背景介绍
凋亡Apoptosis源自古希腊语“απόπτωσις”，大意是树叶死后从树梢掉落的规律[1]。作为程序性的细胞死亡方式，凋亡也可以说是细胞在遵循着固定的程序自杀，过程与结果都被精确调控。
凋亡在生物发育进程中起着重要作用。早期发育时，它被用来清除多余的细胞，保证正常的个体发育，例如蝌蚪尾巴逐渐消失，人类手指从类似鸭子的蹼足状发育成单独的五指等等；发育成熟后，凋亡依旧是新陈代谢中重要的一环，还会用来清除受损的、功能异常的细胞或细胞器。因此，生物体内细胞处于一种动态平衡的状态，从而维持机体的稳态和正常功能。
早在1896年科学家就在鱼类神经元的发育过程中观察到细胞凋亡的现象，1972年英国阿伯丁大学（Aberdeen）的病理学家科尔Kerr将该现象正式命名为凋亡（apoptosis），此后研究者们一直探索这一死亡形式的相关调控机制[1]。
直到1999年，通过对模式生物秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）的凋亡研究，人们才开始了解到哺乳动物中凋亡的机制[2]。
由于在器官发育和程序性细胞死亡的遗传调控上的突出贡献，H.Robert Horvitz（英国剑桥Sanger研究中心）与另外两人Sydney Brenner（美国加州克莱科学研究所）、John E.Sulston（美国麻省理工学院）共同获得2002年诺贝尔生理学或医学奖。
此后，细胞凋亡作为一种独特而重要的“程序化”细胞死亡形式被人们熟知，对于凋亡的相关研究进入到一个全面发展的阶段。其他的程序性死亡形式还包括细胞焦亡、自噬性细胞死亡、铁死亡、铜死亡、坏死性凋亡等（点击下划线文字跳转相关文章）。
细胞凋亡的特征形态特征
凋亡早期，染色质凝缩，DNA片段化，伴随着细胞体积变小、内质网扩张以及核糖体聚集；随后细胞发生破碎，形成密封的囊泡结构，称为凋亡小体（apoptotic body），最终被其他细胞吸收或通过溶酶体途径降解。
A.正常胸腺组织电镜图；淋巴细胞密集排列，核大，胞浆少。
B.凋亡早期胸腺淋巴细胞电镜图；染色质浓缩和外周化。细胞质开始浓缩，细胞轮廓不规则。箭头表示细胞核的碎片，箭头所示是一个凋亡小体，主要包含细胞质，没有细胞器或核物质。
C.凋亡淋巴细胞将含有细胞器和细胞质的膜“出芽”或挤出的过程（箭头）。一旦发生出芽，这个被挤出的碎片将成为一个“凋亡小体”。这些凋亡小体是膜包裹的，因此不会向间质中释放细胞质内容物。巨噬细胞或其他邻近的健康细胞随后吞噬凋亡小体。由于这些原因，细胞凋亡不会引起炎症反应。
D.显示胸腺中细胞凋亡各阶段的淋巴细胞。显微镜中央的大细胞为吞噬胞浆内凋亡小体的巨噬细胞。这种巨噬细胞也被称为“易染体巨噬细胞”。箭头示淋巴细胞凋亡晚期核碎裂。
1. 核的变化
凋亡细胞中，细胞核的变化主要是染色质凝缩以及DNA发生降解。在凋亡早期，染色质凝缩并沿核膜周边聚集，之后DNA发生降解导致细胞核破裂，核碎片被包裹进凋亡小体，被其他细胞吸收或降解。
核固缩（pyknosis）是凋亡过程中比较容易检测到的，也是凋亡时最显著的特征。这一变化可以通过电子显微镜检测到，也可以通过DNA染料来观察细胞（如Annexin-V和PI）。
但是没有细胞核的细胞也可以发生凋亡，这也意味着核的凋亡并不是凋亡所必需的[3]。
2. 细胞形态和结构变化
凋亡过程中的另一个最明显的变化是细胞表面突起和细胞形状的变化。这些突起，曾被命名为“爆米花细胞溶解”（popcorn cytolysis）[4]和“气泡”（blebs）。之后细胞收缩，并分解为凋亡小体。
3. 线粒体的变化
目前普遍认为在凋亡进程的大部分时间内（不包括晚期），线粒体会保持形状和结构完整，并维持细胞部分的新陈代谢功能。在晚期阶段，可能发生线粒体凝缩。有研究发现线粒体的相关蛋白与凋亡的启动、核释放有关，如位于线粒体内膜上的抗凋亡蛋白Bcl2，线粒体蛋白细胞色素c（cytochrome c）[5]。
4. 其他细胞器的变化和凋亡小体的降解
细胞死亡毫无疑问会在一定程度上影响所有的细胞器，但是关于凋亡细胞的细胞器变化的报道却很少见。在20世纪60年代末，凋亡刚被命名的时候，人们还认为线粒体、内质网、溶酶体等细胞器在凋亡过程中是保持完整的。之后的研究发现凋亡细胞中的内质网会发生扩张现象[6]。
在一项关于人乳腺细胞凋亡的研究中，发现了核糖体从粗面内质网脱离，以及核糖体聚集的证据[7]。
凋亡小体作为吞噬细胞或细胞碎片的一种囊泡，也是凋亡的一个基本特征。凋亡小体的最终降解是非常快速的，吞噬细胞（如巨噬细胞）和非特异细胞（如上皮细胞）通过吞噬作用的摄取和溶酶体途径的降解完成凋亡的最后阶段。
5. 质膜的变化
细胞凋亡过程中质膜主要发生生化性质的变化，不涉及形态学。其中膜表面的微绒毛消失可能是细胞死亡的一个共同特征。质膜上的分子变化也可能是细胞吞噬启动的“eat me”信号。
生化特征
凋亡细胞表现出几种生化修饰，如蛋白质切割、蛋白质交联、DNA断裂和吞噬细胞识别。
蛋白质切割：caspase一旦激活，就会启动蛋白水解级联反应，激活其他的caspase，放大凋亡信号通路，从而导致细胞快速死亡。
广泛的蛋白质交联是凋亡细胞的另一个特征，这是通过表达和激活谷氨酰胺转胺酶（transglutaminase）来实现的。
DNA断裂发生在凋亡早期，规律是生成180-200bp的DNA片段，DNA电泳时可观察到典型的梯形条带。
细胞表面标记物的表达是凋亡的另一个生化特征，它会导致相邻细胞对凋亡细胞的早期吞噬识别，允许快速吞噬，减少对周围组织的损害。这个过程与磷脂酰丝氨酸（phosphatidylserine，PS）、膜连蛋白（Annexin I）和钙网蛋白（calreticulin）的暴露有关[8]。
凋亡与坏死
细胞死亡的两种主要类型是凋亡和坏死。它们在启动细胞死亡过程的刺激、形态和生化变化以及细胞使用的信号通路方面存在差异。
细胞凋亡（apoptosis）是细胞程序性死亡最常见的形式。它可以通过各种物理、化学和生物因素触发，其细胞反应受到严格调控。凋亡过程中发生的细胞组分的受控降解是由半胱天冬酶（caspase）调控的，这是一个在凋亡过程中被激活的蛋白酶家族。
坏死（necrosis）是由外部因素引起的，导致不可逆的细胞损伤，质膜完整性的丧失和快速死亡往往导致免疫系统的激活。相反，凋亡是由许多内部和外部途径启动的，这是一个高度调控的过程，导致细胞残余物的新陈代谢和邻近巨噬细胞吞噬。
凋亡性坏死（necroptosis）是中性粒细胞的炎症细胞死亡方式。活化的中性粒细胞通过向细胞外释放解聚的染色质和细胞内颗粒蛋白组成的细胞捕获网（Neutrophil extracellular traps，NETs），以捕获或杀死病原体。
表2 凋亡、坏死性凋亡、坏死的比较[10]
凋亡的机制
细胞凋亡可通过内外两种途径诱导，主要表现为上千种caspase依赖的蛋白水解、细胞膜起泡和核内染色质DNA裂解。
内在的线粒体通路
内源性凋亡是调节细胞死亡的一种形式，由多种微环境诱导启动，包括（但不限于）生长因子缺失、DNA损伤、内质网（ER）应激、活性氧（ROS）过载、复制应激、微管改变或有丝分裂缺陷等。在凋亡过程中，凋亡细胞仍保持质膜的完整性和一定程度的代谢活性，这使得巨噬细胞或其他具有吞噬活性的细胞在体内将其迅速清除，这一过程通常称为胞葬作用（efferocytosis）。
内在凋亡的关键步骤是不可逆的线粒体外膜通透性，这是由凋亡调节蛋白BCL2家族控制的。比如BAX（BCL2 associated X, apoptosis regulator）、BAK（BCL2 antagonist/killer 1）、BOK（BCL2 family apoptosis regulator）等调节因子。
它们能够在线粒体外膜上打孔。
通常BAX游离在胞质和线粒体外膜，在细胞质中它表现为静止的单体或不活跃的二聚体构象，而BAK是线粒体外膜的跨膜蛋白。当凋亡诱导后，BAX被激活发生构象变化，BAX-BAK形成异二聚体，导致线粒体的环状脂质孔生成，线粒体蛋白被释放到细胞质中，包括细胞色素c和DIABLO蛋白，激活caspase启动凋亡程序。
外在死亡受体通路
外源性凋亡是由细胞外微环境诱导的程序性细胞死亡。外源性凋亡主要有两类质膜受体主导：
（1）死亡受体（如TNF、FAS受体），其激活依赖于同源配体的结合。结合后组装成复合体，继续激活caspase酶；
（2）依赖受体（如DCC和PTCH1）[13]，其激活发生在其特定配体水平低于特定阈值时。在生理条件下，它们表现出抗凋亡的作用，然而当它们的配体低于稳定水平时，就会触发凋亡反应。
凋亡的相关蛋白1. caspase家族
caspase与其他蛋白酶相比有很多不同的特征。全长状态的caspase是一种无活性的酶原，含有一个N端前导肽结构域、一个p20大亚基和一个p10小亚基。激活状态下，caspase发生水解，裂解为p20和p10并去除N端结构域，重新组装成四聚体形式的活性酶。p20亚基上有高度保守的QACXG五肽序列。
目前，在人体内发现11种caspase蛋白，分别是caspase1-10以及caspase14。小鼠体内发现10种caspase蛋白，分别是caspase1，2，3，6，7，8，9，11，12和14。其中人源caspase4和5分别与鼠源的caspase11和12功能同源，caspase10只存在于人体内，在小鼠体内没有发现。
根据已知的功能可以将caspase家族划分成两类：促凋亡亚群和促炎症亚群。已知促凋亡的caspase亚群主要是caspase2、3、6、7、8、9、10，介导细胞死亡，参与其信号转导，而促炎症的caspase主要是caspase1、4、5、11、12，在炎症过程中调节细胞因子成熟。
不过这种分类方式也有例外，有的情况下促炎症的caspase激活后也会导致细胞凋亡。
另一种分类方法时根据前导肽结构域的长度进行区分，这和它们在凋亡信号级联中的位置是相对应的。这一分类可将caspsae分为凋亡启动子caspase（caspase1、2、4、5、8、9、10、11、12）和凋亡效应子caspase（caspase3、6、7）。
凋亡启动子位于级联反应上游，能在其他蛋白的参与下发生自我活化并激活下游的caspase。凋亡效应子位于级联反应的下游，能被上游的启动子激活，作用于特异性底物使得细胞发生生化及形态学改变，导致细胞凋亡。值得注意的是，这种上下游的关系不是一直存在的，可能只适用于凋亡的早期[9]。
2. Apaf-1
Apaf-1（apoptotic protease activating factor-1，凋亡酶激活因子）在线粒体参与的凋亡途径中起着重要作用。当Apaf-1与细胞色素C形成ATP依赖的凋亡复合体（apoptosome），前体caspase-9被招募到复合体上并发生自身切割活化，从而激活caspase-3，刺激细胞凋亡。
3. Bcl-2
Bcl-2家族成员通常含有1-4个bcl-2同源结构域（BH1-4），并通常有一个C端跨膜结构域。其中BH4是所有抗凋亡蛋白所特有的结构域，BH3是与促凋亡有关的结构域。
根据功能和结构可将bcl-2家族分成两类，一类是抗凋亡基因，如Bcl-2、Bcl-xl、Bcl-w、Mcl-1和Bcl-2-A1，另一类是促凋亡，如Bax、Bak、Bad、Bid、Bim。在促凋亡蛋白中Bid和Bad只含有BH3结构域。
在哺乳动物细胞中，抗凋亡与促凋亡Bcl-2蛋白之间的平衡一直被认为是控制细胞凋亡起始的中控开关。某些抗凋亡的Bcl-2蛋白也是p53的转录靶点，如Bax。
4. Fas
Fas（APO-1/CD95）属于TNF（tumour necrosis factor）受体家族，是一个促凋亡死亡受体。Fas蛋白与配体（Fas ligand）结合后，Fas三聚化发生构象改变，从而激活caspase-8，引发caspase级联反应致使细胞凋亡。
5. p53
p53常作为一种抑癌基因被熟知。人类恶性肿瘤的出现可能与p53基因缺失有关。P53作为转录因子，可激活几百种基因表达，与细胞凋亡相关的基因有Bcl-2家族（如Bdx、Puma、noxa），死亡受体家族（如Fax、FIDD），其他（如PTEN、p53 AIPI等）
6. myc
在很多人类恶性肿瘤中都发现c-myc的过表达，它能促进细胞增殖、抑制分化，在凋亡细胞中也是高表达。myc作为转录调控因子，在一方面它能激活调控细胞增殖的基因，另一方面也激活促进细胞凋亡的基因。
凋亡与疾病细胞凋亡异常导致疾病发生
细胞凋亡异常可能出现在癌症、自身免疫淋巴增生性综合征、艾滋病、缺血和神经退行性疾病（如帕金森、阿尔兹海默症、亨廷顿病和肌萎缩性侧索硬化症）等疾病上。这里的异常可能是凋亡不足或凋亡过度导致的。
某些癌症的发生被认为与肿瘤细胞抑制细胞凋亡存在重要联系。除此之外，凋亡不足还会导致自身免疫性淋巴增长综合征（ALPS）。
过度凋亡会导致某些疾病，如自身免疫性疾病、神经退行性疾病和缺血相关损伤。艾滋病就是由人类免疫缺陷病毒（HIV）引起的自身免疫疾病的例子。HIV通过与CD4受体结合感染CD4+ T细胞，HIV Tat蛋白会增加Fas受体的表达，导致T细胞的过度凋亡。COVID-19感染的严重性也与T细胞的凋亡密切相关[14]。
调节细胞凋亡治疗疾病
目前一些潜在的抗凋亡治疗方法包括刺激IAP（Inhibitor of apoptosis，凋亡蛋白抑制剂）家族蛋白、抑制caspase、抑制PARP（聚腺苷二磷酸核糖聚合酶）、刺激PKB/Akt(蛋白激酶B)通路以及抑制Bcl-2蛋白[8]。
IAP蛋白家族可能是细胞凋亡最重要的调节因子，因为它们同时调节细胞凋亡的内在和外在途径。到目前为止，IAP家族成员已被研究为治疗中风、脊髓损伤、多发性硬化症以及癌症的治疗靶点。
抑制caspase活性也可以达到治疗疾病的效果。一种常用的caspase抑制剂z-VAD-fmk可用来减轻大小鼠心肌梗死模型的心肌再灌注损伤程度。caspase1（ICE）抑制剂通过降低白介素1β，用来治疗类风湿性关节炎和其他炎症。
PAPR-1在DNA修复和凋亡方面具有双重作用，开发针对PAPR-1的抑制剂可能能够减轻缺血、炎症细胞或器官的损伤，也可能增强抗肿瘤药物的细胞毒性。
以上是目前的潜在治疗方式，随着细胞凋亡分子机制和生化功能的不断推进，未来临床应用还有巨大的潜力有待开发。
转自：医学科研小坑
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