细胞凋亡的主要途径及其机理

细胞凋亡apoptosis是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)。

细胞凋亡是一种基本生物学现象,不仅可以去除生物体中不重要的细胞和组织，确保生物体正常生长和发育，还能破坏被病毒感染以及DNA受损的细胞，减小它们对生物体的损害。细胞凋亡在生物体的进化、内环境的稳定以及多个系统的发育中起着重要的作用，具有重要的生物学意义。

细胞凋亡异常与很多疾病相关。一般认为，人在感染HIV后，CD4+ T淋巴细胞绝对数显著减少，主要是细胞凋亡增多造成的。这不仅阐明了人在感染HIV后CD4+T细胞减少的主要原因，同时也为艾滋病的治疗研究指明了一个重要方向。阿尔茨海默病是一种不可逆的退行性神经疾病，其发生的重要原因是神经细胞凋亡的异常增加。相反，肿瘤的发生则与细胞凋亡受阻相关。癌基因中有一大类属于生长因子家族，也有一大类属于生长因子受体家族，这些基因的激活与表达，直接刺激了肿瘤细胞的生长，这些癌基因及其表达产物也是细胞凋亡的重要调节因子。许多种类的癌基因表达以后，即阻断了肿瘤细胞的凋亡过程，使肿瘤细胞数目增加。

诱导细胞凋亡的途径

• 外源性途径-通过胞外信号激活细胞内的凋亡酶Caspase
• 内源性途径-通过线粒体释放凋亡酶激活因子激活Caspase

Caspase属于半胱氨酸蛋白酶，是引起细胞凋亡的关键酶，一旦被信号途径激活，能将细胞内的蛋白质降解，使细胞不可逆的走向死亡。它们有以下特点：

• 酶活性依赖于半胱氨酸残基的亲核性。
• 总是在天冬氨酸(Asp, D)之后切断底物，所以命名为Caspase（cysteine aspartate-specific protease）。
• 都是由两大、两小亚基组成的异四聚体，大、小亚基由同一基因编码，前体被切割后产生两个活性亚基。

最早发现人类中与线虫CED-3同源的基因是ICE，即白介素-1β转换酶（Interleukin-1β-converting enzyme）基因，因该酶能将白介素前体切割为活性分子，故得此名。通过cDNA杂交和查找基因组数据库，在人类细胞中已发现11个ICE同源物，根据同源性多寡可分为2个亚族：

• ICE亚族：包括Capsase-1，Caspase-4，Caspase-5和Caspase-13，参与炎症反应。
• CED-3家族：包括Capsase-2，Caspase-3，Caspase-6，Caspase-7，Caspase-8，Caspase-9和Caspase-10，参与细胞凋亡。此家族根据在细胞凋亡中所处位置及功能，又分为两类：一类为执行者（executioner 或 effector），如Caspase-3、6、7，它们可直接降解胞内的结构蛋白和功能蛋白，引起凋亡，但不能通过自催化（autocatalytic）或自剪接的方式激活；另一类为启动者（initiator），如Caspase-8、9，受到信号后，能通过自剪接而激活，然后引起Caspase级联反应，如Caspase-8可依次激活Caspase-3、6、7。

细胞应激反应或凋亡信号能引起线粒体细胞色素c释放，作为凋亡诱导因子，细胞色素c能与Apaf-1、Caspase-9前体、ATP/dATP形成凋亡体（apoptosome），然后召集并激活Caspase-3，进而引发Caspases级联反应，导致细胞凋亡。

目前普遍认为细胞色素是通过线粒体PT孔（permeability transition pore)或Bcl-2家族成员形成的线粒体跨膜通道释放到细胞质中的。线粒体PT孔主要由位于内膜的腺苷转位因子（Adenine nucleotide translocator，ANT）和位于外膜的电压依赖性阴离子通道（Voltage dependent anion channel，VDAC）等蛋白所组成，PT孔开放会引起线粒体跨膜电位下降和细胞色素c释放。Bcl-2家族蛋白对于PT孔的开放和关闭起关键的调节作用，促凋亡蛋白Bax等可以通过与ANT或VDAC的结合介导PT孔的开放，而抗凋亡类蛋白如Bcl-2、Bcl-xL等则可竞争性地与ANT结合，或者直接阻止Bax与ANT、VDAC的结合来发挥其抗凋亡效应。

Bcl-2家族的结构和能形成离子通道的一些毒素（如大肠杆菌毒素）非常相似。插入膜结构中形成较大的通道，允许细胞色素c等蛋白质通过，这可能是细胞色素c释放的另一个途径。

线虫中CED-3基因和CED-4基因的缺失突变可抑制所有发育阶段的细胞死亡。在哺乳动物中，尽管Apaf-1基因缺失的小鼠没有Caspase活化，但除了神经细胞过多外，大多数器官发育是正常的。近年来的研究发现随细胞色素c释放的蛋白还有Smac（second mitochondria-derived activator of caspase）、凋亡诱导因子（apoptosis inducing factor，AIF）和核酸内切酶G(Endo G)。Smac能通过N端的几个氨基酸与IAPs（凋亡抑制蛋白）的BIR结构域结合，从而解除IAP对Caspase的抑制；AIF则引起核固缩和染色质断裂；EndoG可以使DNA片段化。可见即使在Caspase不参与的情况下，由线粒体途径仍可引起细胞凋亡。

在对Fas应答的细胞中，一型细胞（TypeI），如胸腺细胞，其Caspase-8有足够的活性，被Fas活化后导致细胞凋亡，在这类细胞中高表达Bcl-2不能抑制Fas诱导的细胞凋亡。在二型细胞（typeII），如肝细胞中，Fas介导的Caspase-8活化不能达到足够的水平，因此这类细胞中的凋亡信号需要借助凋亡的线粒体途径来放大。活化的Caspase-8将胞质中的Bid剪切，形成活性分子tBid（truncated Bid），tBid进入线粒体，导致细胞色素c释放，使凋亡信号放大。