死亡是生命的普遍现象，但细胞死亡并非与机体死亡同步。正常的组织中，经常发生“正常”的细胞死亡，它是维持组织机能和形态所必需的。
一、细胞死亡的方式
细胞死亡的方式通常有3种：即①细胞坏死。②细胞凋亡。③细胞程序性死亡。
（一）、细胞坏死
是细胞受到急性强力伤害时立即出现的早期反应。包括胞膜直接破坏，大量水进入细胞，线粒体外膜肿胀而密度增加。核染色质呈絮状，蛋白质合成减慢。如及时去除伤害因素，以上早期反应尚可逆转。若伤害外因持续存在，则发生不可逆的变化。Ca2+升高、引起一系列变化，如细胞骨架破坏，溶酶体释放，PH下降，最后细胞膜和细胞器破裂，DNA降解，细胞内容物流出，引起周围组织炎症反应（图15-7）。
图15-7 细胞坏死与凋亡的形态区别
（二）、细胞凋亡
细胞凋亡（cell apoptosis）是借用古希腊语，表时细胞象秋天的树叶一样凋落的死亡方式。1972年Kerr 最先提出这一概念，他发现结扎大鼠肝的左，中叶门静脉后，其周围细胞发生缺血性坏死，但由肝动脉供应区的实质细胞仍存活，只是范围逐渐缩小，其间一些细胞不断转变成细胞质小块，不伴有炎症，后在正常鼠肝中也偶然见到这一现象。与细胞坏死的区别是：①染色质聚集、分块、位于核膜上，胞质凝缩，最后核断裂，细胞通过出芽的方式形成许多凋亡小体（图15-8）；②凋亡小体内有结构完整的细胞器，还有凝缩的染色体，可被邻近细胞吞噬消化，因始终有膜封闭，没有内溶物释放，故不会引起炎症；③线粒体无变化，溶酶体活性不增加；④内切酶活化，DNA有控降解，凝胶电泳图谱呈梯状；⑤凋亡通常是生理性变化，而细胞坏死是病理性变化。
图15-8 左，正常胸腺细胞；右，凋亡胸腺细胞（注意凋亡小体）
在细胞凋亡一词出现之前，胚胎学家已观察到动物发育过程中存在着细胞程序性死亡（programmed cell death，PCD）现象，近年来PCD和细胞凋亡常被做为同义词使用，但两者实质上是有差异的 。首先，PCD是一个功能性概念，描述在一个多细胞生物体中，某些细胞的死亡是个体发育中一个预定的，并受到严格控制的正常组成部分 ，而凋亡是一个形态学概念，指与细胞坏死不同的受到基因控制的细胞死亡形式；其次，PCD的最终结果是细胞凋亡，但细胞凋亡并非都是程序化的。
线虫Caenorhabditis elegans 是研究个体发育和细胞程序性死亡的理想材料。其生命周期短，细胞数量少，成熟的成虫若是雌雄同体则有959个体细胞，约2000个生殖细胞。若是雄虫则有1031个体细胞和约1000个生殖细胞。神经系统由302个细胞组成。这些细胞来自于407个前体细胞。这些前体细胞中有105个发生了程序死亡。控制线虫细胞凋亡的基因主要有3个Ced-3、Ced-4和Ced-9，Ced-3和 Ced-4的作用是诱发凋亡。在缺乏Ced-3、Ced-4的突变体中不发生凋亡。有多余细胞存在。Ced-9抑制Ced-3、Ced-4的作用。使凋亡不能发生、Ced-9功能不足导致胚胎因细胞过度凋亡而死亡。
2002年10月7日英国人悉尼·布雷诺尔、美国人罗伯特·霍维茨和英国人约翰·苏尔斯顿，因在器官发育的遗传调控和细胞程序性死亡方面的研究获诺贝尔诺贝尔生理与医学奖。
2002年诺贝尔生理与医学奖获得者（图片来自http://www.nobel.se/）
二、细胞凋亡的分子机理
（一）、细胞凋亡相关基因
对哺乳动物细胞凋亡的基因凋控过程目前还不十分清楚，研究表明与细胞增殖有关的原癌基因和抑癌基都参于对细胞凋亡的凋控。其中研究较多的有bcl-2 c-myc、p53、Ice、Fas/APO-1等。
1、myc
在许多人类恶性肿瘤细胞中都发现有c-myc的过度表达，它能促进细胞增殖、抑制分化。c-myc还参于细胞调亡的控制。在凋亡细胞中c-myc也是高表达。c-myc对增殖和凋亡的调节是一样的。作为转录凋控因子，一方面激活那些控制细胞增殖的基因，另一方面也激活促进细胞凋亡的基因，给细胞两种选择：增殖或凋亡。当生长因子存在，bcl-2基因表达时，促进细胞增殖，反之细胞凋亡。
2、bcl-2
即：细胞凋亡抑制基因，名称来源于B细胞淋巴瘤/白血病-2(B-cell lymphoma/Leukemia-2，bcl-2)，最早由Tsujimoto（1985）从伴有14、18染色体易位的淋巴瘤细胞中发现，在正常人体内位于18号染色体，在患者易位于14号染色体。bcl-2 是目前发现的与凋亡关系密切的原癌基因之一，能够编码 bcl-2α（26KD）和 bcl-2β（22KD）两种蛋白质，是膜的整合蛋白，主要存在于线粒体外膜、核膜及部分内质网中，它很少与其他生化机制已清楚的蛋白同源。bcl-2蛋白在正常组织自身稳定方面起重要作用， bcl-2多出现在胸腺髓质细胞、记忆B淋巴细胞、及寿命长的干细胞群里，如皮肤、结肠、前列腺和子宫内膜中，但很少出现在分化末期的上皮细胞中。
bc1-2的功能相当于线虫中的ced9，bc1-2家族包括bcl-2、bax、bad、bcl-x等。bax基因是bcl-2基因家族的一员，其产物是一种与bcl-2同源的相关蛋白，能拮抗后者的生物学活性。bax的主要作用是加速细胞凋亡，并与bcl-2一起调节细胞凋亡。bcl-2家族的成员通常以二聚体的形式发挥作用，bcl-2/bcl-2，bcl-2/bax和bcl-2/bcl-xL抑制细胞凋亡，而bax/bax，bax/bad和bcl-2/bax-xs促进细胞凋亡。Bad也属bcl-2基因家族 ，是bcl-2/bcl-xL相关死亡促进因子，作为bcl-2/bcl-xL异二聚体伴分子而促进细胞凋亡。bcl-x通过剪切可形成bcl-xl和blc-xs两个产物。bcl-xl与bcl-2同源，抑制细胞凋亡，而bcl-xs作用类似bax，诱导细胞凋亡。
3、fas
fas又称作APO-1，属TNF受体和NGF受体家族。1993年人白细胞分型国际会议统一命名为CD95。fas基因编码产物为分子量45KD的跨膜蛋白，分布于胸腺细胞、T淋巴细胞、B淋巴细胞、NK细胞、内皮细胞、上皮细胞以及皮肤角质形成细胞等等。Fas蛋白与Fas配体组成Fas系统，二者的结合导致靶细胞走向凋亡。
4、ICE蛋白酶家族
ICE蛋白酶参与Fas和TNFR1诱导的细胞凋亡，ICE与线虫细胞凋亡基因ced-3同源，迄今已发现了11个同源基因，1996年后这些家族成员统称为Caspase，能选择性地切割蛋白质使其失活或激活。ced-4在哺乳动物中的同源体为Apaf-1 (apoptotic protease activating factor-1)， Apaf-1具有激活Caspase3 (CPP32)的作用，而这一过程又需要其他两个蛋白质因子的参与：细胞色素c(Apaf-2)、Apaf-3。
5、p53
是一种抑癌基因，其生物学功能是在G期监视DNA的完整性。如有损伤，则抑制细胞增殖。直到DNA修复完成。如果DNA不能被修复，则诱导其调亡，研究发现丧失P53功能的小鼠胸腺细胞对糖皮质激素诱导的调亡反应和正常细胞相同，而对辐射诱导的调亡不敏感。
（二）、Fas诱导的细胞凋亡
Fas具有三个半胱氨酸丰富的膜外区和一个称为死亡结构域（Death domain，DD，图15-9）胞内区，CD95的配体CD95L是TNF家族的一员， 当CD95L或其他配体与CD95结合，CD95三聚化使胞内的DD区形成一种构象，它可以与接头蛋白FADD的DD区结合，而后FADD的N端DED区（death effector domain）就能与Caspase-8前体蛋白和CAP3（cytotoxicity-dependent APO-1-asocited proteins）结合，对Caspase-8前体蛋白进行切割，成熟的Caspase是由两个分子量分别为10和20kD的亚基组成的异源二聚体，这两个亚基紧密结合在一起，从而形成一个催化结构域。
图15-9 FAS与CD95L
Caspase选择性切割在羧端含天冬氨酸残基4肽结构。在CD95诱导的凋亡中，Caspase-8扮演了重要角色， Caspase-8前体蛋白通过自身剪切转变成活性形式，然后激活Caspase-3，Caspase-7，接着Caspase-3激活Caspase-6。Caspase-3，Caspase-6参与核的凋亡。在小鼠和人体内发现了一种称为CAD（caspase-activated Dnase）的蛋白，CAD存在于胞质中，并且与ICAD/DFF-45蛋白结合，这就阻止了CAD进入细胞核降解DNA。Caspase可以降解ICAD/DFF-45，这样就释放出CAD，使它能够进入细胞核降解DNA。这几种Caspase同时降解多种胞内蛋白，包括：结构蛋白、信号蛋白、转录调控蛋白、周期蛋白等等。
线粒体CD95诱导的凋亡中起重要作用。首先在凋亡细胞中，Caspase引起线粒体PT（Permeability transition）孔的打开，导致线粒体的跨膜电位下降，同时细胞色素C被释放到胞质中、细胞色素C在胞质中可以激活Caspase-9，后者再激活Caspase-3。凋亡抑制蛋白家族的两个主要成员：Bcl-2，Bcl-xl都作用于线粒体从而抑制凋亡。
Bcl-2家族分为两类，一类是抗凋亡的主要有Bcl-2、Bcl-xl、Bcl-w、Mcl-1。一类是促进凋亡的主要包括Bax、Bak、Bad。Bcl家族中的大多数都可以形成同源或异源二聚体，如Bax与Bcl-2可以形成异源二聚体，细胞中Bax和Bcl-2的比例就决定了细胞是否死亡的命运。Bcl-2对线粒体释放的细胞色素C的释放有抑制作用，而细胞色素C对Caspase有激活作用。Bcl-2抑制凋亡的实验中，细胞色素C都没有释放。那么Bcl-2是如何影响线粒体的呢？最近的Bcl-xl单体的结构和功能研究发现它和可以形成离子通道的一些毒素非常相似。随后的电生理实验表明Bcl-2，Bcl-xl都可以在人工脂膜上形成离子通道。它们可能通过调节跨膜的电化学梯度而对细胞凋亡进行调节，也可能它们是PT孔的组分，当PT孔打开时引起细胞凋亡。
