细胞凋亡的概念来源及其研究进展.docx

细胞凋亡的概念来源及其研究进展方晓阳盛伟(中国科学技术大学科技史与科技考古系 , 合肥 230026)摘要 : 细胞凋亡 (apoptosis) 是近年来生物学领域中的最新课题之一 ,也是关于细胞死亡的一个新概念 ,从它产生之日起 ,就在生物学和医学领域产生了重要影响并占有重要地位 。随着科技的进步和时间的推移 ,细胞凋亡的研究不仅 在理论方面取得较大成就 ,而且为肿瘤等病症的治疗开创了良好的应用前景 。本文对其概念的来源及其研究进程 予以探讨 。关键词 :细胞凋亡 ;来源 ;演化中图分类号 :Q291到目前为此 ,人们已知道细胞的死亡起码有两 种方式 ,即细胞坏死与细胞生理性死亡 。细胞坏死 是早已被认识到的一种细胞死亡方式 ,而细胞生理 性死亡则是近年逐渐被认识的一种细胞死亡方式 。 细胞生理性死亡又称细胞正常死亡 ,通常可分为程 序化细胞死亡和细胞凋亡 。它具有重要的生物学意 义和临床意义 ,目前正成为生物学和医学领域内的 研究热点之一 。一 、细胞凋亡概念的提出及其定义对于细胞正常 死 亡 的 研 究 最 早 可 以 追 溯 到 1842 年 ,当时 Vogt 在研究蝌蚪发育时就发现一种不 同于细胞坏死的细胞死亡现象 。1885 年 , Flemming 在研究卵巢滤泡细胞时再一次发现了这种有异于细 胞坏死的细胞死亡现象 ,并第一次指出这种细胞死 亡是生物体生理机能的一部分 。经研究 ,1887 年 , 他将自己发现的细胞死亡命名为染色质溶解 (chro2 matolysis) 死亡 ,并对该种死亡现象作了精彩的形态 学描述 。然而当时人们并没有认识到 Flemming 发 现的重要性 ,更可惜的是连 Flemming 后来也放弃了 自己的研究 。1914 年 ,德国科学家 Graper 在一篇关 于线粒体的论文中再一次提到 Flemming 发现 ,但依 然没有引起重视 1 。1965 年 , 发育生物学家 Lock2 shin 等在研究蛾的变态发育过程中发现 ,随着成龄 蛾的出现 ,其幼虫的死亡是一种发育调节性死亡 ,它 与细胞坏死有着本质的区别 ,该种死亡不引起炎症 , 是多细胞生物为调控机体发育 ,维护内环境稳定 ,由 基因控制的细胞自动死亡过程 ,他们称之为程序化 细胞死亡 (programmed cell death , PCD) ,这是程序化细胞死亡概念的首次出现 2 。细胞凋亡理论的再次 提出是在 1971 年 ,当时澳大利亚生物学家 Kerr 在博 士论文研究期间 ,发现了一种与细胞坏死有明显不 同的 细 胞 死 亡 , 当 时 他 将 之 命 名 为“皱 缩 坏 死” (shrinkage necrosis) 。1972 年 , Kerr 等在电镜下再次 观察到了在死亡细胞中有与坏死细胞不同的细胞死 亡现象 ,他们发现有些细胞死亡时 ,并不表现出细胞 膨胀和细胞崩溃等细胞坏死典型性状 ,而是只出现 细胞核浓缩 、细 胞自身 DNA 发生断裂等现象 3 。 Kerr 等人认为 ,这些细胞的死亡和细胞坏死不同 ,并 由此推断其死亡机理和生理机理也不一样 ,故考虑 有可能是因为自身基因程序启动引起的主动性自身 破坏过程 ,为此 ,他们将细胞的这种死亡命名为“细 胞凋亡”,并首次将细胞凋亡的概念引入到生物界 。 Kerr 等人之所以这样命名 ,首先是根据其形态学特 征 ,其次是在 Aberdeen 大学的古典希腊文教授 Cor2 mack 的建议下而采取的 。细胞凋亡 (apoptosis) 一词 来源于希腊的希波哥拉得词语 ,原意指秋天树叶的 凋落以及花瓣的散落 ,其语源是 apo (off ,离去之意) 和 ptosis(falling ,凋落之意) 。有与细胞减数分裂 (mi2 tosis) 相对应的意味 4 。细胞凋亡与生物学和医学关系密切 ,是现代科 研领域中重大课题之一与研究热点之一 ,虽然细胞 凋亡的定义和标准与最初的概念已有很大不同 ,但 仍然存在一些模糊不清的地方 。例如 ,程序化细胞 死亡和细胞凋亡虽同属于细胞的生理性死亡 ,但两 者之间还是有区别的 。笔者在整理近几十年有关细 胞凋亡的文献时发现 ,许多人在文章的开头喜欢用收稿日期 :2002212212这样一些词语 “:细胞凋亡即程序化细胞死亡”“, 细胞凋亡又称程序化细胞死亡”等 5 。似乎细胞凋亡 122 生命的化学2003 年 23 卷 2 期Curre nt TopicCHEMISTRY OF LIFE 2003 , 23(2) 与程序化细胞死亡只是同一事物的不同描述而已 。 另外 ,全国自然科学名词审定委员会也曾将此两名 词翻译成编程性细胞死亡 ,但事实上两者之间无论 是在概念上还是在所涉及的生物学事件上都是有差 异的 。从细胞生物学角度来看 ,程序性细胞死亡为 功能性术语 ,它是用来说明在多细胞组织中 ,细胞对 特定生理性刺激所产生的反应 ,这种死亡和细胞的 分裂 、增生 、分化同样是细胞正常生命过程的组成部 分 。近些年来 ,学术界多将细胞内由特定基因的程 序性表达所介导的细胞死亡归于程序化细胞死亡 。 而细胞凋亡为描述性术语 ,特指伴有细胞形态学特 异变化 (核浓缩 、染色体断裂和胞体缩小以及凋亡小 体出现等) 的一种死亡方式 。虽然在多数情况下程 序化细胞死亡采用凋亡方式 ,但并不是所有的程序 化细胞死亡都采用这种死亡方式 。例如 ,烟草蛾节 间肌肉细胞 ,哺乳动物某些神经元和红细胞等的程 序化细胞死亡都采取的是一种非细胞凋亡方式的死 亡 。因此 ,我们可以说细胞凋亡只是程序化细胞死 亡的一种特殊方式 。此外 ,由外源性化学和物理刺 激诱发的细胞死亡虽然有时也具有细胞凋亡的形态 学改变 ,但它不是由细胞内基因程序所介导的死亡 , 其实是细胞对外界不良刺激的一种反应 ,因此也不 能称之为程序化细胞死亡 。基于上述理由 ,美国著 名生物学家 Martin 于 1994 年建议 ,程序化细胞死亡 和细胞凋亡的含义不同 ,不宜混用 ,并得到了多数学 者的支持 6 。二 、细胞凋亡研究进展从 1887 年染色素溶解的提出算起 ,细胞凋亡现 象已被研究了 1 个多世纪 。但是有关细胞凋亡的机周期短 、可以冷冻储存等特点 ,并开始用线虫作为研 究细胞凋亡的材料 。1974 年 ,Brenner 在 Genefics 上 发表了第一篇有关线虫的论文 ,指出线虫是做细胞 凋亡研究的最佳材料 7 。 表 1 细胞凋亡研究历史上的里程碑 年份细胞凋亡历史进展 1887 Flemming 利用“染色质溶解”一词来描述细胞中核染色质溶 解消失现象1951 Glucksmann 描述了细胞的生理性死亡的特征1965 Lockshin 在蛾的发育过程研究中首次提出程序化细胞死亡 概念1971 “皱缩坏死”一词被采用来区别与经典的细胞坏死1972 Kerr 等人首次将细胞凋亡概念引入生物界1980 首次在细胞凋亡中发现 DNA 降解 ,在琼脂糖凝胶电泳中呈 现特异的梯状图谱1988 发现能够抑制细胞凋亡的 Bcl22 基因1991 在“隐杆秀丽线虫”研究中发现 ced 基因家族1992 发现 Fas/ APO21/ CD981993 发现 p53 基因在调控细胞凋亡的作用 ; 发现 Fas 配体 ; 发现 ced23 基因的同家族基因白介素 ;1转换酶 ( ICE) ; 发现 细胞凋亡抑制剂1994 提出在细胞凋亡过程中 ,线粒体是一个首要的靶位点1996 发现细胞凋亡诱导因子 ;提出胱天蛋白酶概念 ,在细胞凋亡 过程中的一组激活蛋白 ; 发现在细胞凋亡的过程中线粒 体释放细胞色素 c1997 发现细胞凋亡相关因子 ;发现 DNA 断裂因子 1998 CAD ( 发现胱天蛋白酶激活的 DNase) 及其抑制剂 (2) 细胞凋亡的形态学描述和生物化学研究阶段 (19721987) 这个阶段是细胞凋亡探索的真正 开始 ,虽然在这个阶段有关细胞凋亡方面的报道很 少 ,但它却为以后细胞凋亡的研究奠定了坚实的基 础 。在这个阶段的主要成就有 : (a) 通过光镜和电镜 的使用 , 使人们认识到细胞凋亡与细胞坏死的区 8 制要素 (mechanistic components) 却大部分是在最近三别; (b) 利用 DNA 电泳等生化技术 ,使人们发现了 9 十多年内才陆续被发现的 。细胞凋亡中 DNA 降解现象; (c) 在细胞凋亡中发根据 (表 1) 及相关资料 ,我们将细胞凋亡的演 化过程分为以下几个阶段 。(1) 细胞凋亡的描述和概念形成阶段 (18851971) 在这一阶段 ,细胞凋亡概念还没有正式被提出 , 研究基本上处于观察和描述状态 ,虽然细胞凋亡理 论在这个阶段有几次都处于呼之欲出的状态 ,但也许是由于历史和科技或实验材料等多方面的问题 ,现 RNA/ 蛋白质大分子的合成 ; ( d) 发现钙离子浓度的升高是细胞发生凋亡的一个重要条件 ; (e) 发现 细胞凋亡的发生需要核酸内切酶参与 。(3) 细胞凋亡的分子生物学研究阶段 (1988 至今) 在这一阶段 ,细胞凋亡研究成为生物学领域的研究热点 ,细胞凋亡研究进入分子水平 。该阶段的研 究主要集中在三个领域 : (a) 细胞凋亡的相关基因及使许多科学家与之失之交臂 ,痛失良机 。这阶段的其调控方面 10 ; ( b) 细胞凋亡的信号通路方面 11 ;主要成就体现在形态学描述 、细胞坏死和细胞生理(c) 细胞凋亡过程中的各种分子及其相互作用和关 12 性死亡区别和实验材料选择方面 。尤其是实验材料系。的选择 ,造就了一位 2002 年诺贝尔生理或医学奖获 得者 Brenner 于 1965 年找到一种叫隐杆秀丽的(4) 细胞凋亡的临床应用研究阶段 (19922至今)细胞凋亡的研究 , 其生命力在于最终能够有利于 13 ,14 线虫 ,发现这种线虫具有结构简单 、身体透明 、生活疾病机制的阐明 ,以及新疗法的探索和问世。 非细胞体系在细胞凋亡中的应用田辉凯姚小皓李学军(北京大学基础医学院药理学系 , 北京 100083)摘要 : 随着科学技术的进步和发展 ,对细胞凋亡的研究也涌现出许多新的方法和技术 ,为凋亡的研究提供了有力的 武器 。本文阐述了非细胞体系用于细胞凋亡研究的优越性 ,着重介绍非细胞凋亡体系的种类以及在细胞凋亡研究 中的应用 ,同时总结了非细胞体系研究凋亡过程的各种检测方法 。关键词 :非细胞体系 ;细胞凋亡中图分类号 :Q523细胞凋亡 ,又称程序性细胞死亡 ,对机体组织器 官发育 、维持自身稳态和免疫功能有重要的作用 。非细胞体系是指将细胞经过不同的方法破碎后 超速离心将多种细胞器与细胞质分离 ,得到仅含有 可溶性胞质的研究体系 。它最初主要应用于亚细胞 水平和分子水平研究细胞核的体外重建 、细胞周期 的调控 、DNA 复制等细胞重大生命活动的机理 1 ,2 。收稿日期 :2002211202作者简介 :李学军 ,女 ,52 岁 ,博士生导师。自 1993 年 Lazebnik 3 首次将其应用于凋亡研究以 来 ,取得了令人瞩目的成果 。1. 非细胞体系研究细胞凋亡的优越性非细胞体系是细胞中的可溶性胞质成分 ,即保 留了生命物质的复杂性又简化了反应体系 ,从而可 以人为的控制反应过程 。另外 ,可以加入多种生化 试剂 、纯化的蛋白质和某些药物 ,研究其在凋亡中的 作用 4 。在整体水平或细胞水平研究细胞凋亡的生化机例如 ,在研究中 ,人们发现许多疾病与细胞凋亡有 关 ,其中最重要的是肿瘤这个危害人类健康的“头号 公敌”。关于肿瘤的治疗 ,除了传统的放疗 、化疗 、手 术切除以外 ,一种全新的治疗方法 “细胞凋亡疗 法”正逐步变成现实 。2002 年在上海召开的第二届 国际细胞凋亡学术研讨会也以此作为主要议题之 一 。总之 ,细胞凋亡作为细胞死亡的概念 ,已不再是 最初意义上的生物学概念 。从它的整个演化过程不 难看出 ,无论在生物学还是医学领域 ,细胞凋亡越来 越受到重视 ,尤其是 2002 年度的诺贝尔生理或医学 奖的颁发和第二届国际细胞凋亡学术研讨会的召 开 ,更是对细胞凋亡方面的研究给予了高度的评价 和肯定 。今后 ,随着细胞凋亡机制及其概念研究的 深入 、扩展与明确 ,必将在生物学与医学等领域产生 更大的影响 。编者按 :这是一篇可读性强的好文章 。作者简 明扼要地介绍了细胞凋亡现象的发现及其发展历史 ,对细胞凋亡的概念和定义有较清晰的论述 ,并对 细胞凋亡 (apoptosis) 与程序化细胞死亡 (programmed cell death) 两个词语的差异进行剖析 ,赞同美国生物 学家 Martin 的意见 (1994 年) :两者含义不同 ,不宜混 用 。特将此文推荐给读者 。参考文献 1 Graper L. 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