细胞程序性死亡

细胞程序性死亡
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[摘要]：细胞程序性死亡（Programmed cell death, PCD）是指为维护内环境稳定，由基因控制的细胞自主的有序性的死亡。

它是动植物生长发育过程中的一种普遍现象。

本文主要介绍了有关细胞程序性死亡定义、基本特征、分子机制。

[关键词]：细胞程序性死亡；分子机制；细胞凋亡
引言
在发育过程及成熟细胞中，部分细胞死亡是正常过程，这一概念早在4O多年前已由Glicksmann (1950)提出。

这种正常的细胞死亡是动物细胞的基本特性，它发生在大部分发育的组织中，许多组织整个生命过程中都存在正常的细胞死亡。

近年来，细胞死亡被用不同方法加以分类，其中主要可将其分为两大类：意外死亡和程序死亡。

意外死亡是指由不同的物理、化学因素，包括缺氧、缺血、损伤及不同的外源生物因素导致的死亡；程序死亡是指发生在内环境部分正常生理性稳定的细胞死亡，特别是在胚胎发生中的死亡，这对正常细胞更新及在发育过程中重整模式是必要的。

因此，程序性细胞死亡（PCD）代表的不是细胞对外来损伤的效应，而是对激素、生长因子及离子内环境稳定改变的反应。

所以，也可称其是机体细胞在正常生理或病理状态下，遵循自身的程序发生的一种自发的、程序化的死亡过程，其发生受一系列基因、蛋白的严密调控。

[1]
1．程序性细胞死亡的特征
细胞程序性死亡具有明显的形态学特征，包括细胞变圆、染色质凝聚、分块胞质皱缩等。

1.1 程序性死亡细胞的形态结构变化[2]
程序性死亡细胞的核DNA 在核小体连接处断裂为核小体片段，并向核膜下或中央异染色质区凝聚形成浓缩的染色质块，在电镜下呈高电子密度。

凋亡细胞的核经核碎裂形成染色质块（核碎片），然后整个细胞通过发芽起泡等方式形成一些球形的突起并在其基部绞断而脱落产生大小不等内含胞质、细胞器及核碎片的凋亡小体，最后凋亡小体被周围细胞或单核细胞吞噬。

1.2 程序性细胞死亡的生化特征
程序性死亡细胞最突出的特征是：第一，染色质DNA 的有控裂解。

这是由于内源性内源性内切核酸酶基因活化和表达造成的结果，这种内源性内切核酸酶切割的染色质DNA 片段大小是有规律的，即都为200bp 的倍数；第二，细胞凋亡时磷脂酰丝氨酸常常由细胞转向细胞外，而巨噬细胞上存在的磷脂酰丝氨酸受体，结果有利于凋亡细胞被临近的吞噬细胞识别、吞噬。

这中外释现象是细胞凋亡早期重要的生物化学特征；第三，即表现在组织转谷氨酰胺酶的积累并达到较高水平。

[1]
2．程序性细胞死亡的机制
2.1 天冬氨酸特异性半脱氨酸蛋白酶（Caspase）家族
Caspase在介导细胞凋亡中扮演着重要的角色[3]，从细胞形态学上来看，植物细胞程序性死亡过程中出现类似动物细胞凋亡的一些特征。

而从分子水平上来看，动物细胞的凋亡通路是由一类具有高度保守性的caspases酶类介导的(Cohen，1997)。

Caspases酶类通过水解天冬氨酸残基C末端的肽键(P1残基)，激活下游的caspases酶或分解细胞内相关的底物蛋白，导致细胞结构和代谢的改变，最后引起细胞凋亡(Earnshaweta1，1999)。

大致可以认为其通过三种机制解体细胞的：一、酶解灭活的凋亡抑制物；二、酶解细胞的结构蛋白；三、酶解分离具有酶活性的蛋白分子的调节区和催化区使其失活[4]。

因此，caspases酶类也被称为死亡蛋白酶。

2.2 Bcl2 家族的研究
Bcl2 家族是一个特别的家族。

家族中的有些成员促进凋亡，如BAD、BFD、BAX；有些成员阻止细胞凋亡，如Bcl-2、Bcl-X、Bcl-W。

Bcl-2 能够阻止细胞色素C从线粒体释放到细胞质，从而抑制细胞凋亡。

Bcl-2 的作用需要完整的膜结构。

其功能的发挥依赖于其在亚细胞膜的定位，Bcl2氨基末端的大部分暴露于胞浆，借此可与胞浆蛋白或其他同时锚定在线粒体的Bcl2 分子作用。

3. PCD对生物生长发育的影响
3.PCD 对植物生长发育的影响
3.1.1 根冠细胞的死亡
当根生长伸长时，习惯地认为根冠细胞由于与土壤颗粒摩擦而不断脱落死亡，并由分生区细胞的分裂继续产生新的根冠细胞。

但是当把根培养在水中时，根冠细胞照常死亡，说明根冠细胞的死亡不是因为根在土壤中生长遭受磨损的结果，而是一种正常的发育现象。

而且趋于死亡的洋葱和番茄根冠细胞发生皱缩、核浓缩,并产生了片段化DNA[5]，这表明根冠细胞的死亡是一种PCD。

3.1.2 无功能大孢子的消失
在被子植物的胚珠珠心内，形成一个大孢子母细胞，大孢子母细胞经过减数分裂形成四个大孢子,常排成线型或T 型，其中靠近珠孔端的三个消失，近合点端的一个大孢子能正常发育成雌配子体。

Bell 提出：大孢子的死亡可能是一种由遗传控制的PCD。

四个大孢子基因型为A1B1 、A1B2 、
A2B1 、A2B2 ，其中A2B2 型孢子注定死亡，A1B1型始终能够存活,而A1B2 、A2B1 型则取决于其存在位置及接受花粉的基因型。

[6]
3.1.3 导管的分化
在被子植物的输导组织中，担负着水和无机盐运输作用的是木质部,它是由导管、管胞薄壁细胞和纤维组成,其中导管起主要的输导作用。

导管是由许多导管分子自下向上连接而成的长筒状结构，为死亡细胞。

导管分子的分化包括细胞纵向伸长、次生壁物质积累和细胞自溶。

Lai 和Srivastava 研究发现导管分子死亡时,细胞质和核发生浓缩,接着破裂成许多小块。

[7]此现象与PCD 的发生相似。

3.1.4 单性花的形成
有些植物常表现为单性花，例如玉米为雌雄同株异花,杨树、柳树为雌雄异株。

但在花原基分化时，却存在着雄蕊原基和雌蕊原基,只是在以后发育的某一特定阶段,导致了雄蕊原基和雌蕊原基的退化，从而形成单性花。

单性花的形成导致植物的异花传粉，保证了后代有更强的生活能力和对环境的适应性。

Dellaporta 等研究表明植物单性花的形成是受遗传严格控制的，由特定基因活动的结果；是与PCD 相关的有序过程。

[8]
3.2 PCD对动物生长发育的影响
3.2.1 动物的衰老
在动物细胞衰老过程中，细胞质浓缩,原生质含量减少，水分减少,细胞核固缩,核与质的比率逐渐减少，甚至有的细胞最后连核都消失了，核外染色物质(如神经细胞中的尼氏小体) 减少，以及脂褐素的增加等，这些现象与PCD 的发生相类似。

因此可以认为动物的衰老与PCD 有关。

衰老过程可能是由衰老基因控制的，衰老基因可使按一定次序进行的生化途径减慢或终止,并引起预期的衰老变化表现。

它与在胚胎发育过程中大规模发生的细胞正常功能的衰退和死亡相类似。

[9]
3.2.2 蝌蚪尾巴的消失
两栖类发生过程中一个显著的特点是变态，它表现在幼体用鳃呼吸、具尾、没有成对的附肢，而变态后改为用肺呼吸、无尾、五指形附肢的成体。

实验证明，蝌蚪尾巴的消失与PCD 有关。

Jacobson 和Weil [6]发现蝌蚪尾巴细胞退化过程中，形成了明显的凋亡小体，核DNA 断裂成带3′- OH 的片段。

3.2.3 昆虫变态反应中无用细胞的去除
对于完全变态的昆虫，其成体和幼虫的形态相差很大。

特别是在化蛹期,幼虫体内发生了器官和组织的死亡、重建和新生。

即完全变态中的组织变化包括两个程序：组织分解和组织生成。

例如在蝇类完全变态中，幼虫器官和组织通过酶或其他解体物质的作用而发生组织溃散，被化为半流动性物质,并被周围许多吞噬细胞吸收。

通过对这些半流动物质的观察发现：细胞的胞质和核均发生浓缩，细胞器分离出来,核内有3′- OH 基因的积累。

[10]这些研究表明：幼虫体内某些组织和器官在完成其短暂的使命后,通过PCD 结束了生命,并为新的组织和器官的建成提供了原料。

另外，在动植物的生长发育中也存在着很多的细胞死亡现象，如花药发育中绒毡层细胞的死亡；种子萌发过程中，糊粉层细胞的退化消失；植物超敏反应中叶片细胞的死亡；脊椎动物和人类非功能性腺的退化以及皮肤表面细胞的死亡等也都与PCD 有关。

这些细胞的死亡都是生物体生长发育到某一特定阶段，由遗传基因控制的正常的、主动的死亡。

它对于生物体正常的生长发育有着非常积极的作用。

参考文献
[1],潘大仁,细胞生物学[M].北京:高等教育出版社,1999 ,411.
[2],陈默，细胞程序性死亡研究进展[J],化学工程与装备2010 年第6 期.
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[4],曾耀英,细胞凋亡分子机制的研究进展[J].中国科学基金，第三期：137.
[5], Wang H. Plant Cell, 1996, 8:375 - 391.
[6], Bell P R. Plant Sci, 1996, 157 :1 - 7.
[7], Lai V, Srivastava L M. Cytobiologie, 1976, 2: 220 - 243.
[8], Dellaporta S L et al. Science, 1994, 266: 1501 - 1505.
[9],翟中和.细胞生物学[M].北京:高等教育出版社,1999 ,363 – 371.
[10],曲漱惠等.动物胚胎学[M].北京:高等教育出版社,1984 ,142 – 146.
Programmed Cell Death
Author: Jian Wang
(Shaanxi university of Technology .School of Biological science & Engineering .Hanzhong 723000 shaanxi)
Abstract: Programmed cell death (Programmed cell death, PCD) is to point to maintain homeostasis, which is controlled by serial genes cells independent the order of death. It is animals and plants growth and development process of a common phenomenon. This article mainly introduced the relevant programmed cell death definition, basic characteristics, molecular mechanism.
Keywords: Programmed cell death, Molecular mechanism; Apoptosis。