细胞凋亡与肿瘤
第二军医大学长征医院消化内科 上海市 200003
项目负责人 沈云芳第二军医大学长征医院消化内科 上海市 200003
收稿日期 1998-10-04 接收日期 1998-12-24
Subject headings neoplasms; apoptosis; molecular biology
主题词 肿瘤；细胞凋亡；分子生物学
细胞凋亡(Apoptosis)是细胞自然衰老、死亡的一种形式. 细胞凋亡规律一旦失常，个体即不能正常发育，或发生畸变或不能存活. 1972年 Kerr et al首先提出这一概念，认为细胞的这种形式的死亡象秋天树叶凋谢一样，其是由基因调控的细胞自我消亡过程，其后对细胞凋亡的研究不断深入[1-5].
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1 细胞凋亡的特征
细胞凋亡是细胞遵循其自身的程序，自己结束其生命，最后细胞裂解为若干凋亡小体(apoptotic bodies)而被吞噬细胞或邻接细胞所吞噬. 细胞凋亡与程序化细胞死亡(programmed cell death, PCD)大致相同，前者是形态学概念，后者是功能性概念. 细胞凋亡最突出的特征是染色质的有控降解，其内切酶活性需要钙(Ca2+)和镁(Mg2+)离子参加，并受锌(Zn2+)所抑制；另一特征是有新的蛋白质合成. 细胞首先收缩变圆，与邻接细胞脱离，失去微绒毛，胞质浓缩，内质网扩张呈泡状，并与细胞膜融合，线粒体变化不大，核染色质致密度增高并凝集于核膜周边，核仁裂解；继而细胞内陷将细胞自行分割为多个具有膜包裹的细胞凋亡小体. 凋亡过程不发生溶酶体、线粒体及细胞膜破裂，没有细胞内涵物外泄，故不引起炎症反应和周围组织的次级损伤. 线粒体仍有跨膜电位，仍保留ATP依赖的溶酶体质子泵. 其生物化学反应主要是细胞内发生一系列信号传递反应.
, 百拇医药
而细胞坏死首先是细胞膜通透性增加，细胞外形发生不规则变化；内质网扩张，核染色质不规则的移位，进而线粒体及细胞核肿胀、溶酶体破坏；细胞膜破裂，胞质外溢. 坏死的细胞被巨噬细胞吞噬. 这种死亡过程常引起炎症反应.
2 细胞凋亡的机制
自然界从低等生物 到哺乳动物，乃至人体细胞均存在细胞凋亡. 多数情况下，细胞凋亡需在特殊介导物或条件下诱导其产生. 细胞凋亡是保证个体正常发育成熟和维持正常生理过程所必须. 但如果细胞凋亡规律失常，则会给一切生物，包括人类造成很多严重的疾病. 目前已发现可诱导细胞凋亡的介导物有以下几类：①激素及生长因子；②免疫细胞：如杀伤细胞可直接介导细胞凋亡；③某些抗癌药物、毒素、射线、高温及某些化学物质等均可导致细胞凋亡.
2.1 细胞凋亡时的形态与功能 细胞凋亡时可有多种改变. 正在凋亡的细胞明显皱缩. 电镜下呈细胞器正常，胞质十分致密. 胞质膜皱缩，细胞破碎为凋亡小体. 通过活化交联酶类如谷氨酰胺转换酶，凋亡细胞加强了膜抗溶解的能力. 细胞核皱缩，染色质致密，萎缩成片，然后成为一个或多个致密小体，常伴有阶梯状DNA亚单位片段. 这种现象不可能修复，结果是转录作用停止.
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2.2 细胞凋亡时某些生物化学及分子生物学的改变 此领域涉及很多方面，有些尚未阐明，尚待深入研究. ①染色质降解及内源性核酸内切酶活性增加. 细胞凋亡时仅有核小体间DNA断裂，组蛋白和其他核内蛋白质不降解，核基质也无变化. ②细胞内Ca2+浓度升高，激活核内核酸内切酶. 不同介导物诱导其靶细胞发生凋亡时，通过质膜上Ca2+通道或诱导细胞产生不稳定因子， 使细胞外Ca2+大量进入细胞内，或通过Ca2+在细胞内的转移，使胞质钙浓度升高，激活核内核酸内切酶，使核小体间DNA断裂，导致细胞凋亡. ③蛋白激酶A和酪氨酸蛋白酶参与细胞凋亡，而蛋白激酶C抑制细胞凋亡. 目前研究认为，细胞发生凋亡是通过细胞内信号分子，激活蛋白激酶A、酪氨酸蛋白激酶或抑制蛋白激酶C，使核内核酸内切酶激活而实现的. ④细胞凋亡过程中，有些基因表达增加，有些基因表达减少. 在不同介导物诱导不同靶细胞发生细胞凋亡时，细胞内细胞溶解基因、肿瘤抑制基因、原癌基因、p53……等表达增加；某些细胞凋亡时，原癌基因C-myc,C-myb,C-ki-ras基因表达明显减少. 癌基因r-raf的表达可抑制浆细胞发生细胞凋亡. ⑤细胞凋亡过程中，有些需要RNA、蛋白质合成，有些不需要RNA、蛋白质合成，某些蛋白可抑制细胞凋亡.
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细胞凋亡是主动耗能过程. 多聚酶ADP-核糖化可调节细胞凋亡. 在不同靶细胞内，ADP-核糖多聚化作用诱导细胞凋亡的生化机制不同. 因此，外界的死亡信号是通过一系列信号传导途径被细胞接受，从而启动程序化死亡的. 在细胞内，死亡信号的传导途径同增殖信号传导途径相互交错，构成了错综复杂的信息传导网络. 细胞凋亡过程的每一步序都是通过不同的信号传递途径而发挥作用. 研究表明，程序化细胞死亡和多种胞内信使及多种癌基因产物有关，反映了细胞死亡和增殖的对立和统一.
2.3 细胞凋亡的基因调控 按照基因性质的划分，可分为原癌基因、抑癌基因、病毒基因、生长因子及其抑制因子基因、细胞的受体基因和蛋白激酶基因等. 如c-myc,ras,bel-2,bcl-2,p53,Rb,C-fos, Jum, bcr-abl等等. c-myc受调控细胞周期的主要基因，也是一种转录因子. 有人认为，c-myc的表达与必须的生长因子的存在(如IGF-1)，可给细胞带来不同的情况：即生长停止-封闭的c-myc表达及生长因子缺乏及凋亡-表达c-myc，去掉生长因子等；bcl-2不仅能抑制去除细胞因子引起的细胞凋亡，也能抑制其他几种刺激诱发的凋亡，但不能抑制T细胞介导的靶细胞的凋亡. 目前已发现几个与bcl-2同源的基因，构成了bcl-2基因家族，但同一基因家族的成员却具有截然不同的功能，其机制有待进一步研究；p53是抑癌基因，其真正作用可能是将发生了DNA损伤的细胞封闭于G1期，直到损伤被修复为止，如细胞试图对抗该G1封闭，则最后将活化其自杀通道而凋亡. 但突变型p53阻断细胞凋亡；H-ras的过量表达能抑制一种触发凋亡的核酸酶的活化. 携带活化的H-ras基因的肿瘤显示能明显降低细胞凋亡的发生；Fas基因，又称为Apo-1，其产物是类似肿瘤坏死因子(TNF)受体及神经生长因子受体的跨膜蛋白. 细胞被Fas抗体交联诱发凋亡 .
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3 细胞凋亡与肿瘤
细胞凋亡是一切生物正常胚胎发生过程和人类发育过程中细胞清除的正常途径. 这一过程的紊乱将导致发育异常，并给人类造成许多严重的疾病. 许多证据表明，肿瘤的发生与细胞凋亡的调节紊乱有密切关系. 细胞凋亡参与了癌症的起始过程，并对癌症的发生起负调控作用. 癌前期细胞对细胞凋亡更为敏感，更易被清除，这是机体自我保护功能的表现. 目前对细胞凋亡与肿瘤发生的研究多为体外或动物实验阶段.
3.1 肝癌 实验证明，细胞凋亡与肝癌生长呈负相关. 肝癌细胞组织培养显示，在广泛轻微损伤或刺激可诱导试管内肝癌细胞的凋亡. 有人观察了顺铂对增殖的肝癌细胞凋亡的诱导作用后认为，顺铂引起的细胞凋亡与细胞周期有关. Teatle指出，TGFβ1可促进体外培养的肝癌细胞中的DNA降解，并可通过受体连接杀伤肝癌细胞.
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3.2 白血病 白血病细胞凋亡可由去除存活因子，细胞毒制剂的治疗等所引起. 而存活因子，突变型p53和bcl-2可抑制细胞的死亡及增强癌症产生的可能性. Lotem et al发现粒细胞性白血病细胞中bcl-2的表达水平与细胞对凋亡诱导剂的敏感性有关，而C-myc则无关.
3.3 前列腺癌 前列腺癌患者应用激光治疗后bcl-2均有表达，而正常生长和肥大的前列腺细胞的bcl-2表达仅限于基底细胞，说明细胞凋亡受抑制在前列腺癌发生中十分重要. 研究表明，抗癌药物的疗效不仅决定于这些药物与靶细胞的相互作用，也取决于这些药物诱导细胞凋亡的能力.
4 展望细胞凋亡是主动连续的程序化反应，是受基因调控的，如能彻底揭示细胞凋亡的本质及调节过程，必将对人类肿瘤的防治产生深远的影响. 但目前有很多方面尚待阐明. 例如：在细胞发育过程中，细胞凋亡是何时和如何开始的在细胞的有丝分裂和成熟之间有无可激活细胞凋亡的开关点基因(switch point gene)存在 机体内有无真正的杀手基因(killer gene)存在细胞凋亡究竟是通过哪些信号传递途径而起作用的细胞凋亡与衰老的关系如何是否存在活命基因(survival gene)等等.
, 百拇医药
5 参考文献
1 Nakajima T, Deguchi T, Kagawa K. Identification of apoptotic hepatocytes in situ in rat liver after lead nitrate administration.
J Gastroenterol, 1995;30:725-730
2 Kubo K, Matsuzaki Y, Okazaki M. The fas system is not significantly involved in apoptosis in human hepatocellular carcinoma.
Liver, 1998;18:117-123
, 百拇医药
3 Yagi OK, Akiyama Y, Nomizu T, Iwama T, Endo M, Yuasa Y. Proapoptosic gene BAX is frequrntly mutated in hereditary
nonpolyposis colorectal cancers but not in adenomas. Gastroenterology, 1998;114:268-274
4 Arber N, Han EK, Sgambato A, Piazza GA, Delohery TM, Begemann M. A K-ras oncogene increase resistance to sulindac
-indunced apoptosis in rat enterocytes. Gastroenterology, 1997;113:1892-1900
5 Sugamura K, Makino M, Shirai H, Kimura O, Maeta M, Itoh H. Enhanced induction of apoptosis of human gastric carcinoma cells
after preoperative treatment with 5-fluorouracil. Cancer, 1997;79:12-17, http://www.100md.com(沈云芳 庄 蕙 沈健伟 陈士葆)
项目负责人 沈云芳第二军医大学长征医院消化内科 上海市 200003
收稿日期 1998-10-04 接收日期 1998-12-24
Subject headings neoplasms; apoptosis; molecular biology
主题词 肿瘤；细胞凋亡；分子生物学
细胞凋亡(Apoptosis)是细胞自然衰老、死亡的一种形式. 细胞凋亡规律一旦失常，个体即不能正常发育，或发生畸变或不能存活. 1972年 Kerr et al首先提出这一概念，认为细胞的这种形式的死亡象秋天树叶凋谢一样，其是由基因调控的细胞自我消亡过程，其后对细胞凋亡的研究不断深入[1-5].
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1 细胞凋亡的特征
细胞凋亡是细胞遵循其自身的程序，自己结束其生命，最后细胞裂解为若干凋亡小体(apoptotic bodies)而被吞噬细胞或邻接细胞所吞噬. 细胞凋亡与程序化细胞死亡(programmed cell death, PCD)大致相同，前者是形态学概念，后者是功能性概念. 细胞凋亡最突出的特征是染色质的有控降解，其内切酶活性需要钙(Ca2+)和镁(Mg2+)离子参加，并受锌(Zn2+)所抑制；另一特征是有新的蛋白质合成. 细胞首先收缩变圆，与邻接细胞脱离，失去微绒毛，胞质浓缩，内质网扩张呈泡状，并与细胞膜融合，线粒体变化不大，核染色质致密度增高并凝集于核膜周边，核仁裂解；继而细胞内陷将细胞自行分割为多个具有膜包裹的细胞凋亡小体. 凋亡过程不发生溶酶体、线粒体及细胞膜破裂，没有细胞内涵物外泄，故不引起炎症反应和周围组织的次级损伤. 线粒体仍有跨膜电位，仍保留ATP依赖的溶酶体质子泵. 其生物化学反应主要是细胞内发生一系列信号传递反应.
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而细胞坏死首先是细胞膜通透性增加，细胞外形发生不规则变化；内质网扩张，核染色质不规则的移位，进而线粒体及细胞核肿胀、溶酶体破坏；细胞膜破裂，胞质外溢. 坏死的细胞被巨噬细胞吞噬. 这种死亡过程常引起炎症反应.
2 细胞凋亡的机制
自然界从低等生物 到哺乳动物，乃至人体细胞均存在细胞凋亡. 多数情况下，细胞凋亡需在特殊介导物或条件下诱导其产生. 细胞凋亡是保证个体正常发育成熟和维持正常生理过程所必须. 但如果细胞凋亡规律失常，则会给一切生物，包括人类造成很多严重的疾病. 目前已发现可诱导细胞凋亡的介导物有以下几类：①激素及生长因子；②免疫细胞：如杀伤细胞可直接介导细胞凋亡；③某些抗癌药物、毒素、射线、高温及某些化学物质等均可导致细胞凋亡.
2.1 细胞凋亡时的形态与功能 细胞凋亡时可有多种改变. 正在凋亡的细胞明显皱缩. 电镜下呈细胞器正常，胞质十分致密. 胞质膜皱缩，细胞破碎为凋亡小体. 通过活化交联酶类如谷氨酰胺转换酶，凋亡细胞加强了膜抗溶解的能力. 细胞核皱缩，染色质致密，萎缩成片，然后成为一个或多个致密小体，常伴有阶梯状DNA亚单位片段. 这种现象不可能修复，结果是转录作用停止.
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2.2 细胞凋亡时某些生物化学及分子生物学的改变 此领域涉及很多方面，有些尚未阐明，尚待深入研究. ①染色质降解及内源性核酸内切酶活性增加. 细胞凋亡时仅有核小体间DNA断裂，组蛋白和其他核内蛋白质不降解，核基质也无变化. ②细胞内Ca2+浓度升高，激活核内核酸内切酶. 不同介导物诱导其靶细胞发生凋亡时，通过质膜上Ca2+通道或诱导细胞产生不稳定因子， 使细胞外Ca2+大量进入细胞内，或通过Ca2+在细胞内的转移，使胞质钙浓度升高，激活核内核酸内切酶，使核小体间DNA断裂，导致细胞凋亡. ③蛋白激酶A和酪氨酸蛋白酶参与细胞凋亡，而蛋白激酶C抑制细胞凋亡. 目前研究认为，细胞发生凋亡是通过细胞内信号分子，激活蛋白激酶A、酪氨酸蛋白激酶或抑制蛋白激酶C，使核内核酸内切酶激活而实现的. ④细胞凋亡过程中，有些基因表达增加，有些基因表达减少. 在不同介导物诱导不同靶细胞发生细胞凋亡时，细胞内细胞溶解基因、肿瘤抑制基因、原癌基因、p53……等表达增加；某些细胞凋亡时，原癌基因C-myc,C-myb,C-ki-ras基因表达明显减少. 癌基因r-raf的表达可抑制浆细胞发生细胞凋亡. ⑤细胞凋亡过程中，有些需要RNA、蛋白质合成，有些不需要RNA、蛋白质合成，某些蛋白可抑制细胞凋亡.
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细胞凋亡是主动耗能过程. 多聚酶ADP-核糖化可调节细胞凋亡. 在不同靶细胞内，ADP-核糖多聚化作用诱导细胞凋亡的生化机制不同. 因此，外界的死亡信号是通过一系列信号传导途径被细胞接受，从而启动程序化死亡的. 在细胞内，死亡信号的传导途径同增殖信号传导途径相互交错，构成了错综复杂的信息传导网络. 细胞凋亡过程的每一步序都是通过不同的信号传递途径而发挥作用. 研究表明，程序化细胞死亡和多种胞内信使及多种癌基因产物有关，反映了细胞死亡和增殖的对立和统一.
2.3 细胞凋亡的基因调控 按照基因性质的划分，可分为原癌基因、抑癌基因、病毒基因、生长因子及其抑制因子基因、细胞的受体基因和蛋白激酶基因等. 如c-myc,ras,bel-2,bcl-2,p53,Rb,C-fos, Jum, bcr-abl等等. c-myc受调控细胞周期的主要基因，也是一种转录因子. 有人认为，c-myc的表达与必须的生长因子的存在(如IGF-1)，可给细胞带来不同的情况：即生长停止-封闭的c-myc表达及生长因子缺乏及凋亡-表达c-myc，去掉生长因子等；bcl-2不仅能抑制去除细胞因子引起的细胞凋亡，也能抑制其他几种刺激诱发的凋亡，但不能抑制T细胞介导的靶细胞的凋亡. 目前已发现几个与bcl-2同源的基因，构成了bcl-2基因家族，但同一基因家族的成员却具有截然不同的功能，其机制有待进一步研究；p53是抑癌基因，其真正作用可能是将发生了DNA损伤的细胞封闭于G1期，直到损伤被修复为止，如细胞试图对抗该G1封闭，则最后将活化其自杀通道而凋亡. 但突变型p53阻断细胞凋亡；H-ras的过量表达能抑制一种触发凋亡的核酸酶的活化. 携带活化的H-ras基因的肿瘤显示能明显降低细胞凋亡的发生；Fas基因，又称为Apo-1，其产物是类似肿瘤坏死因子(TNF)受体及神经生长因子受体的跨膜蛋白. 细胞被Fas抗体交联诱发凋亡 .
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3 细胞凋亡与肿瘤
细胞凋亡是一切生物正常胚胎发生过程和人类发育过程中细胞清除的正常途径. 这一过程的紊乱将导致发育异常，并给人类造成许多严重的疾病. 许多证据表明，肿瘤的发生与细胞凋亡的调节紊乱有密切关系. 细胞凋亡参与了癌症的起始过程，并对癌症的发生起负调控作用. 癌前期细胞对细胞凋亡更为敏感，更易被清除，这是机体自我保护功能的表现. 目前对细胞凋亡与肿瘤发生的研究多为体外或动物实验阶段.
3.1 肝癌 实验证明，细胞凋亡与肝癌生长呈负相关. 肝癌细胞组织培养显示，在广泛轻微损伤或刺激可诱导试管内肝癌细胞的凋亡. 有人观察了顺铂对增殖的肝癌细胞凋亡的诱导作用后认为，顺铂引起的细胞凋亡与细胞周期有关. Teatle指出，TGFβ1可促进体外培养的肝癌细胞中的DNA降解，并可通过受体连接杀伤肝癌细胞.
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3.2 白血病 白血病细胞凋亡可由去除存活因子，细胞毒制剂的治疗等所引起. 而存活因子，突变型p53和bcl-2可抑制细胞的死亡及增强癌症产生的可能性. Lotem et al发现粒细胞性白血病细胞中bcl-2的表达水平与细胞对凋亡诱导剂的敏感性有关，而C-myc则无关.
3.3 前列腺癌 前列腺癌患者应用激光治疗后bcl-2均有表达，而正常生长和肥大的前列腺细胞的bcl-2表达仅限于基底细胞，说明细胞凋亡受抑制在前列腺癌发生中十分重要. 研究表明，抗癌药物的疗效不仅决定于这些药物与靶细胞的相互作用，也取决于这些药物诱导细胞凋亡的能力.
4 展望细胞凋亡是主动连续的程序化反应，是受基因调控的，如能彻底揭示细胞凋亡的本质及调节过程，必将对人类肿瘤的防治产生深远的影响. 但目前有很多方面尚待阐明. 例如：在细胞发育过程中，细胞凋亡是何时和如何开始的在细胞的有丝分裂和成熟之间有无可激活细胞凋亡的开关点基因(switch point gene)存在 机体内有无真正的杀手基因(killer gene)存在细胞凋亡究竟是通过哪些信号传递途径而起作用的细胞凋亡与衰老的关系如何是否存在活命基因(survival gene)等等.
, 百拇医药
5 参考文献
1 Nakajima T, Deguchi T, Kagawa K. Identification of apoptotic hepatocytes in situ in rat liver after lead nitrate administration.
J Gastroenterol, 1995;30:725-730
2 Kubo K, Matsuzaki Y, Okazaki M. The fas system is not significantly involved in apoptosis in human hepatocellular carcinoma.
Liver, 1998;18:117-123
, 百拇医药
3 Yagi OK, Akiyama Y, Nomizu T, Iwama T, Endo M, Yuasa Y. Proapoptosic gene BAX is frequrntly mutated in hereditary
nonpolyposis colorectal cancers but not in adenomas. Gastroenterology, 1998;114:268-274
4 Arber N, Han EK, Sgambato A, Piazza GA, Delohery TM, Begemann M. A K-ras oncogene increase resistance to sulindac
-indunced apoptosis in rat enterocytes. Gastroenterology, 1997;113:1892-1900
5 Sugamura K, Makino M, Shirai H, Kimura O, Maeta M, Itoh H. Enhanced induction of apoptosis of human gastric carcinoma cells
after preoperative treatment with 5-fluorouracil. Cancer, 1997;79:12-17, http://www.100md.com(沈云芳 庄 蕙 沈健伟 陈士葆)