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第一节 细胞衰老
一、早期的细胞衰老的研究
关于细胞衰老（cellular aging或cell senescence）的研究，在衰老生物学中占有特殊的地位。大量研究表明，衰老实际上也是一种细胞的重要生命活动。然而对这一问题的认识过程却是漫长而曲折的。
大约在100年前，当魏斯曼提出种质不死而体质会衰老和死亡的学说时，他是将单细胞生物，特别是原生动物排除在外的。确实，当时观察到原生动物的某些无性系可以长期保持很高的分裂速度，因此关于原生动物不死的说法曾经广为流行。但以后的研究却发现原生动物的细胞分裂不是均等的，新细胞的结构成份并不是完全更新的，新细胞中也存在着老化的结构成份；少数强壮的无性系的存在并不能否定原生动物细胞衰老的事实。因此关于原生动物细胞“不死性”的说法就逐渐被废弃了，代之而起的是关于某些无性系的稳定性的观点。
然而，当Carrel和Ebeling宣布他们培养的鸡心脏细胞可以无限制地生长和分裂（直到他们报告时，已连续培养了34年）时，细胞“不死性”的观点不但卷土重来，而且几乎取得了决定性的胜利。后来他们还报告说，鸡胚成纤维细胞在离体培养条件下的生长速度与培养基中加入的鸡血浆供体年龄呈负相关，似乎表明年老动物的血浆中存在有衰老因子。他们认为细胞本身不会衰老，衰老是由于环境的影响。二十世纪四、五十年代L系小鼠细胞和HeLa细胞系的建立，又使细胞“不死性”的观点的统治地位更加巩固了。根据这种观点，细胞本身没有衰老和死亡，衰老只是一种多细胞现象，多细胞生物体内观察到的细胞衰老，起因不在细胞本身，而是由于体内外环境的影响。这种观点在60年代初，主要由于Hayflick等人的工作而受到猛烈的冲击，并从根本上动摇了。
二、Hayflick界限
1961年，Hayflick和Moorhead报告说，培养的人二倍体细胞表现出明显的衰老、退化和死亡的过程[1]。若以1：2的比率连续进行传代（群体倍增），则平均只能传代40～60次，此后细胞就逐渐解体并死亡。Hayflick等的发现很快就得到许多研究者的证实。他们的工作表明，细胞，至少是培养的细胞，不是不死的，而是有一定的寿命；它们的增殖能力不是无限的，而是有一定的界限，这就是有名的Hayflick界限（Hayflick Limitation）。Hayflick等的工作是对Carrel等人坚持的关于细胞“不死性”的学说的彻底否定。此外，运用现代的培养技术并不能重复出Carrel所观察到的培养细胞无限生长的现象。Hayflick认为Carrel每次向培养基中加入的鸡胚提取物可能混杂入新鲜的细胞。而不死的HeLa细胞和L系小鼠细胞已被证明是不正常的细胞，它们的染色体数目或形态已经不同于原先的细胞了。此外，Hayflick等还发现，从胎儿肺得到的成纤维细胞可在体外条件下传代50次，而从成人肺得到的成纤维细胞只能传代20次，可见细胞的增殖能力与供体年龄有关。这一现象也为许多研究者所证实。Goldstein选用了早老症（Hayflick-Guilford综合症）及Werner氏综合症患者的成纤维细胞进行培养。这两种病的患者表现出极其明显的衰老特征，例如9岁的早老症患者组织中已经有老年色素的沉积，外貌看起来就像70多岁的人那样老，通常在20岁前死去。从这种病人身上得到的成纤维细胞在体外只能传代2～4次，其DNA合成亦较少，且细胞表面不具有正常成纤维细胞所具有的HLA抗原标记。Werner氏综合症患者的成纤维细胞在体外培养条件下的行为亦大体相同。这些研究有力地说明，体外培养的二倍体细胞的增殖能力反映了它们在体内的衰老状况。Hayflick还比较了取自寿命长度不同的生物的胚成纤维细胞在体外培养条件下的传代数和寿命，发现物种寿命与培养细胞寿命之间存在着确定的相关关系，例如Galapagos龟平均最高寿命最长，达175岁，其培养细胞的传代数亦最多，达90～125次，小鼠平均最高寿命为3.5年，其培养细胞的传代次数亦少，仅14～28次。
为了确定培养的人二倍体细胞的衰老是细胞本身决定的还是由于培养环境的恶化（例如培养基中营养物质的缺乏，细菌的污染或有毒物质的积累），Hayflick设计了巧妙的试验，他以间期有无巴氏小体作为供体细胞的标记，将取自老年男性个体的细胞（间期无巴氏小体）和取自年轻女性个体的细胞（间期可见巴氏小体）进行单独或混合培养，并统计其倍增次数，结果混合培养中的两类细胞的倍增次数与各自单独培养时相同，即在同一培养基中，当年轻细胞旺盛增殖的同时，年老细胞就停止生长了。这一结果有力地说明，决定细胞衰老的因素在细胞内部，而不是外部的环境。为了进一步探求体外培养的二倍体细胞衰老表达的控制机理，Wright和Hayflick用细胞松弛素B处理细胞，然后离心以除去细胞核，得到胞质体（cytoplast），再用胞质体与完整细胞进行杂交，观察杂种细胞衰老的表达。结果发现，年轻的细胞胞质体与年老的完整细胞融合时，得到的杂种细胞不能分裂；而年老的细胞胞质体与年轻的完整细胞融合时，杂种细胞的分裂能力与年轻细胞几乎相同。这一试验的结果说明，是细胞核而不是细胞质决定了细胞衰老的表达。至此，Hayflick界限，即关于细胞的增殖能力和寿命是有限的观点，为广大的研究者所接受，认为适用于很多类型的细胞；对于这些细胞来说，衰老是不可避免的，衰老的原因在于细胞本身。
三、细胞在体内条件下的衰老
实际上，在生活有机体内，细胞的衰老和死亡是常见的现象，甚至在个体发育的早期也会发生。例如蝌蚪发育时尾和鳃的消失就是通过细胞的死亡而实现的。但体内细胞类型不同，其增殖状况各异。神经元及心肌细胞在发育的早期即已停止分裂，成为固定的有丝分裂后细胞，尔后它们逐渐衰老和死亡，人脑在衰老时神经元的不断丧失即是一个明证。肝、软骨细胞属于回复性分裂后细胞，它们通常不分裂，但终身保持分裂能力，例如部分切除肝细胞后，剩余的肝细胞即能进行旺盛的同步分裂。引起人们最大兴趣的要算那些在正常情况下终生保持分裂的细胞，如骨髓细胞，上皮细胞等。它们的分裂能力是否随着有机体年龄的增高而下降？它们会不会衰老？这些问题引起了研究者们极大的兴趣。
以往曾有人研究过不同龄BCF1小鼠小肠腺窝上皮细胞的周期长度，发现随着年龄的增高，细胞周期长度明显延长。2月龄小鼠细胞周期总长度为10.1小时，而27月龄者竟达15.2小时，延长50％。可见衰老动物体内，细胞分裂速度显著减慢，其原因主要是G1期明显延长，S期的长度变化不大。其他研究者的工作亦得到大体相同的结论。然而细胞周期的延长，亦即细胞分裂能力的下降的原因是什么？是由于细胞本身的衰老，还是由于体内环境的恶化？为了解答这个问题，研究者们采用了组织移植技术。Krohn用近交系小鼠进行皮肤移植试验。他将小鼠的皮肤移植到其F1后代身上，当F1变老时，又移植到F2身上，这样他进行了系列移植，结果移植的皮肤细胞可生活7～8年，远远超过其原来供体的寿命，这表明引起小鼠皮肤细胞在体内衰老的主要是体内环境。Daniel用小鼠乳腺上皮进行了系列移植试验，如果两次移植的间隔时间为1年，则可存活6年，也明显长于小鼠的寿命，说明衰老个体内的环境因素影响了上皮细胞的增殖和衰老。
研究得最为充分的要算骨髓干细胞的移植。骨髓干细胞产生淋巴细胞、红血细胞、粒细胞及血小板的前体细胞。Hirokawa等将老年动物进行强辐射处理，破坏其免疫干细胞，然后移植入年轻动物的骨髓和新生小鼠的胸腺，结果观察到年老受体动物细胞免疫功能的复壮。这似乎表明免疫功能的复壮是由于年轻动物的干细胞取代了原来老化了的干细胞。Astle和Hirokawa（1984）重复并证实了Hirokawa等的试验，他们还发现，如果移植的骨髓干细胞是来自年老的动物，那么免疫反应就仍然保持在较低的水平上，不会复壮。他们认为免疫反应是否复壮，关键在于供体与受体的年龄组合。他们的结论是，老年动物干细胞的免疫缺陷只是在老年受体中才表达。进一步的研究表明老年动物体内似乎存在有阻抑细胞或阻抑因子，抑制了免疫反应。
总之，根据以上的研究，虽然不能认为骨髓干细胞没有衰老，但可以说，它们的衰老至少是比较缓慢的。揭示干细胞衰老缓慢的机理，对于了解衰老的本质，无疑是十分重要的。
四、衰老细胞结构的变化
细胞在衰老过程中，其结构发生深刻的变化。
（一）细胞核的变化
在体外培养的二倍体细胞中发现，细胞核的大小是倍增次数的函数，即随着细胞分裂次数的增加，核不断增大。
细胞核结构的衰老变化中最明显的是核膜的内折（invagination），这在培养的人肺成纤维细胞中比较明显。在体内细胞中也可观察到核膜不同程度的内折，神经细胞尤为明显，这种内折与龄俱增。核膜内折在老年小鼠的浦金野氏细胞、海马、垂体前叶及肝细胞中均观察到。染色质固缩化是衰老细胞核中另一个重要变化。体外培养的细胞中，晚代细胞的核中可看到明显染色质的固缩化，而早代细胞的核只有轻微的固缩作用。除了培养细胞外，体内细胞，如老年果蝇的细胞，老年灵长类的垂体细胞及大鼠颌下腺的腺泡细胞中，都可观察到染色质的固缩化。染色质固缩作用与染色质蛋白的双硫键有关。此外，在酵母Sgsl突变体衰老细胞中还观察到核仁裂解为小体的现象。
（二）内质网的变化
Hasan和Glees比较了不同年龄大鼠海马细胞的内质网结构，发现年轻动物的细胞中，粗面内质网发良良好，排列有序；而在年老动物中，这种有序的排列已不复存在，内质网成分弥散性地分散于核周胞质中。在衰老大鼠的侧前庭核及小脑浦金野氏细胞中，均观察到粗面内质网解体的趋势。在光学显微镜下用碱性染料染色，可以观察到小鼠和人的大脑及小脑某些神经元中尼氏物质的含量随龄下降，而尼氏小体实际上代表了内质网和核糖体群。对体外培养的人胚肺成纤维细胞，发现26次倍增以前的细胞内质网膜腔膨胀扩大，含有不定形的致密物质，且为核糖体所复盖；而40次倍增以后的细胞内质网膜腔未见膨胀，所含不定形致密物质亦少，且具无核糖体复盖区段。总的说来，衰老细胞中粗面内质网的总量似乎是减少了。
（三）线粒体的变化
多数研究者的工作表明，细胞中线粒体的数量随龄减少，而其体积则随龄增大。例如在衰老小鼠的神经肌肉连接的前突触末梢中可以观察到线粒体数量随龄减少。同时许多报告表明，在小鼠、大鼠及人肝的衰老细胞中，线粒体发生膨大。膨大的线粒体中有时可见到清晰的嵴，偶尔亦会观察到线粒体内容物呈现网状化并形成多囊体，以及外膜破坏，多囊体释出的情况。
在培养的人成纤维细胞中，还观察到两种不同类型的线粒体：I型固缩紧密，II型大而稀疏，通常每个细胞只含一种类型的线粒体；随着倍增次数的增加，I型线粒体越来越多。
（四）致密体的生成
致密体（dense bodies）是衰老细胞中常见的一种结构，绝大多数动物细胞在衰老时都会有致密体的积累。除了致密体外，这种细胞成份还有许多不同的名称，如脂褐质（lipofuscin）、老年色素（ageorse-nile pigment）、血褐质（hemofuscin）、脂色素（lipochrome）、黄色素（yellowpigment）、透明蜡体（hyaloceroid）及残体（residual bodies）等等。致密体的发现可上溯至19世纪，但只是近年来才逐渐弄清了它们的起源。较近的研究提供了大量证据，表明致密体是由溶酶体或线粒体转化而来。多数致密体具单层膜且有阳性的磷酸酶反应，这和溶酶体是一致的。少数致密体显然是由线粒体转化而来，因为可以看到双层膜结构，有时嵴的结构也依稀可见。脂褐质通常产生自发荧光，它是自由基诱发的脂质过氧化作用的产物。
（五）膜系统的变化
年轻的功能健全的细胞的膜相是典型的液晶相，这种膜的脂双层比较柔韧，脂肪酸链能自由移动，每个脂类分子与其相邻分子之间的位置交换极其频繁，埋藏于其中的蛋白质分子表现出最大的生物学活性。衰老的或有缺陷的膜通常处于凝胶相或固相，这时磷脂的脂肪酸尾被“冻结”了，完全不能自由移动，而膜就变为刚性的了，因此埋藏于其中的蛋白质也就不再能运动了；在机械刺激或压迫等条件下，膜就会出现裂隙，其选择透性及其它功能均受到损害。
此外，细胞衰老时，细胞间间隙连接及膜内颗粒的分布也发生变化。间隙连接在细胞间离子和小分子代谢物的交换上起着重要的作用。研究发现，培养的IMR-90晚代细胞的间隙连接明显减少，组成间隙连接的膜内颗粒聚集体变小。为了观察间隙连接的变化对细胞间的代谢联系产生的影响，研究者们还用放射自显影法来研究重建间隙连接的年轻或年老细胞间3H-脲嘧啶核苷酸的交换，结果发现，重新集聚4小时后，70％的年轻细胞从共同培养的年轻供体细胞得到3H-脲嘧啶，而只有30％的年老细胞从共同培养的年老供体细胞中得到这种物质。这表明，衰老时间隙连接的减少，使细胞间代谢协作减少了。
用冰冻断裂法可以看到细胞膜P面的膜内颗粒在年老细胞中明显减少，而E面颗粒相对增加，但总颗粒数的变化不显著。这种变化反映了衰老细胞中膜内颗粒在膜平面上进行侧向运动能力的丧失。
五、细胞衰老的分子机理
九十年代以来，关于细胞衰老的分子机理的研究有了重大进展，最突出的成果有：（1）单基因的突变导致寿命的显著延长，对这些基因的克隆及其产物特性和功能的研究，使我们对细胞衰老的分子机理的认识大大加深了；（2）端粒和端粒酶与细胞衰老关系的发现，提供了控制细胞衰老的新途径，除此以外，在其他一些有关衰老机理的研究上，也取得了不同程度的进展。
（一）氧化性损伤学说的发展。
早在五十年代，Harman就已提出衰老的自由基理论，以后又不断有所发展。这一理论认为，代谢过程中产生的活性氧基团或分子（reactive oxygen species，ROS）引发的氧化性损伤的积累，最终导致衰老。细胞从外界吸收的氧中约有2～3％变成ROS，ROS主要有三种类型：（1）?O2，即超氧自由基；（2）?OH，即羟自由基；（3）H2O2。它们的高度活性，引发脂类、蛋白质和核酸分子的氧化性损伤，从而导致细胞结构的损伤乃至破坏。例如ROS可以氧化不饱和脂肪酸，并产生过氧化脂质，后者进一步分解，产生小分子醛类物质，进而引起蛋白质等大分子的交联。根据衰老的自由基理论，清除ROS，就可以延长寿命。事实也确实如此。近年来发现，超表达Cu/Zn SOD和过氧化氢酶的转基因果蝇寿命比野生型长34％；而将人SOD1基因转入成年果蝇的运动神经元中，使果蝇寿命延长40％。差不多同时，有人在线虫中发现了一个age-1突变体，其寿命为野生型的两倍，且其SOD及过氧化氢酶活性及对ROS的抵抗力均比野生型高。那末，age-1和SOD有什么关系？它们是否是同一个基因呢？研究者克隆了线虫SOD基因，发现其位置在tra-2和unc-lo4两个位点之间，这和当时推定的age-1基因的位置重叠，从而燃起了人们的希望。如果这二者是同一基因，那末age-1突变体的长寿应归因于SOD的抗氧化功能了。然而，很快就发现，这两个基因在位置上有一定的距离，从而否定了当初的猜想。现在我们知道，age-1基因编码磷脂酰肌醇3-激酶的p110催化亚基，其产物介导磷脂酰肌醇的信号传递路线，而和抗氧化作用无关。
进一步的研究更使人们对SOD这一类抗氧化因子对衰老的影响提出了疑问，有人将小鼠的谷胱甘肽过氧化物酶基因及SOD1，SOD2和SOD3基因中的一种敲除，并未引起衰老的加速。
除了age-1基因外，近年来还在线虫中发现了另一种和寿命的延长有关的基因，即clk-1基因。这个基因是酵母中参与CoQ合成的CAT5基因的同类物。确实线虫的clk-1突变体中CoQ含量也较低。CoQ是线粒体呼吸链的成员，CoQ的缺乏，使电子传递减慢，ROS的形成减少，代谢变慢，这可能是Clk-1突变体寿命较长的原因。
（二）端粒与衰老
端粒（telomere）是染色体末端的一种特殊结构，其DNA由简单的串联重复序列组成。它们在细胞分裂过程中不能为DNA聚合酶完全复制，因而随着细胞分裂的不断进行而逐渐变短，除非有端粒酶（telomerase）的存在。端粒酶是一种核糖核蛋白酶，由RNA和蛋白质组成。端粒酶RNA是合成端粒DNA的模板，而端粒酶的反转录酶亚基（在人细胞中为hTRT）则催化端粒DNA的合成。合成的端粒重复序列加在染色体的末端。人的染色体端粒由TTAGGG/CCCTAA重复序列组成。在生殖细胞中，由于存在端粒酶的活性，端粒保持约15Kbp的长度，而在人的体细胞中，由于不存在端粒酶的活性，端粒要短得多。
1990年Harley等人用人工合成的（TTAGGG）3作为探针，对胎儿，新生儿，青年人及老年人的成纤维细胞的端粒长度进行测定，发现端粒长度随龄下降。在体外培养的成纤维细胞中，端粒长度则随着分裂次数的增加而下降。在这些研究的基础上，提出了细胞衰老的“有丝分裂钟”学说，该学说认为，随着细胞的每次分裂，端粒不断缩短；当端粒长度缩短达到一个阈值时，细胞就进入衰老。到了1998年，Wright等人提出了更加令人信服的证据。他们将人的端粒酶反转录酶亚基（hTRT）基因通过转染，引入正常的人二倍体细胞（人视网膜色素上皮细胞和包皮成纤维细胞），发现表达端粒酶的转染细胞，其端粒长度明显增加，分裂旺盛，作为细胞衰老指标的b一半乳糖苷酶活性则明显降低，与对照细胞形成极鲜明的反差。此外，表达端粒酶的细胞寿命比正常细胞至少长20代，且其核型正常。这一研究提供的证据确实令人膺服，说明端粒长度确实与衰老有着密切的关系。
当然也有不少研究报告不支持这一学说。就在同一年（1998年），Carman等报告说，二倍体的叙利亚仓鼠胚细胞在复制分裂的各阶段始终表达端粒酶，其端粒长度亦保持恒定，然而经过20～30代分裂后，仍然进入衰老。另外，某些小鼠终生保持较长的端粒，但并未因此而获得较长的寿命；特别是敲除端粒酶基因的小鼠已经获得，但在其前五代中，迄今未观察到相应的表现型的变化（如寿命的缩短）。看来，衰老的端粒钟学说还需要经受更多的检验。
（三）rDNA与衰老
这方面的研究主要是在S. cerevisiae中进行的。这种酵母的细胞分裂是不对称的，每次分裂，产生一个大的母细胞和一个小的子细胞，母细胞分裂若干代后就进入衰老。经过大量的研究，已经确定细胞衰老的步伐是由rDNA的变化所决定的。S.cereuisiae中，rDNA以100～200份串联拷贝的形式存在于第12号染色体上，在酵母达到生命的“中年”时的某一时刻，通过同源重组产生的第一份环状rDNA片段会膨冲而出，成为染色体外rDNA环（extrachromosomal rDNA circle，ERC）。随着细胞分裂的不断进行，ERC不断复制增加。当积累到500～1 000 份拷贝时，细胞就进入衰老（图13-1）。用双向电泳法也证明，年老的细胞中积累了许多密闭的环状rDNA，而年轻细胞中则以线性的基因组DNA为主，只含有极少量的环状rDNA。ERC的积累，导致细胞衰老，并伴随着核仁的裂解。
ERC积累引起细胞衰老的机理是在酵母中发现的，一般认为它适用于哺乳类中由分裂细胞组成的组织。但关于哺乳类细胞中环状DNA随龄积累的报导并不多见，而且已知的环状DNA不包括rDNA。这方面还需要进一步的研究。
（四）沉默信息调节蛋白复合物与衰老。
沉默信息调节蛋白复合物（Silencing information regulator complex，Sir Complex），简称Sir复合物，包括Sir1，Sir2，Sir3，Sir4，通常存在于异染色质中。它们一方面与RAP1和组蛋白H3/H4结合一方面附在核基质上。Sir复合物的功能是阻止它们所在位点的DNA的转录。在酵母中，Sir复合物通常存在于端粒及与性别决定有关的HML和HMR位点上。
1994年Kennedy等发现，在一种被称为SIR4-42的酵母突变体中，Sir3蛋白和Sir4蛋白发生重新分布的现象，即由端粒等处向核仁转移，这种转移伴随着寿命的延长。这一研究表明，核仁的沈默化与寿命的延长有关。他们发现，从这个突变体中得到的Sir4蛋白，其羧基末端的121个氨基酸残基被除去。这个区域本是Sir4蛋白与端粒和HM处的RAP1蛋白相互作用的结构域。这一区域的去除，使Sir复合物得以自由定位，从端粒和HM位点转移至核仁，使核仁的r DNA处于沈默状态，抑制了复制，同源重组及ERC的生成和积累，从而延长了寿命。
图13--1 酵母中ERC生成示意图
酵母rDNA由多份重复序列组成，同源重组往往发生在相邻重复序列的某一DNA损伤点上。SGS1基因和SIR基因减缓ERC积累的速率。
（五）SGS1基因﹑WRN基因与衰老
在酵母中发现了一种sgs1突变体，其寿命明显短于野生型。野生型平均分裂24.5代，最高分裂代数为40；而sgs1突变体平均分裂9.5代，最高分裂代数为18。这表明SGS1基因的缺陷或丧失明显影响了寿命。研究者进一步克隆了SGS1基因并分析它所编码的蛋白，发现它属于RecQ亚族的DNA解旋酶。
对sgs1细胞的观察，发现其核仁结构在年轻细胞中正常，而在年老细胞中，核仁裂解为小体。应用免疫荧光法发现了SGS1蛋白在细胞中的定位。超过90％的细胞中，SGS1蛋白集中在核仁。核仁如果缺少SGS1蛋白就会裂解。同时，在sgs1细胞衰老时，可观察到Sir蛋白向核仁的转移，转移至核仁的Sir蛋白有阻止核仁裂解和细胞衰老的作用。当比较正常酵母（SGS1/SIR3）和（SGS1/Sir3）突变体时，发现经12次分裂后，前者核仁裂解率为6％，而后者达19％，说明Sir蛋白向核仁的转移，抑制了核仁的裂解，延长了寿命。
另一方面，近年来人们也以Werner综合症（WS）为对象，进行衰老机理的研究。Werner综合症是一种引发早老的疾病。WS病人出生后10岁前基本正常；10～20岁时，缺少正常的青春期快速生长过程；20多岁时，出现双眼白内障，白发，脱发等正常人老年时才会出现的现象；30多岁时，出现骨质疏松，II型糖尿病，动脉粥样硬化，肿瘤等；40岁以后，心血管病，肿瘤发生频率大大增加。取自WS病人的细胞在体外条件下培养，分裂代数比正常人的细胞少得多；其细胞中发生染色体重排，删除突变频率大大增加，所以WRN基因是保证正常寿命所必需的。WRN基因与SGS1基因同源。WRN蛋白含1 432个氨基酸残基，具有7个DNA解旋酶所特有的标志性序列。对WS病人的WRN蛋白的分析表明，不同病人的WRN蛋白发生了不同的突变，影响其正常功能，造成DNA复制的严重障碍。用免疫荧光法也证明，正常人的成纤维细胞中，WRN蛋白位于核仁中，而来自WS病人的皮肤成纤维细胞中，观察不到典型的WRN蛋白。这些结果表明，编码DNA解旋酶的人WRN基因和酵母SGS1基因是保证细胞正常生命周期所必需的，如果发生突变，就会引起衰老的提前发生和寿命的缩短。
（六）发育程序与衰老
近年来，用线虫进行的发育程序与衰老关系的研究取得了重要的进展，线虫（Canorhabaitis elegans）的幼虫期持续约4天，然后达到性成熟并进入成虫期。成虫期延续数周，随即衰老死亡。当线虫幼虫在发育过程中遇到不良环境（如虫口过密，食物短缺或高温），引起性外激素浓度的变化，结果幼虫就进入一种特殊的称为dauer幼虫的阶段，可以延续6个月之久。dauer幼虫全身被以厚的角质层，口紧闭，处于休眠状态。如果环境条件改善，dauer幼虫又可发育为成虫，经过数周，完成其生活史。线虫的这种特殊的发育模式引起了研究者的强烈兴趣，因为这牵涉到发育方向的决定和寿命的延长。遗传分析表明，存在着两类有关dauer幼虫形成（dauer formation）的基因，称为daf基因。第一类为daf-2和age-1基因，第二类为daf-16基因。daf-2编码类胰岛素受体，age-1编码磷脂酰肌醇-3-激酶（PI-3-激酶）的p110催化亚基，daf-16编码一种转录活化剂。野生型线虫若处于正常条件下，daf-2和age-1正常表达，DAF-2受体蛋白及其下游的PI-3-激酶进行正常的信号传导，决定了正常的成虫发育。在饥饿或虫口过密的条件下，daf-16基因表达，转录活化因子DAF-16的活性明显增强，使线虫朝dauer幼虫的方向发育。在某些daf-2或age-1突变体中，daf-2或age-1基因部份得到表达。这样，部份活化的DAF-2/AGE-1信号传导导致决定成虫发育和dauer幼虫特异的防御机制的同时表达，其结果是完成正常的成虫发育，而又获得寿命的延长（延长2～4倍）。这些工作为衰老机理的探索提供了有意义的信息。高等哺乳类，包括人类的发育程序要远为复杂，要真正揭示衰老的机理需要深入持久的努力。
（七）线粒体DNA与衰老
八十年代，Cummings等人曾经提出，线粒体DNA中存在着衰老DNA（Sen-DNA）。近十年来，这方面未见突破性的进展。线粒体DNA的高突变速率引起研究者的重视是毫不奇怪的。近年来，应用PCR扩增技术进一步证明，随着年龄的增长，线粒体DNA的突变是相当显著的。衰老的骨肌细胞中16.5kb的线粒体DNA产生了许多随机的各不相同的删除突变。由于线粒体DNA参与电子传递链中某些成员的编码，因而线粒体DNA的突变可能导致电子传递链不能执行其正常功能。例如某种删除突变引起细胞色素氧化酶的缺失，从而干扰了电子传递。结果引起ATP水平和NAD/NADH比率的下降，促进了ROS的生成，反过来又引起线粒体DNA产生更多的突变。
虽然线粒体DNA突变的积累对细胞衰老产生一定的影响，然而这可能不是引起衰老的初始原因。近年来的研究发现，线虫的age-1基因的突变引起寿命的延长，同时也明显减缓了线粒体DNA丢失突变的积累。这表明线粒体DNA的突变可能处于受age-1突变直接影响的其它衰老事件的下游。
总起来说，细胞衰老机理的研究在近十年中确有不少建树，但谜底的真正揭晓，还要走相当长的路。
第二节 细胞凋亡
一、细胞凋亡的概念及其生物学意义
细胞凋亡一词，即apoptosis（apo-ptosis），源自古希腊语，意指花瓣或树叶的脱落、凋零。选用这一名词，是强调这一过程是一种自然的生理学过程。细胞凋亡是一个主动的由基因决定的自动结束生命的过程。由于细胞凋亡受到严格的由遗传机制决定的程序化调控，所以也常常被称为细胞程序死亡（programmed cell death， PCD）。PCD最初是发育生物学中提出的概念，其含义是发育过程中（例如幼虫发育为成虫）发生的某类细胞（例如肌肉细胞）的大量死亡，而这种细胞死亡要求一定的基因表达。
在生物的生长发育过程中，细胞有丝分裂固然是十分重要的事件，但细胞凋亡也是不可或缺的另一个重要方面。细胞凋亡对于多细胞生物个体发育的正常进行，自稳平衡的保持以及抵御外界各种因素的干扰方面都起着非常关键的作用。通过细胞凋亡，有机体得以清除不再需要的细胞，而不引起免疫反应。在发育过程中，幼体器官的缩小和退化如蝌蚪尾的消失等，都是通过细胞凋亡来实现的。在成熟个体的组织中，细胞的自然更新，被病原体感染细胞的清除也是通过PCD来完成的。在发育过程中和成熟组织中细胞发生凋亡的数量是惊人的。健康的成人体内，在骨髓和肠中，每小时约有10亿个细胞凋亡。脊椎动物的神经系统在发育过程中，约有50 ％ 的细胞凋亡，通过细胞凋亡来调节神经细胞的数量，使之与需要神经支配的靶细胞的数量相适应。胚胎发育过程中产生了过量的神经细胞，它们竞争靶细胞所分泌的生存因子。只有接受了足够量的生存因子的神经细胞才能存活，其它的细胞则发生凋亡。实际上，发育过程中手和足的成形过程就伴随着细胞的凋亡。胚胎时期，它们呈铲状，以后指或趾之间的细胞凋亡，才逐渐发育为成形的手和足（图13-2）。 淋巴细胞的克隆选择过程中，细胞凋亡更是起着关键的作用。此外，各种杀手免疫细胞对靶细胞的攻击并引起其死亡，也是基于细胞凋亡。另一方面，细胞凋亡的失调包括不恰当的激活或抑制会导致疾病，例如Alzheimer氏病，各种肿瘤，爱滋病以及自身免疫病等。
图13-2小鼠趾间经特异性染色所观察到的凋亡形态
（a） 细胞凋亡过程中的小鼠趾 （b）一天后的小鼠趾（引自M.D.Jacobson et al）
细胞凋亡的现象最早是Kerr在1965年观察到的。他发现大鼠肝细胞，在局部缺血条件下连续不断地转化为小的园形的细胞质团，这些细胞质团是由膜包裹的细胞碎片（包括细胞器和染色质）组成。当时他称这种现象为“皱缩型坏死”。但后来，他觉得这一名称并不恰当，因为这些园形细胞质团是在生理条件下产生的。经过深思熟虑后，他于1972年将这一现象重新定名为细胞凋亡。此后，细胞凋亡很快就受到各国科学家的重视，进行了深入的研究，进入九十年代，有关细胞凋亡的研究更是蓬勃发展，每隔数周就有重要的突破性的报告发表，进展之快，不是一般的生物学领域能够望其项背的。现在我们对细胞凋亡的机理已经有了比较清晰的了解，当然不少细节仍需进一步阐明；细胞凋亡与疾病关系的研究也已取得长足的进展。有理由相信，细胞凋亡的研究成果，将为人类某些重大疾病的治疗和控制提供有力的武器。
二、细胞凋亡的形态学和生物化学特征
（一）细胞凋亡与坏死
细胞凋亡与坏死（necrosis）是两种截然不同的细胞学现象。如前所述，细胞凋亡是一种主动的由基因决定的细胞自我破坏的过程，而坏死则是极端的物理、化学因素或严重的病理性刺激引起的细胞损伤和死亡。二者的主要区别是，细胞凋亡过程中，细胞质膜反折，包裹断裂的染色质片段或细胞器，然后逐渐分离，形成众多的凋亡小体（apoptotic bodies），凋亡小体则为邻近的细胞所吞噬。整个过程中，细胞质膜的整合性保持良好，死亡细胞的内容物不会逸散到胞外环境中去，因而不引发炎症反应。相反，在细胞坏死时，细胞质膜发生渗漏，细胞内容物，包括膨大和破碎的细胞器以及染色质片段，释放到胞外，导致炎症反应（图13-3）。我们在下面将会讲到，细胞凋亡的机理及其调控是极其复杂的，在长期的进化过程中形成的这种复杂的机制对于维持生物体的正常功能是极其重要的。
（二）细胞凋亡的形态学特征
细胞凋亡的发生过程，在形态学上可分为三个阶段：（1）凋亡的起始。这阶段的形态学变化表现为细胞表面的特化结构如微绒毛的消失，细胞间接触的消失，但细胞膜依然完整，未失去选择透性；细胞质中，线粒体大体完整，但核糖体逐渐从内质网上脱离，内质网囊腔膨胀，并逐渐与质膜融合；染色质固缩，形成新月形帽状结构等形态，沿着核膜分布。这一阶段经历数分钟，然后进入第二阶段；（2）凋亡小体的形成。首先，核染色质断裂为大小不等的片段，与某些细胞器如线粒体一起聚集，为反折的细胞质膜所包围。从外观上看，细胞
图13-3 细胞凋亡与坏死的比较
1正常细胞；2细胞凋亡的起始，染色质固缩、分离并沿核膜分布，细胞质亦发生固缩；3凋亡中的细胞，细胞质膜反折，包围细胞碎片，如染色质片断和细胞器，形成芽状突起，以后逐渐分隔，形成凋亡小体；4凋亡小体被邻近细胞吞噬；5坏死的早期阶段，染色体形成串状片段，细胞器膨胀，线粒体基质呈絮状；6坏死的最后阶段，细胞膜破裂，细胞解体内容物散逸。
表面产生了许多泡状或芽状突起（图13-4）。以后，逐渐分隔，形成单个的凋亡小体；（3）凋亡小体逐渐为邻近的细胞所吞噬并消化。从细胞凋亡开始，到凋亡小体的出现才数分钟之久，而整个细胞凋亡过程可能延续4～9小时。
（三）细胞凋亡的生化特征
在caspase家族半胱氨酸蛋白酶在凋亡中的关键作用（见后）发现以前，人们所认识到的细胞凋亡的最主要特征是DNA发生核小体间的断裂，结果产生含有不同数量核小体单位的片段，在进行琼脂糖凝胶电泳时，形成了特征性的梯状条带，其大小为180～200bp的整数倍。到目前为止，梯状条带（DNA ladders）仍然是鉴定细胞凋亡最可靠的方法。催化DNA降解的是依赖于钙/镁离子的核酸内切酶，而锌离子则抑制其活性。
凋亡细胞的另一个重要特征是tTG（组织转谷氨酰胺酶tissue Transglutaminase）的积累并达到较高的水平。tTG催化某些蛋白质的翻译后修饰，主要是通过建立谷氨酰胺和赖氨酸之间的交联以及多胺掺入蛋白质而实现的，其结果导致蛋白质聚合。这类蛋白聚合物不溶于水，不为溶酶体的酶所降解，它们进入凋亡小体，有助于保持凋亡小体暂时的完整性，防止有害物质的逸出。tTG只在不再分裂的已完成分化的细胞中处于活性状态。tTG是依赖于Ca2+的酶，在生活的正常细胞中，由于Ca2+浓度较低（<1mM），tTG的活性很低；当凋亡起始时，Ca2+浓度上升，从而使tTG活化。
图13-4正常与凋亡细胞形态比较
（a）正常T细胞杂交瘤细胞（扫描电镜）；（b）凋亡T细胞杂交瘤细胞（扫描电镜）；（c）膜出泡抑制剂处理的凋亡细胞（透射电镜）
（四）诱导细胞凋亡的因子
诱导细胞凋亡的因子大致可分为两大类。
（1）物理性因子，包括射线（紫外线，g 射线等），较温和的温度刺激（如热激，冷激）等。
（2）化学及生物因子：包括活性氧基团和分子（超氧自由基，羟自由基，H2O2），钙离子载体，VK3，视黄酸，细胞毒素（如fumonisins和AAL毒素）。DNA和蛋白质合成的抑制剂（如环已亚胺），正常生理因子（激素，细胞生长因子等）的失调，肿瘤坏死因子a（TNFa），抗Fas/Apo-1/CD95抗体等
（五）细胞凋亡的检测
细胞凋亡的检测是基于凋亡细胞所形成的形态学和生物化学特征，特别是DNA的断裂。
（1）形态学观测
应用各种染色法可观察到凋亡细胞的各种形态学特征，有些染料如台盼兰（trypan blue）为活细胞排斥，但可使死细胞着色。DAPI是常用的一种与DNA结合的荧光染料。借助DAPI染色，可以观察到细胞核的形态变化。Giemsa染色法可以观察到染色质固缩、趋边、凋亡小体的形成等形态。此外，使用透视和扫描电镜则可观察凋亡细胞核的形态，结构变化如染色质固缩、凋亡小体的形成、细胞发泡等现象。
有时也有用两种染料进行复染，以便更可靠地确定细胞凋亡的变化。例如用丫啶橙（AO）和溴乙啶（EB）进行复染，AO只进入活细胞，正常的细胞核及处于凋亡早期的细胞核呈现绿色；EB只能进入死细胞，将死细胞及凋亡晚期细胞的核染成橙红色
（2） DNA电泳
细胞发生凋亡时，DNA发生特征性的核小体间的断裂，产生大小不同的片段，但都是180～200 bp的整数倍。凋亡细胞中提取的DNA在进行常规的琼脂糖凝胶电泳，并用溴乙啶进行染色时，这些大小不同的DNA片段就呈现出梯状条带。绝大多数凋亡细胞中DNA的断裂都表现出这种特征（图13-5）。
图13-5 细胞色素c诱导的凋亡细胞DNA电泳图
1．细胞色素c诱导0 h
2．细胞色素c诱导1 h
3．细胞色素c诱导2 h
4．细胞色素c诱导3 h
5．细胞色素c诱导4 h
6．阴性对照
7．Marker
（引自赵允、翟中和）
（3）TUNEL测定法，即DNA断裂的原位末端标记法
TUNEL测定法是terminal deoxynucleotidyl transferase（TdT）-mediated dUTP nick end labeling的缩写，意指末端脱氧核苷酸移换酶介导的dUTP缺口末端标记测定法。这一方法能对DNA分子中3’-OH断裂缺口进行原位标记。凋亡细胞的核DNA中产生的3’-OH末端，可藉助一种可观测的标记物，如荧光素进行原位标记，并用荧光显微镜进行观察。
（4）彗星电泳法（comet assay）
彗星电泳法（comet assay）的原理是将单个细胞悬浮于琼脂糖凝胶中，经裂解处理后，再在电场中进行短时间的电泳，并用荧光染料染色，凋亡细胞中形成的DNA降解片段，在电场中泳动速度较快，使细胞核呈现出一种慧星式的图案，而正常的无DNA断裂的核在泳动时保持圆球形，这是一种快速简便的凋亡检测法。
（5）流式细胞分析
最常用来分析细胞凋亡的流式细胞技术是根据凋亡细胞DNA断裂和丢失，采用碘化丙啶使DNA产生激发荧光，用流式细胞仪检出凋亡的亚二倍体细胞，同时又能观察细胞的周期状态。
三、细胞凋亡的分子机理
（一）Caspase家族与凋亡
1. Caspase家族
Caspases是近年来发现的一组存在于胞质溶胶中的结构上相关的半胱氨酸蛋白酶，它们的一个重要共同点是特异地断开天冬氨酸残基后的肽键。Caspase一词是从Cysteine aspartic acic specific protease 的字头缩写衍生而来，就反映了这个特征，而这种高度的特异 性，在蛋白酶中是很少见的。
由于这种特异性，使caspase能够高度选择性地切割某些蛋白质，这种切割只发生在少数（通常只有1个）位点上，主要是在结构域间的位点上，切割的结果或是活化某种蛋白，或使某种蛋白失活，但从不完全降解一种蛋白质。
Caspase的研究源于线虫（C. elegans）细胞程序化死亡的研究。线虫在发育过程中，有131个细胞将进入程序化死亡；研究发现有11个基因与PCD有关，其中ced3和ced4基因是决定细胞凋亡所必需的，ced9基因抑制PCD。线虫细胞程序化死亡的研究促进了其他动物特别是哺乳类动物中细胞凋亡的研究。人们发现哺乳类细胞中存在着Ced3的同源物ICE（interleukin-1b converting enzyme），它催化白介素-1b的活化，即从其前体上将IL-1b切割下来。在大鼠成纤维细胞中过量表达ICE和Ced3都会引起细胞凋亡，表明了ICE和Ced3在结构和功能上的相似性；然而敲除ICE基因的小鼠其表现型正常，并未发现细胞凋亡发生明显改变。进一步的研究发现，另一个ICE成员，后来被称为apopain，CPP32或Yama的半胱氨酸蛋白酶，催化poly（ADP-ribose）Polymerase（PARP），即聚（ADP-核糖）聚合酶的裂解，结果导致细胞的凋亡， 因而认为apopain执行着与线虫中的ced3相同的功能。Apopain被称为是“死亡酶”， 而PARP被认为是“死亡底物”。 Apopain/CPP32/Yama是在1995年由两个实验室分别同时报导，时间上只有两周之差。Ced4的哺乳类同源物则迟迟未能发现，直到1997年，才被证明是Apaf-1（即一种细胞凋亡蛋白酶活化因子apoptosis protease activating factor）。而Ced 9的哺乳类对应物则较早地被证明是BCL-2，这一问题将在以后的部分述及。
现已确定至少存在11种caspase（表13-1）：
这些caspases中，caspase 1和caspase 11，以及可能还有caspase 4被认为不直接参与凋亡信号的转导，它们主要参与白介素前体的活化；而caspase 2，caspase 8，caspase 9和caspase 10参与细胞凋亡的起始；参与细胞凋亡执行的则是caspase 3，caspase 6和caspase 7，其中caspase 3和7具有相近的底物和抑制剂特异性，它们降解PARP，DFF-45（DNA fragmentation factor-45），导致DNA修复的抑制并启动DNA的降解。而caspase-6的底物是lamin A和keratin 18，它们的降解导致核纤层和细胞骨架的崩解。
表13-1 caspase 超家族成员及其相应底物
名称及其别名 底物
caspase-1（ICE） Pro-ILb ； pro-caspase 3，7
caspase-2（Nedd-2/ICH1）
caspase-3（apopain/CPP32/Yama） PARP ； SREBP ； DFF ； DNA-PK
caspase-4（Tx/ICH2/ICE rel-II）
caspase-5（ICE rel-III/TY）
caspase-6（Mch2） Lamin A ； keratin 18
caspase-7（ICE-LAP3/Mch3/CMH-1） PARP ； pro-caspase 6 ； DFF
caspase-8（FLICE/MACH/Mch5）
caspase-9（ICE-LAP6/Mch6）
caspase-10（Mch4/FLICE2） PARP
caspase-11（ICH3）
2. Caspase的活化
细胞中合成的caspase以无活性的酶原状态存在，以后经活化方能执行其功能。
一般的蛋白酶活化时，只是将N-未端的肽段切除，而caspase的活化则需在两个亚基的连接区的天冬氨酸位点进行切割，结果产生了由两个亚基组成的异二聚体，此即具有活性的酶。通常N-末端的肽在活化时也被除去，但对于caspase 7是否去除N-末端肽对活性无影响。目前认为细胞凋亡的起始者（caspase 2，8，9和10）和执行者（caspase 3，6和7）之间存在着上下游关系，即起始者活化执行者。
凋亡起始者（caspase 2，8和10）的活化属于同性活化（Homo activation）。caspase 8和10含有串联重复的“死亡效应子”结构域（death effector domain，DED），而caspase 2和9则含有不同但类似的caspase募集结构域（caspase recruitment domain CARD），这两种结构域是募召caspase 2，8和10所必需的。
Caspase 8和10的活化要求下列成员的参与：
(1) 配体/受体对，如FasL/Fas，TNF/TNF受体。
(2) 连接器或接头蛋白FADD（Fas-associated death domain protein）。
(3) 修饰子蛋白：当凋亡信号由TNF/TNF受体途径传导时，则要求修饰子蛋白TRADD（TNF receptor associated death domain protein）的参与。
(4) Caspase 2，8和10的酶原。
当Fas（CD95）或TNF受体为其天然配体FasL或TNF所启动时，就形成了由Fas或TNF受体，连接器蛋白FADD和caspase 2，8和10的酶原组成的死亡诱导信号复合物（death-inducing signaling complex，DISC）。受体蛋白通过直接与连接器蛋白FADD作用（有时需要修饰子蛋白的中介）而使caspase 2，8及10的酶原聚集在其附近，即细胞质表面。当酶原达到一定浓度时，它们就进行同性活化（homo-activation），在大小亚基之间进行切割，产生具有活性的酶。
Caspase 2，8和10活化以后，就通过异性活化（hetero-activation），使下游的caspase包括：caspase 3和7活化，使其成为凋亡的执行者。
值得一提的是在活化的细胞毒性T淋巴细胞和天然杀手细胞的溶胞颗粒中存在一种称为粒酶（granzyme B）的丝氨酸蛋白酶，它们的分布是极端局限的（只存在于上述细胞中），另一个特点是这种蛋白酶同样具有天冬氨酸特异性，能使具细胞毒性的细胞诱发其靶细胞（如为病毒感染的细胞及发生癌化的细胞）的凋亡，这是哺乳类免疫系统进化过程中的适应现象的绝好例证，使人对自然选择之精妙叹服不已。除此以外，还有一种出现较早的caspase活化途径，它与细胞表面死亡受体无关。线虫中的ced-9基因的功能是抑制细胞凋亡，ced-9蛋白是BCL-2细胞死亡调节者家族的成员，它们在执行凋亡的caspase（如caspase 3）的上游起作用。1997年，从人细胞提取物中发现了三种称为凋亡蛋白酶活化因子（apoptosis protease-activating factors，Apafs），在加入dATP时能使caspase 3活化，它们分别被称为Apaf-1，Apaf-2和Apaf-3。有趣的是发现Apaf-2就是细胞色素C。在注定要凋亡的细胞中观察到细胞色素C由线粒体释放至细胞质中，而caspase就存在于细胞质中。Apaf-1是一种相对分子量为130 000的蛋白，其分子中存在着显著的Ced-4同源区，而在其两侧，存在着两个另外的结构域，其N-末端存在着CARD结构域，可直接和caspase 9酶原结合，而其C-末端有一个由重复序列组成的大的结构域，则参与和细胞色素C/Apaf-2的相互作用。
死亡-诱导刺激促进了Apaf复合物的形成，从而导致caspase 9的活化，而定位在线粒体外膜上的Bcl-2执行着双重功能，一方面阻止细胞色素C从线粒体的释放，一方面与Apaf-1相结合。
这种活化执行凋亡的caspase的途径是相当保守的，在线虫中Ced-3的活化只能通过Apafs途径进行，而在哺乳类细胞中，则发展出其它的caspase活化途径（图13-6）。
（二）天然的caspase抑制剂
如前所述，细胞凋亡是生物体用来清除病毒，防止其进一步侵染的一种机制，而病毒也发展出一种对抗机制，来逃避或阻止凋亡的发生，即抑制caspase的活性。天花病毒CrmA和杆病毒蛋白p35就是这样的天然的caspase抑制剂。CrmA能有效地抑制caspase 1和8，但对caspase 3，7和9的抑制作用很弱。 p35则对大多数caspase有较强的抑制作用。
然而，在哺乳类细胞中没有发现p35的同源物，而CrmA的同源物虽然存在，且为数不少，但没有一种能抑制caspase。目前已知的哺乳类细胞内源的caspase抑制剂是编程性细胞死亡抑制因子 （Inhibitor of Apoptosis，IAP）家族，包括人细胞中的XIAP，cIAP-1和cIAP-2。它们特异地抑制caspase 3和7，而对caspase 1，8和10无抑制作用，此外还发现IAP能抑制caspase 9的活化，在与其他蛋白的协同作用下，也能抑制caspase8的活化，这个问题下面还将要谈到。
除了利用CrmA或p35抑制caspase从而阻止细胞凋亡外，病毒还发展出其它的凋亡抑制机制。例如，V-FLIPs是一组受体介导的细胞凋亡的抑制剂，它们被发现于g-herpes病毒和mollusci痘病毒中。v-FLIPs在人细胞中的同源物称为FLIP，和v-FLIPs一样，它也含有两个DED结构域，可与FADD发生相互作用，从而阻止了caspase 8和10与连接器蛋白的结合及活化。
图13-6 Caspase活化的两条途径
第一条途径：配体/受体-连接器蛋白-caspase 8和10活化- caspase 3和7的活化
第二条途径是通过Apaf-1/细胞色素c/caspase 9而实现caspase 3/7的活化。
（三）BCL-2家族
BCL-2是一种原癌基因，是ced-9在哺乳类中的同源物。和一般的癌基因不同，BCL-2能延长细胞的生存，而不是促进细胞的增殖。和ced-9一样，BCL-2能抑制细胞凋亡。
BCL-2可与线粒体及内质网膜相结合。BCL-2蛋白的羧基末端有一穿膜的结构域。若除去穿膜结构域，仍具有一定活性。在胚胎发育过程中，BCL-2的表达十分常见，而在成熟组织中，只在那些长期生存的细胞如干细胞以及分裂后的神经元等细胞中才会表达。
除了BCL-2以外，近年来还发现，存在着一个BCL-2家族，它们的基因组成在不同程度上与BCL-2同源，并以不同方式调节细胞凋亡。表13-2为BCL-2家族的主要成员。
BCL-2家族成员的基因中，常常含有三个保守的BCL-2同源区，即BH1，BH2和BH3。这三个区域是调节凋亡以及蛋白质相互作用所必需的结构。
（四）p53与细胞凋亡
p53是肿瘤抑制基因，其产物主要存在于细胞核内。p53基因是人肿瘤有关基因中突变频率最高的基因。人类肿瘤有50％以上是由p53基因的缺失造成的。如将p53基因重新导入已转化的细胞中，则可能产生两种不同的结果：（1）生长阻遏；（2）细胞凋亡。前者是可逆的，后者则不可逆。两种结果的导向取决于生理条件及细胞类型。在皮肤，胸腺及肠上皮细胞中，DNA的损伤导致p53的积累并伴随着细胞凋亡，说明在这些细胞中，细胞凋亡是依赖于p53的。然而在另一些条件下，p53并不是细胞凋亡的必要条件，例如糖皮质激素诱导的胸腺的凋亡就与p53无关。缺少p53的小鼠发育过程基本正常，说明正常发育过程中出现的各种细胞凋亡并不要求p53的参与。
在依赖于p53的细胞凋亡中，p53是通过调节BCL-2和Bax基因的表达来影响细胞凋亡的。p53能特异地抑制BCL-2的表达，相反对Bax的表达则有明显的促进作用。研究表明，p53是Bax基因的直接的转录活化因子。在这些细胞中，p53的积累和活动引起了细胞凋亡。
表13-2 BCL-2家族成员
基因产物 功 能
BCL-2 凋亡抑制剂，可和Bax及Bak结合
BCL-x 其L型抑制凋亡，S型促进凋亡，与Bax及Bak结合
BCL-w 凋亡抑制剂
Bax 凋亡促进剂，可与BCL-2，BCL-XL，EIB19K结合
Bak 凋亡促进剂，亦可作抑制剂，可与BCL-2，BCL-X和E1B19K结合
MCL-1 凋亡抑制剂
Bad 凋亡促进剂，与BCL-2和BCL-XL结合
Ced-9 线虫中的凋亡抑制剂，BCL-2同源物
E1B19K 腺病毒凋亡抑制剂，与Bax和Bak结合
（五） 细胞凋亡的信号传导
除了上述的由配体-死亡受体起始或由Apaf介导的Caspase活化并导致细胞凋亡的途径外，还存在着其他与细胞凋亡有关的信号传导途径。
(1) Ras-PI3-K-AK1（PKB）抗细胞凋亡途径
我们在前面的章节中已经了解Ras蛋白的信号通路在细胞对各种生长因子的反应中起着十分重要的作用。Ras-Raf-MAPKK-MAPK信号通路与细胞凋亡的关系研究得还很不够，虽然有报告表明，Ras介导的-Raf通路促进成纤维细胞的凋亡。我们现在主要介绍的是另一类信号通路，即Ras- PI3-K- AK1（PKB） 抗细胞凋亡途径。PI3-K是一种重要的细胞信号蛋白，是Ras的效应子之一，可为Ras所活化。PI3-K含有一个p85的调节亚基和一个p110的催化亚基，它催化磷脂酰肌醇PI（4，5）磷酸化生成PI（3，4，5）。这一反应的产物能活化Akt。Akt又称PKB，即蛋白磷酸激酶B，是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。最近的研究发现，活化的Akt能使casp9酶原磷酸化，使其不能参与casp3的活化。Akt 对casp9酶原的磷酸化是特异性的，磷酸化的位点为casp9大亚基的196位丝氨酸。
值得注意的是，活化的Akt 还能使Bad磷酸化，从而使其失去阻断Bcl-2的功能。看来，这也应该包括在Ras- PI3K- AK1的抗细胞凋亡过程之中。
(2) NF-kB与细胞凋亡
NF-kB是一种调节基因转录的核因子。NF-kB的活化，引起细胞凋亡的抑制。以往对NF-kB抑制细胞凋亡的机理不甚了解。最近的研究发现，NF-kB的活化能阻止处于casp级联反应顶端的casp-8的活化，从而抑制细胞的凋亡。进一步的研究还发现，NF-kB的靶基因为TRAF1（TNFR 结合因子1），TRAF2，IAP（凋亡抑制剂）蛋白c-IAP-1和c-IAP-2。这些蛋白的协同作用，抑制了caspase-8的活化，从而阻止了下游的caspases活化以及细胞的凋亡。研究还发现，Ras能促进NF-kB的活化和相关的抗凋亡蛋白的表达（图13-7）
图 13-7 细胞凋亡的信号通路，包括Akt和NF-kB
(3) ASK1-SAPK/JNK及ASK1-p38信号途径
不久前发现了一种新的激酶，称为ASK1（apoptosis signal regulating kinase），在胁迫和细胞因子诱导的细胞凋亡中起着关键的作用。ASK1是一种哺乳类的 MAPKKK，既（有丝分裂原活化蛋白mitogen-activated protein）激酶激酶的激酶。MAP信号级联系统是一种保守的信号传导途径，由蛋白激酶家族的三类不同成员组成，即MAP激酶（MAPK）、 MAPK激酶（MAPKK）、以及MAPKK激酶（MAPKKK）。MAPKKK磷酸化并活化MAPKK，后者又使MAPK磷酸化并活化。活化的MAPK转入细胞核中，调节转录因子的活性，从而控制基因的表达。在哺乳类细胞中，通常有两套 MAPK信号组件在起作用，即Raf-MAPKK-MAPK和MEKK-MKK4-JNK途径。此外，还存在着另一类MKK3-p38 （也是一种MAPK） 信号通路，不过目前对其功能所知甚少。最近的研究发现，ASK1能选择性地活化 MKK4-JNK和 MKK3-p38两种信号通路。在转染ASK1的 COS7细胞中，ASK1的表达使MKK4和MKK3的活性分别升高7.0倍和11.8倍，JNK和p38的活性分别升高7.6倍和5.0倍；然而对MAPKK则无活化作用。用转染ASK1基因的貂肺上皮细胞进行的研究发现，ASK1的表达引起典型的细胞凋亡特征的出现，包括细胞质的浓缩、核的凝聚、TUNEL阳性反应及DNA梯状条带的出现。此外还发现，肿瘤坏死因子TNF-α能引起细胞凋亡，并活化JNK和p38信号系统。当用TNF-α处理转染ASK1的貂肺上皮细胞、293人胚肾细胞、Jurkat T细胞和KB表皮癌细胞时，均观察到ASK1的活化。因此，有理由相信，ASK1通过对JNK和p38信号通路的活化，可能在凋亡诱导机制中起着重要的作用。
四、 植物细胞的凋亡
植物细胞凋亡的研究开始较晚，最早提出植物中存在细胞凋亡的是1994年发表的关于拟南芥的过敏反应中出现细胞程序性死亡的报道。以后逐渐有报道证明，细胞凋亡在植物中也广泛存在。与动物中一样，细胞凋亡存在于正常的植物发育（如导管的分化、通气组织的形成、糊粉层的退化、绒毡层细胞的死亡、胚胎发育过程中胚柄的退化、单性植物中花器官的程序性退化等）、对环境胁迫的反应（如缺氧、高盐等）和病原体入侵引发的过敏反应中。通常的细胞凋亡检测手段也可以用于植物细胞凋亡的检测，如DNA 梯状条带、流式细胞术、TUNEL法、彗星电泳等。一般认为，动植物细胞的凋亡具有共同的或相似的机制。然而目前尚无在植物细胞中克隆分离caspase基因的报导，对植物细胞中凋亡途径所知极少。不过采用免疫印迹法和特异的casp四肽底物和抑制剂进行的研究表明，植物细胞凋亡过程中，出现类caspase-3和类caspase-6的活化，以及聚（ADP-核糖基）聚合酶和类核纤层蛋白的特异性降解。总的来说，植物细胞凋亡的研究尚处于起始阶段。
五、细胞凋亡与衰老
细胞凋亡与衰老的关系是一个相当复杂的问题，两者既有联系又不相同。
有一种颇为流行的观点，认为衰老是由于细胞凋亡的失调引起的。凋亡消除了细胞中误差的积累，从而保证了表现型的保真度的维持。凋亡的失调，导致了衰老。事实上，细胞实现凋亡的能力随龄下降，衰老伴随的肿瘤发病率的上升可能是细胞不能实现凋亡引起的，而限制热量（其结果表现为衰老的推迟和寿命的延长）的大鼠，其肝细胞凋亡率比对照组明显上升，而肝癌率明显下降。然而，对于某些组织/器官来说，细胞凋亡又往往伴随着衰老，例如男人的心室肌细胞在正常衰老过程中丧失1/3，大部分是由于坏死，也有相当一部分是由于凋亡；大脑皮层的神经元在衰老时丧失10％，老年性痴呆病也伴随着神经元的大量丧失。
另一方面，体外培养的成纤维细胞衰老时却不凋亡，因为BCL-2未受到抑制。在体内就会造成衰老细胞的积累，它们可能产生某些有害的产物。
最后，到目前为止，遗传学的研究不支持细胞凋亡在衰老中的作用，因为对衰老和凋亡的遗传基础已进行了充分的研究，但尚未发现相互重叠的基因。此外，敲除BCL-2基因的动物，当然会产生细胞凋亡，但并未产生典型的衰老特征，只出现少数表面上与衰老相似的特征。
总之，细胞凋亡与衰老的关系是一个复杂的问题，有待于进一步深入的研究。
提 要
细胞衰老是一种细胞的重要生命活动现象。然而对细胞衰老的认识却经历了一个曲折而漫长的过程，由早期的细胞“不死性”的观点发展到现今被普遍接受的细胞增殖能力和寿命有限的观点。Hayflick等人的研究证实：细胞，至少是培养的细胞，不是不死的，而是有一定的寿命；细胞的增殖能力不是无限的，而是有一定的界限，这就是著名的Hayflick界限。他们的工作是对细胞“不死性”学说的彻底否定。研究发现，物种寿命与培养细胞之间存在着正相关的关系，即物种寿命愈长，其培养细胞的传代次数愈多，反之，其培养细胞的传代次数愈少。对于在体外培养的二倍体细胞，是细胞核决定细胞的衰老；就细胞内外环境因素而言，是细胞内部因素决定细胞的衰老。在生活有机体内，细胞的衰老和死亡是常见的生命活动现象。衰老的细胞分裂速度减慢，其原因主要是G1期明显延长，S期的长度变化不大。
细胞在衰老过程中，其结构发生一系列深刻变化，包括：细胞核增大，核膜内折，染色质固缩；粗面内质网减少；线粒体变大并且数量减少；产生致密体；膜常处于凝胶相或固相；细胞间间隙连接减少，组成间隙连接的膜内颗粒聚集体变小等。这些形态结构的变化直接导致其相应的功能下降。关于细胞衰老的机理研究近年来取得了重大进展，提出了氧化性损伤学说、有丝分裂钟学说等多种理论，但均未有最终定论。
细胞凋亡是一个主动的由基因决定的自动结束生命的过程。它普遍地存在于动物和植物中。由于细胞凋亡在有机体生长发育过程中具有极其重要的意义，对它的研究受到了广泛的关注，并得到迅猛的发展。在细胞凋亡发生过程中，形态结构发生了明显的变化，如细胞表面微绒毛和细胞间接触的消失，内质网囊腔膨胀，染色质固缩，凋亡小体的形成继而逐渐为邻近的细胞所吞噬并消化。整个细胞凋亡过程中内含物不泄露，不引起细胞炎症反应，这是凋亡与坏死的最大区别。DNA电泳形成的梯状条带是细胞凋亡的典型特征，这是检测细胞凋亡最可靠的一种方法。
诱导细胞凋亡的因子可分为两大类：（1）物理性因子；（2）化学及生物因子。一般认为，动植物细胞的凋亡具有共同的或相似的机制，已经发现了一些与凋亡有关的基因和酶，但对凋亡的分子机理了解的甚少。总之，细胞衰老与凋亡的关系是一个相当复杂的问题，两者既有联系又不相同，在长期的进化过程中形成的这种复杂的机制对于维持生物体的正常功能是极其重要的。
思 考 题
1.衰老的特征是什么?
2.什么是 Hayflick界限?
3.细胞凋亡的概念，形态特征及其与坏死的区别是什么?
4.鉴定细胞凋亡有什么常用方法?
5.凋亡在有机体生长发育过程中有何重要意义?
6.凋亡的基本途径是什么?
参 考 文 献
1．FB Johnson.DA Sinclair and L Guarente. Molecular biology of aging. Cell. 96：291-302, 1999
2．DA Sinclair and L Guarente. Extrachromosomal rDNA circles--a cause of aging in yeast. Cell. 91：1033-1042, 1997
3．HR Stennicke and S Salvesen. Properties of the caspases. Biochimica et Biophysica Acta. 1387：17-31，1998
4．H McNeill and J Downward. Apoptosis：Ras to the rescue in the fly eye. Current Biology. 9：R176-R179，1999
5． H Ichijo et al.Induction of apoptosis by ASK1，a mammalian MAPKKK that activates SAPK/JNK and p38 signaling pathways. Science. 275：90-94, 1997
| 最初发表时间：2005-12-25 |  | | 只管耕耘，莫问收获~ |
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