细胞凋亡的生物学特征

细胞凋亡的生物学特征

【摘要】细胞凋亡是细胞的主动死亡过程，此过程涉及一系列基因的激活表达和调控。凋亡是为了适应生存环境的主动死亡过程，并不是病理条件下的损伤。核酸内切酶反应是凋亡分子(APO)的重要步骤。目前，人们对细胞凋亡的发生机制及其与疾病的关系有了比较全面清晰的认识,这对重新认识疾病的发生机制具有划时代的意义。而认识细胞凋亡的生物学特征有助于我们更好的了解细胞凋亡,故本文主要就细胞凋亡的生物学特征进行综述。

【关键词】细胞凋亡；生物学特征；形态学特征；生化特征

细胞凋亡的特征

1.形态学特征

1.1.电镜下观察特征

凋亡细胞在电镜下表现为：细胞核缩小，电子密度增高，核膜皱缩，染色体密集于核膜下，分布不均匀。后来，核被分解成碎片，核碎片在细胞质中与细胞器等成分一起被细胞膜包裹。从外观上看，细胞表面产生了许多泡状或牙泡状突起。以后逐渐分离，形成了单个的凋亡小体。此后，细胞质密度增高，细胞骨架可被破坏，但细胞器的结构可以保持到细胞凋亡后期。内质网在细胞凋亡后期扩张成泡状，与细胞膜融合成胞质气泡。这时，凋亡小体逐渐脱离细胞体，进入间质。于是凋亡细胞被逐步解体。从细胞凋亡开始到凋亡小体的出现才数分钟，而整个细胞凋亡的过程可以持续数小时。

1.2细胞凋亡的三个阶段

按细胞凋亡的形态学特征变化，细胞凋亡可分为如下三个阶段：

⑴凋亡开始时，细胞表面的特化结构(如微绒毛、细胞突起及细胞表面的褶皱等)消失，但细胞膜依然完整，没有失去选择通透性；线粒体大体保持完整，但是偶尔也见到线粒体变大，嵴增多；内质网囊腔膨胀扩大；细胞骨架的结构有时变得致密和紊乱；染色质浓缩从而呈致密碱性染色,并分布在核膜周围或一侧，呈眼球状。细胞凋亡会使细胞质、细胞核和细胞膜发生一系列生物化学和物理上的变化②。在细胞凋亡早期，细胞膨胀变圆，与邻近细胞的联系断绝并且脱离后皱缩。在细胞质中，内质网肿胀积液形成液泡,此时胞质细胞器压缩，但线粒体的形态仍保持正常。在细胞核内，染色质逐渐凝集成新月状，附在核膜周边，嗜碱性增强。最终细胞核裂解为由核膜包裹的碎片。在细胞膜上，细胞结点不再相连，细胞膜变得更活跃进而发生内陷。这些变化都将导致细胞裂解为由细胞膜包裹细胞内容物的凋亡小体。在生理条件下细胞膜上发生特定的调节作用，这可以使吞噬细胞识别并吞噬凋亡小体。在细胞发生凋亡的过程中不会伴有细胞内容物渗漏和

炎症反应。⑵形成凋亡小体。⑶凋亡小体形成后，被巨噬细胞吞噬消化，此过程不影响其他细胞的生理功能，也不引起周围细胞的炎症反应。

2.生化特征

2.1胞浆Ca2+和H+水平升高

与细胞凋亡相关的酶，最主要的就是凋亡性核酸内切酶（apoptotic endonuclease），而该酶又分为DNaseⅠ型酶和DNaseⅡ型酶。DNaseⅠ型酶为Ca2+ （主要）、Mg2+依赖性核酸内切酶，该种酶能够被Ca2+ 和Mg2+ 所激活，并且随着其浓度的增加活性增加。所以要想该酶更好地发挥作用，就必须升高Ca2+ 的水平；DNaseⅡ型酶为pH依赖性核酸内切酶，同理，要想该酶更好地发挥作用，也必须得升高的H+的水平。

早在20世纪70年代就有人发现在正常细胞中存在由Ca2+和Mg2+依赖性内源性核酸内切酶，这种Ca2+、Mg2+依赖性核酸内切酶是一种双链 DNA内切酶，将这类与凋亡有关的核酸内切酶DNase，统称为凋亡性核酸内切酶。经这种酶切割后所产生的DNA最小单位长度为180bp，其余DNA片段长度为180bp的倍数（寡聚体），经此酶的消化，可产生类似凋亡细胞的DNA降解现象，Ca2+和Mg2+能激活此酶的活性，Zn2+显著抑制其作用。DNA的切割动力学分析表明，这种DNA降解片段可以在1~2h内检测到，DNA降解过程从细胞死亡前5h开始，到24h绝大多数凋亡细胞降解达到高峰。

目前已有更多的实验证明， 胞内酸性pH或H+浓度的增加可促发凋亡的形成，其机制可能与相关蛋白酶类的激活有关。Park等在细胞培养中，通过改变pH研究白血病HL-60细胞凋亡，发现当培养基（细胞外pH）pHe=6.2~6.4时细胞pHi为6.6~6.9即诱发凋亡；当pHe=5时，细胞则表现为坏死形式。这一实验显示了胞内pHi可在一定范围内决定细胞的死亡形式。Gottlieb等则以细胞表面Fas蛋白抗体、放线菌酮及紫外线分别处理细胞，发现当细胞pHi降至6.8以下后，才相继出现“梯状DNA片断”及凋亡的形态特征，进一步表明了酸性pHi参与调控细胞凋亡的发生。

此外，由于凋亡性核酸内切酶被激活，所以细胞凋亡时细胞的蛋白质含量会明显减少。

2.2最主要的生物化学特征为，核DNA片段化

对于绝大多数类型的细胞来说，凋亡过程的最后阶段都会发生细胞核DNA的降解，成为片段化小体。由于核酸内切酶激活，基因组的DNA在核小体连接区发生非随机性降解，产生寡核小体片段，其大小相当于核小体(180—200 bp)的倍数。由于降解后产生的DNA片段是由多聚体组成，故在琼脂糖凝胶电泳中

可见特征性的“梯”状(1adder pattern)条带。但在整个过程中，线粒体内的DNA并不发生断裂。

2.3细胞膜磷脂酰丝氨酸外翻

磷脂酰丝氨酸，英文名Phosphatidylserine，简称PS，由天然大豆榨油剩余物提取。是细胞膜的活性物质，尤其存在于大脑细胞中。其功能主要是改善神经细胞功能，调节神经脉冲的传导，增进大脑记忆功能。细胞膜主要由脂质、蛋白质和糖类等物质组成，脂质以双分子层的形式存在。在细胞凋亡早期，细胞膜的平衡结构被打乱,不对称性分布发生改变，表现为外翻。此时细胞膜与外界接触消失。

2.4线粒体变化

在细胞凋亡早期，线粒体会发生两个主要变化，一是跨膜电位下降，二是膜的通透性增强。当线粒体膜外电势差减少时，线粒体膜电位降低，并可以引起其膜内一系列生化改变，如caspase活化等。此时跨膜电位虽然下降，但仍然存在。另外，此时线粒体对膜外蛋白质的通透性增强，以便可溶性的膜间蛋白从线粒体释放出来。

3.细胞凋亡的检测方法

3．1形态学检测

3.1.1显微镜检测

光学显微镜下可观察细胞形态特征，如细胞缩小，核质固缩聚集形成小体及吞噬现象等；电子显微镜下可见核仁消失，内质网、线粒体增多，细胞膜微绒毛消失等，电镜超微结构是诊断细胞凋亡最可靠的指标，尤其是凋亡小体的发现。

3.2生化检测

凋亡细胞核DNA电泳时，显示出180~200bp及其不同倍数的梯带，这被视为最典型的凋亡指标。此外还可以进行流式细胞分析、TUNEL测定等。

由上可知，在细胞凋亡的时候可发生一系列形态学及生物化学方面的变化，这些变化对细胞产生相应的影响，使细胞程序性死亡。

参考文献：

①朱秀敏 (邢台学院生物化学系，河北 邢台054001)

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中国农业科学院兰州兽医研究所，家畜疫病病原生物学国家重点实验室，农业部畜禽病毒学重点开放实验室，国家口蹄疫

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