细胞凋亡的概况和展望
出处：按学科分类—医药、卫生 中山大学出版社《临床人体解剖生理学》第22页（3672字）
细胞凋亡(apoptosis)也称程序性细胞死亡(programmed cell death，PCD)，是多细胞有机体为控制有序发育，维持内环境的稳定，通过基因调控而使细胞主动消亡的过程。所以细胞程序性死亡在维持组织、器官正常形态和功能方面起着非常重要的作用，它能将机体的组成成分始终限制在生理需要的范围。
自1972年Kerr等发现和首次提出“细胞凋亡”这个概念，从形态学角度描述细胞这一种自动生理死亡现象，并认为这是维持组织细胞动力学平衡的一种基本生物学现象，可能具有十分重要的生物学意义。其实发育生物学家Lockshin和Williams早在1965年在描述蛾的发育过程时，已认为随着成年蛾的出现，其幼虫死亡是一种发育调节性死亡(development-regulated death)，并提出PCD这个词。此后的70年代并没有引起人们普遍的关注。Wyllie(1980)研究胸腺细胞在糖皮质激素作用下，引致的细胞凋亡，总结并建立了细胞凋亡的共同形态学特征，包括核固缩和DNA降解成寡核苷酸片段等，引起了许多学者的关注；由于细胞凋亡在胚胎发育、免疫耐受、肿瘤发生、炎症转归及正常组织更替等生理、病理过程中起着重要的调节作用，故近年来已成为细胞生物学，免疫学和肿瘤学等重要的生物和医学科学领域的研究热点之一。
细胞凋亡的形态特征：凋亡细胞是指在一定生理和病理情况下，通过基因调控而使细胞自动死亡的过程，它有别于组织坏死，而具备细胞凋亡自己的特征：如保持完整膜结构的细胞固缩、胞质浓缩、细胞体急剧变小、细胞骨架解体、特异性的细胞浆大泡等。①其中细胞核的变化最为显着：染色体浓聚，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体区聚集形成浓缩的染色体块，电镜下呈高电子密度。凋亡细胞中染色体块可聚集于核膜下或聚集于中央部，分别称之为边聚和中聚。边聚的染色体块使胞核呈“新月状”、“花瓣状”或“环状”等；而中聚则使胞核呈“眼球状”或“黑洞样”(图2－5，图2－6A、B)。核碎裂(核残缺)后被膜包裹形成凋亡小体(图2－6C)，核酸内切酶激活将DNA切割成185bp的片段，在琼酯凝胶电泳中显出特征性DNA梯形(DNA labber)。②胞质的变化显示为：胞质浓缩。此后由于脱水细胞质明显浓缩，约为原细胞大小的70%，被认为是凋亡细胞形态变化的第二大特征。细胞器在凋亡过程中也有不同程度的改变。如线粒体(．mitochondrion)较为敏感，在细胞凋亡早期个别细胞内线粒体变大，嵴增多，表现为线粒体增殖、线粒体空泡化等等。凋亡细胞内质网(endoplasmic reticulum)在多数情况下内质网腔扩大等。凋亡细胞的细胞骨架也发生明显的改变，并认为与膜形态的改变有关，原来疏松、有序的结构变得致密和紊乱，其主要组成成分肌球蛋白(myosin)的表达受到明显的抑制，含量也明显减少。③细胞膜：凋亡细胞失去原有的特定形状，如微绒毛、细胞突起及细胞表面的皱褶消失，细胞靠胞膜表面张力使其变成表面平滑的球形，不易被损伤，而且对表面活性剂有很强的抵抗力，而细胞膜活性渗透性改变不明显，内容物难以逸出。在此同时有一些生物大分子则从凋亡细胞膜上消失，如某些与细胞面连接有关的蛋白质，有些糖蛋白的侧链被降解，暴露出的成分可能介导了吞噬细胞和凋亡细胞的结合，从而有利于凋亡细胞的被清除。
图2－5 凋亡细胞核各种形态示意图
图2－6 凋亡细胞超微结构(A～C)
细胞凋亡时生物化学方面的变化要复杂得多，且多样，至今尚未能确定那一种变化是细胞凋亡过程所特有的。
目前认为PCD的主要作用有如下的三方面：①清除多余的细胞和已完成任务的细胞；②清除发育不正常的细胞；③清除有害的细胞。
从凋亡细胞形态学上的系列变化上发现，它明显的有别于细胞坏死(necrosis)。细胞坏死通常是：膜通透性增高，致使细胞肿胀，细胞器变形或肿大，早期细胞核无明显形态学改变，最后细胞溶解破坏，溶酶体泄漏，并常引起炎症反应；在愈合过程中常伴随组织器官的纤维化，形成瘢痕(scar)的特征。凋亡细胞死亡过程没有炎症反应，不遗留瘢痕，并散在于正常组织细胞中；具有生理性和选择性，也不影响其他细胞的正常功能，是对机体的发育生长极为有利的生物现象。因此，PCD是维持人体正常生理过程和功能活动所必需的，它的重大的生物学意义在于：①PCD在生物界普遍存在；②PCD是多细胞生物正常生命活动过程中不可缺少的组成内容，并贯穿于全部寿命周期中，无论是低等还是高等动物都是如此；③PCD是生物进化过程中形成的细胞主动死亡，而又有利于机体生长、发育的方式。
近十多年来，由于实验模型和检测手段的不断完善，对细胞凋亡机制的深入研究，如凋亡的调控与执行程序机制逐渐被揭示以及钙调素(carmodulin)拮抗剂能干预凋亡，钙调素被公认为钙离子信号传导途径的介体等等。有关细胞凋亡的研究进展喜人，近期就细胞凋亡与免疫学，细胞凋亡与肿瘤学，细胞凋亡与病毒感染，细胞凋亡与消化系统的疾病，细胞凋亡与肾疾病，细胞凋亡与泌尿生殖系统疾病，细胞凋亡与血液系统疾病，细胞凋亡与神经系统疾病等等，均已受到生物学、医学各个方面的普遍关注。
如青光眼(glaucoma)视神经损害的机制，目前尚未十分清楚，但Nickells KW (1996)认为其最终的结局是视网膜视神经节细胞(RGCs)的凋亡。Quigley等对猴实验性青光眼进行研究发现，正在进行死亡的细胞胞浆和胞核浓缩，凋亡小体形成，具有凋亡的形态学特征，提供了青光眼RGCs凋亡的证据；在人体，Kerrigan等用TUNEL法检测12例原发性开角型青光眼的18只眼，结果显示青光眼组TUNEL阳性的RGCs较正常对照组高15倍；Wax等也用TUNEL技术检测1例74岁女性正常眼压性青光眼患者视网膜，亦见到凋亡的RGCs。从不同的侧面进一步阐明青光眼RGCs凋亡的证据。
由于对青光眼RGCs凋亡机制的逐渐被了解，对如何阻断RGCs的凋亡过程，可能有效地防止青光眼RGCs的进一步丢失，从而达到保护视神经的目的，通过各方面的研究认为：应用基因治疗、蛋白酶抑制剂，如单胺氧化酶抑制剂L－deprenyl能保护RGCs；CPP32样蛋白酶能有效地挽救34%断轴RGCs死亡；补充神经营养因子、兴奋性氨基酸受体拮抗剂、一氧化氮合酶抑制剂、自由基清除剂等方面进行的研究，探讨预防RGCs，从而保护神经。随着神经科学、神经药理学等的发展，降眼压联合使用神经保护剂将成为挽救青光眼RGCs的新措施，尽管还有待完善，但其良好的前景还是令人鼓舞。
基础与临床研究认为，神经系统损伤及程序性细胞死亡是迟发性神经元坏死的重要机制之一，且已发现许多抑制或促进细胞凋亡的因素，如神经生长因子可参与抑制细胞凋亡的过程；Bc1－2家族及P53基因均在决定细胞生存与死亡方面起关键作用。通过深入的研究和探索，人们期望通过调控这些基因的表达水平，主动控制程序性细胞死亡发生的过程，以期建立神经元损伤修复的新办法。
随着对细胞凋亡机制研究的深入，我们可利用细胞凋亡的生化机制开展生物制剂研究，开发生物制品，为新药开发研制的筛选提供了更广阔的空间。此乃由于细胞凋亡的研究不可避免要涉及细胞损伤与细胞失控。前面所述青光眼RGCs的凋亡，就是将细胞性凋亡的基础研究与基因治疗等药物开发的应用性研究自然地联系在一起，只不过后者是应用性，其难度远大于前者。但有目的将二者的研究协同起来，将可缩短基础与临床应用的时空差距，而达到事半功倍的效果。有关细胞凋亡的酶学机制为人们所共识，大家所熟悉的生化标志是钙、镁依赖性核酸内切酶的激活，该酶可将DNA降解为典型阶梯形(DNA labber)；RNA、蛋白质合成抑制剂能阻断长寿淋巴细胞凋亡，而对短寿的中性粒细胞则增加其凋亡速度等等。可以从细胞凋亡机制研究中切断或干扰细胞凋亡过程或细胞凋亡调节过程，从而阻断疾病的发生发展的某一环节，达到治疗或预防疾病的目的。从已有资料显示，由于研究手段更新和完善，学科间的互相交叉、互相渗透，边缘学科的频频出现，将可预见，从细胞凋亡到新药研制开发这一跨越式的研究必将有极为广阔的前景。