程序性细胞死亡与发育生物学

程序性细胞死亡与发育生物学分子生物学发展到今日，研究方向逐渐聚集于发育生物学、神经生物学和结构生物学3个领域。发育生物学是一门飞速发展的学科，现已席卷整个生命科学领域。当今，关于发育生物学机制的研究正在运用细胞生物学和分子生物学手段进行探索，进行对生命现象在本质上的探讨与机制的阐明，这样，为生命科学和基础医学研究提供了分子水平的分析。早在l9世纪，发育生物学者就观察到胚胎发育过程中，在胚体特定部位的特定细胞群体会在某一特定时间死亡，如进化中退化器官的消失；肢体(指、趾)复杂形态结掏的形成；性别分化等发生细胞有序死亡的过程。如果这一过程受阻，个体正常形态就难以形成或出现畸形。通过多年来生物化学、分子生物学研究，现已明确，细胞死亡的调节和细胞分裂的调节一样重要。多细胞生物的体内平衡不仅取决于细胞分裂，而且也受细胞死亡的影响，这是通过一个进化上保守的细胞自杀程序发生的生理过程。1．程序性细胞死亡(programmedcelldeath．PCD)1972年，Kerr、wynie及Gurric等观察到机体在正常生理状态下的细胞形态学改变，首先提出程序性细胞死亡的概念。程序性细胞死亡这一特殊的细胞死亡类型是近些年来才引起科学界重视，是动物体以一种与细胞有丝分裂相反方式来调节细胞群体在维持机体内环境相对稳定的重要机制，它是一系列基因激活、表达及调节控制下的机体细胞有序死亡的过程。现已确认，无论是胚胎发育或是胚后发育，机体无时无刻不存在程序性细胞死亡的过程。程序性细胞死亡是一种特殊的、积极主动的生理过程，具有一定程序性，它的正常进行对维持动物体的正常发育，器官的正常形成，细胞与组织的正常功能维持机体内环境稳定，免疫系统的正常功能以及预防恶性肿瘤的发生均具有重要意义。正常生命个体的许多组织、器官中，正常的细胞死亡(如组织细胞更新)是经常发生的，它与经典的细胞坏死(cellnecrosis)有本质的区别。1.1.细胞坏死的细胞生物学特征细胞坏死或意外性细胞死亡(accidentalcelldeath)是由某种外界因素的作用，如局部贫血、高热、物理或化学损伤以及生物侵袭等造成的急性死亡。细胞坏死呈成群细胞死亡，在病理组织学上，首先表现细胞膜通透性增加，细胞外形发生不规则变化，内质网扩张，核肿胀，染色质不规则移位且稀疏呈网状，进而出现线粒体肿胀、染色质固缩。最后，细胞膜破裂，细胞质外溢，细胞溶解。在坏死细胞周围常有炎症反应。1.2.程序性细胞死亡的细胞生物学特征曾有不少文献称，程序性细胞死亡即细胞捅亡(cellapoptosis)。凋亡一词源自希腊ap0(脱离)和ptosis(下降)组合而成，指树枝或花自然凋落现象。一般情况下，程序性细胞死亡与细胞凋亡有同等含义，可以通用，但二者又是不完全相同的概念，可归纳如下：①程序性细胞死亡是一种功能性概念，描述在多细胞动物体中，某些细胞死亡是个体发育过程中预定的，并受严格程序控制的正常组成部分；而细胞捅亡则是形态学概念，描述具有一整套形态学特征，它与坏死完全不同的细胞死亡形式。②程序性细胞死亡仅存在于发育细胞，而细胞凋亡既存在于发育细胞，也存在于成体细胞，如肿瘤细胞等。③程序性细胞死亡可能最后归结于细胞凋亡，但细胞凋亡并不一定包括程序化。多种刺激诱导的细胞凋亡，有些是受程序性控制，而有的是对周围环境变化所发生的反应，如细胞毒药物诱导的细胞凋亡则明显是非程序性过程，因为它不需要启动基因或合成物质。究竟二者细胞死亡启动信号是否相同，具体死亡步骤是否一致，与细胞本身特性是否有关仍需进行大量研究。2.癌基因与发育生物学早在19世纪，就有人注意到恶性肿瘤的遗传倾向。随着分子生物学发展，从20世纪60年代开始在DNA水平研究癌变的机制。癌基因(onco—gene,ONC)的发现是近些年来生物学和医学的重大进展，并获1989年度诺贝尔医学和生理学奖，一直是细胞分子生物学和肿瘤学的研究热点。癌基因之所以能从狭小的肿瘤领域扩展进入发育生物学、神经生物学和免疫学的主要原因之一是其在细胞信息传递中发挥着重要作用。2.1.癌基因、细胞癌基因、原癌基因与抑癌基因的概念癌基因，开始时是作为疾病携带的基因能引起靶细胞的转化，在肿瘤中分离并鉴定、且与肿瘤的生长、分化、调控存在极其密切关系而得名。癌基因的本质是指一段具有促使细胞恶性转化(malignanttransformation)的DNA棱苷酸序列，若缺少这一片段DNA棱苷酸序列就丧失致癌能力。就现有的知识，对癌基因可作如下的概述：癌基因是一类以原癌基因（pre—onco—gene)形式存在于正常细胞中，在进化上高度保守，是维持细胞正常生命活动所必需的。从进化观点看，可以说，最早的原癌基因是从6亿年前，人与果蝇的共同祖先时代就已形成，在漫长的用进废退自然选择中，这些原癌基因原封不动地保存到今日。脊推动物的许多癌基因，在进化上都表现其高度保守性。随着研究深入，发现在正常条件下，原癌基因是细胞生长、繁殖、个体发育所必需的，如哺乳动物胚胎期间，某些胚胎细胞的原癌基因非常活跃，从受精卵分裂增殖，直至胎儿形成的发育进程中，细胞分裂增殖的速度远远超过恶性肿熘细胞的分裂速度。为了区别细胞癌基因和原癌基因，科学家将正常细胞中以非激活形式存在的细胞癌基固称原癌基因，将已被激活的原癌基因称细胞癌基因。按照癌基因的结构、产物的功能以及在细胞内的位置，可分为酪氨酸激酶类、生长因子类、核内蛋白类等。目前，已发现的细胞原癌基因已有100多种，其中约有半数既存在于逆转录病毒，也存在于细胞基因组中；另有半数只存在于细胞基因组中，癌基因通常以3个斜体小写英文字母命名，细胞癌基因在其名称前标以小写c(cellular)，如c—myc基因；病毒癌基因则在其名称前标以小写v(virus)。与癌基因发现的同时，发现在正常细胞中存在一类能抑制正常细胞发生恶性转化和肿瘤发生的基因，称抑癌基因(lurnorsuppressergene)或抗癌基因(antioncogene)，此种基因丢失或失活都可导致正常细胞的恶性转化和肿瘤发生。60年代末，已有实验证明，正常细胞与癌细胞在体外培养条件下融合，其杂交细胞的致癌性降低或消失，究其机理，可能是由于正常细胞中存在阻抑癌变的基因。抑癌基因在维持基因稳定诱导程序性细胞死亡，调节细胞生长，抑制蛋白酶活性等有重要作用。癌基因与抑癌基因的种类很多，已知，癌基因约有百来种，而抑癌基因当前只有l0多种被发现，推论二者的数量可能相当，它与程序性细胞死亡的关系千变万化，二者功能大相迳庭。2.2.与发育有关的细胞癌基因及其功能如上所述细胞癌基因是正常细胞的固有基因成份，同时具高度进化保守性，因此，必定有其重要生理功能。随着对癌基因产物的结构、功能及其在细胞中定位等问题的深入了解，越来越清楚认识到原癌基因在维持生长、繁殖、分化和发育等基本生命活动中起着关键性作用，但其机制尚不清楚。在已报道的百来种癌基因中，已发现有20多种与动物个体发育有关。随着对癌基因研究的不断进展，发现与发育有关的癌基因越来越多，虽然有相当一部分还不明确其信息传递、基因调控中的具体功能，但在应用免疫组化［用标记的特异性抗体(抗原)对组织细胞内抗原(抗体)的分布进行定位，在组织原位显示抗原(抗体)的技术]；原位杂交(一种核酸杂交技术，可用来测定基因或特定核苷酸序列在核酸分子的所在部位，检测重组体DNA)；核酸杂交（指来源不同的单链DNA或单链RNA，通过碱基配对形成异质双链核酸分子的过程，包括DNA与DNA、DNA与RNA、RN与RNA之间的杂交)；基因定点突变(即基因突变，指基因内一个或多个位点上的碱基替换或由于碱基的掺入或缺失造成移码所导致的突变)和转基因动物(基因组中含有外源基因的动物)等方法已揭示出这些基因在胚胎发育中定点、定时的表达，表明其对胚胎正常发育的重要作用，但许多细节有待进一步研究。细胞周期(cellcycle)是细胞周而复始的分裂过程。真核细胞的细胞周期包括G1期(合成前期)、S期(合成期)、G2期(合成后期)和M期(有丝分裂期)。每个细胞期都有其特殊功能，各细胞期之间都有转折点。这种细胞周期性的反复进行说明它是受控制的过程。细胞周期的有序运行是细胞增殖过程的主要保证，这种有序运行是受一系细胞分裂周期基因(celldivisioncyelegene，coc)顺序表达的调控。各种细胞因子如生长因子、控制因子、分化因子相互协调并影响细胞周期的进行。目前，已发现和证实了许多具有调节发育途径的相关基因，它们能确实引导细胞及其子代细胞进入特异性分化传导途径。某些癌基因可直接表达生长因子样活性物质，许多生长因子可促进一些癌基因的表达。某些癌基因位于细胞核内，其表达产物是一类DNA结合蛋白，在不分裂的静止细胞中，这些癌基因不表达或表达很低，而在细胞增殖信号作用下，其表达明显异高。虽然对发育过程中的癌基因蛋白进行了一系列研究，但目前还没有系统的结论和解释，还有许多癌基因的功能还不是很清楚的。应该知道，不论是胚胎组织或成体组织，细胞癌基因的表达均呈现严格的细胞类型和时相特异性，目前，对其了解也很少，故是当前重大究课题之一。3.发育生物学与程序性细胞死亡发育生物学最主要目的是阐明生命现象本质遗传和发育是个体发育过程的两个方面，直至19世纪末，二者常常没有明确的界定。遗传和发育毕竟是有所差异，由于着眼点和思路有所分歧，从而各自发展出一套研究方法。发育过程中由于是在一定时间，按一定模式，“循序而进”的变化，即使在离体条件下也不例外，因此，就存在“程序”问题，这既有发育问题，也有遗传问题。可以说，发育的研究进入遗传领域，是从性状发育到基因的调控，来了解整个胚胎发育过程中的程序控制。这种发育过程的时间、空间程序，取决于基因括动在时间和空间的调控。因此，遗传和发育既是事物发展的两个方面，就应联系起来；可以说，没有遗传就没有发育，没有发育也无所谓遗传。因此，分道扬镳已久的遗传和发育的研究呈现分久必合的趋势，只有这样才能较全面地看问题。早期胚胎学偏重于胚胎结构和发育形态的描述20世纪50年代开始逐步进入发育分子生物学时期，已对胚胎发育中的基因调控和细胞分化机理进行研究。细胞基因功能已被认识，生物化学家研究基因与蛋白质间的联系及细胞代谢过程中酶的作用；电镜、同位素和分子杂交等技术的的广泛应用，使发育生物学从叙述性胚胎学进入发育分子体系中重要组成部分。发育生物学是程序性细胞死亡主要材料来源，同时，程序性细胞死亡叉为发育生物学开辟了新的研究领域。发育是一系列相互作用过程，又是复杂性不断增加的一系列过程，胚胎学与生物化学结合起来、使人们对发育现象有了更深入的认识，从而使DNA、RNA、蛋白质、酶等成为胚胎发育研究的中心课题。实验证明在整个发育过程的不同时期和胚胎的不同部分形成了各种蛋白质和各种酶，在各个发育阶段都有新的蛋白质和新的酶合成。由于分子生物掌的渗入，使我们认识到，不论是低等真核生物或是高等生物，各个发育阶段的形态发生均有准确的时闻、空间结构排列和发育间期，其过程都受基因组中的DNA调控，并且按照特定的时间和空间程序（temperalandspecialsequence）依次表达，从而认识形态发生的空间结构、所需时间和间期在各类细胞具有其特殊模式过程的实质。现已确认，除少数例外，在胚胎发育过程中，有丝分裂把DNA均等分配到子代细胞中，几乎所有的新生细胞都接受了完整的基因组信息。最初的胚胎细胞具基因等阶性（genomicequivalence），即每一个细胞均有相同的基因组，并具有发育成任何类型细胞的潜能。随着发育进程，虽然每一个细胞均含有一套完整遗传指令，但在每一特定类型的细胞只使用其中一小部分遗传信息，每一类型细胞只表达一套特异蛋白质。不同细胞类型，表达不同基因。基因组的哪些部分将被使用，哪些部分不使用，是在细胞决定（determination）时将特殊的“使命”赋于细胞并进入顺序性分化过程。生物代代相传，雄性生殖细胞中的遗传信息（核内DNA及胞质DNA）和雌性卵细胞携带信息（母体信息，胞质决定）赋于有机体自我复制能力，按照相同时间和空间顺