细胞凋亡

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细胞凋亡(英语:apoptosis,源自希腊语:απόπτωσις,有“堕落、死亡”之意),为一种细胞程序性死亡。相对于细胞坏死(necrosis),细胞凋亡是细胞主动实施的。细胞凋亡一般由生理或病理性因素引起。而细胞坏死则主要为缺氧造成,两者可以很容易通过观察区分开来。在细胞凋亡过程中,细胞缩小,DNA被核酸内切酶降解成180bp-200bp片段属于有层次之断裂,(可以通过凝胶电泳证明),而细胞坏死时,细胞肿胀,细胞膜被破坏,通透性改变。细胞器散落到细胞间质,需要巨噬细胞去清除,结果是该局部组织发炎。相比起细胞坏死,细胞凋亡是更常见的细胞死亡形式。

细胞凋亡受到抑凋亡因子和促凋亡因子的调控。

出现

细胞凋亡是动物发育过程中的必经之路,已知的例子有:

从蝌蚪到蛙的变态发育

昆虫的蜕变

高等哺乳动物指间蹼的消失,如人体胚胎发育中,胚胎长到第5周时出现扁盘状的肢体萌芽,手指和脚趾之间的蹼消失,四肢才能顺利形成其最终形态。

眼睛中玻璃体和晶状体的细胞死亡,是眼睛对光通透重要的一步。

就算在成熟的个体中,细胞凋亡也是必不可少的:

细胞数目和组织大小的控制

组织的更新(如鼻的嗅表皮、皮肤表皮细胞的更替)

免疫系统对丧失功能的或是有潜在危险的细胞进行选择和清除,如自然杀伤细胞(NK)对癌细胞的非专一性胞杀作用。

清除坏变的细胞

赋予中枢神经系统可塑性。研究人员尝试在胚胎期激活小鼠的bcl-2基因。该基因会阻止神经细胞的细胞凋亡过程。出生的小鼠脑部神经元数量因此比正常的小鼠多,容积变大。但在测试中显得比正常小鼠迟钝。

对生殖细胞进行选择(大约95%的生殖细胞会在其成熟之前通过细胞凋亡被清除)

目前在细胞凋亡与癌症发生和各种自体免疫性疾病之间的关系有着很多研究。人们希望激发癌细胞细胞凋亡,以达到消弭癌症的目的。另有为了维持人类大脑的体积,使细胞凋亡的基因在人类身上受到了抑制的说法。

细胞凋亡在神经退化性疾病中所扮演的角色(如阿兹海默氏症(失智症的类型之一)、亨丁顿舞蹈症(Huntington's disease)、帕金森病(Parkinson's Disease)、肌肉萎缩性侧索硬化症(ALS),是目前热门的研究话题,人们在这个领域也进行着很多研究。

过程细节

细胞凋亡过程可分为两阶段:开始阶段和效应阶段。在开始阶段又可分为两个途径:外始式和内始式。

外始式途径:

外始式途径是通过TNF受体家族(如CD95)的受体与配体结合开始的。这些配体有癌症坏死因子(TNF),和其他细胞因子,后者可以由如T淋巴细胞分泌。 在FADD(Fas偶联死亡区域蛋白Fas-associated death domain protein)的协助下,受体不断在细胞质中收集半胱天冬酶原8(Procaspase 8)。后者通过高密度自催化激活自身。激活的半胱天冬酶8(Caspase 8)将会引发所谓的Caspase级联反应。

因此在艾滋病人体内,很多未受感染的白细胞也会凋亡:人类免疫缺乏病毒通过Nef蛋白质激发未受感染的防御细胞的程序性死亡。抑制剂盐酸法舒地尔可以阻断这一机制。

内始式途径:

内始式途径始于肿瘤抑制基因如p53,一个转录因子,它会受DNA损伤激发。P53能刺激Bcl-2家族中于细胞凋亡前起作用的成员(如Bax, Bad)的表达。这将导致线粒体内外膜间的物质释放,如细胞色素C和Smac/DIABLO,它们都是作用于细胞凋亡前的物质。细胞色素C和胞质中的Apaf-1以及Procaspase 9共同组成所谓的凋亡体,其实就是Caspase 9的激活形式。它和Caspase 8一样引起Caspase级联反应。

Caspase级联反应和效应caspase:

所谓的效应caspase,指的是Caspase 3, 6和7这些能引起细胞的程序性死亡的蛋白酶。一方面它们通过有限的蛋白质水解酶激活下游的目标蛋白(如Caspase激活的脱氧核糖核酸酶, CAD,或是其他的Caspase)。另一方面它们参与核纤肽(在细胞膜上)和肌动蛋白(细胞骨架的成分)的分解过程。 另一方面,DNA的修复会为caspase介导的阻抗反应而受到抑制。

最后细胞慢慢地缩小为一小颗粒,并且为邻近具有吞噬能力的细胞所吞噬(胞葬作用)。相对于细胞坏死,细胞膜在凋亡过程中保持完整。

细胞色素C从线粒体中溢出到细胞质,这是细胞凋亡的标志之一。这在外始式途径中是在凋亡过程后期才出现的,这里它反而是凋亡的结果,而不再是在内始式途径中所担任的激发者的角色了。细胞物质内,细胞凋亡信号的传播速度约每分钟30微米。

在外始式途径中,又分为主动(由受体的激活开始)和被动(由生长因子,如神经营养素的排出引起)两种形式。

最重要的抑制细胞凋亡蛋白质有:Bcl-2家族中的抗细胞凋亡成员(Bcl-2和Bcl-xL),蛋白激酶B和Trk受体家族(参看神经营养素)还有IAP蛋白(inhibitor-of-apoptosis protein)。

组织中细胞凋亡过程

细胞凋亡(图1)

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