第十五章 细胞衰老与凋亡

 

第二节 细胞坏死与凋亡

死亡是生命的普遍现象,但细胞死亡并非与机体死亡同步。正常的组织中,经常发生“正常”的细胞死亡,它是维持组织机能和形态所必需的。细胞死亡的方式通常有3种:即①细胞坏死(necrosis)。②细胞凋亡(apoptosis)。③细胞程序性死亡(programmed cell death,PCD)。

一、细胞坏死

是细胞受到化学因素(如强酸、强碱、有毒物质)、物理因素(如热、辐射)和生物因素(如病原体)等环境因素的伤害,引起细胞死亡的现象。坏死细胞的形态改变主要是由下列2种病理过程引起的,即酶性消化和蛋白变性。参与此过程的酶,如来源于死亡细胞本身的溶酶体,则称为细胞自溶(autolysis);若来源于浸润坏死组织内白细胞溶酶体,则为异溶(heterolysis)。

细胞坏死初期,胞质内线粒体和内质网肿胀、崩解,结构脂滴游离、空泡化,蛋白质颗粒增多,核发生固缩或断裂。随着胞质内蛋白变性、凝固或碎裂,以及嗜碱性核蛋白的降解,细胞质呈现强嗜酸性,故坏死组织或细胞在苏木精/伊红染色切片中,胞质呈均一的深伊红色,原有的微细结构消失。在含水量高的细胞,可因胞质内水泡不断增大,并发生溶解,导致细胞结构完全消失,最后细胞膜和细胞器破裂,DNA降解,细胞内容物流出,引起周围组织炎症反应(图15-3)。

图15-3 细胞坏死与凋亡的形态区别

二、细胞凋亡

细胞凋亡(cell apoptosis)是借用古希腊语,表时细胞象秋天的树叶一样凋落的死亡方式。1972年Kerr最先提出这一概念,他发现结扎大鼠肝的左、中叶门静脉后,其周围细胞发生缺血性坏死,但由肝动脉供应区的实质细胞仍存活,只是范围逐渐缩小,其间一些细胞不断转变成细胞质小块,不伴有炎症,后在正常鼠肝中也偶然见到这一现象。

凋亡细胞的主要特征是(参见表15-2):①染色质聚集、分块、位于核膜上,胞质凝缩,最后核断裂,细胞通过出芽的方式形成许多凋亡小体(图15-4);②凋亡小体内有结构完整的细胞器,还有凝缩的染色体,可被邻近细胞吞噬消化,因始终有膜封闭,没有内溶物释放,故不会引起炎症;③凋亡细胞中仍需要合成一些蛋白质,但是在坏死细胞中ATP和蛋白质合成受阻或终止;④核酸内切酶活化,导致染色质DNA在核小体连接部位断裂,形成约200bp整数倍的核酸片段,凝胶电泳图谱呈梯状;⑤凋亡通常是生理性变化,而细胞坏死是病理性变化。

表15-2 细胞凋亡和细胞坏死的区别

区别点

细胞凋亡

细胞坏死

起因

生理或病理性

病理性变化或剧烈损伤

范围

单个散在细胞

大片组织或成群细胞

细胞膜

保持完整,一直到形成凋亡小体

破损

染色质

凝聚在核膜下呈半月状

呈絮状

细胞器

无明显变化

肿胀、内质网崩解

细胞体积

固缩变小

肿胀变大

凋亡小体

有,被邻近细胞或巨噬细胞吞噬

无,细胞自溶,残余碎片被巨噬细胞吞噬

基因组DNA

有控降解,电泳图谱呈梯状

随机降解,电泳图谱呈涂抹状

蛋白质合成

有

无

调节过程

受基因调控

被动进行

炎症反应

无,不释放细胞内容物

有,释放内容物。

 

图15-4 左,正常胸腺细胞;右,凋亡胸腺细胞(注意凋亡小体)

在细胞凋亡一词出现之前,胚胎学家已观察到动物发育过程中存在着细胞程序性死亡(programmed cell death,PCD)现象,它是胚胎正常发育所必需的。近年来PCD和细胞凋亡常被做为同义词使用,但两者实质上是有差异的。首先,PCD是一个功能性概念,描述在一个多细胞生物体中,某些细胞的死亡是个体发育中一个预定的,并受到严格控制的正常组成部分,而凋亡是一个形态学概念,指与细胞坏死不同的受到基因控制的细胞死亡形式;其次,PCD的最终结果是细胞凋亡,但细胞凋亡并非都是程序化的。

线虫Caenorhabditis elegans是研究个体发育和细胞程序性死亡的理想材料。其生命周期短,细胞数量少,成熟的成虫若是雌雄同体则有959个体细胞,约2000个生殖细胞。若是雄虫则有1031个体细胞和约1000个生殖细胞。神经系统由302个细胞组成,这些细胞来自于407个前体细胞,这些前体细胞中有105个发生了程序死亡。

麻省理工学院的Robert Horvitz 领导的研究小组采用体细胞突变的方法发现共有14 个基因在C. elegans 细胞凋亡中起作用,其中在细胞凋亡的实施阶段起作用的主要有3个:Ced-3、Ced-4和Ced-9,其中Ced-3和 Ced-4的作用是诱发凋亡,在缺乏Ced-3、Ced-4的突变体中不发生凋亡,有多余细胞存在。Ced-9抑制Ced-3、Ced-4的作用,使凋亡不能发生,Ced-9功能不足导致胚胎因细胞过度凋亡而死亡。

2002年10月7日英国人悉尼·布雷诺尔、美国人罗伯特·霍维茨和英国人约翰·苏尔斯顿,因在器官发育的遗传调控和细胞程序性死亡方面的研究 ,获诺贝尔生理与医学奖(图15-5)。

图15-5 2002年诺贝尔生理与医学奖获得者(图片来自http://www.nobel.se/)