关于细胞凋亡与疾病

细胞凋亡与疾病 细胞凋亡指机体细胞在发育过程中或在某些因素作用下，通过细胞内基因及其产物的调控而发生的一种程序性细胞死亡。细胞凋亡对胚胎发育及形态发生组织内正常细胞群的稳定、机体的防御和免疫反应、疾病或中毒时引起的细胞损伤、老化、肿瘤的发生进展起着重要作用1。自1972年Kerr提出细胞凋亡这一概念后，从20世纪80年代末期开始成为肿瘤病因学、病理学研究热点，近几年的研究在凋亡信号转导途径、细胞凋亡的生化反应机制及细胞凋亡的调控基因，细胞凋亡与疾病的关系等方面都取得了显著的进展2。文章就细胞凋亡与疾病的关系进行综述。1、概述早在1972年，Kerr等已发现从细胞形态、超微结构和生化变化等方面来分析，细胞有两种死亡形式：一种是早被熟知的细胞坏死(Necrosis)，另一种是细胞凋亡(Apoptosis)3。1.1概念 凋亡(apoptosis)一般是指机体细胞在发育过程中或在某些因素作用下，通过细胞内基因及其产物的调控而发生的一种程序性细胞死亡(programmed cell death)。一般表现为单个细胞的死亡，且不伴有炎症反应。细胞凋亡又称程序性细胞死亡(PCD)，指的是细胞将自身裂解为许多膜小泡的一种精确调节的细胞死亡过程，是有机体为保持自身组织稳定、调控自身细胞的增殖和死亡之间的平衡、由基因控制的细胞主动性死亡，一种正常的生理过程4。细胞凋亡参与调节机体细胞生长与更新间的平衡稳定，在机体发育过程中和成年机体新陈代谢中都起着重要作用。但近年来的研究表明，细胞凋亡还与多种疾病(如发育畸形、神经退化症、自身免疫性疾病、肿瘤、艾滋病等)的发生发展有关，从而使细胞凋亡研究成为生命科学研究的热点之一5。2、细胞凋亡的形态学和生化特征2.1 形态学特征 细胞凋亡时伴随着细胞膜表面、细胞质和核的一系列形态学改变，首先出现细胞体缩小、胞核固缩、胞浆密度增高，继而胞膜内陷将细胞自行分割为多个有膜包绕的凋亡小体(apoptotis bodies)。凋亡小体几乎立即被邻近的吞噬细胞所吞噬。吞噬细胞内的凋亡小体能停留数小时，可借助组织切片染色用光学显微镜观察6。在凋亡发生的全过程中，细胞膜一直保持完整。胞内容物不释放出来，所以不引起周围的炎症反应。同一组织中，不同细胞发生凋亡的过程并不同步7。2.2生化特征 细胞凋亡时，早期Ca2+内流引起胞质中Ca2+浓度持续升高，激活了Ca2+依赖性核酸内切酶，于180碱基对处将DNA切断，胞质内蛋白质发生交联，产生单个核小体和穴聚核小体，抽取其中DNA进行电泳分离，呈现梯状图谱，该图谱做为鉴别细胞凋亡与否的主要指标。但DNA降解并不是细胞凋亡必不可少的改变，Bowen等在细胞凋亡过程中未发现有DNA降解现象，细胞凋亡的另一特征是有新的RNA和蛋白合成，这也是细胞凋亡的主动性的一种有力证据8。3 细胞凋亡的调控基因 细胞凋亡主要受基因的控制，现已发现许多基因对细胞凋亡均有直接或间接的调控作用。通常将这些基因分为两大类，即细胞生存基因和细胞死亡基因。一般认为与细胞生存有关的基因包括C-myc、C-abl、Ras、V-src、Bcl-2，EIB，LMW5-HL，C-kit和Bcl-x等；与细胞死亡有关的基因包含P35、P53、RB、DCC、WT-1、CpGv、Bcr-abl、V-erb-A、tats20、DAD1、ADO/Fas、TGF-B、TRP-2、RP-8、TRPM-2、SGP-2、TIA、Bax、ICE、C-rel、irrecrst等。这两大类基因作用的结果，决定着细胞的生死命运9。4 影响细胞凋亡的因素 国内外的大量研究表明，影响细胞凋亡的因素很多，可大致分为促细胞凋亡因子和抗细胞凋亡因子；这两者又都可分为内源性和外源性。促细胞凋亡因子包括生理性激动因素(如TNF家族、TGF-B、神经递质、生长激素撤除、失去基质附着、钙离子、糖皮质激素等)、损伤相关的诱导(如热休克、病毒感染、氧化剂、自由基、营养耗竭等)、治疗相关因素(如多种化疗药、C射线、电离辐射等)和毒性物质(如乙醇等)。抗细胞凋亡因子包括生理性抑制因素(如多种生长因子、细胞外基质、CD40配体、中性氨基酸、锌离子、雌激素等)、病毒基因(如腺病毒EIB、杆状病毒P35、牛痘病毒crmA等)和药物因素(如Calpain抑制剂、半胱氨酸蛋白酶抑制剂、肿瘤启动因子等)10。5细胞凋亡与疾病5.1 细胞凋亡与肿瘤性疾病 肿瘤相关基因促进正常细胞发生恶性转化。肿瘤形成主要有两个机制：一方面是过度激活细胞周期(cell cycle)，以使细胞处于无限增殖分裂状态，另一方面就是抑制细胞凋亡(apoptosis)，以使细胞的死亡倾向性降低。细胞增殖速度加快，发生突变的细胞又不能通过细胞凋亡机制清除，综合平衡的结果就是肿瘤形成的机制。人类肿瘤凋亡有3个主基因(mastergenes)：P53、bcl-2和c-myc。bcl-2基因是一种抗凋亡基因，它抑制肿瘤细胞因各种因素引起的凋亡。野生型P53是肿瘤抑癌基因，它与细胞的生长阻滞和凋亡有关，因此它能促进放、化疗剂的杀伤作用。bcl-2能妨碍依赖P53的凋亡，但不影响依赖P53的生长停滞，可是将bcl-2与c-myc共表达时这两者都被阻断。P53基因的突变以及bcl-2的表达增高会对人类肿瘤的治疗产生抗性。这是由于P53的突变使它们失去了依赖野生型P53的凋亡，而bcl-2蛋白则在抗凋亡中起主要作用，这两者常会使治疗失败。从这一机制出发，改变肿瘤的抗凋亡状态，将具有临床的实用价值。可采取增加诱导凋亡基因的表达，抑制抗凋亡基因的表达，将bcl-2基因序列导入造血干细胞以增加它对化疗致凋亡的抗性，从而对再植入的自体干细胞起保护作用，以凋亡判断预后时化疗和放疗引起凋亡的能力可提供重要信息，有助于临床医生制定治疗方案和评估预后，寻找和设计模拟P53蛋白结构与功能的新药，以利用其结合DNA抑制肿瘤增生和促进肿瘤凋亡11。5.2 细胞凋亡与自身免疫病 基因随机重组及体细胞复突变能产生自身免疫性T细胞和B细胞。正常情况下，未成熟的淋巴细胞结合自身抗原后能通过凋亡途径死亡。不正常的淋巴细胞凋亡失调，会产生自身免疫性疾病.自身免疫性疾病与细胞凋亡失凋的关系，可分为2个方面：(1)自身反应T细胞因凋亡障碍而积聚，从而发生免疫细胞对自身靶细胞的攻击，如系统性红斑狼疮(SLE)等；(2)免疫攻击导致功能细胞凋亡过多而丧失相应的生理功能如I型糖尿病等。临床上从全身性红斑狼疮患者淋巴细胞中已观察到bcl-2的高表达。另有报道bcl-2转基因鼠会发生免疫复合肾炎12。5.3 细胞凋亡与艾滋病 人类免疫缺陷病毒I型(HIV-I)感染可使被感染者体内CD4细胞数量减少，最终导致艾滋病。现已知道细胞凋亡为HIV-I诱导细胞死亡的一个重要机制。H IV可直接诱导细胞凋亡，如HIV-I Vpr除了通过使细胞周期停止在G2期而诱导细胞凋亡外，还可以通过直接作用于线粒体的通透性运输孔道而诱导细胞凋亡13；HIV的外膜糖蛋白gp120 与CD4+T细胞的交叉结合引起对Fas介导的杀伤作用敏感性升高，gp120 的细胞凋亡反应可以完全被可溶性CD4和抗gp120 抗体抑制，且gp120在V3区的点突变抑制其在CD4+T细胞中细胞凋亡的诱导作用。HIV也可以通过活化作用，同源被感染的细胞的介导，以及 CD8+T细胞诱导细胞凋亡。另外，细胞因子在HIV-1 诱导细胞凋亡的过程中发挥着重要作用。在临床的病毒研究中发现一定浓度的IL-2 明显地减少了来自HIV感染者的CD4+T细胞的自发死亡，但对未感染 HIV的病人无此现象。还发现在来自HIV感染者的细胞中自发的细胞凋亡可被IL-12，IFN -，抗IL-14，抗IL-10和抗淋巴毒的渗入所阻碍。但抗IL-12并没有此作用。并且，在HIV感染者观察到IL-12保护对Fas介导的细胞凋亡，可增强细胞对AICD的敏感性。有研究者证明，来自HIV感染者的外周血液的单核细胞与HI-15的培养导致Th1细胞因子IFN -生成的增多以及可能由增加 Bc1-2 的表达而导致的T细胞自发凋亡的数量减少14。5.4 神经系统的退行性病变15 对细胞凋亡的基因调控及其机制的研究表明:凋亡不仅见于生长发育阶段，也见于一些病理状态如脑卒中。基因调控下发生凋亡的机制可能与神经元退行性变有关，凋亡在神经元死亡中起主动作用。同时，与神经系统病变有关的调控基因的发现，提示通过治疗阻止凋亡的发生是可能的。5.4.1 细胞凋亡与阿尔茨海默病 阿尔茨海默病(Alzheimersdisease，AD)是一种神经退行性疾病，大脑的神经元丢失是最基本的病理改变。近年研究表明，老年斑的核心组成B淀粉样蛋白(amyloid proteinB，AB)，其水平与AD严重程度明显相关，而AB的毒性作用的基本特征是神经元凋亡。因而细胞凋亡是AD发病的重要的病理学机制。前体蛋白基因(APP)位于2l号染色体，遗传性的家族型AD患者的AB区域附近有7个点突变及其过度表达与AD有关。但是APP的突变仅占AD中的很少一部分，而大部分AD与14号染色体上的PS-1及1号染色体上早老素(presenilin， PS-2)基因突变相关。5.4.2 细胞凋亡与神经变性疾病 中枢神经系统(CNS)不同部位特殊类型神经元的逐渐丧失是各种神经退变性疾病的病理特点。在发育期间CNS是一个强烈的凋亡部位(估计50% 80%的CNS神经元在发育期间死亡)。在成年时其存活似乎有赖于BeI-XL这样的促生存基因的表达。CNS可能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介质可能在许多神经退变性疾病均有作用，例如阿尔茨海默病、帕金森病等。5.4.3家族性阿尔茨海默病 1996年Marx等研究发现阿尔茨海默病( Alzheimer s disease， AD )发病与早老素-1(presenilin-1，PS-1)基因突变有关16。研究发现早老素2(Presenilin2)基因的突变与家族性阿尔茨海默病有关。推测Presenilin 2在凋亡途径中起Fas下游的作用。Presenilin 2的鼠同系物可防止T淋巴细胞上的FasL上调，正常情况下此现象发生于T细胞与家族性异体肽结合被激活时。在PCI2神经元细胞系中，正常的Presenilin 2的过度表达导致凋亡；从家族性阿尔茨海默病的主要特征之一是在脑中形成淀粉样蛋白B斑，此外，神经元凋亡的阈值亦发生改变。5.4.4帕金森病 帕金森病是一种中老年人常见的运动障碍性疾病，年龄是最主要的危险因素，又称震颤麻痹，其病理特征为黑质致密区多巴胺能神经元变性缺失和路易小体形成，临床主要表现为静止性震颤、肌强直、运动迟缓等症状17。帕金森病的治疗证明其发生与抑制凋亡密切相关。人们曾用盐酸司来吉兰(Selegiline Hcl)药物治疗帕金森病。近年发现，盐酸司来吉兰能特异地改变细胞死亡和生存基因的转录，包括过氧化物歧化酶、细胞凋亡相关基因(Bcl-2)和BeI-XL、一氧化氮合成酶和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸脱氢酶。盐酸司来吉兰可防止线粒体膜电位的进行性还原，因而可抑制线粒体释放促凋亡物质。6 研究展望近年来由于细胞和分子水平研究的迅速发展，使我们对细胞行为的各方面均有可能深入探讨和认识，这将对其它许多学科如免疫学、毒理学、肿瘤学和细胞生物学等多领域产生冲击和影响。我们的生存取决于从旧的生命向新的生命变化过程，当一个细胞获得增殖能力的同时也具备了发生夭折的路径，在某种意义上说“死亡要比错误(可理解为突变)好”，可见细胞调亡是我们避免遗传性损伤的保护者和挽救者l8。未来在人类的很多疾病中，甚至控制最终的衰老，采用细胞凋亡的医学技术将是一个重要的战略手段。