细胞程序性死亡

细胞死亡方式

在细胞凋亡一词出现之前，胚胎学家已观察到动物发育过程中存在着细胞程序性死亡（programmed cell death，PCD）现象，近年来PCD和细胞凋亡常被作为同义词使用，但两者实质上是有差异的。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；PCD应包括细胞凋亡，程序坏死，以及最新发现的细胞焦亡（丁明孝等编《细胞生物学第五版》）。而现行人教版高中生物教材将概念简化易造成误解，即将PCD等同于细胞凋亡。

概念

细胞程序性死亡是生物体发育过程中普遍存在的，是一个由基因决定的细胞主动的有序的死亡方式。具体指细胞遇到内、外环境因子刺激时，受基因调控启动的自杀保护措施，包括一些分子机制的诱导激活和基因编程，通过这种方式去除体内非必需细胞或即将发生特化的细胞。

而细胞凋亡时，就像树叶或花的自然凋落一样，凋亡的细胞散在于正常组织细胞中，无炎症反应，不遗留瘢痕，但程序性坏死是由肿瘤坏死因子等引起，会引发炎症反应。死亡的细胞碎片很快被巨噬细胞或邻近细胞清除，不影响其他细胞的正常功能。

历史概述

尽管早在170年前，人们就在细胞中观察到了自然发生的细胞死亡现象，然而长期以来它都被视为是一种细胞被动现象，以及生物系统的一个必然归宿点。直到科学家们逐渐展开对蚕和蝌蚪的发育定时细胞死亡研究，这一观念才开始发生改变。科学家们在这些早期的研究中发现当蛋白质或RNA合成受到抑制时有可能导致细胞死亡发生延迟，神经细胞的存活需要一类称作神经营养因子的细胞外存活因子的支持。最初人们只是将神经营养因子视为是细胞存活必需的一种特殊的营养物质，然而后来的研究证实这些因子是通过抑制细胞内自杀性程序来支持细胞存活的。更深入的研究表明这一机制并不仅局限于神经系统，这种对于细胞外存活信号的竞争是一种广泛存在于动物体内控制细胞数量的重要机制。

细胞死亡领域的另一个里程碑式成果是Kerr, Wylie和 Currie开展的细胞超微结构研究，确定了生理条件下濒死细胞一系列的细胞形态学变化。当细胞对无法承受的压力或损害做出死亡反应时，细胞会发生膨胀和破裂，这一过程称之为坏死（necrosis）。而在正常发育和内环境稳定过程中，大部分细胞死亡时则表现为细胞体积缩小、核固缩、胞膜结构完整、最终细胞遗骸被分割为凋亡小体，并迅速被周围专职或非专职吞噬细胞吞噬。而研究则揭示出凋亡并非发育细胞死亡的唯一形式，当PCD受到抑制时细胞还可能存在有其他的补偿机制。此外，科学家们还在线虫研究中揭示了细胞发生PCD的遗传学分子机制，鉴别出了对PCD产生特殊效应的一些突变，证实细胞死亡是通过一些特殊基因启动细胞自杀程序的细胞发育的最终命运。在对相应基因的分子特征鉴定中确定了在进化中保守的核心的细胞死亡机器，以及作为细胞凋亡的中心环节和关键执行者Caspase家族。

坏死区别

凋亡细胞的主要特征是（参见表15-2）：①染色质聚集、分块、位于核膜上，胞质凝缩，最后核断裂（但是核膜不破裂），细胞通过出芽的方式形成许多凋亡小体（图15-4）；②凋亡小体内有结构完整的细胞器，还有凝缩的染色体，可被邻近细胞吞噬消化，因始终有膜封闭，没有内溶物释放，故不会引起炎症；③凋亡细胞中仍需要合成一些蛋白质，但是在坏死细胞中ATP和蛋白质合成受阻或终止；④核酸内切酶活化，导致染色质DNA在核小体连接部位断裂，形成约200bp整数倍的核酸片段，凝胶电泳图谱呈梯状；⑤凋亡通常是生理性变化，而细胞坏死是病理性变化。

作用

关于PCD的作用及调控机制的大部分研究数据主要来自于三种模型系统：线虫、果蝇和小鼠。线虫中的体细胞程序性死亡是一个受到细胞系严密调控的细胞命运过程。在雌雄同体线虫的发育过程中，1090个体细胞中的131个会发生死亡，其中大部分发生在胚胎发育过程中或是细胞分裂后不久。当线虫的PCD发生异常时，这131个细胞将免于细胞死亡，但对线虫的发育、寿命、行为和外表似乎并不产生显著性的影响。

研究PCD的另一个重要模型就是黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）。黑腹果蝇中的细胞数目比线虫要多出1000多倍，它的细胞数目受到营养供应、DNA损伤和环境压力等环境因素的影响。在果蝇中，PCD并非是由细胞系确定的程式化的细胞命运过程，而是更多地像脊椎动物一样，受到各种细胞内外的刺激调控。果蝇有着确定的发育机制，相对简单的解剖结构，便于遗传及分子生物技术操作。因此它为研究发育过程中PCD的作用以及信号调控机制提供了一个重要的系统。不同于线虫，PCD是果蝇完全发育所必需的过程，抑制PCD会导致果蝇严重的发育缺陷和生物体死亡。

正如人们可以预期的，在脊椎动物中的PCD调控则似乎要复杂得多，在整个发育的过程中从早期胚泡中的内细胞团分化到成体维持组织内环境稳定，大量的细胞都经受了PCD。让人感到有些惊异的是，在小鼠中的某些细胞死亡基因的失活仅导致相对较小的发育缺陷，并且在胚胎发育中存活下来。其中的原因之一看起来是由于相当丰富的caspase家族以及存在多重caspase激活的机制。此外，有数据表明当发生凋亡缺陷时，细胞可能启动了其他的备用机制。尽管在哺乳动物中存在着健全的细胞死亡机制，然而凋亡异常仍与一些特异性的发育障碍和癌症及退行性疾病等多种疾病显示了相关性。

这一研究已从线虫、果蝇和小鼠向其他的生物系统包括水螅、烟草天峨、非洲蟾蜍、鸡以及人类患者延伸。

PCD 作用

PCD作为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发挥重要的作用。这一过程调控异常与免疫性疾病和发育障碍、神经退行性病变和癌症等多种人类疾病密切相关。因而，程序性细胞死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。

形态形成

PCD在器官发生和组织重塑中发挥至关重要的作用。其中众所周知的就是高等脊椎动物中手指（脚趾）的形成。在胚胎发育期间借助于指间的细胞凋亡，我们才有了手指而不是鸭蹼。凋亡是形成四肢的主要细胞死亡机制，在小鼠中促凋亡基因的失活可部分地保留趾间组织。在果蝇中，凋亡对腿关节的形成以及分节形态发育起关键性的作用。

清除结构

在发育的过程中，机体借助于PCD清除掉那些不再需要的，发挥过渡功能的结构。其中包括进化残留物、单性别中需要或仅短暂发挥功能的结构。例如，人在胚胎阶段是有尾巴的，正因为组成尾巴的细胞恰当地死亡，才使我们在出生后没有尾巴。如果这些细胞没有恰当地死亡，就会出现长尾巴的新生儿。

调控细胞数目

发育中的组织和器官主要依赖于细胞分裂和PCD之间的动态平衡以维持适当的细胞数目。大多数的器官，例如神经细胞、免疫系统和生殖系统均借助于PCD清除过度生成的细胞。在女性体内，借助PCD可清除掉近80%的卵母细胞。在哺乳动物中枢神经系统超过一半的神经元通过PCD清除。对有限存活信号的竞争确保了组织中不同细胞类型的适当比例。相同的竞争也存在于以不同速率增殖的细胞间。分裂较慢的细胞就会被快速分裂的细胞淘汰。细胞竞争被认为促成了生长平衡，对正常发育过程中可能存在的变异进行调整，挑选出有利于器官功能的最适合的细胞。

清除潜在危险

PCD还可在发育阶段和成人后的生命过程中发挥保护作用清除异常及潜在危险的细胞。

机制

细胞凋亡途径

凋亡信号通路

当细胞接受凋亡信号分子(Fas,TNF等)后，凋亡细胞表面信号分子受体相互聚集并与细胞内的衔接蛋白(Adaptor protein)结合，这些衔接蛋白又募集Procaspases聚集在受体部位，Procaspase相互活化并产生级联反应，使细胞凋亡。

·下游Caspases活化后，作用底物：

裂解核纤层蛋白，导致细胞膜内陷，包裹细胞内的物质形成凋亡小体；

裂解DNase 结合蛋白，使DNase释放，降解DNA形成DNA Ladder;

裂解参与细胞连接或附着的骨架和其他蛋白，使凋亡细胞皱缩、脱落；

导致膜脂PS外翻，便于吞噬细胞识别并吞噬。

Bcl-2线粒体

Bcl-2是一种原癌基因，是ced-9在哺乳类中的同源物，能抑制细胞凋亡；与线粒体及内质网膜相结合；Bcl-2蛋白的羧基末端有一穿膜的结构域；Bcl-2家族成员的基因中，常常含有三个保守的Bcl-2同源区，即BH1，BH2和BH3

Bcl-2、线粒体与细胞凋亡

哺乳动物细胞中发现的Apaf2（凋亡蛋白酶活化因子）即是CytC当Caspase8活化后，它一方面作用于Procaspase（caspase酶原）3，另一方面使Bid裂解成2个片段并激活，解除Bcl-2对Bax/Bak的结合抑制，后者转移到线粒体膜上，增大通透性，导致细胞色素C等凋亡因子的释放。CytC与胞质中Ced4同源物Apaf-1(凋亡蛋白酶活化因子apoptosis protease activating factor)结合并活化Apaf-1，活化的Apaf-1再活化Procaspase9，最后引起细胞凋亡。

P53引起的内源性凋亡通路

P53可直接解除Bcl-2对Bax/Bak的结合抑制，从而触发内源途径。

DNA开启

来自耶鲁大学医学院，浙江大学遗传学研究院的研究人员发表了题为“Mitochondrial Stress Engages E2F1 Apoptotic Signaling to Cause Deafness”的文章，发现线粒体DNA突变能开启一种信号级联放大过程，从而导致细胞程序性死亡，这揭示了母系遗传学耳聋的病理分子途径。

研究人员聚焦于一个线粒体DNA突变，这一突变会引起母系遗传学耳聋，这一突变出现在编码线粒体核糖体 RNA中的一个基因上，这一基因能编码细胞呼吸所需的蛋白，研究人员发现具有这种突变的细胞系很容易发生细胞死亡，但这种死亡并不是直接由这种突变引发，而是由于这种突变能增强这种RNA正常的化学甲基化修饰。

研究人员发现病变线粒体的活性氧分子就是这一细胞死亡-诱导基因表达过程中的启动因素，他们进一步通过了这一蛋白的遗传消耗实验，能恢复小鼠正常的听力，证明了这一机理。

实践意义

如果调节细胞“自杀”的基因出了问题，该死亡的细胞没有死亡，反而继续分裂繁殖，便会导致有问题或恶性细胞不受控制地增长，比如癌症；如果基因错向不该死的细胞发出“自杀令”，不让之分裂繁殖，使不该死亡的淋巴细胞大批死亡，便破坏了人体的组织或免疫系统，比如艾滋病。

控制“程序性细胞死亡”的基因有两类：一类是抑制细胞死亡的；另一类是启动或促进细胞死亡的。两类基因相互作用控制细胞正常死亡。如果能发现所有的调控基因，分析其功能，研究出能发挥或抑制这些基因功能的药物，那么人类就能够敲响癌症和艾滋病的丧钟。

线虫Caenorhabditiselegans是研究个体发育和细胞程序性死亡的理想材料。其生命周期短，细胞数量少，成熟的成虫若是雌雄同体则有959个体细胞，约2000个生殖细胞。若是雄虫则有1031个体细胞和约1000个生殖细胞。神经系统由302个细胞组成，这些细胞来自于407个前体细胞，这些前体细胞中有105个发生了程序死亡。

麻省理工学院的Robert Horvitz 领导的研究小组采用体细胞突变的方法发现共有14 个基因在C. elegans细胞凋亡中起作用，其中在细胞凋亡的实施阶段起作用的主要有3个：Ced-3、Ced-4和Ced-9，其中Ced-3和Ced-4的作用是诱发凋亡，在缺乏Ced-3、Ced-4的突变体中不发生凋亡，有多余细胞存在。Ced-9抑制Ced-3、Ced-4的作用，使凋亡不能发生，Ced-9功能不足导致胚胎因细胞过度凋亡而死亡。

当然，这个过程需经过一番艰苦努力，因为线虫只有959个细胞，而人体则有大约1000万亿个细胞。

2002诺贝尔：悉尼·布雷内、罗伯特·霍维茨和约翰·苏尔斯顿用线虫作生物研究对象，排列出了线虫基因图谱——第一个动物基因图谱，找到了可以对细胞每一个分裂和分化过程跟踪的细胞图谱，指出细胞分化时会经历一种“程序性细胞死亡”的过程，并确认了“程序性细胞死亡”过程中控制基因的变化状况，发现线虫中控制细胞死亡的关键基因，并描绘出了这些基因特征，揭示这些基因在细胞死亡过程中怎样相互作用，并证实了人体内也存在相应基因，这就打开了探究人体细胞分化和演变的大门。为此，这三位科学家荣获2002年诺贝尔生理学或医学奖。

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