细胞凋亡系列技术帖(一)---凋亡与坏死

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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:即细胞坏死(necrosis)、细胞凋亡(apoptosis)和细胞程序性死亡(programmed cell death,PCD)。

(1)细 胞 坏 死
细胞坏死(necrosis)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。

(2)细 胞 凋 亡
细胞凋亡(cell apoptosis)是借用古希腊语,表示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:

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;

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 细胞凋亡与细胞坏死的区别

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
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


左图:正常胸腺细胞;右图:凋亡胸腺细胞(注意凋亡小体)

(3)细 胞 程 序 性 死 亡

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 和细胞凋亡常被作为同义词使用,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个发生了程序性死亡。 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。

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