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细胞凋亡CellularApoptosis一、概论随着生物学研究的深入，生物学家越来越意识到细胞死亡，特别是细胞凋亡具有特殊的生物学意义，对于一个多细胞生物来说，要维持完整性和保持平衡性，凋亡是一个非常重要的生物学过程。多细胞生物的诞生、生长、发育、存活以及死亡，无一不伴随着细胞凋亡过程。细胞死亡是组织病理学的中心议题，由于遭受缺氧，病毒感染和某些毒素的损害而导致的关键性终结点，同时细胞死亡现象也是生命新陈代谢的固有本质。例如胚胎发育(embryonicdevelopment)正常组织更新（Normaltissueturnover），以及在增殖淋巴细胞群体中选择适当的克隆（selectionofappropriateclones），这种细胞生理性死亡是种系发育史中早就存在的，有利于动物发育中的许多生命功能。那么采用什么样的标准可以比较在不同情况下，不同类型的细胞死亡呢？形态学作出一个标准是可能的。1972年Keer根据细胞发生了与坏死完全不一样的死亡过程而提出了细胞凋亡（Apoptosis）的概念。坏死与凋亡这两个术语均起源于希腊语。坏死（Necrosis），只是意味着死亡，同一词根来源的词汇有尸体解剖（Necropsy），凋亡（Apo脱落，ptosis飘零=Apoptosis凋亡）意味着落下(fallingoff)或丢掉（fallingaway），好象秋天落下的树叶，秃头上掉下的头发。凋亡一词1972年开始使用，但由于检测技术的限制，这种细胞现象只停留在形态学的描述上，因此长期以来有关凋亡的研究，一直未被病理工作者重视。80年代末，随着细胞生物学，分子生物学等科学理论的发展，凋亡的检测技术也有了很大的发展，生物学家逐渐认识到细胞凋亡的特殊生物学意义，由此形成了新的医学研究热点，促进了凋亡理论在生物医学各领域的广泛应用。二、凋亡概念：细胞凋亡是细胞循自身程序结束其生命的主动死亡的过程，具有特征的形态和生化改变，是由基因控制的个别细胞发生的自主有序的死亡。即是由基因控制细胞有目的，有选择性的自我消亡过程，这种淘汰机制是保证生命进化的基础。有些学者将细胞凋亡一词等同于程序性细胞死亡（programmedcelldeath）,但我现在不想在细胞凋亡和程序性死亡这两个概念上展开，因为这些课题正在探索中混乱的很，现在要说明它们之间的异同，还太勉强。我倾向性地认为，凋亡是个形态学的概念，描述了一整套与坏死不同的形态学特征。程序性细胞死亡可能是功能上的概念，指细胞内特点共同的程序性表达介导的细胞死亡。细胞凋亡和程序性死亡具有非常密切地关系。大多数情况下程序性细胞死亡是以凋亡的方式进行，但并不所有程序性死亡都采取凋亡的方式。凋亡只是程序性死亡的特殊方式，如烟草蛾节间肌肉细胞、哺乳动物某些神经元和红细胞，它们的程序性死亡是以非凋亡的方式进行。有时由外源性理化因子刺激诱发的细胞死亡，形态上似凋亡，但并不是由细胞内原装程序所引发，也不能称为程序性细胞死亡（如放疗后肿瘤组织坏死，可以看到肿瘤细胞呈现鬼影细胞(goatcell)的改变。三、凋亡的形态特征凋亡发生的过程表现为细胞死亡（dyingprocess）和被清除(eliminationprocess)（细胞缩小→致密染色质边集→核碎片→凋亡小体）1、丧失了特殊的表面结构（微绒毛等）和接触区，形成光滑的轮廓，从周围活细胞中分离出来；2、细胞缩小：①胞浆细胞器集中（squeeze）②胞膜出芽或起泡（bleb）③细胞皱缩（shrinkage）；3、保持胞浆细胞器完整性扫描电镜下，细胞表面呈奇特火山口样外观，①线粒体不肿胀，内膜不破裂；②短暂滑面内质网（SEN）扩张，扩张间隙与细胞表面融合；③有时有聚积排例的半结晶状核糖体；④可有与细胞表面平行的微丝束。4、形成调亡小体（Apoptoticbodies）由凋亡细胞裂解为若干个由质膜包绕的小体，每个凋亡小体有自己的一簇细胞器。周围不引起炎症反应。5、核内染色质结构改变（这是最引人注意的改变）染色质（chromatin）凝集于核膜下表现为：①核质固缩（condenation）；②边集（margination）；③核浆紧实（compaction）；④核膜皱折（fold）。在透射电镜下，染色质浓缩在一起呈颗粒状，半月形磨茹，或完整的捻珠形；核孔集中于少数区域，浓缩的染色质并不贴附在核膜上；转录复合物从核仁中脱落到核浆中呈一簇嗜锇酸小体。残留的核仁蛋白核心移到周围染色质特征性部位。核扭曲，断裂呈若干片断，所有片断开始时均有质膜包绕。6、凋亡细胞、凋亡小体被识别与吞噬：凋亡细胞或凋亡小体迅速被邻近的实质细胞（同类细胞）或吞噬细胞（不同类细胞）识别，吞噬于吞噬细胞体内形成吞噬体（phagosome），所以凋亡小体最常见于细胞大异吞噬体中，进一步变性，形成溶酶体残留小体（lysosomalresidualbodies）。偶尔凋亡小体逃避被吞噬，如凋亡的导管上皮，可以掉入导管腔中，这种凋亡小体最终变性，丧失其密度，膜断裂。细胞凋亡被吞噬后留下的空隙由周围细胞填充不留痕迹。几点说明：1、形态学改变告诉我们凋亡细胞发生早期细胞体积缩小（50%）密度增加，胞浆细胞器保留完整，说明细胞是有选择性的丧失了水和电解质，而较致密的结构成分得以保留下来，这种水分的迅速输出可能在内质网，使之在与细胞表面融合前呈短暂性扩张。2.胞浆胞核冒泡的机制还不十分清楚，Fesus发现在这个时相中，转谷氨酰胺酶（trangluamirase）活性可在受损细胞中检测到，转谷氨酰胺酶是交联蛋白酶，能使蛋白质成为不溶解的，具有高度化学上变质的一种化学剂，在凋亡细胞膜下构成一层由转谷氨酰胺酶化的蛋白质僵硬壳，这就很容易引起某些细胞的形态改变，并与凋亡细胞体积缩小和不溶解性有关。3、凋亡细胞、凋亡小体被邻近特殊吞噬细胞或其它细胞识别与吞噬，需要一种特殊的非免疫性识别机制，最近研究显示，人体巨噬细胞通过玻璃样连接素受体（macrophageVitronectinreceptor)与凋亡的中性WBC或其它凋亡细胞相连接，巨噬细胞玻璃样连接素是整合素家族（integrinfamily）的一个成员，以前认为是细胞粘附分子（celladhesionmolecule）至于受体识别凋亡细胞表面后发生连接的性质还有待于进一步研究。除了巨噬细胞吞噬凋亡细胞外，上皮细胞，肿瘤细胞也有这一功能，最近发现吞噬细胞上至少有三类受体，凋亡细胞上出现有相应的凋亡标记，介导两者相互应答反应。①凋亡细胞表面膜结构改变，表面糖蛋白失去唾液酸侧键，使原来处于隐蔽状态的单糖暴露出来，与吞噬细胞表面的植物凝集素结合被吞噬。②细胞膜内侧的磷脂酰丝氨酸翻露到细胞外，被吞噬细胞表面相应的受体识别、吞噬。③吞噬细胞可以分泌一种物质即血栓连接素（thrombospoudin），该物质为细胞外基质的成分，血栓连接素在血小板、巨噬细胞、内皮细胞、纤维母细胞中，可粘附FN、纤维蛋白原和糖蛋白。④介导多种细胞的相互作用或细胞表面的蛋白多糖、硫酸脂等受体也可与凋亡小体表面的相应成分结合而将之吞噬。4、定时电动摄像研究发现，凋亡发生开始得很突然，受致死刺激后不久，被攻击的细胞突然皱缩,冒泡并凋亡，这时期仅仅持续数分钟，然后产生皱缩的凋亡小体。凋亡小体一旦形成，停留在组织中被辩认出来的时间约4-9小时，这段时间与巨噬细胞在体内吞噬大生物结构完全被降解的时间相符，由于这一过程很短，因此在组织切片中，所见到的凋亡小体即便是少量的增加，也可能隐藏着较大的细胞丧失率，例如在历经3天细胞数目已丧失一半的萎缩组织中，这时在光镜下见到的凋亡小体数还不到细胞总数的5%。凋亡发生迅速，在几小时内即完成主要的二个阶段：细胞死亡阶段（thedyingprocess）和细胞被清除过程（theeliminationprocess）。凋亡细胞迅速被吞噬，其空隙由周围细胞来填充，因此不留痕迹，凋亡小体的完整膜，使之缺乏炎症反应。5、尽管凋亡对细胞死亡来说是非常有意义的生物行为，但至今为止，仍有许多含糊不清之处，存在含糊不清的概念，其后果是凋亡表现在不同组织中，有不同的名称，如：①着色体的巨噬细胞（tingiblebodymacrophages）在淋巴滤泡生发中心中存在的含有凋亡淋巴细胞的巨噬细胞；②civattebodies在牛皮癣时所见到的凋亡性角化细胞;③councilmanbodies凋亡的肝细胞等。四、凋亡发生的机制主要通过受体介导的信号途径（receptor-mediatedcellularsignallingpathways）诱导细胞凋亡因子或刺激因素通过第二信使系统传递信号，信号传递途径决定了细胞的命运。核酸内切酶180-200bpDNA片段各种内源性细胞内钙离子浓度增加蛋白酶细胞骨架崩解细胞皱缩和外源性刺激（细胞内降解级联）转谷氨酰胺酶胞浆蛋白交联细胞固缩1、核酸内切酶（endonuclease）的活化将DNA在核小体间连接区（internucleosomallinkageregion）切成缺口(Nick),使核内DNA断成片断，而胞浆DNA保留完好。DNA断点都是规律性的发生于核小体之间，因此出现180-200bp及其倍数的DNA片段。2、组织转谷氨酰胺酶（tissuetranglutaninaseTTG)活化催化εlr-谷氨酰赖氨酸交联形成僵硬而不溶性蛋白，在老化与终末分化的角化上皮中TTG活化形成包鞘蛋白（involucrin)，这些蛋白可以网络住细胞内细胞器等容物，不易溢出。3、钙依赖蛋白酶活化（calcium-dependentproteinase)破坏细胞骨架结构，形成细胞表面泡状起。如果阻断胞浆钙浓度可以抑制凋亡发生，增加胞浆钙浓度可以促进凋亡，抗衰老中利用前者原理，治疗肿瘤中利用后者原理。所谓自发性（spontaneous）凋亡的发生，是组织内区域对各种致畸物（teratogen）异体生物素（Xenobiotics）十分敏感，这也是细胞衰老的特征，是对许多损伤性刺激的极度脆性。所以在生化水平上凋亡细胞可以发生一系列基因表达和蛋白合成。