细胞凋亡研究进展_阎海

中山大学研究生学刊（自然科学、医学版）

第33卷第3期JOURNAL OF THE GRADUATES VOL.33ɴ3

2012SUN YAT-SEN UNIVERSITY（NATURAL SCIENCES、MEDICINE）2012

细胞凋亡研究进展*

阎海

(中山大学生命科学学院，广州510006)

【内容提要】细胞凋亡是当前生物学领域中研究的最新课题之一。细胞凋亡

在保证多细胞生物健康生存的过程中扮演着关键角色，对个体的正常发育具有

重要作用。它在多细胞生物的组织分化、器官发育、机体稳态的维持中有着重

要意义。目前对与细胞凋亡的研究已进入分子水平，在细胞凋亡的机制、相关

基因及其应用方面都取得了不小的进展。

【关键词】细胞凋亡;基因;应用;机制

引言

生物体内环境的稳定，不但依赖细胞的增殖和分化，也依赖于细胞的凋亡。细胞凋亡（apoptosis）是1972年由Kerr教授根据形态学特征首先提出的［1］，是一种由基因控制的细胞自主性死亡方式，是一种主动的、程序性的、细胞固有的生物学过程，又称细胞程序性死亡［2］（programmed cell death，PCD）。凋亡主要是形态学的概念，不同于主要功能性概念的死亡，是细胞程序性死亡的形式之一，与组织器官的发育、机体正常生理活动的维持、某些疾病的发生以及细胞恶变等过程均有密切关系［3，4］。从80年代末期开始，细胞凋亡成为了肿瘤病因学、病理学研究热点，人们对凋亡的认识逐渐深人，对凋亡发生分子机制的了解越来越透彻，然而也发现这一过程远非原来想象的那样简单，而是包含了复杂的调控机制。自90年代发现哺乳动物的细胞凋亡基因以来，细胞凋亡的研究引起了广大生物医学工作者的兴趣，近几年的研究在凋亡信号转导途径、凋亡的生化反应机制以及凋亡的基因调控等方面都取得了显著的进展。细胞凋亡已成为当今生物学研究最新热点之一。

1细胞凋亡的形态学特征

细胞凋亡具有独特的形态学特征，在光镜下，凋亡细胞主要表现为：细胞凝缩，染

*收稿日期：2012－09－27

作者简介：阎海，女，1990年出生，祖籍山西，中山大学生命科学学院09级逸仙班本科生，目前从事端粒及端粒酶相关研究，联系方式:1073194120@

细胞凋亡研究进展

色质致密、边缘化，核凝集，染色体断裂形成核碎片。细胞质起泡，凋亡小体形成并从包体脱落，被周边细胞吞噬。用Feulgen染色可以显示凋亡小体中致密的核成分。在光镜下观察凋亡细胞应注意与坏死细胞的核浓缩、核碎裂的区别。坏死细胞胞质不是浓缩，而是显著肿胀，也不形成凋亡小体；组织中大量存在的坏死细胞，病灶周围伴有炎症反应，而组织切片中凋亡细胞往往为单个或者几个细胞散在分布。在电镜下，凋亡细胞主要表现为：细胞核缩小，电子密度增高，核膜皱缩，染色体密集于核膜下，分布不均匀，后来，核被分解成碎片，核碎片在胞质中与细胞器等成分一起被细胞膜包裹成圆形的凋亡小体。细胞质密度增高，细胞骨架可被破坏，但细胞器的结构可以保持到细胞凋亡后期。内质网在细胞凋亡后期扩张成泡状，与细胞膜融合成胞质气泡。这时，凋亡小体逐渐脱离细胞体，进入间质，于是凋亡小体被逐步解体。

尽管不同类型细胞的凋亡形态表现不完全相同，但基本变化是一致的。组织中凋亡的细胞往往分散于正常细胞之间，通过邻近细胞迁移或增殖代替凋亡细胞的空间。凋亡的过程快速而短暂，凋亡小体一经形成，停留在组织中可被辨认出的时间估计在4－9小时之间。细胞凋亡通常在形态上可明显辨认时，组织中可能已发生大量细胞凋亡。而且由于这种死亡过程不导致溶酶体和胞膜破裂，没有细胞内容物外泄，故不引起炎症反应，邻近凋亡细胞的其它细胞也无结构或功能上的异常，所以观察识别比较困难。

2细胞凋亡的机制

复细胞生物（metazoan）在凋亡过程中拥有相似的酶反应机制。

美丽线虫（Caenorhabditis elegans）长久以来一直作为研究细胞凋亡机制核心组分的一个良好的模型，研究发现了3个重要的基因：促进凋亡的CED－3、CED－4和抑制细胞凋亡的CED－9［5］。CED－3是一个蛋白酶，激活的CED－3可以水解靶蛋白从而使细胞死亡；CED－4与CED－3结合并促进CED－3激活，CED－9则与CED－4结合并阻止其激活CED－3。正常情况下，CED－9与CED－4和CED－3结合，因此，CED－3不处于激活状态。细胞凋亡信号会引起CED－9在上述复合体上解离下来，激活CED －3并最终发生凋亡。

脊椎动物则进化了一整套的基因家族：①哺乳动物caspases与CED－3同源；②Apaf －1基因与CED－4同源；③哺乳动物Bcl－2基因家族与CED－9在结构和功能上相似，但分为促进和抑制亚群［6，7］。

3细胞凋亡的相关基因

细胞凋亡这种生理性细胞死亡形式已经引起众多科学家的重视。其中，对引起细胞凋亡的相关基因的研究较为集中。

3.1bcl－2基因家族与细胞凋亡

bcl－2基因为一种重要的细胞凋亡负性调节因子［8］，是调节细胞凋亡基因家族的一个成员，它通过抑制凋亡而延长细胞的存活时间。对多种诱导细胞凋亡的因素如辐射、

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中山大学研究生学刊（自然科学、医学版）二○一二年第三期

激素、生长因子等诱导的细胞凋亡有抑制作用，且可以抑制H2O2诱导的凋亡，还可拮抗另一原癌基因c－myc的致凋亡作用。

Bax基因是bcl癌基因家族中一类本身并不直接诱导细胞凋亡，但能明显加速死亡信号引起细胞凋亡的基因［9］。单体Bax不能诱导凋亡，但其可以形成同源聚体也可与bcl－2形成杂二聚体。当Bax与bcl－2共表达而形成二聚体时，可以拮抗bcl－2的凋亡抑制属性，二者在细胞中的比例似乎调控凋亡的发生［10］。

3.2Fas与细胞凋亡

Fas（又称APO－1或CD95），与bcl－2基因是凋亡相关基因中作用相反的两个典型代表。其为TNFR家族成员，基因产物为一跨膜糖蛋白。与其配体FasL或Fas抗体结合后，经特殊胞内蛋白介导，直接激活凋亡基因产物，诱导Fas蛋白所在的细胞凋亡。有研究表明，某些细胞在发生、发展过程中，Fas基因的表达不断加强，而凋亡抑制基因bcl－2的表达逐渐减少，最终导致细胞凋亡的发生，完成细胞代谢过程，达到细胞增殖与凋亡的平衡［11］。

3.3抑癌基因P53与细胞凋亡

抑癌基因P53编码产物与肿瘤的发生、发展相关，为肿瘤抑制基因，性质与c－myc 相仿。P53可分为两种类型，一种是可诱导细胞发生凋亡的野生型，另一种是具有抑制凋亡能力的突变型。野生型P53是作为细胞周期G1的控制蛋白而发挥作用的［12］，当DNA损伤时，P53编码的转录活化蛋白聚集在DNA损伤部位，使DNA受损细胞停止在G1期，阻止DNA复制，从而使DNA得到修复，若DNA受损细胞修复失败，则P53介导细胞凋亡。如果DNA受损细胞逃脱了P53的监控，细胞就在遗传物质变异的基础上不断增殖而癌变。

3.4ICE基因家族与细胞凋亡

IL－1β转化酶（interleukin－1βconverting enzyme，ICE）是一种半胱氨酸蛋白酶，过度表达可引起哺乳动物细胞凋亡，bcl－2可抑制其诱导的凋亡作用。

3.5c－myc与细胞凋亡

c－myc属于原癌基因，对细胞具有两方面的作用，既可参与细胞的增生转化，又可诱导或促进细胞凋亡的发生，是一种早期快反应基因，它的表达可以使细胞从G0期过渡到G1期，细胞周期变短，分裂加速。而在细胞分化时，c－myc表达降低，细胞生长受到抑制。c－myc可以诱导成纤维细胞、杂交瘤T细胞、白血病细胞等发生凋亡，且这种作用可因bcl－2或突变型P53的表达而被抑制。

与凋亡相关的基因中，目前研究较多的为P53、bcl－2及bcl－2家族基因。有研究表明bcl－2可以阻止P53诱导的细胞凋亡；而野生型P53可诱导bcl－2表达的减少及Bax表达的增加。另外，突变型P53可替代bcl－2的功能。这两种基因既相对独立，又存在相互的关系。

4细胞凋亡的主要意义

资料表明，细胞凋亡在许多方面发挥着从前鲜为人知的重大作用，与细胞的分裂、01