第十七章　细胞死亡

细胞死亡（cell death）是生命现象不可逆停止及生命的结束，是多细胞生物生命过程中重要的生理或病理现象，是维持组织功能和形态所必需的。多细胞生物的发育及生存依赖于其细胞分裂增殖和死亡之间的平衡，一旦这种平衡被打破，就会发生胚胎发育异常、退行性疾病以及癌症等。所以在进化过程中，多细胞生物逐渐拥有了复杂而精密的调节机制维持这种平衡。

细胞死亡的形式多种多样，在过去的 150年其分类主要基于形态学，把细胞死亡分成两大类：坏死（necrosis）和凋亡（apoptosis）。随着生物医学技术的发展，人们对细胞死亡的研究从组织学水平发展到细胞学水平，再深入到分子生物学水平，对细胞死亡的认识不断深化，人们认为经典的凋亡和坏死这种分类实际上将复杂的清除机体不想要或有害细胞的过程简单化了。在典型的凋亡过程中，caspase的活化是必不可少的，但是caspase活化过程并不是在程序性细胞死亡中决定细胞生或死的唯一因素，因为越来越多的证据表明存在非caspase依赖的程序性细胞死亡。显然各种形式的非caspase依赖性的细胞死亡并不能简单地归类为“凋亡”或“坏死”。因此将细胞死亡分为程序性细胞死亡和非程序性细胞死亡两类更为合理：

即坏死，是指细胞在受到环境中的物理或化学刺激时所发生的细胞被动死亡，不能被细胞信号转导的抑制剂阻断。

德国病理学家Rudolf Virchow早在 1858年《细胞病理学》一书中即指出“细胞是生命的，因而也是疾病的固有灶和生命功能的真正载体，它的存在和生命不可分割；细胞死亡是一个主动变性的过程”。由于当时还没有出现组织细胞染色技术，因而没有关于显微镜下死亡细胞形态学的描述，但是已经有了坏死（necrosis）、渐进性坏死（necrobiosis）、软化（softening）、变性（degeneration）和坏疽（mortification）等与细胞死亡相关的名词。1877年，Weigert建立了组织细胞的染色技术并确定了凝固性坏死，还观察到白喉假膜性炎症的纤维素样坏死以及坏死组织细胞核的变化。1890年前后，病理学界认识到细胞核在病理变化过程中具有重要意义，于是细胞核的形态学研究成为当时的热点，并总结出细胞核在死亡细胞中的变化特征，即核固缩（pyknosis）、核溶解（karyolysis）和核碎裂（karyorhexis），这些变化被认为是坏死的特征性表现，而坏死在以后的近百年中一直被认为是细胞死亡的唯一形式。近年发现坏死也可被严格调控，存在非caspase依赖的程序性坏死（necroptosis），即在细胞信号转导途径控制下的细胞裂解过程。

程序性细胞死亡的共同点在于它们是细胞主动的死亡过程，能够被细胞信号转导的抑制剂阻断。

程序性细胞死亡的分类方式大致有两种，即基于死亡机制的分类和基于形态学的分类。基于机制可以将程序性细胞死亡分为两大类：caspase依赖的和caspase非依赖的。前者即典型的凋亡，后者包括自噬（autophagy）、副凋亡（paraptosis）、有丝分裂灾变（mitotic catastrophe）、胀亡（oncosis）、焦亡（pyroptosis）等。基于形态学的分类又有两种：一种将程序性细胞死亡分为凋亡、凋亡样程序性细胞死亡和坏死样程序性细胞死亡；另一种则分为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型程序性细胞死亡。

又称为Ⅰ型细胞死亡。凋亡一词来源于希腊语，意指秋天中飘落的枯黄树叶。1842年，Karl Vogt在研究蝌蚪发育时，发现一种不同于细胞坏死的细胞死亡现象。1885年，解剖学家Walther Flemming在研究哺乳动物卵巢内卵泡细胞时，首次对程序性细胞死亡的特征做出了精确的描述。1892年，Strobe等在对乳腺癌细胞的观察中提到细胞凋亡的概念，但未能引起足够的重视。直到1914年，大量的研究表明细胞染色质溶解（chromatolysis）是细胞减少的重要方式，并认为出现染色质溶解的细胞被邻近上皮细胞清除或掉落入管腔被排出，这是对凋亡细胞最早的形态学描述。1971年，美国病理学家Kerr等在对缺血性肝损伤的观察中发现肝小叶中央型凝固性坏死的细胞学改变不同于经典的坏死，在 1972年重新提出凋亡的概念。1980年以后，凋亡的研究成为一大热点，涉及形态学特点、生物学意义和分子水平变化特征等。20世纪80年代末以来，凋亡作为坏死的对应概念已被普遍接受，凋亡与坏死被认为是细胞死亡的两种方式。大量文献指出，凋亡和坏死之间的主要区别表现为，坏死细胞胞质肿胀，胞核溶解，胞膜破裂，而凋亡细胞胞质萎缩，胞核浓集，最后形成凋亡小体；凋亡和坏死过程除具有细胞形态差异外，凋亡作用于单个细胞而坏死则作用于多群细胞；坏死可引发炎症而凋亡却不会；凋亡为生理性而坏死为病理性。凋亡作为坏死的对应概念的出现使这一阶段的研究涉及了细胞的死亡方式及过程，这是病理学的一大进步。

又称为Ⅱ型细胞死亡。1966年Duve和 Wattiaux在发现溶酶体的同时发现了细胞的自噬现象。1977年 Mortimore和Schworer发现肝细胞在处于饥饿时，自噬对其维持自身的稳态发挥着至关重要的作用。自噬细胞形态学上最主要的特征是在双层或多层自噬小体中包含了大量的细胞质和细胞器，随后由细胞自身的溶酶体系统降解。自噬过程可以清除长效蛋白和细胞器组分，因此对细胞分化，应激和细胞因子诱导的损伤中细胞的重塑起着重要的作用。过度的自噬作用将导致细胞以非凋亡的方式死亡，没有caspase的活化。调控自噬的细胞转导信号有很多，其中相对比较清楚的是PI3K和mTOR。PI3K对于早期吞噬泡的形成至关重要，而mTOR则对吞噬泡的形成及成熟起抑制作用。另外，已知有十数种分子参与了吞噬泡的形成。当细胞处于氨基酸饥饿、营养缺乏或生长因子去除时，细胞的 mTOR就会受到抑制，从而发生自吞噬。自吞噬是细胞在处于恶劣环境时的一种生存机制，但持续的自吞噬会导致程序性细胞死亡。

1910 年，von Recklinghausen等在观察缺血性骨病变时发现，骨细胞死亡常伴有骨陷窝和骨小管的肿大，死亡细胞肿胀，提出了胀亡的概念。胀亡一词源于希腊文“onkos”，含义为肿胀（swelling）。但随后的数十年，由于认识上的不足，一直将这种细胞死亡方式描述为浊肿、变性、气球样变等。1995年，美国病理学家Majno等对凋亡、胀亡和坏死进行了全面的文献回顾，重新提出胀亡的概念，认为细胞的死亡方式包括凋亡和胀亡，两者最终发展为坏死。表现为细胞体积变大，肿胀；胞膜局部向外膨隆，甚至形成泡状，类似凋亡细胞的哑铃样起泡结构，但是内无亚细胞器，胞膜完整性可被破坏；胞质空泡化；内质网肿胀，早期出现颗粒的脱落、减少，晚期内质网崩解，颗粒消失；高尔基复合体亦肿胀或形成较多小气球样囊体；核膜起泡，膜下可聚集有团块状染色质，染色质多分散或凝集成块，分布在核仁周围或核膜下。最终细胞呈现溶解性细胞坏死样外观，胞内容物溶解，外溢，并引起周围炎症反应。胀亡细胞形态学改变的主要特点是细胞质肿胀，核溶解性死亡。胀亡可以是生理性的也可以是病理性的，并且两者可以同时存在于同一种生理或病理过程中。胚胎发育过程中指趾蹼的消失主要依靠胀亡来实现，骨结构也主要通过骨细胞的胀亡得到重建。对于胀亡发生的机制现有的文献阐述较少。有研究者认为胀亡只是坏死前的一个被动性死亡阶段。但是近年来的研究更倾向于胀亡是一个程序性的死亡方式，如抗Porimin的单抗可以引起Jurkat细胞的胀亡；解偶联蛋白高表达的组织或细胞容易发生胀亡，其原因是这些细胞缺乏ATP，故其膜上的离子泵功能丧失从而导致胀亡，而抑制解偶联蛋白可以抵抗胀亡却不能抵抗凋亡，提示胀亡可能有与凋亡不同的死亡机制。

2000 年 Sperandio 等在 ²⁹³T细胞系中超表达胰岛素样生长因子Ⅰ受体（IGF-ⅠR）时发现一种与经典坏死和凋亡不同的死亡表型，并定义为副凋亡。副凋亡的形态学特征是细胞质空泡化，线粒体和内质网肿胀，但没有核固缩现象。典型的副凋亡既无caspase的活化，也对caspase抑制剂无反应，更没有凋亡小体的形成等其他凋亡特征性的形态学改变，提示其是与凋亡不同的一种细胞死亡形式。副凋亡的文献报道比较少，其机制有待于进一步深入研究。高剂量的IGF或胰岛素等营养因子可以通过IGF-ⅠR活化MAPK/ERK以及JNK通路引起副凋亡的发生，并且可以被ALG-2-interactingprotein 1/ALG-2-interacting-protein x　　（AIP1/Alix）特异性地抑制。

是另一种细胞死亡通路。1989年，Lisa Molz等发现在酵母的一种对热敏感的突变株中，细胞分裂时染色体分离发生异常。相应的一些学者便把这种在DNA发生损害时，细胞无法进行完全的分裂，从而导致四倍体或多倍体的现象称为细胞有丝分裂灾难。对于细胞有死分裂灾难的形态学特点描述并不是很完全，但主要是巨细胞的形成，内有多个小核，染色质凝聚。有丝分裂灾难和凋亡的染色体固缩是否一样，现在看法并不一致。DNA发生损害时，如果细胞不能有效地阻断其细胞周期的进行，会导致染色体的异常分离，这些非正常分裂的细胞在下一轮有丝分裂中会继续导致细胞多倍体的形成从而成为癌变的基础。而细胞有丝分裂灾难作为一种死亡机制可以使这种非正常分裂的细胞死亡。细胞有丝分裂灾难由多种分子调控，如 CDK1、p53及survivin等，其死亡信号传递有很大一部分与凋亡相重叠。

细胞核在细胞死亡时变化比较明显，所以很多人以此为标准将细胞死亡分为凋亡、凋亡样程序性细胞死亡、坏死样程序性细胞死亡和坏死，其中前三种是程序性细胞死亡，坏死是非程序性细胞死亡。

如前所述，凋亡细胞核的特点是染色质凝聚，呈球状或半月状。其他的形态学变化还有磷脂酰丝氨酸外翻、细胞皱缩、凋亡小体形成等。凋亡一般都会伴有caspase尤其是caspase-3的活化。

凋亡样程序性细胞死亡核的特征是染色质凝聚的程度较低，比凋亡细胞的染色体疏松一些，同时可以有凋亡细胞其他方面的形态学的变化，多数caspase非依赖的凋亡归于此类。

坏死样程序性细胞死亡一般无染色质的凝聚或者只有疏松的点状分布，一些特殊的caspase非依赖的死亡归于此类。线粒体在细胞死亡中扮演着核心角色，其所释放的促进细胞死亡的分子大致有三类。第一类是细胞色素C，它与胞质里的Apaf-1、ATP和 caspase-9前体分子形成 apoptosome，引起caspase-9的激活，进而激活 caspase-3，引起典型的凋亡。第二类是超氧自由基，可以使细胞发生坏死样程序性细胞死亡，且此效应剂可以被抗氧化剂所拮抗。第三类是AIF，AIF可以切割染色体产生大的DNA片段（约 50kb），而 caspase激活的DNA酶切割DNA产生的片段则很小（几十个碱基对），二者对细胞核形态的影响也不相同。AIF可以使细胞发生凋亡样程序性细胞死亡。

1990年 Clarke等补充了Schweichel和Merker对于细胞死亡的分类，将程序性细胞死亡分为Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类，至今仍被广泛引用。

Ⅰ类程序性细胞死亡即是凋亡，形态学特征如上所述，这类死亡一般没有溶酶体的参与，且死后会被吞噬细胞所吞噬。

Ⅱ类程序性细胞死亡即是自吞噬性程序性死亡，如上所述，其主要的形态学特征是自吞噬泡的形成，自吞噬泡和溶酶体融合后被消化，而细胞残骸会被吞噬细胞吞噬。

Ⅲ类程序性细胞死亡即是坏死样程序性细胞死亡，其主要的形态学特征是各种细胞器的肿胀、胞膜的破坏等，这类细胞死亡没有溶酶体的参与。Ⅲ类程序性细胞死亡又分为两个亚类ⅢA和ⅢB，其中ⅢB亚类胞膜破坏比较轻微，各类细胞器的肿胀表现比较明显，而且死亡后会被吞噬细胞吞噬。

上述两种分类方法都涉及坏死性程序性细胞死亡，但是两种方法所关注的形态学特征却并不一致。Clarke分类中的Ⅱ类程序性细胞死亡如果按照细胞核形态分类应该属于坏死样程序性细胞死亡，因为它没有发生染色质凝聚（表17-1）。

随着对细胞死亡的深入研究，越来越多的新的细胞死亡方式正逐渐被发现和研究。细胞具有多种死亡方式是有其进化必然性的。多细胞生物在生命过程中会有大量“多余的”或“生病的”细胞死掉，单一的死亡方式对于生命来说是十分危险的，因为一旦此通路受到抑制，后果将不可想象。多种死亡方式的存在就像一个多重保险，会“千方百计”地使应该死亡的细胞发生死亡，即便是某些通路的受阻。