配体(FasL)、转化生长因子β(TGF-β)、神经递质(谷氨酸,多巴胺,N-甲酰-D-天门冬氨酸)、Ca2+糖皮质激素等。
(2)损伤相关因子:热休克、病毒感染、细菌毒素、原癌基因(如myc , rel , 腺病毒ElA等)、抑癌基因(如野生型p53 基因)、细胞毒性T淋巴细胞、氧化剂、自由基、缺血、缺氧等。
(3)疾病治疗相关因子:化疗、放疗、生物治疗、中药治疗等。
(4)其他有某些细胞毒性物质:如乙醇、氧化砷、β-淀粉样肽等。
2、细胞凋亡的抑制因素
(1)生理性抑制因子:如bcl-2 原癌基因、突变型p53 、各种生长因子、细胞外基质、CD40配体、一些中性氨基酸、锌以及雌、雄激素。
(2)病毒基因:如腺病毒ElB、杆状病毒、牛痘病毒crmA 、EB病毒BHRF1LMP-1 、单纯疱疹病毒等基因。
(3)其他:线虫的ced-9 基因、半胱氨酸蛋白酶抑制剂、钙蛋白酶抑制因子、促癌剂(如PMA等)。

细胞凋亡的分子机制[编辑]

大量的研究资料表明,细胞凋亡与某些基因的调控作用密切相关,因此人们将这些基因称为凋亡相关基因,并开始用它们来解释凋亡的分子机制。

细胞凋亡受多种基因调控[编辑]

1、调控细胞凋亡的ced 基因和caspase 基因家族
(1)从线虫中发现调控细胞凋亡的ced 基因:有关细胞凋亡的基因调控资料,最早和最完整的都来自对线虫体细胞凋亡的研究。由于线虫成虫的体细胞仅有1090个,在发育过程中共有131个体细胞发生凋亡,研究者们可以从其受精卵起追踪每一个胚胎细胞的发育和分化过程。研究已发现有15个基因在不同程度上与线虫的细胞凋亡有关,并可大致分为4组:第一组基因在线虫的凋亡调控中有重要意义,包含ced-3ced-4ced-9 基因;第二组包含7个基因,即ced-1ced-2ced-5ced-8 以及ced-10 , 它们与凋亡细胞被吞噬清除过程有关,但与细胞死亡本身无关;第3组包含核酸酶基因1 (nmc-1 ),如果nmc-1 发生突变,则DNA裂解受阻,但并不能抑制细胞死亡,这也表明nmc-1 并非凋亡所必需;第4组是影响特异细胞类型凋亡的基因,包括ces-1ces-2 (ces 表示线虫细胞存活的调控基因)以及egl-1her-1 ,它们与某些神经元和生殖系统体细胞的凋亡有关。
ced-3ced-4 基因:在线虫所有凋亡细胞中,均有ced-3ced-4 的表达,这两个基因的激活是线虫细胞凋亡起始或继续所必需的。一旦基因突变使ced-3ced-4 灭活,将阻碍正常凋亡的发生,使发育过程中本该死亡的细胞也存活下来。ced-3ced-4 基因主要表达在线虫胚胎发生期,此期正是凋亡多发期。
ced-9 基因:ced-9 基因的作用与ced-4 基因相反。ced-9 能抑制胱天蛋白酶的活化,从而抑制线虫体细胞凋亡的发生,因此ced-9 也被称为“抗凋亡基因”(anti-apoptosis gene)。ced-9 的显性突变可阻止那些注定要死亡的细胞不发生凋亡,而其突变失活则导致正常情况下应存活的细胞发生凋亡。
(2)哺乳动物的caspase家族蛋白是ced 基因产物的同源体:人们已发现哺乳类细胞中存在ced-3 的同源物胱天蛋白酶家族,后者是一组半胱氨酸天冬氨酸酶,它们的共同特点是能特异性地断开天门冬氨酸残基后的肽键。胱天蛋白酶家族有十余个成员,是凋亡过程最重要的影响因素之一,但不同成员在凋亡中起的作用不全相同,如caspase-1, caspase-11主要参与白细胞介素前体的活化,并不直接参加凋亡的信号转导;而caspase-2、caspase-8、caspase-9和caspase-10参与凋亡的起始;参与凋亡执行的是caspase-3、caspase-6和caspase-7, 它们能降解多种底物,导致核纤层和细胞骨架的断裂崩解等。目前认为,凋亡的起始者(如caspase-8)与执行者(如caspase-3)之间存在上下游的关系,即起始者活化执行者。
ced-4 的哺乳类同源物直到1997年才被证明是细胞凋亡蛋白酶活化因子-1(apoptosis protease activating factor-Ⅰ, Apaf-Ⅰ);ced-9 与哺乳动物的bcl-2 家族具有一定的同源性。
2、既能抑制又能促进细胞凋亡的bcl-2 基因家族 bcl-2 基因是B细胞淋巴瘤/白血病-2(B-cell lymphoma/leukemia-2, bcl-2)的缩写。bcl-2蛋白不仅存在于B细胞淋巴瘤中,也见于许多正常组织和胚胎组织中,如神经组织、分泌腺的导管细胞、人和胚胎的皮肤,以及胚胎的肾脏与软骨组织。随着研究的深入,bcl-2蛋白家族不断扩大,其中有的成员对凋亡起抑制作用,如bcl-2可防止或延迟由γ-辐射、糖皮质激素、热休克和多种化疗药物所诱导的细胞凋亡,故bcl-2 基因也被称作“存活基因”(survival gene);但有的是凋亡的促进者,如bad、bax等。bcl-2家族的氨基酸序列除了在BHl、BH2和BH3三个区段有高度保守性外,在氨基端还有一个比较保守的区段S1,这可能是调节凋亡以及蛋白质相互作用所必需的结构。
3、可促进细胞凋亡的ice 基因 白细胞介素-1β转换酶(interleukin-1β converting enzyme, ICE)基因与线虫的ced-3 基因在DNA序列上高度同源。ICE蛋白是一种半胱氨酸蛋白酶,其作用是将前白细胞介素-1β分解成有生理活性的白细胞介素-1β。ICE过度表达可诱导哺乳动物成纤维细胞发生凋亡,而ICE的抑制剂,如牛痘病毒cr-mA 基因产物可通过抑制ICE阻断凋亡的发生。
4、可触发细胞凋亡的Fas和Fasl Fas是属于肿瘤坏死因子受体(tumor necrosis factor receptor, TNFR)和神经生长因子受体(nerve growth factor receptor, NGFR)超家族的细胞表面分子,Fas配体(Fas ligand, FasL)是TNF家族的细胞表面分子。多种哺乳动物细胞表达Fas,而FasL仅表达于活化的T细胞。FasL与其受体Fas结合将导致携带Fas的细胞凋亡。人的Fas基因位于第10号染色体的长臂上,FasL的基因定位于第1号染色体,在结构上与TNF-α 基因相似。
Fas/FasL的重要生理作用表现在:①Fas/FasL触发细胞凋亡。抗Fas抗体、表达FasL的细胞,以及可溶性的FasL与Fas交联后均产生细胞凋亡信息;②Fas/FasL对免疫系统细胞的死亡起重要作用。以Fas为基础的和以穿孔素为基础的机制,是迄今发现的两种T细胞介导的细胞毒机制; ③Fas/FasL介导免疫"豁免"。正常情况下,眼睛是免疫豁免区,因病毒感染而进入前房的炎症细胞将通过Fas/FasL系统出现凋亡,然而缺乏有功能的FasL的突变小鼠在受到感染时,眼内出现了明显的炎症反应。
Fas系统参与清除活化的淋巴细胞和病毒感染的细胞,而Fas和FasL功能丧失的突变可致淋巴细胞积聚, 进而导致自身免疫疾病;另一方面,一次注射抗Fas抗体足以使成年小鼠在几个小时内死亡,这些研究结果表明Fas系统具有重要的病理学意义。
5、参与调节细胞凋亡的p53 基因 1979年,Linzer研究病毒转染的哺乳动物细胞时发现了分子量为53kD的p53蛋白。后来,用克隆的鼠p53基因和激活的ras基因共同转染细胞,成功地诱发了肿瘤。到1989年,发现此前转染所用的是突变型p53基因,而野生型p53对细胞的生长有负调节作用,从而认定p53是抑癌基因。p53基因是肿瘤中突变频率最高的抑癌基因,研究表明它能引起细胞周期阻滞,诱导凋亡和促进细胞终末分化,因此与细胞凋亡存在密切关系。人类p53蛋白存在两种形式—野生型(wt p53)和突变型(mt p53), 二者均参与调节细胞凋亡,但前者对细胞增殖、转化有抑制作用,故能促进凋亡,而后者可灭活前者的功能,抑制凋亡并导致细胞转化和过度增殖而产生肿瘤行为。
现已明确化疗药物、放射线及多种细胞因子等诱导的肿瘤凋亡过程中需要p53 基因的参加,而糖皮质激素、钙离子载体和衰老等引起的凋亡却无需p53蛋白的存在,其中的确切机制尚不清楚。目前认为,p53 基因产物p53蛋白是转录激活蛋白,作为“基因警卫”维持细胞基因的完整性、DNA损伤的修复以及细胞周期的正常运转。当p53 基因缺失或异常时,p53失去监视作用,使细胞带着损伤的DNA进入S期,结果细胞因遗传不稳定性而产生突变和畸变,最后导致细胞癌变。可见,p53 基因产物诱导细胞凋亡可提供一种防护机制,使DNA损伤的细胞不能存活。
6、c-myc 基因既是凋亡的激活因子又是抑制因素 c-myc 基因可以产生两种翻译产物c-Mycl和c-Myc2, 两者的作用不同,有时甚至是相反的。c-myc主要参与转录,在转录过程中可以激活并诱导细胞周期进程和分化,也可以阻止细胞分化或引起凋亡,因此它既是凋亡的激活子又是凋亡的抑制因素。c-Mycl和c-Myc2的作用不能一概而论,并受作用细胞的微环境、时期、位点以及自身的质和量的影响。
除了上述基因或蛋白产物,其他一些基因如jun 基因、c-fos 基因及myb基因等都已证明与凋亡有关。然而,由于凋亡的研究起步较晚,凋亡的过程又异常复杂,至今有很多间题尚无法阐明,因此我们只能将这些基因称为凋亡相关基因,而不能简单地称之为凋亡基因,它们所引起的凋亡是在一定条件下、对特定的细胞而言的。

细胞凋亡的信号转导通路主要由死亡受体和线粒体介导[编辑]

细胞凋亡与细胞生长、分化一样,其过程一方面受细胞内和胞外多种信号的调控,另一方面也借多种生物信号在细胞间和细胞内的传递而得以实现。目前的研究表明,细胞凋亡的信号传导途径具有以下特点:①传导途径的启动可因细胞的种类、来源、生长环境及诱因的不同而存在差异;②凋亡信号传导系统具有多样性;③细胞凋亡的信号途径与细胞增殖、分化的途径存在一些共同通路;④凋亡的多条信号途径间存在互通的交叉部分。现有研究表明,死亡受体和线粒体介导的细胞信号转导通路在细胞凋亡中起重要作用。
1、死亡受体介导的信号转导通路 细胞外的许多信号分子可以与细胞表面相应的死亡受体(death receptor, DR)结合,激活细胞凋亡信号通路,导致细胞凋亡。哺乳动物的死亡受体属于肿瘤坏死因子受体和神经生长因子受体超家族,主要成员有Fas/Apo-l/CD95、DR-4/TRAIL-Rl、DR3 /WSL-1/Apo-3/TRAMP等。配体FasL与死亡受体Fas结合后,诱导Fas胞质区内的死亡结构域(death domain, DD)结合Fas结合蛋白(FADD), FADD再以其氨基端的死亡效应结构域结合caspase-8前体, 形成Fas-FADD-caspase-8前体组成的死亡诱导复合物(death inducing signaling complex, DISC), 激活caspase-8, 活化的caspase-8可以进一步激活执行死亡功能的效应蛋白caspase-3,6, 7等,导致细胞凋亡。
2、线粒体介导的信号转导通路 研究表明, 线粒体在细胞凋亡中处于凋亡调控的重要位置,许多凋亡信号(如DNA损伤、氧化剂等)都可以引起线粒体的损伤和膜渗透性改变。很多bcl-2家族的蛋白,如bcl-2、bax、bcl-XL等都定位于线粒体膜上,bcl-2通过阻止cyt C从线粒体释放来抑制凋亡;而bax则通过与线粒体上的膜通道结合,促使cyt C的释放而促进凋亡。进入胞质的cyl C可以与Apaf-1一起与caspase-9的前体结合,从而导致caspase-9的活化,后者可以激活caspase-3, 引起细胞凋亡。
此外,活化的caspase-8, 一方面作用于caspase-3前体,另一方面催化BID(bcl-2家族的促凋亡分子)裂解成两个片段, 其中含有BH3 结构域的C-端片段被运送到线粒体,引起线粒体内cyt C高效释放。BID 诱导cyl C释放的效率远高于bax。
最近的研究表明,线粒体内可能存在核酸内切酶G(endonuclease G)、凋亡诱导因子(AIF)和凋亡抑制因子(IAP)的抑制蛋白Smac/Diablo,这些蛋白因子可能参与了不依赖caspases的凋亡途径。
3、其他转导通路 内质网和溶酶体在细胞凋亡中也起重要作用。内质网与细胞凋亡的联系主要表现在两个方面:①内质网对Ca2+离子浓度的调控。很多细胞在凋亡早期会出现胞质内Ca2+浓度的升高,这种浓度的升高由细胞外Ca2+的内流和胞内钙库(内质网)中Ca2+的释放所致。胞质内高浓度的Ca2+一方面可以激活胞质中的钙依赖性蛋白激酶,另一方面可影响线粒体外膜的通透性促进细胞凋亡。而内质网膜上的凋亡抑制蛋白Bcl-2则具有维持胞质内Ca2+浓度稳定、抑制凋亡的作用。②caspase在内质网的激活。胞质内Ca2+浓度的升高等因素可激活位于内质网膜上caspase-12, 活化的caspase-12被转运到胞质中参与caspase-9介导的凋亡过程。

细胞凋亡的检测[编辑]

检测细胞凅亡的方法有很多,归纳起来,可分为三方面:形态学检测、生化检测和流式细胞仪检测。

形态学检测[编辑]

形态学检测是鉴定细胞凋亡最可靠的方法之一。主要是通过光学显微镜和电子显微镜,对组织或细胞进行各种染色,如HE染色、甲基绿-派诺宁染色、Giemsa染色,可在普通光学显微镜下观察;用荧光染料,如吖啶橙,Hoechst 33258 染色,在荧光显微镜下观察;或制成超薄切片用电子显微镜观察,都可以区分细胞凋亡与坏死。

生化特征检测[编辑]

细胞凋亡最显著的生化特征是Ca2+、Mg2+依赖的内源性核酸酶激活后, 将细胞核染色体从核小体间断裂,形成约为180~200bp或其多聚体组成的寡核苷酸片段。针对此寡核苷酸片段发展了检测凋亡的琼脂糖凝胶电泳法、原位末端标记法和ELISA法等,这些方法具有很高的特异性和敏感性,为凋亡的研究提供了强有力的工具和手段。

流式细胞仪检测[编辑]

用流式细胞仪检测细胞凋亡有其他方法不可比拟的优越性,既可定性又可以定械,且具有简单、快速和敏感性高等优点通过流式细胞仪,还可以将细胞分类后作进一步形态学和生化分析。流式细胞仪检测凋亡的原理,主要是根据凋亡引发的在细胞、亚细胞和分子水平所发生的特征性改变(包括细胞膜细胞器和细胞核等的改变),造成染色体荧光染料(fluorochromes)对凋亡细胞DNA可染性(DNA sLainab山ty)发生改变,以及细胞形态的改变影响了光散射特性。用流式细胞仪可以检测出凋亡的亚二倍体细胞,即凋亡细胞在DNA直方图上正常二倍体细胞的G0/G1峰前出现一个亚二倍体峰,即凋亡峰(apoptotic paek, AP峰)。
已有研究人员开发出用于检测细胞凋亡的试剂盒,如双重凋亡检测试剂盒,它利用凋亡细胞中NO合成水平的变化,以及胞膜内侧的磷脂酰丝氨酸在凋亡时翻转到膜外的特点,结合荧光染色,实现在同一个细胞中检测上述两个凋亡事件,灵敏度和特异性都很高。

细胞凋亡与疾病[编辑]

细胞凋亡是机体维持自身稳定的一种生理机制。机体通过细胞凋亡清除损伤、衰老与突变的细胞,维持生理平衡。某些致病因子可使细胞凋亡的基因调控失常,致使细胞凋亡减弱或增强,从而破坏了机体细胞的自稳态,最终导致各种疾病的发生。

细胞凋亡过低导致相关的疾病发生[编辑]

  1. 细胞凋亡与肿瘤 细胞凋亡在肿瘤的发病机制中占有重要地位。癌变前的细胞可以通过细胞凋亡的正常调节而被清除。恶性肿瘤发病过程中,常可见到凋亡抑制基因和凋亡活化基因表达异常。如在人的肿瘤细胞中常常检测到p53基因的突变或缺失,使细胞对DNA损伤敏感性大大降低,细胞凋亡发生障碍进入无序、失控的生长状态。一般肿瘤细胞高表达FasL, 借以凋亡淋巴细胞,而又低表达Fas,而降底凋亡,这就形成肿瘤细胞有逃逸免疫及凋亡耐受的特性。
  2. 细胞凋亡与系统性红斑狼疮 系统性红斑狼疮(systemic lupus erythematosus, SLE)是典型的自身免疫性疾病。由于Fas表达缺陷,引起自身反应性T细胞阴性选择的凋亡功能丧失,导致T淋巴细胞凋亡障碍,因此在外周淋巴器官出现大量CD4+、CD8+的T淋巴细胞,这些细胞具有自身反应性,从而引起SLE自身免疫性疾病。

细胞凋亡过度导致相关的疾病发生[编辑]

  1. 细胞凋亡与神经退行性疾病中枢神经系统不同部位特殊类型神经元的丧失是各种神经退行性疾病的病理特点,细胞凋亡与神经元的丢失密切相关。现已发现,caspase-3在神经退行性疾病的病理过程中担任重要的角色,它不仅是起着凋亡的效应器作用,还能直接与阿尔茨海默病(AD)、帕金森病(PD)、亨廷顿舞蹈病、脊椎小脑失调等疾病的致病蛋白质分子相互作用,参与致病过程。AD伴随β-淀粉样蛋白在病灶中央进行性堆积,研究结果显示,β-淀粉样蛋白能诱导神经元凋亡,但能被抗氧化剂阻断。已经在肌萎缩患者体内发现有与神经元凋亡抑制蛋白有关的基因突变,使神经元凋亡抑制蛋白缺乏,导致脊髓前角运动神经元凋亡,肌肉出现失用性萎缩。
  2. 细胞凋亡与AIDS病 人类免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus, HIV)感染,可导致艾滋病(AIDS)。HIV感染的宿主细胞膜表面,可表达gpl20, 其受体存在于CD4+T淋巴细胞膜上。因此,当gpl20与CD4+T淋巴细胞结合后,可诱导CD4+T淋巴细胞凋亡,导致免疫系统崩溃。另外,HIV感染的外周血T淋巴细胞对TRAIL和FasL的诱导凋亡特别敏感。
  3. 细胞凋亡与心血管疾病 人类的血管内皮细胞、平滑肌细胞和心肌细胞的凋亡是多种心血管疾病发生与演变的病理学基础。在动脉粥样硬化、心肌病、急性心肌梗死,以及心力衰竭中均伴随着细胞凋亡。近年来对动脉粥样硬化的研究发现,细胞凋亡主要以血管平滑肌细胞和巨噬细胞凋亡为主。窦房结、房室结和希氏束细胞发生过多凋亡,引起心脏传导系统障碍而致心功能不全。