一、细胞凋亡
细胞凋亡的概念来自希腊语，原意是指树叶或花的自然凋落，1972年由Kerr最先提出这一概念。细胞凋亡是一种为维持内环境稳定，由基因编码调控的细胞自主死亡方式。
（一）细胞凋亡的意义
细胞凋亡是生物体在生长发育和衰老过程中，以及抵御各种外界因素时，作为一个自我平衡的机制，选择性地清除那些无用的、多余的、衰老和受损伤的或癌变的细胞，以维持组织稳态平衡的一种自我调节机制。发生凋亡的细胞形成凋亡小体后将被吞噬细胞吞噬，不影响其他细胞的正常功能。蝌蚪尾的消失，脊椎动物神经系统的发育，发育过程中手和足的形成过程都伴有细胞凋亡的发生。一旦细胞凋亡调控机制出现障碍，将导致神经退行性疾病、自身免疫性疾病和恶性肿瘤等多种疾病的发生。
（二）细胞凋亡的形态学变化和生化特征
1.形态学变化 在细胞凋亡早期，细胞间连接及微绒毛等细胞附属结构的消失，细胞膜收缩，细胞器更紧凑，细胞质密度增加。细胞内各细胞器发生相应改变，如细胞骨架排列紊乱，内质网膨大，线粒体肿胀。DNA染色体断裂，核仁消失，染色质凝集并边缘化，细胞核固缩。细胞质内形成凋亡小体——包含胞质、细胞器及碎裂的染色质并由细胞膜包裹的泡状小体或芽状突起。在细胞凋亡后期，逐渐裂解形成单层膜包裹的“膜泡样”的凋亡小体并被邻近的巨噬细胞、上皮细胞等识别、吞噬、消化。没有内容物的泄露，不会引起炎症反应（图1-12-1）。
图1-12-1 细胞凋亡的形态学特征
2.生化特征 在凋亡发生早期，细胞膜上的磷脂酰丝氢酸（PS）由细胞膜内侧外翻到细胞膜外表面，这一特征可以作为早期凋亡细胞的特殊标志，研究中常用荧光素标记的Annexin-V来检测暴露在细胞膜外的PS。内源性核酸内切酶活化导致DNA染色体断裂，形成180～200 bp或其整数倍的片段（呈梯状电泳现象），这是凋亡细胞最显著的生化改变。琼脂糖凝胶电泳后可见DNA梯状条带。细胞质内钙离子浓度持续增高，导致线粒体损伤，细胞内的caspase家族蛋白通过激活一系列凋亡信号途径诱导细胞发生凋亡。
（三）细胞凋亡的调控机制
细胞凋亡是一个主动的、耗能的复杂的生物学过程，细胞内外的多种基因蛋白和信号调节分子均参与对这一过程的调控。caspase家族蛋白、Bel-2家族蛋白和p53蛋白是一些重要的细胞凋亡调节因子。
1.caspase家族蛋白 半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶（cysteine-aspartic specific protease，caspase）是一组存在于细胞质中的具有高度特异和保守性的内源性蛋白酶，该家族成员的共同特点是特异地切断半胱氨酸天冬氨酸残基后的肽键，是秀丽隐杆线虫（C.elegans）发育调控中凋亡基因Ced-3的同源物，是细胞凋亡的重要执行者，一旦被激活后将降解细胞内的蛋白质，使细胞不可逆的走向死亡。
目前已在哺乳动物体内发现了该家族至少有15种成员，每种caspase作用底物不同，如caspase-2，8和1等，能够接受凋亡信号，主导细胞凋亡的启动；caspase-3，-6，-7和-9等，作为凋亡下游的执行者，通过剪切靶蛋白，执行细胞凋亡的发生。
2.Bcl-2家族蛋白 Bcl-2是B细胞淋巴瘤白血病2基因（B-cell lymphoma-leukemia-2 gene）的缩写，与秀丽隐杆线虫的死亡抑制基因Ced-9同源，是调控细胞凋亡的一类重要蛋白质。根据Bel-2家族成员的结构和在细胞凋亡中的作用，分为两大类：抗凋亡蛋白Bel-2、BelxL、Bcl-w及Mcl-l等和促凋亡蛋白Bax、Bid、Bad、BOK等。
当细胞凋亡发生时，抗凋亡蛋白和促凋亡蛋白的比例决定其发挥促进凋亡或抑制凋亡的作用。抗凋亡蛋白Bel-2位于线粒体外膜、胞浆、核膜和内质网膜上，稳定线粒体膜并抑制细胞色素c（cytochrome c）由线粒体外膜释放到细胞质，促凋亡蛋白Bax以无活性的单体形式存在于胞质中，当受到凋亡刺激时发生构象变化形成同源或异源二聚体或多聚体转位到线粒体外膜上，如果Bel-2/Bax比率降低，就促使细胞色素c由线粒体向胞质释放，从而引发细胞凋亡。
3.p53蛋白 p53是人类发现的第一个也是最重要的抑癌基因（tumor suppressor gene，TSG），这些基因主要参与细胞周期调控、DNA修复、维持基因组稳定和抑制肿瘤血管生成。p53在DNA损伤不能修复时就会诱导细胞发生凋亡，抑制肿瘤发生。尽管肿瘤的发生是多阶段、多因素作用的结果，现已证实50%的人类癌症中都发现有不同形式的p53基因的突变或缺失。野生型p53能够引导或促进细胞凋亡，而突变的p53则对细胞凋亡有抑制作用。
p53也参与线粒体凋亡途径的调控。p53在凋亡过程中可转位至线粒体与线粒体外膜上的Bcl-2/Bcl-xL结合，增加线粒体膜通透性（mitochondrial outer membrane permeabilization，MOMP），促进凋亡因子的释放。
另外，相关研究还表明自由基引发的凋亡也与p53有关。
4.转录因子NF-κB 真核细胞转录因子NF-κB（nuclear transcription kappa B）家族蛋白与肿瘤的发生发展、转移等密切相关，在多数肿瘤细胞中NF-κB通路呈组成性持续性活化。NFκB还参与病毒复制的调控、自身免疫性疾病、炎症反应等细胞活动。(https://www.daowen.com)
NF-кB在细胞质内通常是与NF-κB抑制蛋白Ⅰ-кB（inhibitor of NF-кB，Ⅰ-кB）结合成无活性的复合物存在于正常细胞的胞质内，当细胞受到细胞因子、氧自由基、细菌和病毒产物等因素刺激后，在Ⅰ-κB磷酸化的激酶IKK（Ⅰ-κB kinase）的作用下可以引起Ⅰ-κB的磷酸化和降解，NFκB与I-κB解离，NF-κB就被释放出来并进入细胞核中，与靶基因增强子的特定序列结合并促进其转录的能力。NF-κB的靶基因包括凋亡相关蛋白、炎性细胞因子（IL-1、TNF-α）、ICAM、诱导型氧化亚氮合酶（Inducible nitric oxide synthase，iNOS）等，可调控细胞凋亡和多种基因的转录和表达。
（四）细胞凋亡的主要信号途径
细胞凋亡受到来自细胞内和细胞外多种信号分子的调控，形成不同的凋亡信号通路和错综复杂的调控网络，目前了解得比较清楚的是线粒体途径和死亡受体途径的细胞凋亡信号通路。
1.线粒体凋亡途径 又称非受体依赖性凋亡途径（intrinsic mitochondria dependent apoptosis pathway），是细胞凋亡的两条主要信号途径之一。
线粒体凋亡途径中许多重要事件与线粒体有关，如发生在凋亡的早期线粒体跨膜电位（ΔΨm）崩溃与线粒体通透性改变（permeability transition，PT）。研究表明抑制ΔΨm下降，能有效阻止细胞凋亡的发生。凋亡细胞的线粒体ΔΨm下降与PT改变有关。
Bel-2蛋白家族的成员可调节线粒体外膜的稳定性和线粒体通透性转换（MPT）。线粒体在接受凋亡信号刺激后释放促凋亡因子，包括细胞色素c和AIF（apoptosis inducing factor）等。
细胞色素c释放后触发参与凋亡小体装配的凋亡蛋白活化因子1（apoptosis protein activating factor，Apaf-1），活化的Apaf-1能与caspase-9相应的同源序列结合，进而激活效应caspase-3和caspase-7等，从而导致DNA片段化，引发caspase依赖性线粒体凋亡程序（图12-2）。
2.死亡受体途径细胞凋亡 又称外源性凋亡途径（extrinsic apoptotic pathway）。死亡受体是肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）超家族成员，当死亡受体与同源的配体相结合时，细胞就会启动自杀机制。Fas途径是最具代表性的死亡受体途径。
Fas是相对分子质量为45 kDa的跨膜蛋白，细胞外区富含与肿瘤坏死因子受体同源的半胱氨酸，细胞内区被称为死亡结构域（death domain，DD）。Fas受体与相应配体结合后会发生三聚化，通过C端的死亡结构域召集Fas相关死亡结构域（Fas-associated death domain，FADD），随后通过FADD的N-端死亡效应结构域（death effector domain，DED）结合procaspase-8或者procaspase-10，共同形成死亡诱导信号复合物（death inducing signaling complex，DISC），激活caspase-8，活化的caspase-8又激活凋亡执行分子caspase-3或者caspase-7的切割及活化，从而诱导凋亡（图1-12-2）。
图1-12-2 线粒体和死亡受体途径的细胞凋亡
此外，Fas激活caspase-8后还能裂解Bid为tBid（truncated Bid，tBid），t-Bid转位到线粒体外膜，改变线粒体膜的通透性，tBid与Bax结合后激活Bax，诱导细胞色素c的释放，活化线粒体凋亡通路，同时线粒体途径和死亡受体途径交联连接，放大了凋亡信号。
（五）细胞凋亡与相关疾病
1.细胞凋亡与肿瘤 恶性肿瘤的发生发展是多种致癌因素共同作用的结果，细胞癌变后就会失去终末分化作用，细胞增殖失去调控，生长不受控制，没有接触性抑制，肿瘤细胞的凋亡受到抑制，不能正常进行细胞凋亡并具有侵袭转移性。因此，细胞凋亡与肿瘤的发生有着密切的联系。
临床上治疗肿瘤的化疗药物主要是通过损伤DNA，抑制细胞增殖，诱导肿瘤细胞凋亡来发挥治疗作用。针对肿瘤细胞凋亡异常的信号分子，选择性地诱导肿瘤细胞凋亡成为治疗恶性肿瘤的主要策略之一。很多细胞凋亡的调节分子因为能激活凋亡的信号，或能阻断细胞内抑制凋亡的信号通路，被用来作为抗肿瘤药物筛选的药物靶点。抑癌基因p53参与细胞周期调控和DNA修复。许多化疗药物如三氧化二砷就是通过上调p53表达，进而激活caspase，最终诱导细胞凋亡来消除肿瘤。
此外，细胞凋亡信号的调控异常与肿瘤细胞的耐药性形成有关，而耐药性是影响恶性肿瘤生存的关键因素。因此，克服肿瘤细胞对细胞凋亡的抵抗性对肿瘤的治疗至关重要。
2.细胞凋亡与自身免疫性疾病 自身免疫性疾病是机体对自身抗原发生免疫应答而导致自身组织损害所引起的一系列疾病，自身免疫性的T淋巴细胞和B淋巴细胞是自身免疫性疾病发生的病理机制。正常情况下，未成熟的淋巴细胞结合自身抗原后可通过凋亡途径死亡。如果不正常的淋巴细胞凋亡失调，会导致自身免疫性疾病。因此，自身免疫性疾病的发生与细胞凋亡失调相关。
3.细胞凋亡与神经系统的退行性病变 神经退行性疾病（neurodegenerative disease）是中枢神经系统的神经元逐渐丧失的疾病状态。神经细胞一般是不会再生的，因此，神经元逐渐丧失会导致功能障碍。中枢神经系统特别容易受凋亡途径紊乱的损害，特别是涉及钙和自由基生成的途径。凋亡细胞的死亡及其辅助分子在许多神经退变性疾病均发挥作用，如阿尔茨海默病、帕金森病等。研究发现阿尔茨海默病患者海马神经元的细胞凋亡增强。