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凋亡:细胞的绝唱(上篇)[创新技巧]

【字体: 时间:2009年04月29日 来源:生物通

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  近二十年来,随着现代分子生物学技术的应用,细胞凋亡领域取得了飞速的进展,从而让我们能更深入地了解凋亡的分子机制,以及凋亡与疾病的关系。本文将对细胞凋亡领域做一个技术回顾。上篇介绍凋亡的发现史,它与坏死、自噬的关系,以及细胞为什么会凋亡;下篇将重点聚焦细胞凋亡的机制。凋亡检测方法也即将出炉。

生老病死是大自然的规律。对于每一个细胞而言,它也是注定要死亡的。细胞死亡的方式,目前认为可分为两大类型:细胞坏死(necrosis)和程序性细胞死亡(Programmed cell death,PCD)。对于程序性细胞死亡而言,一般又分为两类:凋亡(apoptosis)和自噬(autophagy)。apoptosis这个词源自希腊语,意思是树叶或花瓣的落下。花落叶落都是自然的生理现象,类似地,细胞凋亡是生物体内绝大多数细胞在一定的发育阶段中都会发生的正常现象。它能及时有效地清除体内过量或有潜在危险性的细胞,用于维持体内各种类型细胞数目的平衡。这种平衡对于促进器官形成以及维持机体内环境的稳定都是至关重要的。对于一个8-14岁的儿童来说,平均每天有200-300亿个细胞发生凋亡。在胚胎发育时期,手指和脚趾的形成也是因为指间的细胞凋亡了,我们才有了手指而不是鸭蹼。

凋亡的发现史

早在100多年前,科学家们就发现了细胞凋亡现象。细胞病理学的祖师爷Rudolph Virchow 就观察到细胞死亡的方式有两种,一是细胞坏死 (necrosis),一是细胞渐进性坏死 (necrobiosis)。然而直到1965年,这个话题才重新热起来。昆士兰大学的病理学家John Kerr 在利用电镜研究组织时,将细胞凋亡与坏死区分开来。后来,Kerr 获邀进入英国阿伯丁大学。1972年,他与Alastair Currie、Andrew Wylie一起,在《英国癌症杂志》上发表了里程碑式的论文,题为“Apoptosis: a basic biological phenomenon with wide-ranging implications in tissue kinetics.”。他们在亚伯丁大学希腊文教授J. Cormack的建议下,将细胞的自然死亡过程被称为凋亡,与细胞坏死相区别。近二十年来,随着现代分子生物学技术的应用,细胞凋亡领域取得了飞速的进展,从而让我们能更深入地了解凋亡的分子机制,以及凋亡与疾病的关系。2002年的诺贝尔生理或医学奖就授予了在细胞凋亡方面做出突出贡献的三位科学家,分别是:Sydney Brenner、John E. Sulston和Robert Horvitz。

自杀与他杀

如果说程序性细胞死亡是细胞在一定的生理或病理条件下,遵循自身的程序,自我结束生命的死亡方式,那么细胞坏死则可以看作是他杀。杀手多为高温、缺氧、营养不良及多种物理或化学因素。自杀和他杀当然存在着明显不同的特征,这里主要是指形态学方面。

细胞凋亡会使细胞质、细胞核和细胞膜发生一系列生物化学和物理上的变化。在细胞凋亡早期,细胞膨胀变圆,与邻近细胞的联系断绝并且脱离后皱缩。在细胞质中,内质网肿胀积液形成液泡。在细胞核内,染色质逐渐凝集成新月状,附在核膜周边,嗜碱性增强。最终细胞核裂解为由核膜包裹的碎片。在细胞膜上,细胞结点不再相连,细胞膜变得更活跃进而发生内陷。这些变化都将导致细胞裂解为由细胞膜包裹细胞内容物的凋亡小体。在生理条件下,细胞膜上发生特定的调节作用,可以使吞噬细胞识别并吞噬凋亡小体,但不产生炎症反应。

自噬则是利用溶酶体对细胞自身体内的部分细胞质和细胞器进行一系列降解的过程。它的显著特征是形成大量自体吞噬小泡,内质网弥散和染色体发生中度凝集。自噬过程中的细胞骨架虽然解聚,但并不像凋亡过程那样发生明显的细胞骨架降解。

细胞坏死将导致细胞器如线粒体肿胀,细胞膜破损,大量细胞内容物渗漏,并伴随着周围组织的炎症反应。在一些情况下,细胞凋亡与细胞坏死能被很好地区分开来,但在某些情况下,即使是福尔摩斯,也难以判定细胞究竟是自杀还是他杀,因为濒死的细胞同时具备凋亡和坏死的特征。

细胞为什么要自杀?

是生存压力大,还是人言可畏?主要有两类原因:一是正常发育的需要,例如前面提到的手指发育。蝌蚪在发育成青蛙时,尾部的细胞就发生凋亡。子宫内膜的定期脱落也正是因为凋亡。二是需要摧毁对生物体有潜在威胁的细胞。在细胞感染病毒时,细胞毒性T淋巴细胞通过诱导凋亡杀死被病毒感染的细胞。当细胞调节的免疫反应减少,效应细胞就必须被清除,以防止它们攻击自身。凋亡机制的缺陷就会带来自身免疫疾病,如红斑狼疮和风湿性关节炎。过量的细胞凋亡也会导致机体失衡,正常生命活动受到破坏,例如在艾滋病病毒的攻击下,不该死亡的T淋巴细胞如CD4阳性细胞大量死亡,从而使人的免疫力下降,引发艾滋病。放疗和化疗也会诱导某些类型的癌细胞凋亡。

细胞凋亡的机制

细胞凋亡的机制很复杂,涉及到多个分子。目前普遍认为有两条主要的凋亡诱导途径:死亡受体介导的凋亡途径或外部途径,线粒体凋亡途径或内部途径。虽然两条凋亡通路的上游事件不同,但是它们最终大都导致caspase的激活。细胞凋亡过程受到严格的调控,在正常细胞中caspase处于非活化的酶原状态,凋亡程序一旦开始,caspase被活化,随后发生级联反应,引发不可逆的凋亡。(生物通 余亮)

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