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细胞凋亡
第一节概述
细胞凋亡(apoptosis)是在一定的生理或病理条件下细胞内特定的“自杀”程序启动后引起的细胞程序性死亡。1972年,Kerr等首次引用apoptosis一词,意指像秋天树叶凋谢一样,用来形容其观察到的一种与细胞坏死截然不同的细胞死亡方式,即细胞遵循自身程序结束生命过程。
细胞凋亡受基因调控,在多细胞生物的生长发育过程中扮演着重要角色,通过凋亡清除多余和受损细胞,以维持机体正常的细胞总量及其形态和功能,保证机体的正常生长发育。一旦正常的细胞凋亡机制发生紊乱则将导致疾病的发生。因此细胞凋亡问题已成为当今生命科学中的热点科题。
一、细胞凋亡与细胞坏死
在多细胞生物中,细胞的死亡有两种形式:细胞坏死和细胞凋亡。这两种细胞死亡类型存在着本质上的区别:细胞坏死完全是发生于病理状况下,是由于异常环境的不良刺激,如缺血缺氧、毒素侵袭及物理、化学损伤等造成细胞急速死亡,而细胞凋亡尽管也发现在一些病理状态下,但却普遍地出现于生理条件下。由此可见,细胞坏死是在一定的病理状态下的被动性死亡,而细胞凋亡则是在一定的生理或病理条件下的积极主动的“自杀”过程。
细胞凋亡的形态学特征与细胞坏死的形态学改变是截断不同的。
细胞坏死的形态特征首先是膜通透性增加,胞体肿胀,内质网扩张,核染色质不规则地位移,进而线粒体及核肿胀,溶酶体破损,使细胞膜的完整性遭破坏,导致细胞裂解,内容物外溢引起周围组织的炎症反应。细胞坏死时常是细胞成群的死亡。
而细胞凋亡的特征性表现常发生于散在的单个细胞。早期的形态变化是细胞缩小变圆,细胞间连接和微绒毛结构消失,核固缩,内质网膨胀成泡状。随着细胞固缩的进行,细胞骨架崩解,胞膜内陷并以出芽方式将细胞分割成多个外有完整的膜包裹的、致密的凋亡小体。由于细胞凋亡时细胞膜仍保持完整,溶酶体未遭破坏,没有细胞内容物外泄,故不引起炎症反应和次级损伤。凋亡小体最终被邻周正常细胞或吞噬细胞吞噬或自然脱落而离开生物体。
细胞凋亡与细胞坏死形态学上的差异
细胞凋亡与细胞坏死在生物化学反应方面也存在着显著的差别。其中最突出的生化特征是凋亡细胞染色质DNA的有控降解。这种使完整DNA断裂现象出现在凋亡小体形成之后,是由于细胞凋亡过程中激活了内源性核酸内切酶对核小体间连接区域的DNA进行酶切反应所致。形成若干大小不一的寡核苷酸片段,在琼脂糖凝胶电泳上呈现梯状DNA区带(DNA ladder)特征图谱,这些区带由180~200个碱基对或其倍数的寡核苷酸片段组成。
值得一提的是有些细胞发生凋亡时,染色质DNA并不降解,这可能是因为某些细胞内限制性核酸内切酶活性较低,而琼脂糖凝胶电泳的特异性高但灵敏度较低,难以检测出轻微的DNA降解,当然也不能排除某些细胞发生凋亡未出现DNA降解的可能性。细胞凋亡是由内在基因调控的主动编程性死亡,因此需要新的基因转录和蛋白质合成,是一个需要能量供应的过程。与之相比细胞坏死时没有新的基因表达和蛋白质合成,不需要能量,DNA被随机降解为长短不等的片段,其琼脂糖凝胶电泳呈涂片状图谱。
细胞凋亡与细胞坏死在生物化学上的比较
二、细胞凋亡与程序化细胞死亡
程序化细胞死亡(programmed cell death, PCD)的概念提出较细胞凋亡早,两者均属于生理性细胞死亡。长期以来这两个名称常常被互为使用,视为同义词,但是严格地讲,两者的含义是不同的。前者属于功能上的概念,是对发育时期有功能关系的正常细胞按一定的程序死亡过程下的定义;而后者属于形态学的概念,是对细胞凋亡时所具有的特征性形态学和生物化学改变的描述。