概述
細胞凋亡人體內的細胞注定是要死亡的，有些死亡是生理性的，有些死亡則是病理性的，細胞的死亡起碼有兩種方式，即細胞壞死與細胞凋亡。細胞壞死是早已被認識到的一種細胞死亡方式，而細胞凋亡則是近年逐漸被認識的一種細胞死亡方式，細胞凋亡是細胞的一種基本生物學現象，在多細胞生物去除不需要的或異常的細胞中起著必要的作用。它在生物體的進化、內環境的穩定以及多個系統的發育中起著重要的作用。細胞凋亡不僅是一種特殊的細胞死亡類型，而且具有重要的生物學意義及複雜的分子生物學機制。
凋亡是多基因嚴格控制的過程。這些基因在種屬之間非常保守，如Bcl-2家族、Caspase家族、癌基因如C-myc、抑癌基因P53等，隨著分子生物學技術的發展對多種細胞凋亡的過程有了相當的認識，但是迄今為止凋亡過程確切機制尚不完全清楚。而凋亡過程的紊亂可能與許多疾病的發生有直接或間接的關係。如腫瘤、自身免疫性疾病等，能夠誘發細胞凋亡的因素很多，如射線、藥物等。
細胞凋亡是動物發育過程中的必經之路：已知的例子: 從蝌蚪到蛙的變態發育；高等哺乳類動物指間蹼的消失；眼睛中玻璃體和晶狀體的細胞死亡，是眼睛對光通透重要的一步。在人體胚胎發育中，四肢的發育也是一個很好的例子。胚胎長到第5周時出現扁盤狀的肢體萌芽，手指和腳趾之間的蹼消失，四肢才能順利形成其最終形態。
就是在成熟的個體中，細胞凋亡也是必不可少的: 細胞數目和組織大小的控制；組織的更新（如鼻的嗅表皮)。
免疫系統對喪失功能的或是有潛在危險的細胞進行選擇和清除。
清除壞變的細胞
賦予中樞神經系統可塑性。研究人員嘗試在胚胎期激活小鼠的bcl-2基因。該基因會阻止神經細胞的細胞凋亡過程。出生的小鼠腦部神經元數量因此比正常的小鼠多，容積變大。但在測試中顯得比正常小鼠遲鈍。
對生殖細胞進行選擇 (大約95%的生殖細胞會在其成熟之前通過細胞凋亡被清除)
在細胞凋亡與癌症發生和各種自身免疫疾病之間的關係有著很多研究。人們希望激發癌變細胞的細胞凋亡，以達到消弭癌症的目的。
細胞凋亡在神經退化性疾病中所扮演的角色(如阿茨哈默氏痴呆, 亨廷頓舞蹈病, 帕金森病, 肌肉萎縮性側面硬化病（ALS病）)，是熱門的研究話題，人們在這個領域也進行著很多研究。
概念區別
與細胞程式性死亡
細胞凋亡與細胞壞死的區別從嚴格的詞學意義上來說，細胞程式性死亡（PCD） 與細胞凋亡是有很大區別的。細胞程式性死亡的概念是1956 年提出的，PCD 是個功能性概念，描述在一個多細胞生物體中某些細胞死亡是個體發育中的一個預定的、並受到嚴格程式控制的正常組成部分。例如蝌蚪變成青蛙，其變態過程中尾部的消失伴隨大量細胞死亡，高等哺乳類動物指間蹼的消失、顎融合、視網膜發育以及免疫系統的正常發育都必須有細胞死亡的參與。這些形形色色的在機體發育過程中出現的細胞死亡有一個共同特徵：即散在的、逐個地從正常組織中死亡和消失，機體無炎症反應，而且對整個機體的發育是有利和必須的。因此認為動物發育過程中存在的細胞程式性死亡是一個發育學概念，而細胞凋亡則是一個形態學的概念，描述一件有著一整套形態學特徵的與壞死完全不同的細胞死亡形式。但是一般認為凋亡和程式性死亡兩個概念可以互動使用，具有同等意義。
與細胞壞死的區別
雖然凋亡與壞死的最終結果極為相似，但它們的過程與表現卻有很大差別。
壞死（necrosis）：壞死是細胞受到強烈理化或生物因素作用引起細胞無序變化的死亡過程。表現為細胞脹大，胞膜破裂，細胞內容物外溢，核變化較慢，DNA 降解不充分，引起局部嚴重的炎症反應。
凋亡是細胞對環境的生理性病理性刺激信號，環境條件的變化或緩和性損傷產生的應答有序變化的死亡過程。其細胞及組織的變化與壞死有明顯的不同。
研究歷史
1． 凋亡概念的形成
1965年澳大利亞科學家發現，結紮鼠門靜脈後，電鏡觀察到肝實質組織中有一些散在的死亡細胞這些的溶酶體並未被破壞，顯然不同於細胞壞死。這些細胞體積收縮、染色質凝集從其周圍的組織中脫落並被吞噬機體無炎症反應。1972年Kerr等三位科學家首次提出了細胞凋亡的概念，宣告了對細胞凋亡的真正探索的開始，在此之前，關於胚胎髮育生物學、免疫系統的研究，肝細胞死亡的研究都為這一概念的提出奠定了基礎。
2．細胞凋亡的形態學及生物化學研究階段：（1972-1987）
1）利用光鏡和電鏡對形態學特徵進行了詳細的研究。
2）染色體DNA的降解：細胞凋亡的一個顯著特徵就是細胞染色質的DNA降解。
3）RNA/蛋白質大分子的合成。
4）鈣離子變化，細胞內鈣離子濃度的升高是細胞發生凋亡的一個重要條件。
5）內源性核酸內切酶：細胞發生凋亡是需要這種核酸內切酶參與的。
3．細胞凋亡的分子生物學研究階段
1）與細胞凋亡的相關基因及調控
2）細胞凋亡的信號轉導
3）與細胞凋亡的各種分子及其相互作用及相互關係
4．細胞凋亡的臨床套用基礎研究階段
細胞凋亡的研究，其生命力在於最終能夠有利於疾病機制的闡明，以及新療法的探索及問世。
過程簡述
細胞凋亡過程可分為兩階段:開始階段和效應階段。
開始階段
細胞凋亡過程在開始階段又可分為兩個途徑:外始式和內始式。
外始式途徑:
外始式途徑是通過TNF受體家族(如 CD95)的受體與配體結合開始的。這些配體有癌症壞死因子（TNF）,和其他細胞因子,後者可以由如T淋巴細胞分泌。 在FADD (Fas偶聯死亡區域蛋白Fas-associated death domain protein)的協助下，受體不斷在細胞質中收集Procaspase8。後者通過高密度自催化激活自身。活化的Caspase8將會引發所謂的Caspase級聯反應。
因此在愛滋病人體內，很多未受感染的白血球也會凋亡:HIV病毒通過Nef蛋白質激發未受感染的防禦細胞的程式性死亡。抑制劑鹽酸法舒地爾可以阻斷這一機制。
內始式途徑:
內始式途徑始於腫瘤抑制基因如p53,一個轉錄因子,它會受DNA損傷激發。P53能刺激Bcl-2家族中於細胞凋亡前起作用的成員(如Bax, Bad)的表達。這將導致線粒體內外膜間的物質釋放，如細胞色素C和Smac/DIABLO，它們都是作用於細胞凋亡前的物質。 細胞色素C和胞質中的Apaf-1以及Procaspase 9共同組成所謂的凋亡體，其實就是Caspase 9的活化形式。它和Caspase 8一樣引起Caspase級聯反應。
效應階段
Caspase級聯反應和效應caspase:
所謂的效應caspase,指的是Caspase 3, 6 和 7這些能引起細胞的程式性死亡的蛋白酶。一方面它們通過有限的蛋白質水解酶激活下游的目標蛋白(如Caspase激活的去氧核糖核酸酶, CAD, 或是其他的Caspase)。另一方面它們參與核纖肽(在細胞膜上)和肌動蛋白(細胞骨架的成分)的分解過程。 另一方面，DNA的修復會為caspase介導的阻抗反應而受到抑制。
最後細胞慢慢地縮小為一小顆粒，並且為鄰近具有吞噬能力的細胞所吞噬。相對於細胞壞死，細胞膜在凋亡過程中保持完整。
細胞色素C從線粒體中溢出到細胞質，這是細胞凋亡的標誌之一。這在外始式途徑中是在凋亡過程後期才出現的，這裡它反而是凋亡的結果，而不再是在內始式途徑中所擔任的激發者的角色了。
在外始式途徑中，又分為主動 (由受體的激活開始)和被動 (由生長因子,如神經營養素的排出引起)兩種形式。
最重要的抑制細胞凋亡蛋白質有:Bcl-2家族中的抗細胞凋亡成員(Bcl-2和Bcl-xL), 蛋白激酶B和Trk受體家族 (參看神經營養素)還有IAP蛋白 (inhibitor-of-apoptosis protein)。
生物學特徵
形態學變化
形態學觀察細胞凋亡的變化是多階段的，細胞凋亡往往涉及單個細胞，即便是一小部分細胞也是非同步發生的。首先出現的是細胞體積縮小，連線消失，與周圍的細胞脫離，然後是細胞質密度增加，線粒體膜電位消失，通透性改變，釋放細胞色素C到胞漿，核質濃縮，核膜核仁破碎，DNA降解成為約180bp-200bp片段；胞膜有小泡狀形成，膜內側磷脂醯絲氨酸外翻到膜表面，胞膜結構仍然完整，最終可將凋亡細胞遺骸分割包裹為幾個凋亡小體，無內容物外溢，因此不引起周圍的炎症反應，凋亡小體可迅速被周圍專職或非專職吞噬細胞吞噬。
生物化學變化
1）DNA的片段化
細胞凋亡的一個顯著特點是細胞染色體的DNA降解，這是一個較普遍的現象。這種降解非常特異並有規律，所產生的不同長度的DNA片段約為180-200bp的整倍數，而這正好是纏繞組蛋白寡聚體的長度，提示染色體DNA恰好是在核小體與核小體的連線部位被切斷，產生不同長度的寡聚核小體片段，實驗證明，這種DNA的有控降解是一種內源性核酸內切酶作用的結果，該酶在核小體連線部位切斷染色體DNA，這種降解表現在瓊脂糖凝膠電泳中就呈現特異的梯狀Ladder圖譜，而壞死呈瀰漫的連續圖譜。
2） 大分子合成
細胞凋亡的生化改變不僅僅是DNA的有控降解，在細胞凋亡的過程中往往還有新的基因的表達和某些生物大分子的合成作為調控因子。如實驗室發現的TFAR-19就是在細胞凋亡時高表達一種分子，再如在糖皮質激素誘導鼠胸腺細胞凋亡過程中，加入RNA合成抑制劑或蛋白質合成抑制劑即能抑制細胞凋亡的發生。
生物學機制
細胞凋亡的過程大致可分為以下幾個階段：
接受凋亡信號→凋亡調控分子間的相互作用→蛋白水解酶的活化（Caspase）→進入連續反應過程
凋亡的啟動階段
細胞凋亡機制細胞凋亡的啟動是細胞在感受到相應的信號刺激後胞內一系列控制開關的開啟或關閉，不同的外界因素啟動凋亡的方式不同，所引起的信號轉導也不相同，客觀上說對細胞凋亡過程中信號傳遞系統的認識還是不全面的，目前比較清楚的通路主要有：1）細胞凋亡的膜受體通路：各種外界因素是細胞凋亡的啟動劑，它們可以通過不同的信號傳遞系統傳遞凋亡信號，引起細胞凋亡，以Fas -FasL為例：
Fas是一種跨膜蛋白，屬於腫瘤壞死因子受體超家族成員，它與FasL結合可以啟動凋亡信號的轉導引起細胞凋亡。它的活化包括一系列步驟：首先配體誘導受體三聚體化，然後在細胞膜上形成凋亡誘導複合物，這個複合物中包括帶有死亡結構域的Fas相關蛋白FADD。 Fas又稱CD95，是由325個胺基酸組成的受體分子，Fas一旦和配體FasL結合，可通過Fas分子啟動致死性信號轉導，最終引起細胞一系列特徵性變化，使細胞死亡。Fas作為一種普遍表達的受體分子，可出現於多種細胞表面，但FasL的表達卻有其特點，通常只出現於活化的T細胞和NK細胞，因而已被活化的殺傷性免疫細胞，往往能夠最有效地以凋亡途徑置靶細胞於死地。 Fas分子胞內段帶有特殊的死亡結構域（DD, death domain）。三聚化的Fas和FasL結合後，使三個Fas分子的死亡結構域相聚成簇，吸引了胞漿中另一種帶有相同死亡結構域的蛋白FADD。FADD是死亡信號轉錄中的一個連線蛋白，它由兩部分組成：C端（DD結構域）和N端（DED）部分。DD結構域負責和Fas分子胞內段上的DD結構域結合，該蛋白再以DED連線另一個帶有DED的後續成分，由此引起N段DED隨即與無活性的半胱氨酸蛋白酶8（caspase8）酶原發生同嗜性交聯，聚合多個caspase8的分子，caspase8分子逐由單鏈酶原轉成有活性的雙鏈蛋白，進而引起隨後的級聯反應，即Caspases，後者作為酶原而被激活，引起下面的級聯反應。細胞發生凋亡。因而TNF誘導的細胞凋亡途徑與此類似
2）細胞色素C釋放和Caspases激活的生物化學途經
線粒體是細胞生命活動控制中心，它不僅是細胞呼吸鏈和氧化磷酸化的中心，而且是細胞凋亡調控中心。實驗表明了細胞色素C從線粒體釋放是細胞凋亡的關鍵步驟。釋放到細胞漿的細胞色素C在datp存在的條件下能與凋亡相關因子1（Apaf-1）結合，使其形成多聚體，並促使caspase-9與其結合形成凋亡小體，caspase-9被激活，被激活的caspase-9能激活其它的caspase如caspase-3等，從而誘導細胞凋亡。此外，線粒體還釋放凋亡誘導因子，如AIF，參與激活caspase。可見，細胞凋亡小體的相關組份存在於正常細胞的不同部位。促凋亡因子能誘導細胞色素C釋放和凋亡小體的形成。很顯然，細胞色素C從線粒體釋放的調節是細胞凋亡分子機理研究的關鍵問題。多數凋亡刺激因子通過線粒體激活細胞凋亡途經。有人認為受體介導的凋亡途經也有細胞色素C從線粒體的釋放。如對Fas應答的細胞中，一類細胞（type1）中含有足夠的胱解酶8 （caspase8）可被死亡受體活化從而導致細胞凋亡。在這類細胞中高表達Bcl-2並不能抑制Fas誘導的細胞凋亡。在另一類細胞（type2）如肝細胞中，Fas受體介導的胱解酶8活化不能達到很高的水平。因此這類細胞中的凋亡信號需要藉助凋亡的線粒體途經來放大，而Bid -- 一種僅含有BH3結構域的Bcl-2家族蛋白是將凋亡信號從胱解酶8向線粒體傳遞的信使。
凋亡的執行
儘管凋亡過程的詳細機制尚不完全清楚，但是已經確定Caspase即半胱天冬蛋白酶在凋亡過程中是起著必不可少的作用，細胞凋亡的過程實際上是Caspase不可逆有限水解底物的級聯放大反應過程，到目前為止，至少已有14種Caspase被發現，Caspase分子間的同源性很高，結構相似，都是半胱氨酸家族蛋白酶，根據功能可把Caspase基本分為二類：一類參與細胞的加工，如Pro-IL-1β和Pro-IL-1δ，形成有活性的IL-1β和IL-1δ；第二類參與細胞凋亡，包括caspase2,3,6,7,8,9.10。
參與誘導凋亡的Caspase分成兩大類： 啟動酶（inititaor）和效應酶（effector）它們分別在死亡信號轉導的上游和下游發揮作用。
Caspase活化機制：Caspase的活化是有順序的多步水解的過程，Caspase分子各異，但是它們活化的過程相似。首先在caspase前體的N-端前肽和大亞基之間的特定位點被水解去除N-端前肽，然後再在大小亞基之間切割釋放大小亞基，由大亞基和小亞基組成異源二聚體，再由兩個二聚體形成有活性的四聚體。去除N-端前肽是Caspase的活化的第一步，也是必須的，但是Caspase-9的活化不需要去除N-端前肽，Caspase活化基本有兩種機制，即同源活化和異源活化，這兩種活化方式密切相關，一般來說後者是前者的結果，發生同源活化的Caspase又被稱為啟動caspase（initiator caspase），包括caspase-8,-10,-9，誘導凋亡後，起始Caspase通過adaptor被募集到特定的起始活化複合體，形成同源二聚體構像改變，導致同源分子之間的酶切而自身活化，通常caspase-8, 10, 2介導死亡受體通路的細胞凋亡，分別被募集到Fas和TNFR1死亡受體複合物，而Caspase-9參與線粒體通路的細胞凋亡，則被募集到Cyt c/d ATP/Apaf-1組成的凋亡體（apoptosome）。同源活化是細胞凋亡過程中最早發生的capases水解活化事件，啟動Caspase活化後，即開啟細胞內的死亡程式，通過異源活化方式水解下游Caspase將凋亡信號放大，同時將死亡信號向下傳遞。異源活化（hetero-activation）即由一種caspase活化另一種caspase是凋亡蛋白酶的酶原被活化的經典途徑。被異源活化的Caspase又稱為執行caspase(executioner caspase)，包括Caspase-3,-6,-7。執行Caspase不象啟動Caspase ，不能被募集到或結合起始活化複合體，它們必須依賴啟動Caspase才能活化。
Caspase的效應機制
凋亡細胞的特徵性表現，包括DNA裂解為200bp左右的片段，染色質濃縮，細胞膜活化，細胞皺縮，最後形成由細胞膜包裹的凋亡小體，然後，這些凋亡小體被其他細胞所吞噬，這一過程大約經歷30-60分鐘，Caspase引起上述細胞凋亡相關變化的全過程尚不完全清楚，但至少包括以下三種機制：
1．凋亡抑制物
正常活細胞因為核酸酶處於無活性狀態，而不出現DNA斷裂，這是由於核酸酶和抑制物結合在一起，如果抑制物被破壞，核酸酶即可激活，引起DNA片段化（fragmentation）。現知caspase可以裂解這種抑制物而激活核酸酶，因而把這種酶稱為Caspase激活的脫氧核糖核酸酶（caspase-activated deoxyribonulease CAD），而把它的抑制物稱為ICAD。因而，在正常情況下，CAD不顯示活性是因為CAD-ICAD，以一種無活性的複合物形式存在。ICAD一旦被Caspase水解，即賦予CAD以核酸酶活性，DNA片段化即產生，有意義的是CAD只在ICAD存在時才能合成並顯示活性，提示CAD-ICAD以一種其轉錄方式存在，因而ICAD對CAD的活化與抑制卻是必需要的。
2．破壞細胞結構
Caspase可直接破壞細胞結構，如裂解核纖層，核纖層（Lamina）是由核纖層蛋白通過聚合作用而連成頭尾相接的多聚體，由此形成核膜的骨架結構，使染色質（chromatin）得以形成並進行正常的排列。在細胞發生凋亡時，核纖層蛋白作為底物被Caspase在一個近中部的固定部位所裂解，從而使核纖層蛋白崩解，導致細胞染色質的固縮。
3．調節蛋白喪失功能
Caspase可作用於幾種與細胞骨架調節有關的酶或蛋白，改變細胞結構。其中包括凝膠原蛋白（gelsin）、聚合粘附激酶（focal adhesion kinase ,FAK）、P21活化激酶α（PAKα）等。這些蛋白的裂解導致其活性下降。如Caspase可裂解凝膠原蛋白而產生片段，使之不能通過肌動蛋白（actin）纖維來調節細胞骨架。
除此之外，Caspase還能滅活或下調與DNA修復有關的酶、mRNA剪下蛋白和DNA交聯蛋白。由於DNA的作用，這些蛋白功能被抑制，使細胞的增殖與複製受阻並發生凋亡。
所有這些都表明Caspase以一種有條不紊的方式進行"破壞"，它們切斷細胞與周圍的聯繫，拆散細胞骨架，阻斷細胞DNA複製和修復，干擾mRNA剪下，損傷DNA與核結構，誘導細胞表達可被其他的細胞吞噬的信號，並進一步使之降解為凋亡小體。
細胞凋亡的調節
細胞凋亡受到嚴格調控，在正常細胞Caspase處於非活化的酶原狀態，凋亡程式一旦開始，Caspase被活經隨後發生凋亡蛋白酶的層疊級聯反應，發生不可逆的凋亡。
1．凋亡抑制分子：
迄今為止，已發現多種凋亡抑制分子，包括P35，CrmA,IAPs，FLIPs以及Bcl-2家族的凋亡抑制分子。
1）P35和CrmA是廣譜凋亡抑制劑，體外研究結果表明P35以競爭性結合方式與靶分子形成穩定的具有空間位阻效應的複合體並且抑制Caspases活性，同時P35在位點DMQD！G被靶Caspases特異切割，切割後的P35與caspase的結合更強，CrmA（Cytokine response modfer A）是血清蛋白酶抑制劑，能夠直接抑制多種蛋白酶的活性，但目前還未發現在哺乳動物中發現P35和CrmA的同源分子。
2）FLIPs(FLICE-imhibirory proterins)能抑制Fas/TNFR1介導的細胞凋亡。它有多種變異體，但其N-端功能前區（Prodomain）完全相同，C端長短不一。FLIPs通過DED功能區，與FADD和Caspase-8，10結合，拮抗它們之間的相互作用，從而抑制Caspase8，10募集到死亡受體複合體和它們的起始化。
3）凋亡抑制蛋白（IAPs,inhibitors of Apoptosis protien）為一組具有抑制凋亡作用的蛋白質，首先是從桿狀病毒基因組克隆到，發現能夠抑制由病毒感染引起的宿主細胞死亡應答。其特性是有大約20胺基酸組成的功能區，這對IAPs抑制凋亡是必需要的，它們主要抑制Caspase3,-7，而不結合它的酶原，對Caspase則即可以結合活化的，又可結合酶原，進而抑制細胞凋亡。
2．Bcl-2家族：
這一家族有眾多成員，如Mcl-1、NR-B、A1 、Bcl-w、Bcl-x、Bax、Bak、Bad、Bim等，它們分別既有抗凋亡作用，也有促凋亡的作用。多數成員間有兩個結構同源區域，在介導成員之間的二聚體化過程中起重要作用。Bcl-2成員之間的二聚體化是成員之間功能實現或功能調節的重要形式。Bcl-2生理功能是阻遏細胞凋亡，延長細胞壽命，在一些白血病中Bcl-2呈過度表達。
Bcl-2的亞細胞定位已經明確，它在不同的細胞類型可以定位於線粒體、內質網以及核膜上，並通過阻止線粒體細胞色素C的釋放而發揮抗凋亡作用。此外， Bcl-2具有保護細胞的功能， Bcl-2的過度表達可引起細胞核谷胱苷肽（GSH）的積聚，導致核內氧化還原平衡的改變，從而降低了Caspase的活性。Bax是Bcl-2家族中參與細胞凋亡的一個成員，當誘導凋亡時，它從胞液遷移到線粒體和核膜。有人研究發現，細胞毒性藥物誘發凋亡時，核膜Bax水平的上升與lamin及PARP兩種核蛋白的降解呈正相關。用Bax寡核苷酸處理的細胞，只能特異地阻斷Lamin的降解，對PARP的降解不起作用。
線粒體與細胞凋亡
細胞色素釋放引起的凋亡細胞應激反應或凋亡信號能引起線粒體細胞色素c釋放，作為凋亡誘導因子，細胞色素c能與Apaf-1、caspase-9前體、ATP/dATP形成凋亡體（apoptosome），然後召集並激活caspase-3，進而引發caspases級聯反應，導致細胞凋亡。
在這裡，一個核心的問題是細胞色素c究竟通過哪一種途徑釋放到細胞質中，由於大部分凋亡細胞中很少發生線粒體腫脹和線粒體外膜破裂的現象，所以目前普遍認為細胞色素是通過線粒體PT孔或Bcl-2家族成員形成的線粒體跨膜通道釋放到細胞質中的。
線粒體PT孔（permeabilitytransitionpore）主要由位於內膜的腺苷轉位因子（Adeninenucleotidetranslocator，ANT）和位於外膜的電壓依賴性陰離子通道（Voltagedependentanionchannel，VDAC）等蛋白所組成，PT孔開放會引起線粒體跨膜電位下降和細胞色素c釋放。Bcl-2家族蛋白對於PT孔的開放和關閉起關鍵的調節作用，促凋亡蛋白Bax等可以通過與ANT或VDAC的結合介導PT孔的開放，而抗凋亡類蛋白如Bcl-2、Bcl-xL等則可通過與Bax競爭性地與ANT結合，或者直接阻止Bax與ANT、VDAC的結合來發揮其抗凋亡效應。
Bcl-2家族的結構和能形成離子通道的一些毒素（如大腸桿菌毒素）非常相似。插入膜結構中形成較大的通道，允許細胞色素c等蛋白質通過，這可能是細胞色素c釋放的另一個途徑。
線上蟲中ced-3和ced-4的缺失突變抑制所有發育階段的細胞死亡。在哺乳動物中，儘管Apaf-1基因缺失的小鼠沒有caspase活化，但除了神經細胞過多外，大多數器官發育是正常的。近年來的研究發現隨細胞色素c釋放的蛋白還有Smac（secondmitochondria-derivedactivatorofcaspase）、凋亡誘導因子（apoptosisinducingfactor，AIF）和核酸內切酶G(EndoG)。Smac能通過N端的幾個胺基酸與IAPs（凋亡抑制蛋白）的BIR結構域結合，從而解除IAP對caspase的抑制；AIF[7]則引起核固縮和染色質斷裂；EndoG可以使DNA片段化。可見即使在caspase不參與的情況下，由線粒體途徑仍可引起細胞凋亡。
在對Fas應答的細胞中，一型細胞（typeI），如胸腺細胞，其caspase-8有足夠的活性，被Fas活化後導致細胞凋亡，在這類細胞中高表達Bcl-2不能抑制Fas誘導的細胞凋亡。在二型細胞（typeII），如肝細胞中，Fas介導的caspase-8活化不能達到足夠的水平，因此這類細胞中的凋亡信號需要藉助凋亡的線粒體途徑來放大。活化的caspase-8將胞質中的Bid剪下，形成活性分子tBid（truncatedBid），tBid進入線粒體，導致細胞色素c釋放，使凋亡信號放大。
我們不看出線粒體既是細胞的能量工廠，也是細胞的凋亡控制中心，可是為什麼線粒體會擔負起如此重要的雙重功能呢？一個主要的原因是各類生長因子都可以促進葡萄糖轉運和己糖激酶等向線粒體轉運、加速能量生產，相反地剝奪生長因子後，細胞氧消耗降低、ATP合成不足、蛋白質合成受阻，最後細胞走向死亡。由於這一方面的資料較少，目前還很難作出一個較好的解釋，只能留在以後再完善。
醫學意義
免疫學
細胞凋亡1）胸腺細胞成熟過程中的凋亡：胸腺細胞經過一系列的發育過程而成為各種類型的免疫活性細胞。在這一發展過程中，涉及了一系列的陽性細胞選擇和陰性細胞選擇過程。以形成CD4+的T淋巴細胞亞型及CD8+的T淋巴細胞亞型；同時，對識別自身抗原的T細胞克隆進行選擇性地消除，其細胞克隆死亡的機制主要是通過程式性細胞死亡。因此，正常的免疫系統發育的結局，既形成了有免疫活性的淋巴細胞，又產生了對自身抗原的免疫耐受。耐受機制的形成，主要靠識別自身抗原的T淋巴細胞克隆的程式性細胞死亡機制的活化。
2）活化誘導的細胞死亡：（activation-induced cell death，AICD）是T淋巴細胞程式性死亡的又一個主要類型。正常的T淋巴細胞在受到入侵的抗原刺激後，T淋巴細胞被激活，並誘導出一系列的免疫應答反應。機體為了防止過高的免疫應答，或防止這種免疫應答無限制地發展下去，便有AICD來控制激活T細胞的壽命。實際上：T淋巴細胞的增殖與T淋巴細胞AICD具有共同的信號通路。T淋巴細胞受到刺激後就開始活化，活化以後的T淋巴細胞如果有生長因子的存在，即發生生殖反應，如果沒有或較少的生長因子的存在，則發生AICD。3）淋巴細胞對靶細胞的攻擊：免疫活性細胞，特別是淋巴因子激活的殺傷細胞（LAK），是過繼性免疫治療的一種重要形式。在抗腫瘤、抗病毒及免疫調節中具有重要作用。這些免疫活性細胞在攻擊腫瘤細胞、病毒感染的細胞時，可誘導靶細胞發生程式性死亡。
臨床醫學
細胞凋亡之所以成為人們研究的一個熱點，在很大程度上決定於細胞凋亡與臨床病毒的密切關係。這種關係不僅表現在凋亡及其機制的研究，闡明了一大類免疫病的發病機制，而且由此可以導致疾病新療法的出現，特別是細胞凋亡與腫瘤及愛滋病之間的密切關係倍受人們重視。
1） HIV病毒感染造成CD4+細胞減少是通過細胞凋亡機制
HIV感染引起愛滋病，其主要的發病機制是HIV感染後特異性地破壞CD4+細胞，使CD4+以及與其相關的免疫功能缺陷，易招致機會性感染及腫瘤，但HIV感染後怎樣特異性破壞CD4+細胞呢？近年認為，CD4+T淋巴細胞絕對數顯著減少的原因，主要是通過細胞凋亡機製造成的。這不僅闡明了AIDS時CD4+T細胞減少的主要原因，同時也為AIDS的治療研究指明了一個重要的探索方向。
2）從細胞凋亡角度看，腫瘤的發生是由於凋亡受阻所致
一般認為惡性轉化的腫瘤細胞是因為失控生長，過度增殖，從細胞凋亡的角度看則認為是腫瘤的凋亡機制受到抑制不能正常進行細胞死亡清除的結果。腫瘤細胞中有一系列的癌基因和原癌基因被激活，並呈過表達狀態。這些基因的激活和腫瘤的發生髮展之間有著及為密切的關係。癌基因中一大類屬於生長因子家族，也有一大類屬於生長因子受體家族，這些基因的激活與表達，直接刺激了腫瘤細胞的生長，這些癌基因及其表達產物也是細胞凋亡的重要調節因子許多種類的癌基因表達以後，即阻斷了腫瘤細胞的凋亡過程，使腫瘤細胞數目增加，因此，從細胞凋亡角度來理解腫瘤的發生機制，是由於腫瘤細胞的凋亡機制，腫瘤細胞減少受阻所致。因此，通過細胞凋亡角度和機制來設計對腫瘤的治療方法就是重建腫瘤細胞的凋亡信號轉遞系統，即抑制腫瘤細胞的生存基因的表達，激活死亡基因的表達。
3）細胞凋亡的研究將給自身免疫病帶來真正的突破
自身免疫病包括一大類難治性的免疫紊亂而造成的疾病，自身反應性T淋巴細胞及產生抗體的B淋巴細胞是引起自身免疫病的主要免疫病理機制，正常情況下，免疫細胞的活化是一個極為複雜的過程。在自身抗原的刺激作用下，識別自身抗原的免疫細胞被活化，從而通過細胞凋亡的機制而得到清除。但如這一機制發生障礙，那么識別自身抗原的免疫活性細胞的清除就會產生障礙。有人觀察到在淋巴增生突變小鼠中觀察到Fas編碼的基因異常，不能翻譯正常的Fas跨膜蛋白分子，如Fas異常，由其介導的凋亡機制也同時受阻，便造成淋巴細胞增殖性的自身免疫疾患。
4）神經系統的退行性病變：目前知道老年性痴呆是神經細胞凋亡的加速而產生的。阿爾茨海默病（AD）是一種不可逆的退行性神經疾病，澱粉樣前體蛋白（APP）早老蛋白-1（PS1）早老蛋白-2（PS2）的突變導致家族性阿爾茨海默病（FAD）。研究證明PS參與了神經細胞凋亡的調控PS1、PS2的過表達能增強細胞對凋亡信號的敏感性。Bcl-2基因家族兩個成員Bcl-xl和Bcl-2參與對細胞凋亡的調節。
實驗檢測
早期檢測
1） PS（磷脂醯絲氨酸）在細胞外膜上的檢測:
PS從細胞膜內側轉移到外側在細胞受到凋亡誘導後不久發生, 可能作為免疫系統的識別標誌。AnnexinV，一個鈣依賴性的磷脂結合蛋白，能專一性的結合暴露在膜外側的PS，再通過簡單的顯色或發光系統進行檢測。由於這是一種凋亡早期的活細胞檢測（懸浮細胞和貼壁細胞都適用），可與DNA染料或別的晚期檢測方法相結合來標記凋亡的發展階段。
美國著名生物試劑公司CLONTECH和INTERGEN公司分別開發了多種標記的Annexin V產品，簡便快速，10分鐘就可完成檢測。其中帶螢光標記的Annexin V-EGFP（Enhanced Green Fluorescent Protein）及Annexin V-FITC，靈敏度高，可作為FACS（流式細胞分選）方法篩選凋亡細胞的基礎。由於融合蛋白Annexin V-EGFP，EGFP與PS 的結合比例為1：1，還可進行定量檢測。除此之外，還提供生物素偶聯的Annexin V，可通過常用的酶聯顯色反應來檢測。另外，MACS公司將磁珠包被Annexin V，可採用磁分選方法篩選凋亡細胞。
2）細胞內氧化還原狀態改變的檢測：
這反應了細胞凋亡研究中相對較新的趨勢，研究什麼樣的氧化還原環境引起下游事件的發生。CLONTECH公司的ApoAlertTM Glutathione Detection Kit通過螢光染料monochlorobimane（MCB）體外檢測凋亡細胞細胞質中谷光苷肽的減少來檢測凋亡早期細胞內氧化還原狀態的變化。正常狀態下,谷光苷肽（glutathione：GSH）作為細胞的一種重要的氧化還原緩衝劑。細胞內有毒的氧化物通過被GSH還原而定期去除，氧化型的GSH又可被GSH還原酶迅速還原。這一反應線上粒體中尤為重要，許多呼吸作用中副產物的氧化損傷將由此被去除。在Jurcat和一些其它類型的細胞中，細胞膜中有可被凋亡信號啟動的ATP依賴的GSH轉移系統。當細胞內GSH的排除非常活躍時，細胞液就由還原環境轉為氧化環境，這可能導致了凋亡早期細胞線粒體膜電位的降低，從而使細胞色素C（三羧酸循環中的重要組分）從線粒體內轉移到細胞液中，啟動凋亡效應器caspase的級聯反應。
由於 GSH與氧化還原作用及線粒體功能密切相關，此項檢測除了對研究細胞凋亡的起始非常有用外，還可用於心臟病、中風等疾病治療的研究。但有些細胞如：HeLa 和3T3細胞凋亡時沒有明顯的GSH水平的變化，不能用此法檢測。
3）細胞色素C的定位檢測
細胞色素C作為一種信號物質，在細胞凋亡中發揮著重要的作用。正常情況下，它存在於線粒體內膜和外膜之間的腔中，凋亡信號刺激使其從線粒體釋放至細胞液，結合Apaf-1 （apoptotic protease activating factor-1）後啟動caspase級聯反應：細胞色素C/Apaf-1複合物激活caspase-9，後者再激活caspase-3和其它下游caspase。細胞色素C氧化酶亞單位Ⅳ（cytochrome c oxidase subunit Ⅳ：COX4）是定位線上粒體內膜上的膜蛋白，凋亡發生時，它保留線上粒體內，因而它是線粒體富集部分的一個非常有用的標誌。
ApoAlertTMCell Fractionation Kit不用超離心，可從凋亡和非凋亡細胞中快速有效分離出高度富集的線粒體部分，再進一步通過Western雜交用細胞色素C抗體和COX4抗體標示細胞色素C和COX4的存在位置，從而判斷凋亡的發生。
4） 線粒體膜電位變化的檢測：
在凋亡研究的早期，從形態學觀測上線粒體沒有明顯的變化。隨著凋亡機制研究的深入，發現線粒體凋亡也是細胞凋亡的重要組成部分，發生很多生理生化變化。例如，在受到凋亡誘導後線粒體轉膜電位會發生變化，導致膜穿透性的改變。MitoSensorTM，一個陽離子性的染色劑，對此改變非常敏感，呈現出不同的螢光染色。正常細胞中，它線上粒體中形成聚集體，發出強烈的紅色螢光。凋亡細胞中，因線粒體穿膜電位的改變，它以單體形式存在於細胞液中，發出綠色螢光。用螢光顯微鏡或流式細胞儀可清楚地分辨這兩種不同的螢光信號。CLONTECH公司的ApoAlert Mitochondrial Membrane Sensor Kit就採用這種原理來檢測線粒體膜電位的變化。但是，這種方法不能區分細胞凋亡或其他原因導致的線粒體膜電位的變化。
細胞凋亡晚期中，核酸內切酶（某些Caspase的底物）在核小體之間剪下核DNA，產生大量長度在180-200 bp 的DNA片段。對於這一現象的檢測通常有以下兩種方法：
1） TUNEL（Terminal deoxynucleotidyl transferase-mediated dUTP nick-end-labeling）
通過DNA末端轉移酶將帶標記的 dNTP （多為dUTP）間接（通過地高辛）或直接接到DNA片段的3’-OH端，再通過酶聯顯色或螢光檢測定量分析結果。美國Intergen公司提供多種標記方法，直接螢光標記，地高辛介導螢光標記或過氧化物酶聯顯色，可做細胞懸液、福馬林固定或石蠟處理的組織、細胞培養物等多種樣本的檢測。其中，直接標記步驟少，操作簡便。而間接標記有信號放大的作用，檢測靈敏度高。
2） LM-PCR Ladder （連線介導的PCR檢測）
當凋亡細胞比例較小以及檢測樣品量很少（如活體組織切片）時，直接瓊脂糖電泳可能觀察不到核DNA的變化。CLONTECH公司的ApoAlert?LM-PCR Ladder Assay Kit通過LM-PCR（ligation-mediated PCR）,連上特異性接頭，專一性地擴增核小體的梯度片段，從而靈敏地檢測凋亡時產生的核小體的梯度片段。此外，LM-PCR 檢測是半定量的，因此相同凋亡程度的不同樣品可進行比較。
上述兩種方法都針對細胞凋亡晚期核DNA斷裂這一特徵，但細胞受到其它損傷（如機械損傷，紫外線等）也會產生這一現象，因此它對細胞凋亡的檢測會受到其它原因的干擾。
3） Telemerase Detection （端粒酶檢測）
這是相對來說推出較早，用得較多的一種方法。端粒酶是由RNA和蛋白組成的核蛋白，它可以自身RNA為模板逆轉錄合成端粒區重複序列，使細胞獲得“永生化”。正常體細胞是沒有端粒酶活性的，每分裂一次，染色體的端粒會縮短，這可能作為有絲分裂的一種時鐘，表明細胞年齡、複製衰老或細胞凋亡的信號。研究發現，90%以上的癌細胞或凋亡細胞都具有端粒酶的活性。Intergen公司的TRAP-eze Telemerase Detection Kit在1996年率先推出。它提供特定的寡核苷酸底物，分別與底物及端粒重複序列配對的引物。如果待測樣本中含有端粒酶活性，就能在底物上接上不同個數的6鹼基（GGTTAG）端粒重複序列，通過PCR反應，產物電泳檢測就可觀察到相差六個鹼基的DNA Ladder現象（參見圖4）。此外，Intergen公司還提供用酶聯免疫法（ELISA）檢測的試劑盒. 同樣，這種檢測方法也不專對細胞凋亡，檢測結果也不純反應細胞凋亡的發生。
mRNA水平的檢測
研究者們發現了很多在細胞凋亡時表達異常的基因，檢測這些特異基因的表達水平也成為檢測細胞凋亡的一種常用方法。據報導，Fas 蛋白結合受體後能誘導癌細胞中的細胞毒性T細胞（cytotoxic T cells）等靶細胞。Bcl-2 和bcl-X （長的） 作為抗凋亡（bcl-2 和bcl-X）的調節物，它們的表達水平比例決定了細胞是凋亡還是存活。一般多採用Northern雜交和RT-PCR走膠對它們進行檢測。隨著近年來螢光定量PCR技術的發展，用定量PCR技術來檢測基因表達水平無疑比之前者更快更準確。Intergen公司的Amplifluor Apoptosis Gene Systems就根據這一新技術原理，通過檢測fas, bax-alpha 和 bcl-X （長的） 基因的 mRNA表達水平來進行細胞凋亡的檢測。
研究發現
從線蟲研究出控制細胞凋亡的“開關”2010年3月，美國科羅拉多大學博爾德分校的研究小組首次發現“細胞”開關，研究出觸發“細胞凋亡”的方法，可用來治療癌症等疾病。科羅拉多大學教授丁雪（ Ding Xue）稱，這項新研究結果在理解細胞程式死亡或者細胞凋亡方面邁出了一大步。細胞凋亡是細胞的自殺過程，通過自殺方式去除體內非必需細胞或即將發生變異的細胞，細胞凋亡不同於創傷性死亡，它可以幫助人類預防諸如癌症和自身免疫性疾病。
研究小組在小型土壤線蟲上進行試驗，小型土壤線蟲是常用於遺傳和生物醫學實驗用的有機體。研究線蟲的細胞死亡機制，其結果可用於了解人類細胞死亡機制，並研究出解決人類因為“不適當的細胞凋亡”而導致的疾病的方法。研究小組利用線蟲的半胱天冬酶（ caspase ）進行試驗。半胱天冬酶是細胞凋亡的“酶劊子手”，因為它的主要作用就是切斷和破壞細胞的蛋白質。但是，研究小組在試驗中發現半胱天冬酶對Dicer酶具有不同的作用，當半胱天冬酶分裂 Dicer酶後，它並沒有殺死Dicer酶，而只是改變了 Dicer酶的功能（ Dicer酶是一種RNA切割酶），Dicer酶開始分裂染色體，並殺死細胞。
科羅拉多大學波爾德分校生物系主任湯姆·布盧門撒爾（ Tom Blumenthal）說：“有很多酶可以用來切割RNA,同時，其它一些酶可以用來切DNA。但是，這個實驗首次表明，利用半胱天冬酶分裂Dicer酶（這是一種RNA切割酶），可以改變Dicer酶的功能，使其轉變為DNA切割酶.
研究人員說，通過對線蟲的研究，已經發現了對細胞凋亡非常重要的基因。細胞凋亡共分為5個步驟，這些步驟包括確定死亡細胞、激活細胞死亡程式、開始細胞殺死過程、吞噬死亡細胞屍體以及降解細胞碎片。
細胞生活學相關知識
| 細胞生物學(cell biology)是研究細胞結構、功能及生活史的一門科學。細胞生物學由Cytology發展而來，Cytology是關於細胞結構與功能(特別是染色體)的研究。細胞生物學是以細胞為研究對象，從細胞的整體水平、亞顯微水平、分子水平等三個層次，以動態的觀點，研究細胞和細胞器的結構和功能、細胞的生活史和各種生命活動規律的學科。 |
