第三军医大学学报1999年第21卷第8期

范如英（综述）马力李世荣（审校）

关键词：细胞凋亡DNA片段DNA降解

细胞凋亡是近年来生物学及医学研究的一个热点。凋亡不仅是一种特殊的细胞死亡类型 ，它还具有重要的生物学意义及复杂的分子生物学机制。对凋亡的研究不仅有助于对疾病过 程中细胞死亡及其机制的深入阐明，而且将导致疾病新疗法的问世。

1凋亡的概念及其形成过程

细胞凋亡(Apoptosis)是指细胞基因调控的一种自主性的自杀现象。或者说细胞凋亡是在一定的生理或病理条件下，遵循自身的程序，自我结束生命的死亡方式。由于这种死亡方 式是由基因调控的死亡过程，因此又称之为程序性细胞死亡(Programmed Cell Death)。

凋亡一词是1972年由澳大利亚组织病理学家John Kerr^［1］首先提出的，本意是花瓣或树叶从花或树上掉落或凋落(dropping off, falling off)。而K err借用它来形象地描述一种特殊类型的死亡。1965年Kerr^［2］及其同事结扎大鼠门 脉左支，数小时内大鼠肝左叶开始出现片状坏死，但周边部分仍然由肝动脉供血而存活，几 周后存活的细胞开始变小，变圆，皱缩，细胞膜将胞浆及断裂的染色质分割包围成致密的颗 粒，以后被周围存活的细胞吞噬分解，在细胞死亡过程中始终保持细胞膜的完整性直到被吞 噬消化为止，而且并未在局部发现炎细胞浸润。随后进行了深入研究，终于在1972年将这种 细胞死亡现象归为一种崭新的细胞死亡类型即凋亡。

2细胞凋亡的形态学特征

凋亡与坏死的形态特征不同，坏死首先胞膜通透性增加，细胞外形发生不规变化；内质网扩张；核染色质不规则位移；线粒体及胞核肿胀；溶酶体破坏；胞膜破裂胞浆外溢；最后 被巨噬细胞吞噬。细胞坏死常引起周围炎症反应^［3］。凋亡细胞形态变化为：细胞 变圆，与邻周细胞脱离；胞膜表面微绒毛减少或者消失；核质固缩(Condensation)，边移(Margination)；胞浆坚实(Compactness)；细胞器集中(Squeeze)；胞膜芽生(Bud)；凋亡小体 (Apoptotic-body)形成，最后被巨噬细胞或者邻近吞噬细胞吞噬，或排入体腔例如腺腔及 血管腔等^［4］。这种死亡过程中，不发生溶酶体，线粒体及胞膜的破裂，没有内涵物的外泄，故不引起炎症反应及周围组织的次级损伤。

3凋亡的生化变化

凋亡的生化变化包括DNA片段化，胞内钙离子浓度增高以及酶学改变。

3.1DNA降解

到目前为止DNA特征性的降解片段仍为确诊凋亡 的有效手段。DNA降解过程具有以下特点^［5］。第一，染色质的降解发生在凋亡的早 期，它是由于内源性核酸内切酶基因的活化和表达而造成的结果；第二，凋亡的染色质DNA 的断裂大部分是单链断裂，位于双链不同位点的DNA链切口如果相距不足14个核苷酸，则不 足以保持完整的双链结构，分离后带有粘性末端；第三，染色质DNA断裂的位置绝大部分位 于核小体间的连接部位，因此容易造成核小体间散布着一系列单链切口。核小体之间被核酸 内切酶随机分解，产生180～200 bp或其整数倍的DNA片段，在1.5%～1.8%琼脂糖中电泳呈特 征性的梯形带(Ladder Patter)。DNA切割动力学分析^［6］表明这些DNA降解片段可以 在1～2 h内检测到。但并非所有凋亡细胞均伴有DNA规则性降解，极少数凋亡细胞无DNA裂解成低分子片段^［7］。研究过程中应引起注意。

3.2细胞内钙离子浓度的变化

细胞凋亡时最早可测及的生化变化就是细胞内钙快速持续的升高。以糖皮质激素，钙通道拮抗剂或抗CD₃抗体处理胸腺细胞后，均可见细胞内钙离子浓度升高及随后发生的细胞 凋亡。钙浓度达到最高水平的时间需要30～90 min，至少持续2 h。以无钙培养基培养或用其他方法抑制细胞内钙浓度升高，可以抑制细胞凋亡发生，说明细胞内钙浓度增高是细胞发生凋亡的重要条件^［5］。

3.3凋亡相关酶活性变化

3.3.1核酸内切酶细胞凋亡时出现内源性钙镁依赖性内切酶的激活，该种酶可被钙镁离子激活，也能被锌离子抑制^［8］。内源性核酸内切酶的激活与调节，与细胞内信 号传导机制有密切关系。有关该酶的性质还没有确定^［5］。

3.3.2转谷氨酰胺酶(Transglutaminase,TGase)转谷氨酰胺酶是一个钙离子依赖性的酶家族中的成员，它可以促使谷氨酰胺与赖氨酸残基之间的交联。Gentile及其同事于1992 年进行了更为详尽的研究，结果表明它可显著改变细胞形态学特征及粘附性，在凋亡小体形成过程中具有重要作用^［9］。

3.3.3多聚ADP-核糖聚合酶(PARP)对于凋亡时PARP的活化及它所起的作用，文献报道的结果尚不一致。但目前倾向于在DNA损伤时可激活PARP。PARP并不直接作用于核酸内切酶 ，但它可改变染色质结构使聚合的核小体松解，减弱组蛋白与DNA的相互作接触，从而使核 酸内切酶易于接近DNA使之分解^［10］。

3.4凋亡细胞表面糖基结构的变化

凋亡细胞除了细胞核和胞质变化外，细胞膜也有明显的生化改变。例如正在凋亡的胸腺细胞的胞膜上有新的结构暴露，主要是N-乙酰氨基葡萄糖残基的暴露，该残基可能位于细胞膜表面糖蛋白的糖链或糖脂的糖链上。糖基的暴露有利于邻近细胞对凋亡细胞的粘合吞噬 ^［11］。

4凋亡的分子机制

4.1细胞凋亡的触发因子

细胞凋亡常常是对环境信号反应的结果。细胞凋亡的正性触发因子包括：①物理因素 ：γ射线，紫外线，加热等；②糖皮质激素；③细胞毒药物：放射菌素，氨甲喋呤，顺铂， 阿糖胞苷等；④受体：APO-1/FAS抗体的受体，TCR-CD₃特异抗体的受体；⑤引起cAMP水平升高的化合物：cAMP及其衍生物，霍乱毒素，茶碱；⑥细胞因子TNF-α及TGF-β等。 细胞凋亡的负性触发因子主要是一些生长因子包括NGF，CSF(G-CSF，GM-CSF)，IL(IL-2 ，IL-3，IL-4，IL-6)等^［12］。

4.2细胞内死亡信号的传导

外部触发因子是否能够诱导细胞凋亡，很大程度上取决于凋亡信号传递系统是否完整或是否通畅。目前对凋亡过程中的全部信号传递还不十分清楚，还有很多环节有待进 一步阐明。初步研究表明^［5］信号传导通路需经三个环节。第一环节各种触发因子 与细胞膜受体结合触发凋亡反应。各种触发因子可称作凋亡的第一信号系统；第二环节激活 传导通路。通过激活第二信号系统如钙，cAMP促进凋亡基因的表达；第三环节通过改变细胞 某些凋亡相关基因的表达，激活核酸内切酶促进细胞凋亡。其中第三环节为信号传导的最后 通路，是各种信号传递通路汇集的通路。

4.3凋亡的基因调节

细胞凋亡是受自身基因调控的，随着分子生物学的发展，近年发现许多基因的表达与凋亡有关，新的凋亡基因也不断被发现，它们间存在着复杂的相互关系。

4.3.1Bcl家族Bcl家族是目前备受关注的与细胞凋亡关系密切的基因之一，它是一个大家族，有多个家族成员，如Bcl-2,Bax,Bal-x_L,Bad等^［13］。其中Bcl-2及Bc l-x_L主要抑制细胞凋亡^［14］，而Bax则促进凋亡^［15］。Bcl-2家族成员 中可发生相互作用即彼此之间的同源或异源聚合共同调节细胞凋亡^［16］。其中Bcl -2 /Bax的比例可决定细胞的命运，其比例增高，细胞不易发生凋亡，而比例降低则导致细胞凋亡。有关Bcl-2阻碍细胞凋亡的确切机制最近观点为^［17］：Bax诱导细胞色素C的释 放，激活Caspase-3(Caspase-3是含有半胱氨酸天冬氨酸特异的蛋白酶-3)，引起膜泡形 成，核碎裂和细胞死亡。而Bcl-2可能与凋亡促进基因Bax拮抗，抑制细胞色素C自线粒体释 放至胞质，阻止胞质细胞色素C对Caspase蛋白酶的激活。Bcl-2还能促进谷胱甘肽进入细胞 核，从而改变核内氧化还原反应，阻止Caspase蛋白酶的激活和其他核改变，抑制细胞凋亡 。Bcl-2是B细胞淋巴瘤/白血病-2(B cell lymphoma/Leukemia-2,Bcl-2)基因的缩写形 式。它是线虫Caenorhabditis elegans生存基因Ced-9的同源基因^［18］。Bcl-2表 达蛋白位于核膜，一部分存在于内质网和线粒体外膜。通过转基因动物和转染实验发现，Bc l-基因对于细胞凋亡具有明显的抑制作用^［19］。Bcl-2通过阻断凋亡信号的最后 通路而抑制凋亡，从而使细胞存活。研究表明，Bcl-2的过表达可部分的抑制由APO-1/FAS 系统介导的凋亡^［5］。

4.3.2c-myc基因c-myc基因是一种原癌基因(Oncogene)，它在细胞增殖的调节 中具 有重要作用。c-myc蛋白存在于核中，c-myc蛋白作为调节因子，一方面激活介导细胞增殖 的基因；另一方面也激活诱导凋亡的基因。对于它的作用目前一致的结论是：c-myc信号传 递系统激活后如果培养体系中有足够的生长因子持续存在，则细胞增殖并分裂；否则诱导细 胞凋亡。因此，c-myc在细胞增殖及凋亡调节中起重要作用。

4.3.3P⁵³