细胞凋亡研究新进展
作者：姚宏
单位：姚宏(太原市人民医院 030001)
关键词：
山西医药杂志000501 生物体内环境的稳定，不但依赖细胞的增生和分化，也依赖细胞的凋亡。细胞凋亡(apo ptosis)又称程序性死亡(PCD)是生物界重要的生命现象之一，从线虫进化至高等哺乳类动物 ，从胚胎至成人，从生理到病理，从生到死整个过程，体内不同的细胞多具有此种死亡形式 。
早在100多年前Carl已发现这种死亡形式。1972年Kerr等人重新研究，并命名为凋亡(apopto sis)。其后在凋亡的形态学和生化学等领域取得新的认识。近期的研究有3个突破：首先， 从研究小线虫凋亡调节基因，证实凋亡的发展是由遗传基因控制，其中以Ced-9，Ced-3和 Ced-4基因的作用最先确定。哺乳动物也有相应同源基因。其次，阐明凋亡信号传递途径， 特殊的死亡信号分子激活半胱氨酸蛋白酶家族(称为caspases)，诱导细胞凋亡。第三，研究 凋亡和疾病的关系，了解疾病发病机制及应用凋亡理论和实践来防治疾病。
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1 细胞凋亡的形态学和生化学改变
在凋亡的形态改变中，最具有特征改变的是细胞皱缩，细胞核变圆、变小，染色质逸出，分 解为数个小核，被排出细胞外称为凋亡小体；细胞质酸化，致密，胞膜出泡，微绒毛消失。 早期可见线粒体改变，肿胀、嵴少或消失，外膜破裂至气球状；有的线粒体有电子密度高的 无定形物质沉积，成为皱缩致密小球，改变线粒体常为溶酶吞噬。有的细胞线粒体增生。
随着细胞凋亡形态的研究，细胞生化的改变也逐渐被阐明。①钙离子和蛋白激酶改变：细胞 内Ca2+的堆积和重新分布，细胞核内Ca2+的增多，激活核酸内切酶的活性，蛋 白激酶C(PKC)在不同细胞类别和不同周期活性表现不一。②核酸内切酶激活把DNA切成大小 不一的片段，呈梯状电泳现象。③组织谷氨酰胺转移酶的积累并激活。④细胞骨架如肌动蛋 白的变化。⑤细胞表面糖链、植物血凝素与玻连蛋白受体增加，磷脂酰丝氨酸(PS)的外露改 变细胞表面的生化特性。
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2 凋亡产生的三步骤
凋亡的发生和发展概括为3个阶段：信号传递阶段、中央调控阶段和结构改变阶段。
2.1 信号传递：诱导凋亡的细胞外因素(包括环境和体内因素)众多，进入细胞内是经信号 传递阶段。各种诱导凋亡因子进入细胞内的途径是多种多样，其中主要的通过受体传导。接 受凋亡信号的受体位于细胞表面，称为死亡受体(death receptors,DR)。当死亡配体(death ligands)和它结合激活死亡蛋白酶系统(death caspase)可以在几小时内诱导细胞凋亡。死 亡受体有肿瘤坏死因子受体(TNFR)基因家族，CD95(Fas或Apol)和DR(或APO)系列。死亡受体 分为细胞膜外和细胞质两区域，前者传导死亡信号，后者称死亡区域(death domain,DD)， 参与激发蛋白酶系列和细胞产生凋亡调节机制。
2.2 中央调控：凋亡激发因子作用在线粒体，使线粒体内死亡基因Ced-3/ICE和Ced-4(C ed为线虫基因，ICE为哺乳类基因)及死亡抑制基因Ced-9/Bcl-2(Ced-9在线虫体内，哺乳 类动物相应基因为Bcl-2)激活。当Ced-9/Bcl-2和Ced-4(连接蛋白)和Ced-3/ICE相结合 ，Ced-3不能活化，防止一连串caspases级联反应，细胞存活；当Ced-9/Bcl-2被促凋亡 因子EGL-1结合，失Bcl-2失活，Ced-4使Ced-3/ICE活化引起细胞凋亡。线粒体释放细胞 色素c(cytoc)亦可使caspases活化，产生蛋白溶解，引起细胞凋亡。
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2.3 细胞结构改变：在前两阶段基础上，凋亡细胞出现特异的形态变化如细胞皱缩；核致 密，微绒毛消失。生化特点是多种酶活化。细胞核的改变，认为是caspases活化的DNA酶(CA D)进入细胞核内使染色体的DNA断裂引起细胞死亡。CAD的抑制因子ICAD拮抗CAD。
3 凋亡发展的中心问题
最近，凋亡发展过程的研究最关注的是线粒体的作用，蛋白酶系统的级联反应(caspase cas ecade)和各种死基因及其产物的调节作用。
3.1 线粒体：在原核细胞内线粒体前身一种小的共生细菌，它控制细胞在有氧环境下的生 活和死亡，这种共生菌的存在由不稳定至稳定及参加核基因谱变成专性共生，这是细胞进化 现象。细胞内氧化磷酸化，能量代谢和抗活性氧化(ROS)有赖于线粒体的功能。线粒体体积 扩大，外膜破裂。caspase活性蛋白释放至细胞质引起caspase连锁反应。
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线粒体改变引起细胞死亡已知有3种机制：①电子传递、氧化磷酸化和ATP产生的破坏。②释 放激发caspase家族的蛋白，如cyto C。③改变细胞氧化还原潜能。
3.2 Caspases蛋白酶：凋亡是一种进化过程保留下来的细胞自杀，发生的机制是蛋白溶解 系统活化，涉及一组半胱氨酸蛋白酶家族，称为caspases。Caspases家族具有蛋白酶生物学 特性，如蛋白溶解作用是不可逆的；许多蛋白酶是由其前身合成，其量虽少，起着催化作用 ；存在阳性或阴性反馈作用；蛋白酶调节自身的活性，蛋白酶有其相应的抑制剂，蛋白酶反 应是特异性等。Caspases有多种多数和凋亡有关，少数和炎症有关。
3.3 细胞凋亡的基因调控：目前发现的细胞凋亡有关基因有三类：促细胞凋亡基因，抑制 细胞凋亡基因和在细胞凋亡过程中协助的基因。①Ced基因：线虫的Ced-3和Ced-4为促凋 亡基因，哺乳类动物和Ced-3相似基因为白细胞介素转化酶(ICE)是一种半胱氨酸蛋白酶；C ed-9是抑制凋亡基因，人的Bcl-2和Ced-9同源，可以抑制Ced-3。Ced-4是结合体(adap tor)。②Bcl-2及其家族：Bcl-2家族有Bcl-x，Bax，Bak，Bad等成员，形成Bcl2-Bax -Bclx和Bax-Bad-Bclx调控系统。Bcl-2可以防止凋亡产生，部分成员如Bax有促进凋亡 作用。③ICE基因：白细胞介素IB转化酶ICE是哺乳类动物促凋亡基因。ICE作用于Pro-IL- IB底物。抑制ICE的基因有Cowpox病毒的Crm A，使它失去诱导细胞凋亡作用。Cpp32基因产 物可以和ICE协同作用。④c-myc和H-ras基因：c-myc促进细胞凋亡，H-ras抑制细胞凋 亡。⑤Fas和Fas-L：Fas为死亡受体，Fas配体，Fas配体(Fas-L)是T淋巴细胞产物，Fas和 Fas-L结合诱导细胞凋亡。⑥野生型诱导细胞凋亡，通过细胞凋亡抑制肿瘤的生长。⑦Rb有 抗凋亡作用，Rb使细胞周期停滞，也可阻断细胞内信息传递。
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4 凋亡在疾病的防治应用的可能性
应用caspase理论及凋亡发生机制探索防治疾病方法。
脑缺血神经细胞凋亡可以用caspases抑制剂防止。如新生儿窒息，老年脑缺血，老年痴呆症 (Alzheimer病)可用药物预防神经元凋亡。
过度凋亡所致疾病的防治：神经退行性疾病、视网膜退行性病变、移植排斥、自身免疫性疾 病等由于过度凋亡引起细胞缺失，可用caspases抑制剂预防。
肿瘤防治：肿瘤细胞常呈凋亡不足，化疗和放疗可诱导细胞凋亡，通过活化caspases酶系统 或活化死亡受体起动caspase系统，促进凋亡。应了解某种肿瘤细胞起动的caspases酶系统 和正常细胞死亡caspases酶系统的差异，以便选择激发肿瘤的caspases系统。另外，肿瘤细 胞可能是Bcl-2表达过度，p53表达不足或突变使肿瘤细胞死亡减少，也可据此设计治疗策 略。
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心肌缺血，心肌梗死：在急性条件下，心肌纤维多为坏死，有些缓慢发展的心肌缺血，可产 生心肌细胞凋亡，通过了解凋亡的发生过程可以预防和治疗慢性心肌纤维死亡。
有些病毒感染可以阻止细胞凋亡，使病毒得以在活细胞繁殖。利用病毒或其蛋白产生抑制ca spases系统或利用小分子多肽来防止凋亡。
探索防治与细胞凋亡有关的疾病，目前提出对肿瘤、老年痴呆、艾滋病、自身免疫病等。根 据凋亡理论提出革命性治疗策略。其中依赖几个领域的研究。①根据不同疾病细胞凋亡过程 特点设计治疗方案；②市场上能提供有关药物；③基因治疗，ICE/Ced-3基因家族产品的应 用；④凋亡的诊断和研究方法的改善，关键是了解不同caspases活化在细胞凋亡作用及其上 、下游的各辅助因子。
近两年来，有关细胞凋亡研究在飞速发展，并有所突破。对caspases系列的研究将更深入。 Caspases上游基因和下游的作用底物及各种协作因子将一一被阐明。由于对有关疾病产生细 胞凋亡机制的深入了解，并找出其特异性，可应用于疾病的防治，成为治疗学新领域。因此 ，细胞凋亡理论和实践的研究将有广阔的天地。
作者简介：姚宏，男，1959年7月生，主任医师，太原市人民医院，030001
(收稿日期：2000-07-09), http://www.100md.com
单位：姚宏(太原市人民医院 030001)
关键词：
山西医药杂志000501 生物体内环境的稳定，不但依赖细胞的增生和分化，也依赖细胞的凋亡。细胞凋亡(apo ptosis)又称程序性死亡(PCD)是生物界重要的生命现象之一，从线虫进化至高等哺乳类动物 ，从胚胎至成人，从生理到病理，从生到死整个过程，体内不同的细胞多具有此种死亡形式 。
早在100多年前Carl已发现这种死亡形式。1972年Kerr等人重新研究，并命名为凋亡(apopto sis)。其后在凋亡的形态学和生化学等领域取得新的认识。近期的研究有3个突破：首先， 从研究小线虫凋亡调节基因，证实凋亡的发展是由遗传基因控制，其中以Ced-9，Ced-3和 Ced-4基因的作用最先确定。哺乳动物也有相应同源基因。其次，阐明凋亡信号传递途径， 特殊的死亡信号分子激活半胱氨酸蛋白酶家族(称为caspases)，诱导细胞凋亡。第三，研究 凋亡和疾病的关系，了解疾病发病机制及应用凋亡理论和实践来防治疾病。
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1 细胞凋亡的形态学和生化学改变
在凋亡的形态改变中，最具有特征改变的是细胞皱缩，细胞核变圆、变小，染色质逸出，分 解为数个小核，被排出细胞外称为凋亡小体；细胞质酸化，致密，胞膜出泡，微绒毛消失。 早期可见线粒体改变，肿胀、嵴少或消失，外膜破裂至气球状；有的线粒体有电子密度高的 无定形物质沉积，成为皱缩致密小球，改变线粒体常为溶酶吞噬。有的细胞线粒体增生。
随着细胞凋亡形态的研究，细胞生化的改变也逐渐被阐明。①钙离子和蛋白激酶改变：细胞 内Ca2+的堆积和重新分布，细胞核内Ca2+的增多，激活核酸内切酶的活性，蛋 白激酶C(PKC)在不同细胞类别和不同周期活性表现不一。②核酸内切酶激活把DNA切成大小 不一的片段，呈梯状电泳现象。③组织谷氨酰胺转移酶的积累并激活。④细胞骨架如肌动蛋 白的变化。⑤细胞表面糖链、植物血凝素与玻连蛋白受体增加，磷脂酰丝氨酸(PS)的外露改 变细胞表面的生化特性。
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2 凋亡产生的三步骤
凋亡的发生和发展概括为3个阶段：信号传递阶段、中央调控阶段和结构改变阶段。
2.1 信号传递：诱导凋亡的细胞外因素(包括环境和体内因素)众多，进入细胞内是经信号 传递阶段。各种诱导凋亡因子进入细胞内的途径是多种多样，其中主要的通过受体传导。接 受凋亡信号的受体位于细胞表面，称为死亡受体(death receptors,DR)。当死亡配体(death ligands)和它结合激活死亡蛋白酶系统(death caspase)可以在几小时内诱导细胞凋亡。死 亡受体有肿瘤坏死因子受体(TNFR)基因家族，CD95(Fas或Apol)和DR(或APO)系列。死亡受体 分为细胞膜外和细胞质两区域，前者传导死亡信号，后者称死亡区域(death domain,DD)， 参与激发蛋白酶系列和细胞产生凋亡调节机制。
2.2 中央调控：凋亡激发因子作用在线粒体，使线粒体内死亡基因Ced-3/ICE和Ced-4(C ed为线虫基因，ICE为哺乳类基因)及死亡抑制基因Ced-9/Bcl-2(Ced-9在线虫体内，哺乳 类动物相应基因为Bcl-2)激活。当Ced-9/Bcl-2和Ced-4(连接蛋白)和Ced-3/ICE相结合 ，Ced-3不能活化，防止一连串caspases级联反应，细胞存活；当Ced-9/Bcl-2被促凋亡 因子EGL-1结合，失Bcl-2失活，Ced-4使Ced-3/ICE活化引起细胞凋亡。线粒体释放细胞 色素c(cytoc)亦可使caspases活化，产生蛋白溶解，引起细胞凋亡。
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2.3 细胞结构改变：在前两阶段基础上，凋亡细胞出现特异的形态变化如细胞皱缩；核致 密，微绒毛消失。生化特点是多种酶活化。细胞核的改变，认为是caspases活化的DNA酶(CA D)进入细胞核内使染色体的DNA断裂引起细胞死亡。CAD的抑制因子ICAD拮抗CAD。
3 凋亡发展的中心问题
最近，凋亡发展过程的研究最关注的是线粒体的作用，蛋白酶系统的级联反应(caspase cas ecade)和各种死基因及其产物的调节作用。
3.1 线粒体：在原核细胞内线粒体前身一种小的共生细菌，它控制细胞在有氧环境下的生 活和死亡，这种共生菌的存在由不稳定至稳定及参加核基因谱变成专性共生，这是细胞进化 现象。细胞内氧化磷酸化，能量代谢和抗活性氧化(ROS)有赖于线粒体的功能。线粒体体积 扩大，外膜破裂。caspase活性蛋白释放至细胞质引起caspase连锁反应。
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线粒体改变引起细胞死亡已知有3种机制：①电子传递、氧化磷酸化和ATP产生的破坏。②释 放激发caspase家族的蛋白，如cyto C。③改变细胞氧化还原潜能。
3.2 Caspases蛋白酶：凋亡是一种进化过程保留下来的细胞自杀，发生的机制是蛋白溶解 系统活化，涉及一组半胱氨酸蛋白酶家族，称为caspases。Caspases家族具有蛋白酶生物学 特性，如蛋白溶解作用是不可逆的；许多蛋白酶是由其前身合成，其量虽少，起着催化作用 ；存在阳性或阴性反馈作用；蛋白酶调节自身的活性，蛋白酶有其相应的抑制剂，蛋白酶反 应是特异性等。Caspases有多种多数和凋亡有关，少数和炎症有关。
3.3 细胞凋亡的基因调控：目前发现的细胞凋亡有关基因有三类：促细胞凋亡基因，抑制 细胞凋亡基因和在细胞凋亡过程中协助的基因。①Ced基因：线虫的Ced-3和Ced-4为促凋 亡基因，哺乳类动物和Ced-3相似基因为白细胞介素转化酶(ICE)是一种半胱氨酸蛋白酶；C ed-9是抑制凋亡基因，人的Bcl-2和Ced-9同源，可以抑制Ced-3。Ced-4是结合体(adap tor)。②Bcl-2及其家族：Bcl-2家族有Bcl-x，Bax，Bak，Bad等成员，形成Bcl2-Bax -Bclx和Bax-Bad-Bclx调控系统。Bcl-2可以防止凋亡产生，部分成员如Bax有促进凋亡 作用。③ICE基因：白细胞介素IB转化酶ICE是哺乳类动物促凋亡基因。ICE作用于Pro-IL- IB底物。抑制ICE的基因有Cowpox病毒的Crm A，使它失去诱导细胞凋亡作用。Cpp32基因产 物可以和ICE协同作用。④c-myc和H-ras基因：c-myc促进细胞凋亡，H-ras抑制细胞凋 亡。⑤Fas和Fas-L：Fas为死亡受体，Fas配体，Fas配体(Fas-L)是T淋巴细胞产物，Fas和 Fas-L结合诱导细胞凋亡。⑥野生型诱导细胞凋亡，通过细胞凋亡抑制肿瘤的生长。⑦Rb有 抗凋亡作用，Rb使细胞周期停滞，也可阻断细胞内信息传递。
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4 凋亡在疾病的防治应用的可能性
应用caspase理论及凋亡发生机制探索防治疾病方法。
脑缺血神经细胞凋亡可以用caspases抑制剂防止。如新生儿窒息，老年脑缺血，老年痴呆症 (Alzheimer病)可用药物预防神经元凋亡。
过度凋亡所致疾病的防治：神经退行性疾病、视网膜退行性病变、移植排斥、自身免疫性疾 病等由于过度凋亡引起细胞缺失，可用caspases抑制剂预防。
肿瘤防治：肿瘤细胞常呈凋亡不足，化疗和放疗可诱导细胞凋亡，通过活化caspases酶系统 或活化死亡受体起动caspase系统，促进凋亡。应了解某种肿瘤细胞起动的caspases酶系统 和正常细胞死亡caspases酶系统的差异，以便选择激发肿瘤的caspases系统。另外，肿瘤细 胞可能是Bcl-2表达过度，p53表达不足或突变使肿瘤细胞死亡减少，也可据此设计治疗策 略。
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心肌缺血，心肌梗死：在急性条件下，心肌纤维多为坏死，有些缓慢发展的心肌缺血，可产 生心肌细胞凋亡，通过了解凋亡的发生过程可以预防和治疗慢性心肌纤维死亡。
有些病毒感染可以阻止细胞凋亡，使病毒得以在活细胞繁殖。利用病毒或其蛋白产生抑制ca spases系统或利用小分子多肽来防止凋亡。
探索防治与细胞凋亡有关的疾病，目前提出对肿瘤、老年痴呆、艾滋病、自身免疫病等。根 据凋亡理论提出革命性治疗策略。其中依赖几个领域的研究。①根据不同疾病细胞凋亡过程 特点设计治疗方案；②市场上能提供有关药物；③基因治疗，ICE/Ced-3基因家族产品的应 用；④凋亡的诊断和研究方法的改善，关键是了解不同caspases活化在细胞凋亡作用及其上 、下游的各辅助因子。
近两年来，有关细胞凋亡研究在飞速发展，并有所突破。对caspases系列的研究将更深入。 Caspases上游基因和下游的作用底物及各种协作因子将一一被阐明。由于对有关疾病产生细 胞凋亡机制的深入了解，并找出其特异性，可应用于疾病的防治，成为治疗学新领域。因此 ，细胞凋亡理论和实践的研究将有广阔的天地。
作者简介：姚宏，男，1959年7月生，主任医师，太原市人民医院，030001
(收稿日期：2000-07-09), http://www.100md.com