细胞凋亡的分子机制
细胞凋亡可分为两个阶段：①细胞对凋亡信号（细胞内或细胞外）做出反应的活化阶段；②细胞执行凋亡程序的执行阶段。细胞凋亡是级联式基因表达的结果。细胞中的基因直接调控凋亡的发生和发展。外源因子通过信号转导途径影响基因表达，间接调控细胞凋亡。
细胞凋亡的分子机制主要涉及的相关基因，称为凋亡相关基因。研究表明，线虫和哺乳动物细胞中有许多高度保守的凋亡相关基因的对应同源物。
秀丽隐杆线虫发育时共有1 090个体细胞，其中131个细胞会发生程序性细胞死亡。研究人员利用一系列突变体，发现了线虫发育过程中控制细胞凋亡的关键因子。目前已发现15个基因与线虫细胞凋亡有关，可以分为4组。第一组是与细胞凋亡直接相关的基因，分别为ced-3、ced-4和ced-9。其中ced-3和ced-4促进细胞凋亡，只要它们被激活就会导致细胞的程序性死亡。当ced-9激活，ced-3和ced-4就被抑制，从而保护细胞免于凋亡。因此，ced-3和ced-4被称为细胞死亡基因，ced-9被称为死亡抑制基因。第二组是与死亡细胞吞噬有关的基因，一共有7个，即ced-1、ced-2、ced-5、ced-6、ced-7、ced-8、ced-10，这些基因突变会导致细胞吞噬作用的缺失。第三组是核酸酶基因-1，即nuc-1，它主要控制DNA裂解。该基因发生突变则DNA降解受阻，但不能抑制细胞死亡，这表明核酸酶并非细胞凋亡所必需。第四组是影响特异细胞类型凋亡的基因，包括ces-1、ces-2、egl-1和her-1，它们与某些神经细胞和生殖系统体细胞的凋亡有关。
研究表明，哺乳动物中有与线虫主要死亡基因产物相对应的同源物（图12-2）。
（1）caspase家族
ced-3的同源物是一类半胱氨酸蛋白水解酶，简称胱天蛋白酶（caspase家族）。caspase家族的共同特点是富含半胱氨酸，被激活后能特异性切割靶蛋白的天冬氨酸残基后的肽键。
caspase通过裂解特异性体物调控细胞凋亡。已发现的caspase家族成员共有15种，每种作用底物不同。其中caspase-1、caspase-4、caspase-11参与白细胞介素前体活化，不直接参加凋亡信号的传递。其余的成员根据在凋亡级联反应中的功能不同，可以分为两类：一类是凋亡上游的起始者，包括caspase-2、caspase-8、caspase-9、caspase-10、caspase-11，主要负责对执行前体进行切割，从而产生有活性的执行者；另一类是凋亡下游的执行者，包括caspase3、caspase-6、caspase-7，负责切割细胞核内、细胞质中的结构蛋白和调节蛋白。
图12-2 哺乳动物细胞凋亡的主要信号转导通路示意图
在正常细胞中，caspase以无活性的酶原形式存在。细胞接受凋亡信号后，酶原分子在特异的天冬氨酸残基位点被切割，形成有两个小亚基和两个大亚基的有活性的caspase四聚体。少量活化的起始caspase切割其下游caspase酶原，使得凋亡信号在短时间内迅速扩大并传递到整个细胞，产生凋亡效应。
（2）Bcl-2蛋白家族(https://www.daowen.com)
Bcl-2基因是线虫ced-9的同源物。Bcl-2蛋白家族在线粒体凋亡通路中居于核心地位。当线粒体凋亡通路被激活时，线粒体外膜被破坏，线粒体膜间腔的细胞色素C释放到细胞质中，触发caspase的级联反应，从而引发细胞凋亡。Bcl-2可以诱导、直接引发或抑制线粒体外膜的通透化，调控细胞的凋亡。
Bcl-2家族在结构上非常相似，都含有一个或多个BH（Bcl-2 homology）结构域，大多定位于线粒体外膜上，或受信号刺激后转移到线粒体外膜上。该基因家族包括两个作用相反的亚类：一个是促进细胞凋亡的Bcl-2，有bax、bacl、bcl-xs和bak等；另一个是抑制细胞凋亡的Bcl-2，有Bcl-2、Bcl-xL、Bcl-w、Mcl-1等，这类蛋白拥有BH4结构域，能阻止线粒体外膜的通透化，保护细胞免于凋亡。Bcl-2家族的蛋白氨基酸系列除了在BH1、BH2和BH3三个区段有高度保守性外，在氨基端还有一个比较保守的区段S1，这可能是调节凋亡蛋白及蛋白质相互作用所必需的结构。在无凋亡信号刺激时，Bcl-2家族的大部分抗凋亡蛋白一般作为细胞器膜的整合膜蛋白被隔离起来，而促凋亡蛋白则以非活性的形式定位分布于细胞基质或细胞质骨架上。当受到凋亡信号刺激后，促凋亡蛋白在某些蛋白酶的作用下发生构象变化，从细胞基质中易位到细胞器膜结构上，并与膜上或膜内的抗凋亡蛋白发生相互作用，使抗凋亡蛋白丧失对细胞凋亡的抑制作用，引起细胞凋亡。
（3）p53基因
p53基因因编码一种分子量为53 kDa的蛋白质而得名，是一种抑癌基因。其表达产物p53蛋白是基因表达调节蛋白。当DNA受到损伤时，p53蛋白含量急剧增加，并活化刺激编码Cdk抑制蛋白p21基因的转录，将细胞阻止在G1期，直到DNA损伤得到修复。如果DNA损伤不能被修复，p53持续增高，将引起细胞凋亡，避免细胞演变成癌细胞。一旦p53基因发生突变，p53蛋白失活，细胞分裂就会失去抑制，发生癌变。
（4）Fas和FasL
Fas是广泛存在于人和哺乳动物正常细胞和肿瘤细胞膜表面的凋亡信号受体，是肿瘤细胞坏死因子（TNF）及神经生长因子（NGF）受体家族成员。而Fas配体FasL主要表达于活化的T淋巴细胞，是TNF家族的细胞表面Ⅱ型受体。Fas与其受体FasL组成Fas系统，两者结合将导致携带Fas的细胞凋亡。Fas和FasL对免疫系统细胞的死亡起重要作用，Fas系统参与清除活化的淋巴细胞和病毒感染的细胞，而Fas和FasL可因基因突变丧失功能，导致淋巴细胞积聚，产生自身免疫性疾病。
细胞凋亡是一个极其复杂的生命活动。目前在哺乳动物细胞中了解比较清楚的凋亡信号通路有两条：一条是细胞表面死亡受体介导的细胞凋亡信号通路；另一条是以线粒体为核心的细胞凋亡信号通路（图12-2）。
①细胞表面死亡受体介导的细胞凋亡信号通路。有些受体在与配体结合后，能导致细胞凋亡，称为死亡受体（death receptor）。死亡受体多属于肿瘤坏死因子（TNF）和神经生长因子（NGF）受体超家族。肿瘤坏死因子（TNF）家庭由几个配体组成，如TNF-α先导化合物、Fas配体（FasL）和TNFR凋亡诱导配体（TRAIL/Apo2L）。TNF是由T细胞和活化的巨噬细胞在受到影响时产生的。当死亡受体与相应配体结合后，与死亡结构域共同形成三聚体，并通过接头蛋白可激活特异的蛋白酶caspase-8，活化的caspase-8能进一步激活下游的caspase-3、caspase-6、caspase-7等，进而导致细胞凋亡的下游反应。
②以线粒体为核心的细胞凋亡信号通路。当细胞发生不可逆的基因损伤、细胞溶质中Ca2+浓度过高、严重的氧化应激、缺少生长因子等时，Bcl-2促凋亡家族的成员就会被激活。这些蛋白质将插入线粒体外膜，增加膜的通透性，促进某些线粒体蛋白质的释放，尤其是细胞色素C。细胞色素C分子与Apaf-1和caspase-9的前体形成一个复杂的多亚基复合体——凋亡体，激活下游caspase-3。一旦细胞凋亡被触发，细胞色素C就从线粒体中释放出来，并存在于整个细胞中，而细胞核则分解成几个部分。
细胞凋亡是通过caspase级联进行的。几乎所有已知的凋亡信号通路都集中在caspase上，最终通过激活相同的caspase而聚合，caspase切割相同的细胞靶点。通过外部或内部途径诱导细胞凋亡通常会激活启动子caspase，如caspase-8或caspase-9。然后，这些caspase可以裂解并在级联中激活其他caspase。这一级联反应最终导致某些caspases的激活，如caspase-3、caspase-6、caspase-7，它们将通过关键靶蛋白的裂解和降解进行凋亡反应。