第二章　凋亡异常与心血管疾病

第一节　细胞凋亡概述

在细胞的生命周期中，死亡是不可避免而又非常重要的环节。细胞死亡可分程序性死亡和非程序性死亡两大类，前者包括细胞自噬（autography）、凋亡（apoptosis）、焦亡（pyroptosis）和坏死性凋亡，后者包括细胞坏死（necrosis）。其中细胞凋亡是由Kerr等于1972年提出，其形态学上的特征表现为细胞核的浓缩、细胞膜的皱缩、染色体的断裂、胞体的缩小，继而出现凋亡小体，并最终被巨噬细胞或其他邻近细胞所吞噬。细胞凋亡涉及一系列基因的激活、表达以及多个信号通路转导的作用，为机体更好地适应生存环境而发生的程序性死亡（programmed cell death）的一种。随着细胞生物学和分子生物学的发展，科学界对细胞凋亡的各个过程有了更加深入的认识，凋亡的分子生物学机制正不断被认识，而凋亡过程的紊乱与许多临床疾病的发生有直接或间接的关系，目前正成为生物学和医学领域内的研究热点之一。

一、细胞凋亡的概念

细胞凋亡是指在一定的生理或病理条件下，受内在基因遗传机制的控制，机体为维持内环境稳定，出现的以细胞固缩为形态学改变的程序性细胞死亡形式。细胞凋亡是一种主动的过程，受相关基因的激活及表达等调控作用，使机体更好地适应生存环境而主动采取的一种死亡过程，与病理条件下自体损伤是完全不同的过程。

Apoptosis一词由希腊词apo（离去）和ptose（掉落）共同组成，指的是当细胞凋亡时，出现的像花或树叶一样自然凋落的状态。Apoptosis的概念是在1972年由美国病理学家Kerr等首次提出，指出它是一种生理性的自我死亡模式。后续的研究表明，凋亡的细胞都经历过细胞形态学的变化，如细胞膜发生凹陷、皱缩，染色质变致密、断裂，后期细胞膜将细胞质包围分割而形成多个凋亡小体的泡状结构。细胞凋亡的发生发展受两类基因的调控，一类是能促进细胞凋亡的基因，如增殖抑制基因和凋亡促进基因，另一类是抑制细胞凋亡的基因，如增殖促进基因和凋亡抑制基因。这些基因的表达在细胞凋亡的整个过程中发挥着至关重要的作用。

细胞凋亡和细胞坏死、自噬、焦亡和坏死性凋亡又存在着某些不同。细胞坏死是在病理条件下而产生的被动性细胞死亡，伴随细胞膜通透性增高而致使细胞肿胀，并引起炎症反应；细胞自噬是近年生物医学领域中备受关注的研究热点，意思是“吃掉自己”，指的是细胞在受到一定的刺激后吞噬自身的细胞器或细胞质，最终将吞噬物在溶酶体内降解的过程；细胞焦亡又称为细胞炎性坏死，表现为细胞不断肿胀直至细胞膜破裂，导致细胞内容物的释放并激发强烈的炎症反应，在抗击感染中发挥着重要作用；细胞坏死性凋亡是一种不同于凋亡和坏死的，由死亡受体（death receptor，DR）信号通路引发的一种非依赖caspase的新型细胞坏死途径。其在细胞形态学变化、是否有程序化变化、炎症反应和细胞碎片等方面的比较见表2-1。

二、细胞凋亡的研究历史

对于细胞凋亡的研究最早可追溯到150多年前，但是细胞凋亡作为一种有别于其他种类的细胞死亡类型，受到人们重视且其机制得到深入研究却是近30年的事情。从对其研究历史过程来划分，可以将其分为细胞凋亡的描述和概念形成阶段、细胞凋亡的生物化学研究阶段、细胞凋亡的分子生物学研究阶段和细胞凋亡的临床研究阶段，其实每个阶段并无严格的时间界限之分。

（一）细胞凋亡的描述和概念形成阶段

1842年，Vogt在研究蝌蚪发育时第一次观察到一种不同于细胞坏死的细胞死亡现象。1887年，Flemming再次发现该现象并将这种细胞死亡命名为染色质溶解死亡，认为其是生物体生理功能的一部分，然而当时人们并没有意识到该发现的重要性。直至1965年，发育生物学家Lockshin等在研究蛾的变态发育中观察到一种现象，即幼虫的死亡是受到发育调控的一个死亡过程，它不引起炎症，是机体维护内环境的稳定、由基因调控的细胞自动死亡过程，这是程序化细胞死亡的首次提出。细胞凋亡理论的升华是在1971年，当时美国病理学家Kerr发现与细胞坏死有着明显不同的细胞死亡现象，当时称之为“皱缩坏死”。Kerr等首先结扎大鼠肝门脉左支，肝脏出现缺血性坏死，10余天后肝细胞仍有坏死，但此时的肝细胞死亡与缺血性坏死不相同，见到细胞逐渐变圆、变小，细胞膜皱缩凹陷，染色质变致密，但未见到缺血性坏死时的细胞肿胀和溶解。据此，Kerr等科学家认为，这是一种特殊类型的细胞死亡方式。在这一阶段，对细胞凋亡的研究还处于观察和描述状态，可能由于实验条件和技术等多方面的限制，其概念没有被正式提出来。

（二）细胞凋亡的生物化学研究阶段

1972年，Kerr等三位科学家在电镜下再次观察到，有些细胞死亡时，并不表现出细胞膨胀等细胞坏死的典型表现，而是出现细胞自身DNA断裂和核浓缩等现象。因此，Kerr等推测，该细胞死亡机制与生理机制也不一样，因此考虑该现象为自身基因程序启动引起的主动性自身破坏过程，据此将细胞的这种死亡方式命名为“细胞凋亡”，并首次将该概念引入到生物学界。后来人们继续进行相应的研究，研究者在光学显微镜、电子显微镜下对细胞凋亡的形态学特征改变、细胞凋亡的生化改变及其机制进行了详细研究。该领域的研究主要在以下几个方面，①形态学特征的深入研究：借助光镜和电镜技术，研究表明，细胞凋亡时细胞微绒毛消失，包膜出现皱缩及胞质密度增加，而核质出现浓缩并裂解，之后细胞被分割成多个凋亡小体，其很快吸引免疫细胞，如单核巨噬细胞的靠近并吞噬凋亡小体。②染色质DNA的裂解：研究发现，凋亡早期由于内源性核酸内切酶基因的活化和表达增高而致细胞染色质DNA降解，其常在核小体间的连接部位上出现单链DNA的断裂，断裂后的DNA片段可被包膜所包裹。③RNA/蛋白质大分子的合成：细胞凋亡过程中基因的激活及表达可导致一系列生物大分子如RNA/蛋白质的合成。④Ca2+浓度升高：发生凋亡的细胞中，常可检测到细胞内持续的、快速的Ca2+浓度升高。实验证实，若抑制培养液中Ca2+浓度的升高，则可有效抑制细胞凋亡的发生。

（三）细胞凋亡的分子生物学研究阶段

随着分子技术水平的发展，细胞凋亡研究也进入到了分子水平。1987年Fesus等首先利用分子生物学技术研究表明，谷氨酰转肽酶的基因表达在细胞凋亡过程中发挥着非常重要的作用，后续其他研究也进一步证实细胞凋亡是一种基因调控的细胞自主性死亡过程。该阶段的研究主要集中在细胞凋亡的相关基因及其调控中。

细胞凋亡的调控涉及许多基因，其中包括一些与细胞增殖有关的抑癌基因和原癌基因，如p53、Bcl-2及同源基因，caspase家族相关基因，c-myc，Fas/Apo-1等。p53基因可促进细胞周期蛋白依赖激酶相互作用蛋白1（CDK-interacting protein 1，Cip1）基因编码的21kDa蛋白表达，从而抑制细胞周期蛋白依赖性蛋白激酶2（cyclin-dependent protein kinases 2，CDK2）的表达，导致细胞不能进入DNA合成期，停滞于G1期，从而诱导细胞凋亡。因此，p53是典型的肿瘤抑制基因。Bcl-2基因是细胞凋亡研究中重要的癌基因之一，其表达的Bcl-2蛋白与线虫的Ced-9基因表达的Ced-9分子在结构上有同源性，具有抗凋亡作用，其高表达可抑制细胞凋亡。caspase属于可引起细胞凋亡的半胱氨酸蛋白酶，一旦被激活，其能将细胞内的蛋白质降解，使细胞不可逆地走向死亡，如家族中的caspase-3、caspase-6、caspase-7。大量的研究表明，与细胞凋亡有关的基因不限于上面所列，大量新的基因正被不断发现。

（四）细胞凋亡的临床研究阶段

细胞凋亡是一种正常的生理活动，但是凋亡过多或过少都可引起疾病。因此，对细胞凋亡的深入研究，有利于阐明疾病发病机制，并制订新的疾病治疗措施。例如，对病毒感染或变异的细胞，可通过诱导细胞的凋亡来得以清除；而对于与细胞凋亡有关的疾病，如神经系统退行性疾病，可通过干预或抑制细胞凋亡来抑制或治疗疾病。从20世纪90年代中期到现在，细胞凋亡的临床研究取得了举世瞩目的成就，并大大促进临床医学的发展。

临床研究方面主要分为以下两个方面，①凋亡不足相关疾病研究：凋亡的紊乱与临床肿瘤的发生和发展关系尤为密切，临床肿瘤的发生就是变异细胞的快速过度生长，细胞生长与凋亡失去原有的平衡，其发病的主要原因是生长基因激活过表达而抑制基因失活。对肿瘤研究发现，凋亡抑制基因Bcl-2过度表达，而促凋亡的p53基因突变或缺失，均可促使肿瘤的发生。因此，许多抗肿瘤的药物都通过启动细胞凋亡来发挥临床疗效。另外，细胞凋亡在自身免疫性疾病的发病中也发挥着重要的作用，研究表明，红斑狼疮疾病过程中Fas及Fas配体表达升高，导致淋巴细胞正常凋亡过程受到抑制。②凋亡过度所致疾病研究：因各种因素导致的细胞凋亡信号转导增强，造成细胞死亡而影响正常的机体功能，在临床疾病中有很好的体现。如阿尔茨海默病中，因与β淀粉样蛋白合成有关基因表达升高，大量β淀粉样蛋白沉积于神经元，促使细胞因子和炎性介质释放而导致细胞凋亡的发生。另外，在心血管疾病中，如心肌梗死患者，因心肌持续缺血缺氧，心肌中抗凋亡基因Bcl-2的表达降低，最终引起细胞凋亡和坏死。另外，在充血性心力衰竭发病过程中，Fas表达增多，因心肌凋亡细胞比增生细胞数量大得多，最终导致心肌细胞大量丢失而影响心脏功能。

三、细胞凋亡与现代生物医学

细胞凋亡理论的形成离不开现代生物医学学科，如生命科学、生物学和医学理论和技术的发展和推动，它们都为细胞凋亡概念形成和理论体系的建立提供了全新的认识视角。而对细胞凋亡的深入研究也同时为其他学科发展注入了新的活力，特别是从细胞凋亡的角度重新认识临床疾病的发病机制，为临床疾病的治疗提供新的视野并取得了较好的临床疗效。下面以细胞凋亡与免疫学及现代临床医学为例做阐述。

细胞凋亡和既古老又新兴的免疫学有着非常密切的关系。例如，在胸腺T细胞的发育过程中，都会经历阳性和阴性选择的过程，都伴随有细胞凋亡。阳性选择针对T细胞表面的T细胞抗原受体（T cell receptor，TCR）与抗原肽-MHC分子复合物结合能力的筛选过程，表面TCR未能与抗原肽-MHC分子复合物有效结合的双阳性细胞会在胸腺皮质中发生凋亡。在经历了阳性选择后，T细胞还将经历阴性选择，T细胞表面的TCR会与胸腺髓质上皮细胞上的自身抗原肽-MHC分子复合物相互作用，如果表达的TCR与自身抗原肽-MHC分子复合物以过高亲和力结合，则T细胞会被诱导凋亡。阴性选择的意义在于保证进入外周的T细胞不含针对自身抗原成分的T细胞，此中枢免疫耐受对机体有着重要的意义。活化诱导的细胞凋亡是T细胞凋亡的另一个例子，在这个过程中，机体为了阻止免疫应答的持续发展而损害机体，而通过诱导细胞死亡的方式来控制激活的T细胞。研究表明，Fas-FasL信号通路在活化诱导的细胞凋亡过程中发挥着非常重要的作用。

细胞凋亡和现代临床医学也有着密切的关系，在众多临床疾病的发病过程中发挥重要作用，以细胞凋亡调控作为临床治疗靶点的新疗法引起了国内外科研工作者的高度重视，取得了显著效果。如果从细胞凋亡理论的角度来解释，肿瘤的发生与细胞凋亡的过程受到明显的抑制，从而使肿瘤细胞过度生长，而凋亡减少。因此，在肿瘤的诊治中重新构建肿瘤细胞的细胞凋亡信号通路，同时抑制肿瘤细胞的原癌基因，并激活死亡基因成为重要策略选择。近年来，基于此设计思路的临床新药研究也取得了较大的突破。自身免疫性疾病的发生是由自身反应性的T、B细胞攻击自身细胞组织而产生。其发病可从细胞凋亡的角度予以阐释，一般认为是具有自身反应性的细胞凋亡受限所致，研究表明，Fas/Apo-1基因表达异常造成细胞凋亡的抑制，从而促使自身免疫性疾病的发生。