第九章 细胞凋亡与疾病

第一节 概 述

定义：由体内外因素触发细胞内预存的死亡程序而导致的细胞死亡过程称为细胞凋亡（又称为程序性细胞死亡）细胞凋亡 (apoptosis) ，是 1972 年由 Kerr 等建议用来描述伴随细胞死亡的一系列形态学上固定的变化形式的。“凋亡”一词来自希腊语， apo 意为“分离”，ptosis 指花瓣或树叶的脱落，“凋亡”是由这两个词组合而成，意指细胞凋亡的形态类似秋天花瓣或树叶的凋落一样

细胞死亡的形式

坏死

细胞死亡 凋亡

坏死 : 活体组织细胞的死亡

细胞凋亡与坏死的比较：

坏死 凋亡 性质诱导因素生化特点形态变化

DNA 电泳

炎症反应

凋亡小体基因调控

病理性、非特异性 强烈刺激，随机发生被动过程，无新蛋白合成细胞肿胀、细胞结构全面溶解、破坏弥散性降解，电泳呈均一DNA 片状 溶酶体破裂，局部炎症反应无无

生理性或病理性，特异性较弱刺激，非随机发生主动过程，有新蛋白合成胞膜及细胞器相对完整细胞皱缩，核固缩DNA 片段化（ 180-200bp ）电泳呈梯状条带溶酶体相对完整，局部无炎反应 有有

坏死

坏死炎细胞浸润

凋亡

研究简史 半个世纪前 : 人们就观察到生理自发退化死亡现象 . 1965 年 : 发育生物学家 Lockshin 和 Williams 首先提

出了 PCD （程序化死亡）一词，用于描述蛾的发育过程 1972 年 :Kerr 等首次提出了细胞凋亡的概念 1977 年 : 人们注意到在生理或病理性刺激条件下，淋巴

细胞发育过程中的凋亡现象。 1980 年 :Wyllie 研究胸腺细胞在糖皮质激素作用下引致

的细胞凋亡变化，总结并建立了细胞凋亡的共同形态学特征，包括核固缩和 DNA 降解成寡核苷酸片段等

1989 年 : 0wen 及其研究小组在研究胸腺细胞阴性选择过程中证明了信号传递物质对 PCD 的调控作用。

1991 年 :Ellis 首先发现了线虫 (C.elegans) 体内 Ced-3 、4 两个基因与 PCD 的发生密切相关，随后逐渐发现了多种参与 PCD 的正相调节基因和负相调节基因

细胞凋亡的生理病理意义：

① 确保正常发育、生长：清除多余的、失去功能价值的细胞（指趾间组织细胞）

②维持内环境稳定：清除受损突变细胞，自身反应细胞，衰老细胞

③发挥积极的防御功能：感染病毒细胞凋亡，阻止病毒复制

第二节 细胞凋亡的过程与调控 一、细胞凋亡的大致过程

凋亡大致可分为四个阶段：凋亡信号转导凋亡基因激活细胞凋亡的执行凋亡细胞的清除

凋亡的四个阶段：

凋亡诱导因素

+ 受体cAMPCa2+

神经酰胺

死亡信号

凋亡基因激活

DNase 激活Caspase 激活

巨噬细胞吞噬分解凋亡细胞

apoptosis

凋亡过程与调控

凋亡过程Ⅰ

受体

cAMPCa2+神经酰胺

凋亡相关基因激活

信号转导

细胞膜

细胞核

凋亡诱导因素+

Dnase 激活

Caspases 激活

死亡信号

apoptosis凋亡过程与调控

凋亡过程Ⅱ

DNase 激活Caspases 激活

凋亡细胞的清除凋亡执行

二、凋亡时细胞的主要变化

（一）细胞凋亡的形态学改变细胞凋亡的特征是细胞首先变圆 , 随即与邻周细胞脱离 , 失去微绒毛 , 胞浆浓缩 , 内质网扩张呈泡状并与细胞膜融合 , 核染色质密度增高呈半月形 ,并凝聚在核膜周边 , 核仁裂解 , 进而细胞膜内陷将细胞自行分割为多个外有膜包裹、内涵物不外泄的细胞凋亡小体，被吞噬细胞或邻周细胞所识别、吞噬 , 或自然脱落而离开生物。不引起炎症反应和次级损伤。

apoptosis

凋亡时细胞的形态学改变

凋亡过程与调控

空泡化 固缩出芽 边集

凋亡小体

形态学特征：

染色质边集

嗜酸性小体 ( 凋亡 )嗜酸性变及嗜酸性小体

肝细胞体积缩小，胞浆浓缩红染，呈嗜酸性变；或胞浆进一步浓缩，细胞变圆，核碎裂、溶解消失，呈嗜酸性小体状

（二）细胞凋亡的生化改变

DNA 片段化：形成 180-200bp 或整数倍的片段 ,在琼脂糖凝胶电泳中可呈特征性的“梯状”条带，是判断凋亡发生的客观指标之一。

内源性核酸内切酶激活及其作用：内源性核酸内切酶在核小体连接部切断 DNA双链。

凋亡诱导因素→细胞内信号转导

无活性内源性核酸内切酶 活性内源性核酸内切酶

→核小体连接部切断 DNA双链→电泳呈特征性的“梯状”条带

Ca++Mg++ 激活

Zn++ 抑制

Caspase 的激活及其作用：

Caspase （含半胱氨酸的门冬氨酸特异水解酶）：一组对底物门冬氨酸部位有特异水解作用，其活性中心富含半胱氨酸的蛋白酶

主要作用： ①灭活细胞凋亡抑制物（ Bcl-2 ） ②水解蛋白质结构，导致细胞解体，形成凋亡小体 ③水解级联反应相关活性蛋白，使之获得或丧失某

种生物学功能

Caspase 的作用

三．细胞凋亡的调控

（一）细胞凋亡的相关因素1. 诱导性因素

激素和生长因子失衡：缺乏（ IL-2↓，淋巴细胞凋亡）或过多（糖皮质激素↑，淋巴细胞凋亡）

理化因素：射线、高温、强酸、强碱、乙醇、抗癌药物等

免疫性因素：如， CTL 分泌粒酶→靶细胞凋亡

微生物因素：细菌、病毒及毒素。（ HIV）

抑制性因素：

（ 1 ）细胞因子： IL-2 、神经营养因子（ 2 ）激素： ACTH、睾丸酮、雌激素等（ 3 ）二价金属阳离子： Zn2+

(4) 药物：苯巴比妥、半胱氨酸蛋白酶抑制剂、中性氨基酸

（ 5 ）病毒： EB病毒、牛痘病毒 CrmA

(二 ) 细胞凋亡信号转导

凋亡信号转导系统是连接凋亡诱导因素与核 DNA 片段化断裂及细胞结构蛋白降解的中间环节。凋亡信号转导系统的特点：① 多样性：不同种类细胞有不同系统②耦联性：凋亡与增殖分化系统在某些环节耦联，同一因素既可引起凋亡也可引起增殖③同一性：不同凋亡诱导因素可通过同一信号转导系统④多途性：同一凋亡诱导因素可通过不同信号转导系统

研究较多的系统：

依据：① 细胞凋亡时胞内游离 Ca2+浓度显著上升②用 Ca2+载体 A23187 人为升高B淋巴细胞 Ca2+水平，B淋巴细胞凋亡③用 Ca2+络合剂降低胞内 Ca2+水平，阻止细胞凋亡 激活 Ca2+依赖谷氨酰胺转移酶Ca2+↑ 活化核转录因子

1．胞内 Ca2+ 信号系统（ Ca2+ 为第二信使）

2． cAMP/PKA 信号系统（ cAMP 为第二信使）

依据：①双丁酰 cAMP可引起培养的髓样白血病细胞及胸腺细胞凋亡②糖皮质激素使 cAMP 上升cAMP↑→激活 PKA→使靶蛋白某些氨基酸（苏、丝 AA ）残基磷酸化→改变蛋白质功能

3． Fas蛋白 /Fas配体信号系统

Fas蛋白：细胞膜跨膜蛋白Fas蛋白 +Fas配体（抗 Fas ）→细胞凋亡机制：①Fas蛋白 +Fas配体（抗 Fas ）→神经鞘磷脂酶活性↑→产生神经酰胺→蛋白激酶激活→细胞凋亡②Fas蛋白 +抗 Fas 、 TNF →激活 ICE 样 caspase →降解 H1 组蛋白→染色体松驰→ DNA暴露内切酶位点③通过 Ca2+ 信号系统传递死亡信息引起细胞凋亡

4．神经酰胺信号系统

神经酰胺：神经鞘磷脂（ SM）在神经鞘磷脂酶的作用下产生的一类新型第二信使物质。

介导细胞凋亡的依据：用天然神经酰胺处理 u937白血病细胞，诱导细胞凋亡

神经酰胺途径相关诱因：电离辐射、 TNF-α、 Fas抗原、糖皮质激素

5．二酰甘油 /蛋白激酶 C （ PKC ）信号系统二酰甘油：磷脂酰肌醇和磷脂酰胆碱在磷脂酶 C催化下产生的一种第二信使物质。依据：① 活化的 PKCβ1可诱导 u937白血病细胞凋亡②抑制 PKC 活性可抑制糖皮质激素诱导的小鼠胸腺细胞凋亡③PKC 激动剂佛波脂可抑制某些类型细胞凋亡（糖皮质激素、 T细胞受体激活、 IL-2撤除）

6．酪氨酸蛋白激酶系统

生长因子或细胞因子→激活酪氨酸蛋白激酶→靶蛋白酪氨酸磷酸化→Ras蛋白激活→通过 Raf-1 、MAPKK 、MAPK→蛋白质磷酸化→细胞分化生长因子或细胞因子撤除→不能激活酪氨酸蛋白激酶系统→细胞凋亡

（三）凋亡相关基因

三类：抑制凋亡基因： Bcl-2 、 EIB、 IAP促进凋亡基因： P53 、 Bax、 ICE双向调节基因： c-myc 、 Bclx

(B 细胞淋巴瘤 / 白血病 -2[B cell lymphoma / leukemia-2] 基因的缩写 )

Bcl-2蛋白： 229 个氨基酸（人）、 236 个氨基酸（小鼠）分布：线粒体内膜、细胞膜内膜、内质网、核膜作用： Bcl-2高表达能阻抑多种凋亡诱导因素所引起的细胞凋亡依据：① 导入Bcl-2 基因质粒可防止神经细胞因撤除神经生长因子所诱导的凋亡②淋巴细胞有 20%呈Bcl-2阳性时，预后不佳（耐受放射线、抗癌药物）

1.Bcl-2

①直接的抗氧化作用 ②抑制线粒体释放促凋亡蛋白质（细胞色素 C 、 AIF） ③抑制促凋亡性调节蛋白质 Bax、 Bak 的细胞毒作用 ④抑制凋亡蛋白酶（ caspases ）的激活 ⑤维持细胞钙稳态

Bcl-2抗凋亡作用机制：

作用：野生型（ wtP53 ）： DNA 结合蛋白，诱导细胞凋亡（“分子警察”）突变型（ mtP53 ） ：抑制细胞凋亡野生型 P53 的作用机制： P53蛋白→细胞周期G1期检查染色体 DNA损伤（检查点功能）→发现 DNA损伤→剌激 CIP 的表达→阻止细胞进入下一周期，启动 DNA修复机制→修复失败→启动细胞凋亡机制→细胞凋亡

2.P53

c-myc: 一种癌基因，它能诱导增殖，也能诱导细胞凋亡，具有双向调节作用。作用机制： c-myc蛋白为重要的转录调节因子，既可介导细胞增殖的基因，也可激活介导细胞凋亡的基因，其作用取决于细胞接受何种信号及细胞的生长环境（有生长因子→增殖，无生长因子→凋亡）。Bcl-x：能翻译 Bcl-XL 和 Bcl-Xs 两种蛋白， Bcl-XL蛋白抑制细胞凋亡， Bcl-Xs蛋白促进细胞凋亡（合成以谁为主）

3.c-myc,Bcl-x

第三节 细胞凋亡的发生机制

一、氧化损伤

氧化损伤的后果之一：细胞凋亡依据：①各种氧化剂（ H2O2 ）可直接诱导细胞凋亡②抑制超氧化物歧化酶（ SOD ）活性可诱导细胞凋亡③抗氧化剂（ VitE 、胡萝卜素等）可阻断有氧化应激背景的各种凋亡诱导因素（ TNF-а、电离辐射）引起的细胞凋亡

① 引起 DNA损伤，激活 P53 基因②引起 DNA损伤，活化多聚 ADP 核糖合成酶，耗竭辅酶Ⅰ(NAD) ，消耗大量 ATP③攻击细胞膜不饱和脂肪酸，脂质过氧化，细胞膜损伤或产生过氧羟基 24碳四烯酸④激活 Ca2+/Mg2+依赖的核酸内切酶⑤细胞膜损伤， Ca2+ 内流增多及损伤线粒体，通透性增加膜电位改变⑥活化核转录因子 NF-кB、 AP-1 ，加速凋亡相关基因表达

氧化损伤引起细胞凋亡的可能机制：

二、钙稳态失衡

细胞钙稳态失衡是细胞凋亡的重要机机制之一依据：①各种凋亡刺激所引起的凋亡是钙依赖过程②凋亡发生时胞浆 Ca2+浓度显著上升，并在随后的一系列凋亡改变中起关键性作用（核酸内切酶激活、需钙蛋白酶、磷脂酶、谷氨酰胺转移酶的激活，细胞膜的空泡化）③钙稳态失衡参与多种凋亡相关疾病的发病（神经退行性疾病）

① 激活 Ca2+/Mg2+依赖的核酸内切酶，降解 DNA链②激活谷氨酰胺转移酶，催化肽链间的酰基转移酶，肽链间形成共价键，使细胞骨架蛋白分子间发生广泛交联，有利于凋亡小体形成③激活核转录因子，加速凋亡相关基因表达④Ca2+ 在 ATP 的配合下使 DNA链舒展，暴露核小体之间的连接区内的酶切位点，有利于 DNA 内切酶切割 DNA

钙稳态失衡引起细胞凋亡的可能机制：

三、线粒体损伤

线粒体的改变：线粒体内膜通透性增大，线粒体内膜跨膜电位（△ψm ）下降，能量代谢水平显著降低线粒体改变在细胞凋亡发生中起关键作用依据：①抑制线粒体的三羧酸循环或呼吸链功能可诱导细胞凋亡②在细胞核出现凋亡改变之前，常先有线粒体内膜跨膜电位（△ψm ）下降③阻止线粒体通透性的改变，可防止细胞凋亡（ Bcl-2 ）

线粒体改变引起细胞凋亡的机制：

Ca2+

NO缺血原卟啉Ⅸ活性氧

线 粒 体△ ψm下降

Bcl-2 (-)

PTP开放 Apaf+Cyt.C

Caspase-9 酶原

Caspase-9(+)

Caspase-3酶原 Caspase-3

(+)

Caspase抑制剂 AIF

(-)

蛋白质水解

细胞凋亡

DNA断裂无活性核酸内切酶 核酸内切酶激活

(+)

(+)

第四节 细胞凋亡与疾病

一、细胞凋亡不足（一）肿瘤发生机制：目前认为：细胞增殖过度是肿瘤发病的一个途径，凋亡受抑、细胞死亡不足是肿瘤发病的另一途径，结果导致病变组织内肿瘤细胞存活延长，存活大于死亡，肿瘤细胞数目净增长加大，形成新生物。凋亡受抑的依据：① 多种肿瘤组织中 Bcl-2表达显著高于周围组织②许多肿瘤 P53 发生突变，突变型 P53抑制细胞凋亡（肺小细胞癌等）

发生机制：从细胞凋亡角度看自身免疫病的发病是由于细胞凋亡不足，未能有效清除自身免疫性T细胞所致。

依据：糖皮质激素能诱导淋巴细胞凋亡，为治疗自身免疫病的有效药物之一。

（二）自身免疫病

二、细胞凋亡过度

（一）心血管疾病

1．心肌缺血与心肌缺血 -再灌注损伤目前认为：心肌缺血与心肌缺血 -再灌注损伤造成的心肌细胞损伤不但有坏死，也有细胞凋亡（干预靶点）。细胞凋亡的特点：①缺血早期以细胞凋亡为主，晚期以细胞坏死为主②梗死灶中央通常以坏死为主，周边部分以细胞凋亡为主③轻度缺血以细胞凋亡为主，重度缺血通常以坏死为主

④在一定的时间范围内，缺血 -再灌注损伤时发生的细胞凋亡比同时间的单纯缺血更严重⑤急性、严重的心肌缺血以坏死为主，慢性、轻度的心肌缺血以细胞凋亡为主

细胞凋亡的机制：①氧化应激有关（ SOD可减少细胞凋亡）②Fas 上调通过与 FasL反应导致细胞凋亡③与 P53 基因激活有关（缺氧可增加 P53 基因的转录）

细胞凋亡与心力衰竭的关系：心肌细胞凋亡造成心肌细胞数量减少可能是心力衰竭发生发展的原因之一。依据：① 在压力负荷过重引起的心力衰竭动物模形上观察到左室心肌肥大的同时，心肌细胞数量减少，经分析是由细胞凋亡造成②心衰病人心肌标本，心肌凋亡指数高达 35.5%，对照组为0.2-0.4%诱因：氧化应激、压力或容量负荷过重、神经 - 内分泌失调、细胞因子、缺血缺氧。

2．心力衰竭

在神经系统疾病中有一类以特定神经元进行性丧失为其病理特征的疾病：阿尔茨海默氏病（ AD ），帕金森氏病，多发性硬化症举例：阿尔茨海默氏病（ AD ）与细胞凋亡的关系： AD患者的尸检发现，海马及基底神经核的胆碱能神经元丧失达 30-50%，有时高达 90%，大脑皮质也有不同程度的神经元丧失，大脑皮质出现广泛

萎缩，脑沟变宽，脑回变窄，脑室扩大。

（二）神经元退行性疾病

诱因： β-淀粉样蛋白、钙超载、氧化应激、神经生长因子分泌不足可能机制：致病因素（如：氧自由基）→神经元 Ca2+ 内流↑→β-淀粉样蛋白合成相关基因激活→β-淀粉样蛋白↑→神经细胞凋亡

发病机制： HIV 感染→ CD4+淋巴细胞→ CD4+淋巴细胞显著↓→免疫功能缺陷细胞凋亡相关因素：①gp120 糖蛋白： gp120 糖蛋白 +受体→细胞凋亡②合胞体形成： HIV 感染→合胞体形成→细胞凋亡③Fas 基因表达上调： HIV 感染→ Fas 基因表达上调→ Fas+ FasL→细胞凋亡

（三）病毒感染 __ 获得性人类免疫缺陷病（ AIDS）

④T细胞激活： HIV 感染→ CD4+ 细胞激活→生长因子缺乏→细胞凋亡⑤细胞因子： HIV 感染→ TNF↑→TNF + TNFR-1→细胞凋亡⑥tat蛋白： HIV 感染→产生 tat蛋白→ CD4+ 淋巴细胞→诱导产生氧自由基和 Fas 基因表达上调→ Fas+ FasL→细胞凋亡⑦HIV慢性感染→ CD4+ （ HIV- ）淋巴细胞攻击 CD4+

（ HIV+ ）淋巴细胞→细胞凋亡

动脉粥样硬化症：内皮细胞凋亡过度，平滑肌细胞凋亡不足依据：内皮细胞凋亡过度：①LDL升高、血小板激活、 AgⅡ、高血压可引起内皮细胞凋亡②检测粥样硬化的冠状动脉，病变部位内皮细胞凋亡达 34%，远高于对照 8%平滑肌细胞凋亡不足：平滑肌细胞凋亡增多，但仅为增殖细胞的 75%，细胞凋亡相对不足。

三、细胞凋亡不足与过度并存

第五节 细胞凋亡在疾病防治中的意义

一、合理利用凋亡相关因素二、干预凋亡信号转导三、调节凋亡相关基因四、控制凋亡相关的酶五、防止线粒体跨膜电位的下降