細(xì)胞凋亡與疾病

apoptosis＆disease

一、概述

細(xì)胞是組成機(jī)體的基本單位，其生命過程包括增殖、分化和凋亡。細(xì)胞通過分裂增加細(xì)胞的數(shù)量；通過分化形成在形態(tài)和功能上各異的細(xì)胞,組成不同的組織和器官；通過凋亡確保胚胎正常發(fā)育和內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定。因此，細(xì)胞增殖、分化和凋亡都是主動而有序的生命過程，任何一個環(huán)節(jié)發(fā)生變化均可引起疾病。

研究歷史：

長期以來，生命科學(xué)的研究重點是細(xì)胞的增殖與分化，即細(xì)胞如何“活”的問題。20世紀(jì)80年代后期，免疫學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在胸腺中大量細(xì)胞死亡（凋亡），是一種選擇性地去除自身反應(yīng)T細(xì)胞的過程。如果這種凋亡受阻，自身反應(yīng)T細(xì)胞不能清除，就會產(chǎn)生自身免疫病。20世紀(jì)90年代以來，對細(xì)胞凋亡的研究成為生命科學(xué)的重要課題，即研究細(xì)胞如何“死”的問題。

細(xì)胞凋亡的概念

凋亡（apoptosis）一詞來自希臘語，apo指分離，ptosis指落下，Apoptosis即花瓣或樹葉的枯落。1972年Kerr等人首先提出了細(xì)胞凋亡的概念：細(xì)胞凋亡（apoptosis）是由基因調(diào)控的主動而有序的細(xì)胞死亡，又稱程序性細(xì)胞死亡（programmedcelldeath,PCD）。

細(xì)胞凋亡的意義：

1.清除無用、多余的細(xì)胞。

2.清除受損、突變或衰老的細(xì)胞。

二、細(xì)胞凋亡的生物學(xué)特征

（一）形態(tài)學(xué)特征1.細(xì)胞核的變化核固縮、核染色質(zhì)凝聚、邊集，最后解離形成核碎片。2.細(xì)胞質(zhì)的變化細(xì)胞表面微絨毛消失，并逐漸與周圍細(xì)胞脫離。胞質(zhì)脫水、體積縮小、空泡化；內(nèi)質(zhì)網(wǎng)不斷擴(kuò)張并與胞膜融合，形成膜表面的芽狀突起，即出芽（buding）。

胞膜皺縮內(nèi)陷，分割胞質(zhì)，形成具有完整膜結(jié)構(gòu)、內(nèi)含細(xì)胞器和/或核碎片的凋亡小體（apotosisbody），它是凋亡細(xì)胞特征性的形態(tài)學(xué)改變。溶酶體膜相對完整，故無局部炎癥反應(yīng)。空泡化固縮出芽胞膜內(nèi)陷凋亡小體凋亡細(xì)胞的形態(tài)學(xué)改變

（二）生化特征

1.DNA的片段化即DNA雙鏈片段化斷裂。其斷裂部位發(fā)生在染色質(zhì)核小體的連接部，此處易受內(nèi)源性核酸內(nèi)切酶的攻擊而斷裂。

DNase

DNA鏈上每隔200個核苷酸就有1個核小體，當(dāng)核酸內(nèi)切酶在核小體連接部切開DNA時，即可形成180～200bp或其整倍數(shù)的DNA片段。這些片段在瓊脂糖凝膠電泳中可呈特征的階梯狀條帶，是判斷細(xì)胞凋亡的客觀指標(biāo)之一。

在正常情況下，內(nèi)源性核酸內(nèi)切酶以無活性的形成存在于細(xì)胞核內(nèi)。如被激活就可切斷染色質(zhì)DNA。

核酸內(nèi)切酶(無活性)

Ca2+Mg2+

核酸內(nèi)切酶(有活性)切開DNA(核小體連接部)2.蛋白質(zhì)降解凋亡蛋白酶(caspases)即半胱天冬蛋白酶，其中Caspases8、9、10起凋亡啟動子作用，Caspases3、6、7、9、12起凋亡效應(yīng)子作用，能分解細(xì)胞蛋白，起凋亡執(zhí)行器作用。

凋亡蛋白酶原死亡信號+受體（受體激活途徑）死亡信號損傷線粒體（線粒體激活途徑）凋亡蛋白酶凋亡蛋白酶(caspases)作用(1)水解蛋白質(zhì)，分割胞質(zhì)，形成凋亡小體(2)滅活凋亡抑制物（Bcl-2）(3)參加凋亡級聯(lián)反應(yīng)，水解凋亡相關(guān)活性蛋白細(xì)胞壞死與凋亡的區(qū)別—————————————————————————————————————————————————————————

壞死凋亡性質(zhì)誘導(dǎo)因素強(qiáng)烈刺激，嚴(yán)重?fù)p傷較弱刺激，輕度損傷形態(tài)變化DNA降解炎癥反應(yīng)基因調(diào)控細(xì)胞結(jié)構(gòu)全面溶解、破壞、成群細(xì)胞死亡胞膜及細(xì)胞器相對完整,形成凋亡小體,個別細(xì)胞死亡不規(guī)則,電泳不呈梯狀分布規(guī)則,電泳呈梯狀分布溶酶體破裂，局部有炎癥反應(yīng)溶酶體相對完整，局部無炎癥反應(yīng)有,主動而有序的有控降解病理性細(xì)胞死亡生理性或病理性細(xì)胞死亡無,被動而無序的隨機(jī)降解蛋白質(zhì)合成無有

三、細(xì)胞凋亡過程與調(diào)控（一）細(xì)胞凋亡過程（四個階段）1.凋亡信號轉(zhuǎn)導(dǎo)2.凋亡基因激活3.凋亡的執(zhí)行（由DNase

和caspases執(zhí)行）4.凋亡細(xì)胞的清除。凋亡過程Ⅰ受體cAMPCa2+神經(jīng)酰胺凋亡相關(guān)基因激活信號轉(zhuǎn)導(dǎo)細(xì)胞膜細(xì)胞核凋亡誘導(dǎo)因素+Dnase激活Caspases激活死亡信號凋亡過程Ⅱ執(zhí)行凋亡凋亡細(xì)胞的清除Dnase激活Caspases激活凋亡過程小結(jié)+受體cAMPCa2+神經(jīng)酰胺凋亡誘導(dǎo)因素死亡信號凋亡相關(guān)基因激活Dnase激活Caspases激活巨噬細(xì)胞吞噬分解凋亡細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)基因激活執(zhí)行凋亡凋亡細(xì)胞的清除

（二）細(xì)胞凋亡的調(diào)控1.細(xì)胞凋亡的誘導(dǎo)因素與抑制因素

(1)誘導(dǎo)因素（啟動細(xì)胞凋亡）

理化因素：電離輻射、高溫、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、細(xì)胞毒性抗癌藥等。

激素和生長因子失衡：二者過多或缺乏均可應(yīng)起細(xì)胞凋亡。例：強(qiáng)烈應(yīng)激反應(yīng)糖皮質(zhì)激素淋巴細(xì)胞凋亡。

病原體：細(xì)菌、病毒等。例：HIVCD4+T細(xì)胞凋亡。

(2)抑制因素（抑制細(xì)胞凋亡）

細(xì)胞生長因子：如IL-2、神經(jīng)生長因子。

激素例：ACTH腎上腺皮質(zhì)細(xì)胞凋亡。

其他：如Zn2+、藥物、某些病毒等。

2.細(xì)胞凋亡信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)

凋亡誘導(dǎo)因素作用于細(xì)胞轉(zhuǎn)化為凋亡信號胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑激活細(xì)胞死亡程序細(xì)胞凋亡（DNA片段化及蛋白解體）。

凋亡信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的特點：（1）多樣性：即不同種類的細(xì)胞有不同的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)。（2）偶聯(lián)性：即死亡信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)與細(xì)胞增殖、分化過程中的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)在某些環(huán)節(jié)上有交叉、偶聯(lián)。同一個信號，在不同條件下既可引起凋亡，也可引起增殖。

（3）同一性：即不同的凋亡誘導(dǎo)因素可通過同一信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)引起細(xì)胞凋亡。（4）多途性：即同一凋亡誘導(dǎo)因素，可通過多條信息轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑引起的細(xì)胞凋亡。3.細(xì)胞凋亡的相關(guān)基因。（1）抑制凋亡基因：Bcl-2、EIB、IAP等。

Bcl-2(B-celllymphoma/leukemia-2)基因：分布：造血細(xì)胞、上皮細(xì)胞、淋巴細(xì)胞、多種瘤細(xì)胞。功能：抑制多種凋亡誘導(dǎo)因素（如電離輻射、化學(xué)藥物）所引起的細(xì)胞凋亡。機(jī)制：*直接抗氧化而抑制細(xì)胞調(diào)亡；*抑制線粒體釋放促凋亡的蛋白質(zhì)；*抑制促凋亡調(diào)節(jié)蛋白的細(xì)胞毒作用；*抑制凋亡蛋白酶的激活；*維持細(xì)胞鈣穩(wěn)態(tài)。（2）促進(jìn)凋亡基因：p53、ICE、Fas、Bax等。野生型p53基因——編碼p53蛋白，故名。功能：促使惡性腫瘤細(xì)胞、衰老細(xì)胞或損傷較重的細(xì)胞凋亡，修復(fù)受損的細(xì)胞（分子警察）。

機(jī)制：射線、毒素DNA損傷+P53蛋白啟動DNA修復(fù)機(jī)制DNA修復(fù)啟動細(xì)胞凋亡機(jī)制細(xì)胞凋亡P53基因突變后反而抑制細(xì)胞凋亡,值得注意。

（3）雙向調(diào)控基因：C.myc

雙向調(diào)節(jié)：誘導(dǎo)細(xì)胞增殖（有生長因子）誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡（無生長因子）四、細(xì)胞凋亡的發(fā)生機(jī)制(一)氧化應(yīng)激與自由基的損傷作用1.氧自由基對DNA損傷導(dǎo)致聚ADP核糖轉(zhuǎn)移酶活化和P53基因的激活。前者引起NAD快速耗竭，

ATP

大量消耗，使細(xì)胞凋亡。后者具有促進(jìn)細(xì)胞凋亡的功能。

2.氧自由基攻擊細(xì)胞膜上不飽和脂肪酸，引起脂質(zhì)過氧化直接造成細(xì)胞膜損傷，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。3.氧化應(yīng)激可激活Ca2+/Mg2+

依賴的核酸內(nèi)切酶及活化核轉(zhuǎn)錄因子如NF-kB，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。4.氧化應(yīng)激引起細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的破壞，使Ca2+

內(nèi)流增加，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。(二)鈣穩(wěn)態(tài)失衡1.激活Ca2+/Mg2+

依賴的核酸內(nèi)切酶，降解DNA鏈；2.激活谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶，催化細(xì)胞內(nèi)肽鏈間的?；D(zhuǎn)移，在肽鏈間形成共價鍵，使細(xì)胞骨架蛋白分子間發(fā)生廣泛交聯(lián)，有利于凋亡小體形成。

(三)線粒體損傷線粒體功能受損，導(dǎo)致ATP不足，引起跨膜電位下降、氧自由基的產(chǎn)生、胞內(nèi)pH值下降及Ca2+

濃度升高均可啟動細(xì)胞凋亡。

3.激活核轉(zhuǎn)錄因子，加速細(xì)胞凋亡相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄；4.Ca2+在ATP的配合下使DNA鏈?zhǔn)嬲梗┞冻龊诵◇w之間的連接區(qū)內(nèi)的酶切位點，有利DNA內(nèi)切酶切割DNA。

五、細(xì)胞凋亡與疾?。ㄒ唬┘?xì)胞凋亡不足1.腫瘤細(xì)胞增殖過度、細(xì)胞凋亡不足。實驗研究：

P53基因（促凋亡基因）缺失或突變Bcl-2基因（抑制凋亡基因）表達(dá)過度臨床應(yīng)用：放療、化療誘導(dǎo)瘤細(xì)胞凋亡

細(xì)胞凋亡不足腫瘤2.自身免疫病機(jī)體對自身抗原發(fā)生免疫應(yīng)答自身組織損傷。針對自身抗原免疫細(xì)胞凋亡不足自身免疫病。例：SLE、1型糖尿病、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、多發(fā)性硬化癥、慢性甲狀腺炎。臨床應(yīng)用：糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)自身免疫性淋巴細(xì)胞凋亡。（二）細(xì)胞凋亡過度1.心血管疾?。?）急性心肌梗死，壞死與凋亡同時存在

（2）心力衰竭與心肌細(xì)胞功能異常及凋亡有關(guān)實驗研究：心肌細(xì)胞肥大壓力負(fù)荷心力衰竭