细胞生物学课程论文

细胞凋亡的机理与应用

摘要：细胞凋亡是一种由基因调控的细胞主动死亡过程，是机体生长发育、细胞分化、生理及病理性死亡的重要机制。线粒体、肿瘤坏死因子、受体基因DNA降解、凋亡因子、内质网以及缺氧条件都会导致细胞凋亡。细胞选择不同的死亡途径，往往由导致细胞死亡的起始原因所决定。细胞凋亡有害也有利，如会引起肿瘤、自身免疫疾病等等。细胞凋亡在机体组织改建过程中起着不可替代的作用。细胞凋亡是机体的一种基本生理机制，贯穿机体整个生命活动过程，为机体正常细胞的更新和异常细胞的清除提供了手段，对维持个体正常生理过程和功能表达具重大生物学意义。细胞凋亡近年来已成为细胞生物学与分子生物学的研究热点，对细胞凋亡机理的深入探讨可对一些疾病包括癌症提供新的治疗方法和途径，目前药物开发多是从病理过程中的分子机制、正常生理过程起作用的因子来寻找新药。

关键词：细胞凋亡；基因调控；线粒体；肿瘤坏死因子；DNA降解

细胞凋亡（apoptosis，APO）是一种由基因调控的细胞主动死亡过程，是机体生长发育、细胞分化、生理及病理性死亡的重要机制［1］。20 世纪90 年代以来，细胞凋亡机制逐渐成为生物学及生物医学的研究热点，以下就近几年来细胞凋亡机制的研究综述如下。

从形态学观察, 细胞凋亡的变化是多阶段的, 细胞凋亡往往涉及单个细胞, 即便是一小部分细胞也是非同步发生的。首先出现的是细胞体积缩小, 胞间连接消失, 与周围的细胞脱离, 核质浓缩, 核膜核仁破碎; 胞膜有小泡状形成,胞膜结构仍然完整, 最终可将凋亡细胞分割为几个凋亡小体。

1、细胞凋亡机制

长期以来，人们一直将细胞线粒体视作为提供能量的细胞器，而忽略其在细胞凋亡中的作用。随着细胞凋亡研究的深入，发现某些与凋亡相关的基因产物（蛋白质或酶）均可定位于细胞线粒体，从而使线粒体与细胞凋亡之间相关性的研究成为当今生命科学研究的前沿课题。［3］线粒体被选择性的从细胞中清除在细胞凋亡中，这种凋亡甚至没有caspase 的活化[4]。这种选择性的线粒体的清除（也被称为线粒体的凋亡或者线粒体自噬）在Drp1 介导的分裂过程中被增加，相反的这种过程在Drp1 介导的分裂过程被抑制的时候被抑制，提示线粒体的片段化对于线粒体的凋亡是一个必需的步骤。[5]但是，实际上线粒体在细胞凋亡中的作用远大于此，常起着决定性的作用，其作用主要包括：①丧失电子转移功能并减少能量的产生；②释放Caspases激活因子如Cyto－c；③线粒体跨膜电位的消失以及与BCL－2 蛋白家族促凋亡和抑制凋亡功能相关等方面。实验证明：Ceramide （介于促凋亡信号和凋亡过程之间的凋亡信号转导中的重要分子）、γ辐射、Fas 与配体结合等均可导致线粒体在电子转移方面发生功能紊乱，从而影响呼吸链，使ATP 产量下降。在细胞凋亡的晚期常会发

生这种能量代谢上的障碍。

除了细胞凋亡的线粒体途径外，细胞内还存在另一种可引起细胞凋亡的死亡受体途径。死亡受体属于肿瘤坏死因子受体基因超家族成员，可传导由特定的死亡配体引起的凋亡信号，目前发现至少有5 种死亡受体在细胞凋亡信号传导中发挥作用。其中最典型的死亡受体有CD95（称Fas 或Apo1）和TNFR1（称p55 或CD120a）。一旦细胞受到某些凋亡信号的刺激，Fas（CD95）通过与其特异性配体FasL（CD95L）结合而在细胞膜表面发生聚合，形成的复合物通过FADD 与Caspase28 特异的结构域结合并使Caspase28 形成二聚体而自身激活，进而引起细胞的Caspases 酶系级联反应以导致细胞凋亡。

细胞凋亡的一个显著特点是细胞染色体的DNA降解,这是一个较普遍的现象。这种降解非常特异并有规律, 所产生的不同长度的DNA片段约为180～200 bp的整倍数,而这正好是缠绕组蛋白寡聚体的长度, 提示染色体DNA恰好是在核小体与核小体的连接部位被切断,产生不同长度的寡聚核小体片段。实验证明,这种DNA的有控降解是一种内源性核酸内切酶作用的结果, 该酶在核小体连接部位切断染色体DNA,这种降解表现在琼脂糖凝胶电泳中就呈现特异的梯状Ladder图谱, 而坏死细胞呈弥漫的连续图谱。

最近研究发现某些凋亡因子也可通过破坏的线粒体外膜直接进入细胞浆，目前对于这一过程发生的机理尚不清楚，但当细胞凋亡时VDAC 的关闭能使线粒体ATP 和ADP交换发生障碍［9］。当线粒体内膜高极化时质子大量转运至线粒体膜间隙导致膜间隙渗透压增高，使胞浆中大量水份渗入致使膜间隙压力增大，水分冲破表面积较小的外膜而导致膜间隙中的大量凋亡诱导因子重新分布于细胞质以造成细胞凋亡

内质网应激介导的细胞凋亡是不同于死亡受体与线粒体介导的凋亡途径。内质网在细胞内分布广泛，是细胞内重要的细胞器，根据内质网膜上是否附着核糖体，将内质网分为粗面内质网和滑面内质网两种。内质网内膜面积占细胞所有膜结构的50%，体积占细胞总体积的10%，具有非常重要的生理功能，不仅是合成的蛋白质折叠和运输以及细胞内Ca2+储存的主要场所，同时也是胆固醇、类固醇以及许多脂质合成的场所。内质网巨大的膜结构在细胞内提供了一个宽广的分子组装、反应平台，因而在多信号调控中起到关键作用。内质网凭借着其庞大的膜结构基础，在完成基本生理功能的同时，作为信号传导的枢纽平台，可以通过特有的Caspase-12、CHOP（C/EBP homologous protein，C/EBP 同源蛋白）、JNK （c-Junamino-terminal kinase）等通路引起细胞凋亡。［11］

在缺氧条件下,机体存在着一定程度的氧自由基代谢紊乱, 缺氧时线粒体合成ATP减少,即呼吸链电子传递及氧化磷酸化发生障碍,不能正常地与代谢物脱下的氢原子结合成水,进而导致自由基产生增多。氧自由基化学性质活泼,破坏机体正常的氧化/还原动态平衡,造成大分子的氧化损伤,干扰正常的生命活动,形成严重的氧化应激状态,机体氧化损伤的后果之一就是诱导细胞凋亡,其可能通过以下机制: ①直接损伤DNA、RNA诱导细胞凋亡。②攻击蛋白质,尤其是具有酶活性的蛋白质,导致其功能丧失,引起细胞凋亡。③激活内源性核酸内切酶、酪氨酸激酶,诱导细胞发生凋亡。④自由基造成mtDNA突变,mtDNA突变时导致了线粒