细胞凋亡的机理与应用摘要：细胞凋亡是一种由基因调控的细胞主动死亡过程，是机体生长发育、细胞分化、生理及病理性死亡的重要机制。
线粒体、肿瘤坏死因子、受体基因DNA降解、凋亡因子、内质网以及缺氧条件都会导致细胞凋亡。
细胞选择不同的死亡途径，往往由导致细胞死亡的起始原因所决定。
细胞凋亡有害也有利，如会引起肿瘤、自身免疫疾病等等。
细胞凋亡在机体组织改建过程中起着不可替代的作用。
细胞凋亡是机体的一种基本生理机制，贯穿机体整个生命活动过程，为机体正常细胞的更新和异常细胞的清除提供了手段，对维持个体正常生理过程和功能表达具重大生物学意义。
细胞凋亡近年来已成为细胞生物学与分子生物学的研究热点，对细胞凋亡机理的深入探讨可对一些疾病包括癌症提供新的治疗方法和途径，目前药物开发多是从病理过程中的分子机制、正常生理过程起作用的因子来寻找新药。
关键词：细胞凋亡；基因调控；线粒体；肿瘤坏死因子；DNA降解细胞凋亡（apoptosis，APO）是一种由基因调控的细胞主动死亡过程，是机体生长发育、细胞分化、生理及病理性死亡的重要机制［1］。
20 世纪90 年代以来，细胞凋亡机制逐渐成为生物学及生物医学的研究热点，以下就近几年来细胞凋亡机制的研究综述如下。
从形态学观察, 细胞凋亡的变化是多阶段的, 细胞凋亡往往涉及单个细胞, 即便是一小部分细胞也是非同步发生的。
首先出现的是细胞体积缩小, 胞间连接消失, 与周围的细胞脱离, 核质浓缩, 核膜核仁破碎; 胞膜有小泡状形成,胞膜结构仍然完整, 最终可将凋亡细胞分割为几个凋亡小体。
1、细胞凋亡机制长期以来，人们一直将细胞线粒体视作为提供能量的细胞器，而忽略其在细胞凋亡中的作用。
随着细胞凋亡研究的深入，发现某些与凋亡相关的基因产物（蛋白质或酶）均可定位于细胞线粒体，从而使线粒体与细胞凋亡之间相关性的研究成为当今生命科学研究的前沿课题。
［3］线粒体被选择性的从细胞中清除在细胞凋亡中，这种凋亡甚至没有caspase 的活化[4]。
这种选择性的线粒体的清除（也被称为线粒体的凋亡或者线粒体自噬）在Drp1 介导的分裂过程中被增加，相反的这种过程在Drp1 介导的分裂过程被抑制的时候被抑制，提示线粒体的片段化对于线粒体的凋亡是一个必需的步骤。
[5]但是，实际上线粒体在细胞凋亡中的作用远大于此，常起着决定性的作用，其作用主要包括：①丧失电子转移功能并减少能量的产生；②释放Caspases激活因子如Cyto－c；③线粒体跨膜电位的消失以及与BCL－2 蛋白家族促凋亡和抑制凋亡功能相关等方面。
实验证明：Ceramide （介于促凋亡信号和凋亡过程之间的凋亡信号转导中的重要分子）、γ辐射、Fas 与配体结合等均可导致线粒体在电子转移方面发生功能紊乱，从而影响呼吸链，使ATP 产量下降。
在细胞凋亡的晚期常会发生这种能量代谢上的障碍。
除了细胞凋亡的线粒体途径外，细胞内还存在另一种可引起细胞凋亡的死亡受体途径。
死亡受体属于肿瘤坏死因子受体基因超家族成员，可传导由特定的死亡配体引起的凋亡信号，目前发现至少有5 种死亡受体在细胞凋亡信号传导中发挥作用。
其中最典型的死亡受体有CD95（称Fas 或Apo1）和TNFR1（称p55 或CD120a）。
一旦细胞受到某些凋亡信号的刺激，Fas（CD95）通过与其特异性配体FasL（CD95L）结合而在细胞膜表面发生聚合，形成的复合物通过FADD 与Caspase28 特异的结构域结合并使Caspase28 形成二聚体而自身激活，进而引起细胞的Caspases 酶系级联反应以导致细胞凋亡。
细胞凋亡的一个显著特点是细胞染色体的DNA降解,这是一个较普遍的现象。
这种降解非常特异并有规律, 所产生的不同长度的DNA片段约为180～200 bp的整倍数,而这正好是缠绕组蛋白寡聚体的长度, 提示染色体DNA恰好是在核小体与核小体的连接部位被切断,产生不同长度的寡聚核小体片段。
实验证明,这种DNA的有控降解是一种内源性核酸内切酶作用的结果, 该酶在核小体连接部位切断染色体DNA,这种降解表现在琼脂糖凝胶电泳中就呈现特异的梯状Ladder图谱, 而坏死细胞呈弥漫的连续图谱。
最近研究发现某些凋亡因子也可通过破坏的线粒体外膜直接进入细胞浆，目前对于这一过程发生的机理尚不清楚，但当细胞凋亡时VDAC 的关闭能使线粒体ATP 和ADP交换发生障碍［9］。
当线粒体内膜高极化时质子大量转运至线粒体膜间隙导致膜间隙渗透压增高，使胞浆中大量水份渗入致使膜间隙压力增大，水分冲破表面积较小的外膜而导致膜间隙中的大量凋亡诱导因子重新分布于细胞质以造成细胞凋亡内质网应激介导的细胞凋亡是不同于死亡受体与线粒体介导的凋亡途径。
内质网在细胞内分布广泛，是细胞内重要的细胞器，根据内质网膜上是否附着核糖体，将内质网分为粗面内质网和滑面内质网两种。
内质网内膜面积占细胞所有膜结构的50%，体积占细胞总体积的10%，具有非常重要的生理功能，不仅是合成的蛋白质折叠和运输以及细胞内Ca2+储存的主要场所，同时也是胆固醇、类固醇以及许多脂质合成的场所。
内质网巨大的膜结构在细胞内提供了一个宽广的分子组装、反应平台，因而在多信号调控中起到关键作用。
内质网凭借着其庞大的膜结构基础，在完成基本生理功能的同时，作为信号传导的枢纽平台，可以通过特有的Caspase-12、CHOP（C/EBP homologous protein，C/EBP 同源蛋白）、JNK （c-Junamino-terminal kinase）等通路引起细胞凋亡。
［11］在缺氧条件下,机体存在着一定程度的氧自由基代谢紊乱, 缺氧时线粒体合成ATP减少,即呼吸链电子传递及氧化磷酸化发生障碍,不能正常地与代谢物脱下的氢原子结合成水,进而导致自由基产生增多。
氧自由基化学性质活泼,破坏机体正常的氧化/还原动态平衡,造成大分子的氧化损伤,干扰正常的生命活动,形成严重的氧化应激状态,机体氧化损伤的后果之一就是诱导细胞凋亡,其可能通过以下机制: ①直接损伤DNA、RNA诱导细胞凋亡。
②攻击蛋白质,尤其是具有酶活性的蛋白质,导致其功能丧失,引起细胞凋亡。
③激活内源性核酸内切酶、酪氨酸激酶,诱导细胞发生凋亡。
④自由基造成mtDNA突变,mtDNA突变时导致了线粒体功能异常,引起氧化磷酸化及ATP生成障碍,进而引起凋亡诱导因子释放,最终使细胞凋亡。
⑤通过上调p53表达、Bax蛋白表达及下调bcl22表达诱导细胞凋亡。
直接活化Fas/FasL 系统细胞凋亡程序诱导凋亡。
⑦氧自由基直接激活凋亡蛋白酶半胱天冬氨酸蛋白酶导致凋亡。
细胞选择不同的死亡途径，往往由导致细胞死亡的起始原因所决定。
但是，同一种起因也可能导致不同的细胞死亡方式。
机体内的细胞随着生命过程的进行会不断地衰老、磨损、畸变、过剩，这些无用、衰老的细胞不仅是机体的负担，还可能变为有害细胞，对机体造成威胁。
此时，机体往往就通过细胞凋亡的方式清除这些衰老的细胞。
［12］2、影响与作用细胞凋亡会对人体产生有害的影响。
例如：2.1、肿瘤肿瘤开始发生于正常细胞, 这些细胞在正常情况下处于基因调控网络的严密控制下, 细胞生长与凋亡保持平衡, 生长缓慢。
生长基因激活及抑制基因失活最终使细胞生长失控, 使癌细胞长生。
细胞凋亡的机制非常复杂, 凋亡的紊乱与肿瘤的发生和发展关系十分密切。
在肿瘤治疗过程中, 许多抗肿瘤药物及放疗均是通过启动细胞凋亡机制完成的, 而凋亡过程的抑制常常导致肿瘤细胞耐药, 这是多药耐药的一个新机制。
因此, 探索在疾病状态下异常的细胞凋亡机制, 选择针对细胞凋亡不同环节的抗肿瘤药物, 避免多药耐药以增加肿瘤细胞对化疗的敏感性, 克服肿瘤细胞的耐药性, 提高化疗的缓解率, 将成为肿瘤治疗的一个新思路。
因此, 对细胞凋亡的深入研究将为肿瘤的治疗提供新的思路和靶点。
［13］2.2、自身免疫病自身免疫性疾病都具有细胞产生和破坏不平衡的特征, 这些细胞包括淋巴细胞(如系统性红斑狼疮SLE )、滑膜细胞(类风湿性关节炎RA )和成纤维细胞(硬皮病) 等。
SLE 患者的可溶性Fas的水平增高, 导致了抑制淋巴细胞正常的细胞凋亡, 在自身免疫疾病的动物模型中, 与细胞凋亡有关基因突变已经查明, 包括Fas、Fas配体和造血细胞磷酸酶基因,［14］可以调节细胞凋亡的癌基因也表达异常。
细胞凋亡极有可能在自身免疫性疾病中发挥中心作用, 对其进一步的研究将为阐明这些疾病发病机理揭开新的一页。
细胞凋亡是机体的一种基本生理机制，贯穿机体整个生命活动过程，为机体正常细胞的更新和异常细胞的清除提供了手段，对维持个体正常生理过程和功能表达具重大生物学意义。
细胞凋亡近年来已成为细胞生物学与分子生物学的研究热点，对细胞凋亡机理的深入探讨可对一些疾病包括癌症提供新的治疗方法和途径，目前药物开发多是从病理过程中的分子机制、正常生理过程起作用的因子来寻找新药。
肿瘤、心脑血管病、慢性炎症、免疫系统疾病等都是以细胞损伤和失控为关键环节，所以细胞保护、调节药物比杀伤药物的前景要广阔得多。
如果把细胞凋亡的基础性研究与药物开发的应用性研究结合在一起，会缩短基础与临床应用的差距。
利用细胞凋亡的相关基因研究，开展基因治疗是一种富有成果的途径。
在以细胞凋亡研究为主体的基因治疗研究中，应突破专一基因的研究，而应把相关基因结合起来研究，可能会更加有效。
从抑制、调节异常基因表达过程设计新药可进一步提高药物的选择和有效性。
另外，也多利用细胞因子或细胞保护因子开发新药，如肿瘤死亡因子、集落刺激因子等。
还可以对参与细胞凋亡的受体进行研究，开发受体激动性或拮抗性药物，在受体水平或受体传递环节上切断或干扰细胞凋亡过程，从而阻断疾病的发生、发展的某一环节，达到治疗或预防疾病的目的。
［15］细胞凋亡在机体组织改建过程中起着不可替代的作用，而口腔牙周组织又是人体内改建最活跃的组织之一，内容涉及到牙周、修复、正畸、颌外等各个学科，因此，细胞凋亡在牙周领域中也有着重要的生物学意义，目前国内外很多研究也是关于这方面的，并且取得了一定的成果。
参考文献［1］王银霞,杜子龙. 低氧训练队细胞凋亡影响的研究进展.廊坊师范学院学报，2010,10（3）：102-103［2］张玉龙，马佳，李志军. 细胞凋亡作用机制的研究进展. 亚太传统医药，2010,6（3）：123-125［3］韩杨. 细胞凋亡与线粒体的片段化.科教前沿,2010,3(23):558-559［4］李春丰，江清林，庄树文. 细胞凋亡的研究进展. 亚太传统医药,2010,6(8):162-163 ［5］张玮莹，彭建新. 凋亡体与细胞凋亡. 生物学杂志,2010,27(3):75-78［6］屈二军，胡建业，陈兰英. 细胞凋亡的机理与调节研究进展. 现代医药卫生，2008,24（13）：199-203［7］夏元平，王立花，樊燕蓉. 细胞凋亡与内质网应激机制. 药学与临床研究,2010,18(3)：125-129。