细胞凋亡详解-附过程示意图

2021年2月1日发(作者：杰布)

细胞凋亡

细胞凋亡

（

apoptosis

）

指为维持内环境稳定，

由基因控制的细胞自主的有序的死亡。

细胞凋亡与细胞坏死不同，

细胞凋亡不是一件被动的过程，而是主动过程，它涉 及一系列基因的激活、表达以及调控等的作用，它并不是病理

条件下，自体损伤的一种现 象，而是为更好地适应生存环境而主动争取的一种死亡过程

。

中文名

细胞凋亡

外文名

Apoptosis

Apoptosis

美

< p>
[

?

?p

?

p

?

to

?

s

?

z]

n.

程序性细胞死亡，细胞凋落，细胞凋亡

a type of cell death in which the cell uses specialized cellular machinery to kill itself

人体内的细胞注定是要死亡的，有些死亡是生理性的，有些死 亡则是病理性的，有关细胞死亡过程的研究，已

< p>
成为生物学、

医学研究的一个热点。

人们已经知道 细胞的死亡起码有两种方式，

即

细胞坏死与细胞凋亡

< p>
（

apoptosis

）

。

细胞坏 死是早已被认识到的一种细胞死亡方式，而细胞凋亡则是逐渐被认识的一种细胞死亡方式。细胞凋亡是细胞

的一种基本生物学现象，在多细胞生物去除不需要的或异常的细胞中起着必要的作用。它在生物 体的进化、内环境

的稳定以及多个系统的发育中起着重要的作用。细胞凋亡不仅是一种特 殊的细胞死亡类型，而且具有重要的生物学

意义及复杂的分子生物学机制。

凋亡是多基因严格控制的过程。

这些基因在种属之 间非常保守，

如

Bcl-2

家族、

caspase

家族、

癌基因如

< p>
C-myc

、

抑癌基因

P 53

等，随着分子生物学技术的发展对多种细胞凋亡的过程有了相当的认识，但是迄今为 止凋亡过程确切

机制尚不完全清楚。而凋亡过程的紊乱可能与许多疾病的发生有直接或间 接的关系。如肿瘤、自身免疫性疾病等，

能够诱发细胞凋亡的因素很多，如射线、药物等 。

人的部分生理结构属于自然凋亡，如人的有尾阶段，尾部在 发育过程中自动凋亡。

研究历史

1

．

凋亡概念的形成

1965

< p>
年澳大利亚科学家发现，结扎鼠门静脉后，电镜观察到肝实质组织中有一些散在的

< br>死亡细胞，这些细胞的溶酶体并未被破坏，显然不同于细胞坏死。这些细胞体积收缩、染色质凝集，从其周 围的组

织中脱落并被吞噬，机体无炎症反应。

1972

年

Kerr

等三位科学家首次提出了细胞凋亡的 概念，宣告了对细胞凋亡

的真正探索的开始，在此之前，关于胚胎发育生物学、免疫系统 的研究，肝细胞死亡的研究都为这一概念的提出奠

定了基础。

2

．细胞凋亡的形态学及生物化学研究阶段（

< br>1972-1987)

。

1)

利用光镜和电镜对形态学特征进行了详细的研究。

< p>
2)

染色体

DNA

的降解 ：细胞凋亡的一个显著特征就是细胞染色质的

DNA

降解，凋亡 时

DNA

的断片大小规律是

200bp

的整数倍。

3)RNA/

蛋白质大分子的合成。

4)

钙离子变化，细胞内钙离子浓度的升高是细胞发生凋亡的一 个重要条件。

< br>5)

内源性核酸内切酶：细胞发生凋亡是需要这种核酸内切酶参与的。

< p>

3

．细胞凋亡的分子生物学研究阶段。

1

）与细胞凋亡的相关基因及调控。

2)

细胞凋亡的信号转导。

3)

与细胞凋亡的各种分子及其相互作用及相互关系。

< br>

4

．细胞凋亡的临床应用基础研究阶段

细胞凋亡的研究，其生命力在于最终能够有利于疾病机制的阐明，以及新疗

法的探索及问世。

细胞凋亡与程序性死亡

其实从严格的 词学意义上来说，细胞程序性死亡（

PCD

）与细胞凋亡是有很 大区别的。细胞程序性死亡的概念

是

1956

< br>年提出的，

PCD

是个功能性概念，描述在一个多细胞生 物体中某些细胞死亡是个体发育中的一个预定的，

并受到严格程序控制的正常组成部分。 例如蝌蚪变成青蛙，其变态过程中尾部的消失伴随大量细胞死亡，高等哺乳

类动物指间蹼 的消失、颚融合、视网膜发育以及免疫系统的正常发育都必须有细胞死亡的参与。这些形形色色的在

机体发育过程中出现的细胞死亡有一个共同特征：

即散在的、逐个地从正常组 织中死亡和消失，机体无炎症反应

，

而且对整个机体的发育是有 利和必须的。因此认为动物发育过程中存在的细胞程序性死亡是一个发育学概念，而细

胞 凋亡则是一个形态学的概念，描述一件有着一整套形态学特征的与坏死完全不同的细胞死亡形式。但是一般认为< /p>

凋亡和程序性死亡两个概念可以交互使用，具有同等意义。

细胞凋亡与坏死的区别

< p>
虽然凋亡与坏死的最终结果极为相似，但它们的过程与表现却有很大差别。

Necrosis

英

[ne

?

kr

??

s

?

s]

美

[ne

?

kro

?

s

?

s]

n .(

器官或组织细胞的

)

坏死

the death of most or all of the cells in an organ or tissue caused by injury, disease, or a loss of blood

supply

坏死（

necrosis

）：坏死是细胞受到强 烈理化或生物因素作用引起细胞无序变化的死亡过程。表现为细胞

胀大，胞

膜破裂，细胞内容物外溢，核变化较慢，

DNA

降解不充分，引 起局部严重的炎症反应

。

凋亡是细胞 对环境的生理性病理性刺激信号，环境条件的变化或缓和性损伤产生的应答有序变化的死亡过程。

其细胞及组织的变化与坏死有明显的不同。

过程

1

、凋亡起始

2

、凋亡小体形成

< br>3

、凋亡小体逐渐被邻近的细胞或体内吞噬细胞所吞噬，凋亡细胞的残余物质被消 化后重新利用。

形态学变化

形态学观察细胞凋亡的变化是多阶段的，

细胞凋亡往往涉及单个细胞，

即便是一小部分细胞也是非同步发生的。

首先出现的是细胞体积 缩小，连接消失，与周围的细胞脱离，然后是细胞质密度增加，线粒体膜电位消失，通透性

改变，释放细胞色素

C

到胞浆，核质浓缩，核膜核仁破碎，< /p>

DNA

降解成为约

180bp-200b p

片段；胞膜有小泡状形

成，膜内侧磷脂酰丝氨酸外翻到膜表面 ，胞膜结构仍然完整，最终可将凋亡细胞遗骸分割包裹为几个凋亡小体，无

内容物外溢， 因此不引起周围的炎症反应，凋亡小体可迅速被周围专职或非专职吞噬细胞吞噬。

过程机理

细胞凋亡的过程大致可分为以下几个阶段：

< br>接受凋亡信号→凋亡调控分子间的相互作用→蛋白水解酶的活化（

Caspase

）→进入连续反应过程

启动阶段

细胞凋亡的启动是细胞在感 受到相应的信号刺激后胞内一系列控制开关的开启或关闭，不同的外界因素启动凋亡的

方 式不同，所引起的信号转导也不相同，客观上说对细胞凋亡过程中信号传递系统的认识还是不全面的，比较清楚< /p>

的通路主要有：

1

）细胞凋亡的膜受体通路：各种外界因素是细胞凋亡的启动剂，它们可以通过不同的信号传递系统传递凋亡信 号，

引起细胞凋亡，我们以

Fas -FasL

为例：

Fas

< p>
是一种跨膜蛋白，属于肿瘤坏死因子受体超家族成员，它与

FasL

结合可以启动凋亡信号的转导引起细胞凋亡。

它的活化包括一系列步骤 ：首先配体诱导受体三聚体化，然后在细胞膜上形成凋亡诱导复合物，这个复合物中包括

带有死亡结构域的

Fas

相关蛋白

FA DD

。

Fas

又称

CD95

，

是由

325

< p>
个氨基酸组成的受体分子，

Fas

一旦和配体

FasL

结合，可通过

Fas

分子启动致死性信号转导，最终引起细胞一系列特征性变化，使细胞死亡。

F as

作为一种普遍表

达的受体分子，可出现于多种细胞表面，但

FasL

的表达却有其特点，通常只出现于活化的

T

细胞和

NK

细胞，因而< /p>

已被活化的杀伤性免疫细胞，往往能够最有效地以凋亡途径置靶细胞于死地。

Fas

分子胞内段带有特殊的死亡结构

域（

DD,death

domain

）。三聚化的

Fas

和

FasL

结合后，使三个

Fas

分子的死亡结构域相聚成簇，吸引了 胞浆中

另一种带有相同死亡结构域的蛋白

FADD

。

FADD

是死亡信号转录中的一个连接蛋白，它由 两部分组成：

C

端（

DD

结构域）和

N

端（

DED< /p>

）部分。

DD

结构域负责和

Fas

分子胞内段上的

DD

结构域结合，该蛋白再以

DED

连接另

一个带有

DED

的后续成分，

由此引起

N

段

DED

随 即与无活性的半胱氨酸蛋白酶

8

（

ca spase8

）

酶原发生同嗜性交

联， 聚合多个

caspase8

的分子，

c aspase8

分子遂由单链酶原转成有活性的双链蛋白，进而引起随后的级联反应，< /p>

即

Caspases

，后者作为酶原而被 激活，引起下面的级联反应。细胞发生凋亡。因而

TNF

诱导的 细胞凋亡途径与此

类似

2

< p>
）细胞色素

C

释放和

Ca spases

激活的生物化学途径

线 粒体是细胞生命活动控制中心，它不仅是细胞呼吸链和氧化磷酸化的中心，而且是细胞凋亡调控中心。实验表明< /p>

了细胞色素

C

从线粒体释放是细胞凋亡的 关键步骤。释放到细胞浆的细胞色素

C

在

dATP

存在的条件下能与凋亡相

关因子

1

（

Apaf-1

）结合，使其形 成多聚体，并促使

caspase-9

与其结合形成凋亡小体，

caspase-9

被激活，被激

活的

caspase-9

能激活其它的

ca spase

如

caspase-3

等， 从而诱导细胞凋亡。此外，线粒体还释放凋亡诱导因子，

如

AI F

，参与激活

caspase

。可见， 细胞凋亡小体的相关组份存在于正常细胞的不同部位。促凋亡因子能诱导细胞

色素

C

释放和凋亡小体的形成。很显然，细胞色素

C

从线粒体释放的调节是细胞凋亡分子机理研究的关键问题。多

数凋亡刺激因子通过线粒体激活细胞凋亡途经。有人认为受体介导的凋亡途经也有细胞色素

C

从线粒体的释放。如

对

Fas

应答的细胞中，一类细胞（

type1

）中 含有足够的胱解酶

8

（

caspas e8

）可被死亡受体活化从而导致细胞凋

亡。在这类细胞中高表达

Bcl-2

并不能抑制

Fas

诱导的细胞凋亡。在 另一类细胞（

type2

）如肝细胞中，

Fas

受体介

导的胱解酶

8

活化不能达到很高的水平。

因此这类细胞中的凋亡信号需要借助凋亡的线 粒体途经来放大，

而

Bid --

一

种仅含有

BH3

结构域的

Bcl-2

家族蛋白是将凋亡信号从胱解酶

8

向线粒体传递的信使。

执行

尽管凋亡过程的详细机制尚不完 全清楚，

但是已经确定

Caspase

即半胱天冬蛋白酶在凋亡过程中是起着必不可少的

作用，细胞凋亡的过程实际上是

Caspase

不可逆有限水解底物的级联放大反应过程，到目前为止 ，至少已有

14

种

Caspase

被发现，

Caspase

分子间的同源性很 高，结构相似，都是半胱氨酸家族蛋白酶，根据功能可把

Caspase

基本分为二类：一类参与细胞的加工，如

Pro- IL-1

β和

Pro-IL-1

δ，形 成有活性的

IL-1

β和

IL-1

δ；第二类参与细胞

凋亡，包括

caspa se2,3,6,7,8,9.10

。

Caspase

家族一般具有以下特征：

1)C

端同源区存在半胱氨酸激活位点，此激活位点结构域为

QACR/QG

。

2)

通常以酶原 的形式存在，相对分子质量

29000-49000(29-49KD

< br>），在受到激活后其内部保守的天冬氨酸残基经

水解形成大（

P20

）小（

P10

）两个亚单位 ，并进而形成两两组成的有活性的四聚体，其中，每个

P20/P10

< br>异二聚

体可来源于同一前体分子也可来源于两个不同的前体分子。

3)

末端具有一个小的或大的原结构域。

< p>

参与诱导凋亡的

Caspase

分成两大类：启动酶（

inititaor

）和效应酶 （

effector

）它们分别在死亡信号转导的上游

和下游发挥作用。

Caspase

活化机制

< p>
Caspase

的活化是有顺序的多步水解的过程，

Caspase

分子各异，但是它们活化的过程相似。首先在

caspase

前体

的

N-

< p>
端前肽和大亚基之间的特定位点被水解去除

N-

端 前肽，然后再在大小亚基之间切割释放大小亚基，由大亚基

和小亚基组成异源二聚体，再 由两个二聚体形成有活性的四聚体。去除

N-

端前肽是

Caspase

的活化的第一步，也

是必须的，

但是

Caspase-9

的活化不需要 去除

N-

端前肽，

Caspase

活化基本有两种机制，即同源活化和异源活化，

这两种活化方式密切 相关，

一般来说后者是前者的结果，

发生同源活化的

< p>
Caspase

又被称为启动

caspase

（

initiator

caspase< /p>

），包括

caspase-8,-10,-9

，诱导凋亡后，起始

Caspase

通过

< br>adaptor

被募集到特定的起始活化复合体，

形成同源二聚体构像改变，

导致同源 分子之间的酶切而自身活化，

通常

caspase-8,10, 2

介导死亡受体通路的细胞凋

亡，

分别 被募集到

Fas

和

TNFR1

死亡受体复合物，

而

Caspase-9

参与线粒体通路的细胞凋亡，

则被募集到

Cy t c/d

ATP/Apaf-1

组成的凋亡体（

< p>
apoptosome

）。同源活化是细胞凋亡过程中最早发生的

capases

水解活化事件，启

动

< p>
Caspase

活化后，即开启细胞内的死亡程序，通过异源活化方式水解 下游

Caspase

将凋亡信号放大，同时将死

亡信号向下传递。

异源活化

（

hetero-activation

）

即由一种

caspase

活化另一种

caspase

是凋亡蛋白酶的酶原被活

化的经典途径。被异源活化的

< br>Caspase

又称为执行

caspase(execu tioner

caspase

），包括

Caspase-3,-6,-7

。执

行

Caspase

不象启动

Caspase

，不能被募集到或结合起始活化复合体，它们必须依赖启动

Caspase

才能活化。

Caspase

效应机制

< p>
凋亡细胞的特征性表现，包括

DNA

裂解为

200bp

左右的片段，染色质浓缩，细胞膜活化，细胞皱缩，最后形 成由

细胞膜包裹的凋亡小体，然后，这些凋亡小体被其他细胞所吞噬，这一过程大约经历

30-60

分钟，

Caspase

引起上

述细胞凋亡相关变化的全过程尚不完全清楚，但至少包括以下 三种机制：

凋亡抑制物

正常活细胞因为核酸酶处 于无活性状态，而不出现

DNA

断裂，这是由于核酸酶和抑制物 结合在一起，如果抑制物

被破坏，核酸酶即可激活，引起

DNA

片段化（

fragmentation

）。现知

caspase

可以裂解这种抑制物而激活核酸

酶，因而把这种酶称为

Caspase

激活的 脱氧核糖核酸酶（

caspase-activated deoxyribonuclease CAD

），而把它

的抑 制物称为

ICAD

。

因而，

< p>
在正常情况下，

CAD

不显示活性是因为

CAD-ICAD

，

以一种无活性的复合物形式 存在。

ICAD

一旦被

Caspase

水解，即赋予

CAD

以核酸酶活性，< /p>

DNA

片段化即产生，有意义的是

CAD

只在

ICAD

存在

时才能合成并显示活性，

提示

CAD-ICAD

< p>
以一种共转录方式存在，

因而

ICAD

< p>
对

CAD

的活化与抑制却是必需要的。

< p>

破坏细胞结构

Cas pase

可直接破坏细胞结构，如裂解核纤层，核纤层（

Lam ina

）是由核纤层蛋白通过聚合作用而连成头尾相接的

多聚体 ，由此形成核膜的骨架结构，使染色质（

chromatin

） 得以形成并进行正常的排列。在细胞发生凋亡时，核

纤层蛋白作为底物被

Caspase

在一个近中部的固定部位所裂解，从而使核纤层蛋白崩解，导致 细胞染色质的固缩。