第一节 概述
由体内外因素触发细胞内预存的死亡程序而导致的细胞死亡过程称为细胞凋亡（apoptosis），也称为程序性细胞死亡（programmed cell death，PCD ）。严格来说，凋亡与PCD 是有区别的，前者是形态学概念（如染色质着边及DNA 梯状条带等），后者是功能性概念（不一定存在上述形态学变化）。但是在一般情况下，这两个名词常被通用。
细胞死亡有两种不同形式，一种是坏死（necrosis），通常由严重损伤因素（如毒物中毒、严重缺血、缺氧、强酸、强碱、强大电流等）所致，正常组织细胞不发生细胞坏死；另一种是细胞凋亡，这是由病理学家Kerr 等人在1972年提出的一个不同于坏死的细胞死亡的新概念。“凋亡”一词源于希腊文，其意义为“花瓣或树叶的枯落”。
细胞凋亡作为一种生理性、主动的细胞死亡方式，在许多方面与坏死有显着的差别。
凋亡作为一种生理过程，主要具有三个方面的作用：①确保正常发育、生长。机体的发育、生长过程并不仅仅与细胞的增殖与分化有关，凋亡在器官、组织的形成、成熟过程中也发挥了重要作用。它可以清除多余的、失去功能价值的细胞。例如：人胚胎肢芽发育过程中指（趾）间组织，通过细胞凋亡机制而被逐渐消除，形成指（趾）间隙。②维持内环境稳定。受损、突变或衰老的细胞如果存留体内就可能干扰机体功能，甚至演变为多种疾病（如肿瘤）。
为了维持内环境的稳定，机体必须及时将这些细胞清除，清除这些细胞的主要方式就是凋亡。例如：机体通过细胞凋亡机制清除了针对自身抗原的T 淋巴细胞，维持了免疫系统功能的稳定。为了维持良好的功能状态，皮肤、黏膜上皮需要不断更新，这个过程不仅仅是新生细胞的增殖，也包含了衰老细胞的凋亡。子宫内膜在周期性的增生之后由于激素撤退而发生凋亡、脱落；受损不能修复的细胞或发生癌前病变的细胞通过凋亡而被清除。通过细胞凋亡被机体清除的细胞数量是相当可观的，每秒钟可达数百万个。③发挥积极的防御功能。
细胞凋亡参与了机体的防御反应，例如当机体受到病毒感染时，受感染的细胞发生凋亡，使DNA 发生降解，整合于其中的病毒DNA 也随之被破坏，因而阻止了病毒的复制。上述事例说明，细胞凋亡是保证多细胞生物个体正常发育成熟和维持正常生理过程所必需的。细胞凋亡过程失调不仅可使生物体失去机体的稳定性，还会是许多人类严重疾病的根源。因此对细胞凋亡的进一步研究将加深人们对生命现象及某些疾病的认识，而调制凋亡过程是人类防治这些疾病的新途径。
第二节 细胞凋亡的过程与调控
一、细胞凋亡的大致过程
从细胞受到凋亡诱导因素的作用到细胞凋亡大致可分为四个阶段。
1．凋亡信号转导
细胞内外的凋亡诱导因素通过各种受体作用于细胞后，细胞产生一系列复杂的生化反应，形成与细胞凋亡有关的第二信使，如Ca2＋、cAMP、神经酰胺等，然后通过胞内的信号转导途径激活后续凋亡程序。
2．凋亡基因激活
调控凋亡的基因接收由信号转导途径传来的死亡信号后按预定程序启动，并合成为执行凋亡所需的各种酶类及相关物质。
3．细胞凋亡的执行
凋亡细胞在各种凋亡酶类及相关物质作用下进入死亡执行（execution of death）阶段，凋亡主要的执行者是核酸内切酶（endogenous nuclease DNase）和凋亡蛋白酶（caspases），前者彻底破坏细胞生命活动所必需的全部指令，而后者导致细胞结构的全面解体。
4．凋亡细胞的清除
已经凋亡的细胞可被邻近的巨噬细胞或其他细胞所吞噬、分解。
上述全过程需时约数分钟至数小时不等。从凋亡信号转导到凋亡执行的各个阶段都有正、负调控因子存在，以形成完整的反馈环路，使凋亡过程受到精确、严密的调控。
二、凋亡时细胞的主要变化
细胞凋亡是受到高度调节的一种生理性细胞死亡过程，是受基因调控的一个主动连续的程序化反应，它不仅有形态上的改变，而且具备生化变化的特征。
（一）细胞凋亡的形态学改变
细胞凋亡的形态学改变是多阶段的。发生凋亡的细胞，形态上首先变圆，并逐步与周围细胞脱离，表面微绒毛消失。胞浆凝缩，胞膜迅速发生空泡化（blebbing），细胞体积逐渐缩小，出现固缩（condensation）。然后内质网变疏松并与胞膜融合，形成膜表面的芽状突起，称为出芽（budding）。晚期核质高度浓缩融合成团，染色质集中分布在核膜的边缘，呈新月形或马蹄形分布，称为染色质边集（margination）。胞膜皱缩内陷，分割包裹胞浆，形成泡状小体称为凋亡小体（apoptosis body），这是凋亡细胞特征性的形态学改变。凋亡小体形成后迅即被周围具有吞噬功能的细胞如巨噬细胞、上皮细胞等吞噬、降解。整个凋亡过程中胞膜保持完整，没有细胞内容物的外漏，因而不伴有局部的炎症反应。
（二）细胞凋亡的生化改变
细胞凋亡过程中可出现各种生化改变，其中DNA 的片段化断裂及蛋白质的降解尤为重要。
1．DNA 的片段化
细胞凋亡时DNA 链的断裂有三种方式，最多见的一种断裂方式是核小体间DNA 链断裂，是内源性核酸内切酶（endogenous nuclease）被激活所致。
组成染色质的基本结构单位是核小体，核小体之间的连接区易受内切酶的攻击而发生断裂。DNA 链上每隔200个核苷酸就有1个核小体，当内切酶在核小体连接区切开DNA时，即可形成180～200bp 或其整倍数的片段。这些片段在琼脂糖凝胶电泳中可呈特征性的“梯”状（ladder pattern）条带，这是判断凋亡发生的客观指标之一。因此，DNA 片段化断裂是细胞凋亡的关键性结局。
2．内源性核酸内切酶激活及其作用
在细胞凋亡过程中执行染色质DNA 切割任务的是内源性核酸内切酶，这导致DNA 断裂成核小体倍数大小的片段，在琼脂糖凝胶电泳上出现典型的阶梯状DNA 区带。内源性核酸内切酶多数为Ca2＋／Mg2＋依赖的，但Zn2＋可抑制其活性。
3．Caspases 的激活及其作用
Caspases 是目前研究得最清楚的细胞凋亡执行者。这是一组对底物门冬氨酸部位有特异水解作用，其活性中心富含半胱氨酸的蛋白酶，全名为含半胱氨酸的门冬氨酸特异蛋白酶。目前已发现该蛋白酶家族有10多个成员，第一个被发现的caspase 是ICE（interleukin‐1β converting enzyme，ICE），即caspase‐1，随后又发现了一系列的caspase，曾被分别给予了不同的名称，现统称为caspases，而以序号区分。
Caspase 在凋亡中所起的主要作用是：灭活细胞凋亡的抑制物（如Bcl‐2）；直接作用于细胞结构并使之解体，促使凋亡小体形成；在凋亡级联反应（cascade）中水解相关活性蛋白，从而使该蛋白获得或丧失某种生物学功能，如caspase‐9可使caspase‐3酶原水解形成具有分解蛋白质活性的caspase‐3。
三、细胞凋亡的分子机制
（一）凋亡信号
凋亡信号可大致分成生理性凋亡信号和病理性凋亡信号两大类。
1．生理性凋亡信号
（1）某些激素和细胞因子 糖皮质激素是淋巴细胞凋亡的典型信号；甲状腺素被证实在蝌蚪转变为青蛙的器官凋亡性退化过程中起重要作用；肿瘤坏死因子（TNF）可诱导多种细胞发生凋亡；某些兴奋性神经递质也能诱导某些神经元凋亡，如谷氨酸可诱导皮质神经元、海马神经元发生凋亡。
（2）生存信号的缺乏或不足 细胞生存与细胞增殖一样，需要从其他细胞获得足够的生存信号，当生存信号缺乏或不足时，自杀基因（killer gene）就被激活并引发凋亡。如睾丸酮不足时，前列腺上皮细胞发生凋亡；ACTH 不足则肾上腺皮质细胞凋亡；某些细胞因子缺乏或不足时可引起相应的细胞凋亡，如IL‐2、IL‐3、IL‐6的缺乏可以触发依赖它们的细胞发生凋亡。
2．病理性凋亡信号
现已发现，在一定的剂量范围内，能对细胞造成伤害的许多因素都可以诱发凋亡，包括多种生物毒素、化学毒素、病毒感染、射线（如γ 射线、紫外线）、热应激、肿瘤化疗药物等，甚至营养因素的缺乏、过度的功能负荷都能诱导凋亡，如心肌细胞负荷过重导致心肌细胞凋亡可能是心力衰竭逐步恶化的机制之一。
（1）氧化应激 氧自由基化学性质活泼，破坏机体正常的氧化／还原的动态平衡，造成生物大分子（核酸、蛋白质、脂质）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。例如：各种氧化剂（如H2O2）可直接诱导细胞凋亡，抑制超氧化物歧化酶（SOD）的活性也可诱导细胞凋亡，而使用抗氧化剂（如VitE、胡萝卜素等）可以阻断有氧化应激背景的各种凋亡诱导因素如TNF‐α、电离辐射等所引起的细胞凋亡。
氧化应激引起细胞凋亡的可能机制是：激活P53基因、消耗大量ATP、生物膜脂质过氧化、激活Ca2＋／Mg2＋依赖的核酸内切酶、活化核转录因子NF‐κB、AP‐1等诱发细胞凋亡。
（2）钙稳态失衡 Ca2＋是多种参与蛋白质、磷脂和核酸分解的酶的激活因子，如核酸内切酶的激活，磷脂酶A2、磷脂酶C 的激活，蛋白酶的激活等，特别是核酸内切酶。化学毒物、细菌及病毒的毒素、过量的兴奋性氨基酸、氧化应激等通过干扰细胞的Ca2＋转运系统和Ca2＋通道引起钙稳态失衡，从而诱导凋亡。
钙稳态失衡引起细胞凋亡的可能机制：激活Ca2＋／Mg2＋依赖的核酸内切酶，降解DNA链；激活谷氨酰胺转移酶，有利于凋亡小体形成；激活核转录因子，加速细胞凋亡相关因子的合成；使DNA 链舒展，有利于DNA 内切酶切割DNA。
（3）激活死亡受体 死亡受体是一组TNF 受体基因超家族的成员，包括Fas，TNFR1，死亡受体3、4、5（death receptors，DR3、DR4、DR5），NGF 受体（nerve growth factor receptor）等。它们是一组膜蛋白，当相应配体（凋亡信号）与其结合后即触发凋亡过程。
（4）线粒体损伤 细胞凋亡的早期就会出现线粒体内膜通透性增大，线粒体跨膜电位（Δ ψm）明显下降。在毒物（如鱼藤酮、原卟啉Ⅸ、百草枯等）诱导的肝细胞凋亡、兴奋性递质（谷氨酸）诱导的神经元凋亡，必需生长因子的缺乏引起的相应细胞凋亡，糖皮质激素诱导的淋巴细胞凋亡等，皆证实了早期的线粒体Δ ψm 的明显下降。Δ ψm 的下降可能主要是由于线粒体通透性转换孔（permeability transition pore，PTP）的改变，PTP 的改变使线粒体的能量代谢障碍，释放氧自由基及蛋白酶和核酸内切酶的激活剂等，进而诱发凋亡。体内、外实验证明，阻止线粒体通透性的改变可以防止细胞凋亡，例如，用Bcl‐2可以阻止细胞凋亡，在于它能升高线粒体的跨膜电位和阻止线粒体通透性改变。
目前认为，线粒体膜功能和结构上的完整性被破坏引起细胞凋亡的可能机制是：线粒体内、外膜之间的PTP 具有调节线粒体膜通透性的作用。正常情况下，绝大多数PTP 处于关闭状态。当线粒体Δ ψm 在各种凋亡诱导因素作用下降低时PTP 开放，导致线粒体膜通透性增大，使细胞凋亡的启动因子如细胞色素C（Cyt.C）、凋亡蛋白酶激活因子（Apaf）和凋亡诱导因子（AIF）等从线粒体内释放出来。Cyt.C 与Apaf 相互作用可激活caspase‐9，而AIF是一种核基因组编码的，分子量为50kD的膜间蛋白，可快速激活核酸内切酶，并增强caspase‐3的水解活性。Bcl‐2具有恢复Δ ψm 和调制PTP 功能的作用，因而可阻止上述凋亡启动因子从线粒体向外释放，切断了细胞凋亡级联式反应中的关键性环节，所以具有很强的抗细胞凋亡的作用。
氧化应激、钙稳态失衡、线粒体损伤三者在细胞凋亡的发生上既可单独启动，又可联合作用，是许多凋亡诱导因素的共同通路，事实上这三种机制常常是互相联系、互为因果，故有学者把上述三个学说合而为一，提出了细胞凋亡的恶性网络假说（deleterious network hypothesis），以求更全面地解释细胞凋亡发生的机制。
（二）细胞凋亡信号的转导
大多数情况下，来自于细胞外的细胞凋亡诱导因素作用于细胞后可转化为细胞凋亡信号，并通过胞内不同的信号转导途径，最终激活细胞死亡程序，导致细胞凋亡。因此，凋亡信号转导系统是连接凋亡诱导因素与核DNA 片段化断裂及细胞结构蛋白降解的中间环节。