第四节　神经系统的死亡及老化

一、神经细胞死亡

细胞死亡（cell death）是指细胞生命活动的结束，它不仅是包括神经细胞在内的所有细胞的最终命运，而且它与细胞分裂、增殖一样，在整个机体的生长、发育中具有不可替代的作用。 目前认为，在多细胞生物中，细胞死亡主要有以下三种形式：一是坏死（necrosis）性死亡，指由于不可修复的损伤、缺血或感染引起的细胞死亡现象。 它是一种被动性死亡，亦称为病理性细胞死亡。 二是程序性细胞死亡（programmed cell death，PCD），是指由基因控制、死亡信号诱发的受调节的细胞死亡过程，是细胞生理性死亡的普遍形式，包括凋亡（apoptosis）和自噬（autophagy）。 三为非程序性细胞死亡（non-programmed cell death，NPCD），包括副凋亡（paraptosis）、细胞有丝分裂灾难（mitotic catastrophe）和胀亡（oncosis）。 近年来研究发现，铁死亡可能是一种尚未被充分认识的新的细胞死亡方式。

本节主要介绍神经细胞死亡的几种主要形式，包括坏死、凋亡和自噬；并简要介绍神经细胞死亡在神经发育和常见的神经系统退行性疾病，如阿尔茨海默病、帕金森病等疾病中的重要作用。

（一）神经细胞坏死

神经细胞坏死是指神经细胞受到化学因素（如强酸、强碱、有毒物质）、物理因素（如热、辐射）及生物因素（如病原体）等环境因素的伤害，引起神经细胞死亡的一种现象。 坏死神经细胞的形态改变主要是由下列两种病理过程引起的，即酶性消化和蛋白变性。 参与此过程的酶，如来源于死亡细胞本身的溶酶体，则称为细胞自溶（autolysis）；若来源于浸润坏死组织内白细胞溶酶体，则为异溶（heterolysis）。

细胞坏死初期，胞质内线粒体和内质网肿胀、崩解，结构脂滴游离、空泡化，蛋白质颗粒增多，细胞核发生固缩或断裂。 随着胞质内蛋白质变性、凝固或碎裂，以及嗜碱性核蛋白的降解，细胞质呈现强嗜酸性，故坏死组织或细胞在苏木精/伊红染色切片中，胞质呈均一的深伊红色，原有的微细结构消失。 在含水量高的细胞，可因胞质内水泡不断增大，并发生溶解，导致细胞结构完全消失，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2-3-8）。

（二）神经细胞凋亡

细胞凋亡（cell apoptosis）是借用古希腊语，表示细胞像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。

凋亡细胞的主要特征是（表2-3-1）：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；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，没有内容物释放，故不会引起炎症；③凋亡细胞中仍需要合成一些蛋白质，但是在坏死细胞中ATP 和蛋白质合成受阻或终止；④核酸内切酶活化，导致染色质DNA 在核小体连接部位断裂，形成约200bp 整数倍的核酸片段，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。

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程序性细胞死亡（PCD）现象，它是胚胎正常发育所必需的。 近年来，PCD 和细胞凋亡常被作为同义词使用，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（C.elegans）生命周期短，细胞数量少，成为研究个体发育和细胞程序性死亡的理想材料。 它的神经系统由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 个发生了程序性死亡。 麻省理工学院的Robert Horvitz 领衔的研究小组采用体细胞突变的方法发现共有14 个基因在线虫细胞凋亡中起作用，其中在细胞凋亡的实施阶段起作用的主要有3 个：Ced-3、Ced-4 和Ced-9，其中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。 凋亡的研究早已成为科学研究的热点问题，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，于2002 年获诺贝尔生理与医学奖。

（三）神经细胞凋亡的分子机制

脊椎动物神经系统在个体发生中即使没有遇到外在损害，其神经细胞在竞争靶源有限的神经营养因子（神经细胞诱向因子，neuron trophic factor，NTF）过程中，在特定部位和时间也会按自身的程序主动死亡，即Lockshin 和Williams 称之为程序性细胞死亡（PCD）。 哺乳动物从囊胚开始终生都有广泛、持续的细胞PCD。 这类细胞死亡有着独特的形态和生物化学特点：如染色质浓缩、核酸内切酶将核小体DNA 裂解为160～180bp 片段，其电泳图像呈梯阶形式；细胞的泡状外突形成包膜的凋亡小体（apoptotic bodies）；死亡细胞或其残片迅速被巨噬细胞膜的糖蛋白CD14 所识别、吞噬而清除，没有漏出内容物，无炎症反应等。 Kerr 等将这些表现特称为细胞凋亡（apoptosis）。 故细胞凋亡完全不同于细胞坏死，后者出现细胞膨胀、瓦解，并引起炎症反应。 同时，在神经系统的PCD 中也存在着非凋亡式的细胞死亡。

细胞凋亡和细胞增殖都是生命的基本现象，是维持体内细胞数量动态平衡的基本措施。在胚胎发育阶段通过细胞凋亡清除多余的和已完成使命的细胞，保证了胚胎的正常发育；在成年阶段通过细胞凋亡清除衰老和病变的细胞，保证了机体的健康。 和细胞增殖一样，细胞凋亡也是受基因调控的精确过程，目前研究发现，细胞凋亡的途径主要有两条：一条是通过胞外信号激活细胞内的凋亡酶caspase；一条是通过线粒体释放凋亡酶激活因子激活caspase。 这些活化的酶可将细胞内的重要蛋白降解，引起细胞凋亡。 本节就细胞凋亡的分子机制作简要介绍。

1.凋亡相关的基因和蛋白

细胞凋亡的调控涉及许多基因，包括一些与细胞增殖有关的原癌基因和抑癌基因。 其中研究较多的有ICE、Apaf-1、Bcl-2、Fas/APO-1、c-myc、p53、ATM 等。

（1）caspase 家族：

caspase 属于半胱氨酸蛋白酶，相当于线虫中的ced-3，这些蛋白酶是引起细胞凋亡的关键酶，一旦被信号途径激活，能将细胞内的蛋白质降解，使细胞不可逆地走向死亡。 它们均有以下特点：①酶活性依赖于半胱氨酸残基的亲核性；②总是在天冬氨酸之后切断底物，所以命名为caspase（cysteine aspartate-specific protease），也称为凋亡酶；③都是由两大、两小亚基组成的异四聚体，大、小亚基由同一基因编码，前体被切割后产生两个活性亚基。

从线虫到哺乳动物（包括人）均发现有细胞死亡基因。 线虫的主要死亡基因为ced-3 和ced-4，ced-3 编码的CED-3 蛋白酶序列与哺乳动物的白细胞介素-1β 转化酶（interleukin-1β converting enzyme，ICE）同源，是半胱氨酸蛋白酶，因该酶能将白介素前体切割为活性分子，故如此命名。

人的caspase 族蛋白酶是Asp 特异性半胱氨酸蛋白酶（ASCP），它们是无活性的酶原，或通过自动催化或被其他蛋白酶裂解成为有活性的蛋白酶。 ICE 族各个成员的过度表达均能诱发细胞凋亡。 这些蛋白酶在种系发生上反映出各成员之间的同源性和保守性。 通过cDNA 杂交和查找基因组数据库，在人类细胞中已发现11 个ICE 同源物，分为2 个亚族（subgroup）：ICE 亚族和CED-3 家族（彩图2-3-9），前者参与炎症反应，后者参与细胞凋亡，又分为两类：一类为执行者（executioner 或effector），如caspase-3、caspase-6、caspase-7，它们可直接降解胞内的结构蛋白和功能蛋白，引起凋亡，但不能通过自催化（autocatalytic）或自剪接的方式激活；另一类为启动者（initiator），如caspase-8、caspase-9，收到信号后，能通过自剪接而激活，然后引起caspase 级联反应，如caspase-8 可依次激活caspase-3、caspase-6、caspase-7。

细胞中还具有caspase 的抑制因子，称为IAP（inhibitors of apoptosis proteins），属于一个庞大的蛋白家族。 它们能通过BIR 结构域（baculovirus IAP repeats domain）与caspase 结合，抑制其活性，如XIAP。 另外，ced-9 作为线虫基因组中存活基因（survival gene）的一种，其编码的蛋白质与原癌基因产物Bcl-2 族的Bcl-xl 同源，有抑制ced-4 的作用，以致转染Bcl-2 基因或Bcl-2 的线虫不会因ced-9 突变而出现PCD，即能保护神经细胞和其他细胞的存活。 这些基因在个体发生中都能自动地调控细胞死亡。

（2）Apaf-1：

Apaf-1 被称为凋亡酶激活因子-1（apoptotic protease activating factor-1），在线虫中的同源物为ced-4，在线粒体参与的凋亡途径中具有重要作用，该基因敲除后，小鼠神经细胞过多，脑畸形发育。 Apaf-1 含有3 个不同的结构域：①CARD（caspase recruitment domain）结构域，能召集caspase-9；②ced-4 同源结构域，能结合ATP/dATP；③C 端结构域，含有色氨酸/天冬氨酸重复序列，当细胞色素c 结合到这一区域后，能引起Apaf-1 多聚化而激活。 Apaf-1 具有激活caspase-3 的作用，而这一过程又需要细胞色素C（Apaf-2）和caspase-9（Apaf-3）参与。

Apaf-1/细胞色素C 复合体与ATP/dATP 结合后，Apaf-1 就可以通过其CARD 结构域召集caspase-9，形成凋亡体（apoptosome），激活caspase-3，启动caspase 级联反应。

（3）Bcl-2 家族：

Bcl-2 为凋亡抑制基因，是膜的整合蛋白，其功能相当于线虫中的ced-9。现已发现至少19 个同源物，它们在线粒体参与的凋亡途径中起调控作用，能控制线粒体中细胞色素C 等凋亡因子的释放。

Bcl-2 家族成员都含有1～4 个Bcl-2 同源结构域（BH1～4），并且通常有一个羧端跨膜结构域（transmembrane region，TM）。 其中BH4 是抗凋亡蛋白所特有的结构域，BH3 是与促进凋亡有关的结构域。 根据功能和结构可将Bcl-2 基因家族分为两类（彩图2-3-10），一类是抗凋亡的（anti-apoptotic），如Bcl-2、Bcl-xl、Bcl-w、Mcl-1；一类是促进凋亡的（pro-apoptotic），如Bax、Bak、Bad、Bid、Bim，在促凋亡蛋白中还有一类仅含BH3 结构，如Bid、Bad。

虽然Bcl-2 蛋白存在于线粒体膜、内质网膜以及外核膜上，但主要定位于线粒体外膜，它拮抗促凋亡蛋白的功能。 而大多数促凋亡蛋白则主要定位于细胞质，一旦细胞受到凋亡因子的诱导，它们可以向线粒体转位，通过寡聚化在线粒体外膜形成跨膜通道，或者开启线粒体的PT 孔，从而导致线粒体中的凋亡因子释放，激活caspase，导致细胞凋亡。

胞质中的促凋亡蛋白可通过不同的方式被激活，包括去磷酸化，如Bad；被caspase 加工为活性分子，如Bid；从结合蛋白上释放出来，如Bim 是与微管蛋白结合在一起的。

（4）死亡受体和死亡配体：

触发细胞凋亡的死亡受体主要是肿瘤坏死因子（TNF）/NGF受体超家族成员，如TNFR1、Fas/Apo-1、p75NTR、DR-3/WSL-1/Apo-3、DR-4、DR-5、LTBR（淋巴细胞毒素B 受体）、TRAMP 等。

Fas：又称作APO-1/CD95，属TNF 受体家族。 Fas 基因编码产物为分子量45KD 的跨膜蛋白，分布于胸腺细胞，激活的T 和B 淋巴细胞，巨噬细胞，肝、脾、肺、心、脑、肠、睾丸和卵巢细胞等。 Fas 蛋白的胞外结构域富集半胱氨酸亚结构域，胞内结构域则含有死亡结构域，与Fas 配体结合后，会激活caspase，导致靶细胞走向凋亡。 一般来说，CD95 介导的凋亡信号传导在细胞表面需要有足够密度的CD95、CD95L 与CD95 结合成为寡聚体和凋亡敏感的细胞等3 个因素。 CD95 发出的死亡指令直接传导给有死亡结构域的胞内信号媒体分子FADD/MORT1，再传递到蛋白酶。

TNF 和TNFR：肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，NTF）与CD95、p75NTR、CD40 一样同属Ⅰ型膜蛋白，为TNF/NGF 受体超家族的成员。 TNF 对多种类型细胞有引起凋亡、抗病毒活性、激活转录因子（NF-κB）和保护宿主抗拒微生物及病原菌等生物学效应。 CD120α 的胞内部分含有约80 个氨基酸的死亡结构域，为诱导细胞凋亡和激活NF-κB 的分子基础；而CD120β 的胞内部分为TRAF（TNFR 相关因子，TNFR-associated factor，TRAF）结构域，参与活化NF-κB。 因此TNF 和两者结合构成寡聚体活化后，分别与各自相关信号媒体分子相互作用，构成互不重叠的信号传导途径，再通过胞内信号媒体分子TRADD、RIP 传导到酶解细胞结构分子的caspase 族蛋白酶，使细胞产生不同的生物学效应。

p75NTR：p75NTR 为神经营养素（neurotrophins，NT）的协助受体，其分子结构和介导细胞凋亡的性能与CD120α、CD95 有明显相似性，亦为TNF/NGF 受体超家族成员。

DR：死亡受体（death receptor）已经鉴定的有DR3、DR4 和DR5，前者也称为WSL-1/Apo-3 受体或TRAMP（TNFR 介导的细胞凋亡蛋白质，TNF-receptor apoptosis-mediating protein，TRAMP），它们同属TNF/NGF 受体超家族成员，在脑内没有发现其mRNA。

（5）细胞内传导死亡指令的信号分子：

近年来，已在细胞内发现了多个传导死亡指令的信号媒体分子，如FADD/MORT1、TRADD、RIP、FLICE。 它们共同的特点是分子的C-终端含有死亡结构域，与相关受体胞质内的死亡结构域相互作用；其N-终端含有死亡效应子结构域（death effector domain）。 这类分子将相应受体产生的死亡指令传递给瓦解细胞结构分子的caspase 族蛋白酶，并在其传递途径中也发现有干扰和抑制传导死亡信号的病毒蛋白和相应效应的原癌基因Bcl-2 族产物和抑制剂。

（6）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，则诱导其凋亡，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凋亡反应和正常细胞相同，而对辐射诱导的凋亡不敏感。

（7）c-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。 在凋亡细胞中c-myc 也是高表达，作为转录调控因子，一方面它能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。

（8）ATM：

ATM（ataxia telangiectasia-mutated gene）是与DNA 损伤检验有关的一个重要基因。 最早发现于毛细血管扩张性共济失调症患者，人类中大约有1%是ATM 缺失的杂合子，表现出对电离辐射敏感和易患癌症。 正常细胞经放射处理后，DNA 损伤会激活修复机制，如DNA 不能修复则诱导细胞凋亡。 ATM 是DNA 损伤检验点的一个重要的蛋白激酶。

2.Fas 介导的细胞凋亡

触发细胞凋亡的死亡受体主要是肿瘤坏死因子（TNF）/NGF受体超家族成员，它们通过其胞外结构域与相应的死亡配体或因子（death ligands or factors）相结合，触发死亡受体胞内结构域产生死亡信号，传给胞质中的信号媒体分子；也可通过细胞表面另一类介导病毒进入细胞的受体，如疱疹病毒进入细胞的介体（HVEM）、禽类细胞病白血病-肉瘤病毒介导凋亡的受体（CAR1）导致细胞凋亡。 TNF/NGF 受体超家族成员分子结构的特点是跨膜的Ⅰ型膜蛋白，其胞外结构域大约每40 个氨基酸中含6 个半胱氨酸的不完全重复片段，可与配体结合；其胞内结构域均含有死亡结构域（约含80 个氨基酸），是死亡信号产生及死亡信号分子相互结合的部位，也是决定蛋白-蛋白相互作用顺序和活化转录因子NF-κB 的部位。 TNFR 死亡结构域突变往往发生在A-螺旋结构的保守氨基酸处，因此可以干扰受体死亡信号的传导。

目前已比较清楚的是Fas 介导的细胞凋亡途径。 Fas 具有三个富含半胱氨酸的胞外区和一个称为死亡结构域（death domain，DD）的胞内区。 Fas 的配体FasL（Fas ligand）与Fas 结合后，Fas 三聚化使胞内的DD 区构象改变，然后与接头蛋白FADD（Fas-associated death domain）的DD 区结合，而后FADD 的N 端DED 区（death effector domain）就能与caspase-8（或caspase-10）前体蛋白结合，形成DISC（death-inducing signaling complex），引起caspase-8、caspase-10 通过自身剪切激活，它们启动caspase 的级联反应，使caspase-3、caspase-6、caspase-7 激活，这几种caspase 可降解胞内结构蛋白和功能蛋白，最终导致细胞凋亡。

caspase 可激活名叫CAD（caspase-activated dnase）的核酸酶，CAD 能在核小体的连接区将其切断，形成约为200bp 整数倍的核酸片段。 正常情况下CAD 存在于胞质中，并且与抑制因子ICAD/DFF-45 蛋白结合，不能进入细胞核。 caspase 活化后可以降解ICAD/DFF-45，释放出CAD，使它进入细胞核降解DNA。 Fas/FasL 系统在免疫系统中具有重要的作用，其一是参与免疫调节，活化成熟的外周T 细胞主要通过Fas/FasL 系统介导的细胞凋亡清除与自身抗原有交叉反应的克隆和由自身抗原激活的细胞克隆，以限制T 细胞克隆的无限增殖，防止对自身组织的损伤，即产生外周免疫耐受。 淋巴细胞凋亡异常导致的免疫耐受失控，是自身免疫性疾病的主要病因。 其二是细胞毒T 细胞（CTL）可以通过FasL 诱导靶细胞凋亡，但遗憾的是，某些肿瘤细胞也可以通过这一途径诱导淋巴细胞凋亡，从而逃脱免疫监控。

3.线粒体与细胞凋亡

细胞应激反应或凋亡信号能引起线粒体细胞色素C 释放，作为凋亡诱导因子，细胞色素C 能与Apaf-1、caspase-9 前体、ATP/dATP 形成凋亡体（apoptosome，图2-3-11），然后召集并激活caspase-3，进而引发caspases 级联反应，导致细胞凋亡。

在这里，一个核心的问题是细胞色素C 究竟通过哪一种途径释放到细胞质中，由于大部分凋亡细胞中很少发生线粒体肿胀和线粒体外膜破裂的现象，所以目前普遍认为细胞色素是通过线粒体PT 孔或Bcl-2 家族成员形成的线粒体跨膜通道释放到细胞质中的。

线粒体PT 孔（permeability transition pore）主要由位于内膜的腺苷转位因子（adenine nucleotide translocator，ANT）和位于外膜的电压依赖性阴离子通道（voltage dependent anion channel，VDAC）等蛋白所组成，PT 孔开放会引起线粒体跨膜电位下降和细胞色素C 释放。Bcl-2 家族蛋白对于PT 孔的开放和关闭起关键的调节作用，促凋亡蛋白Bax 等可以通过与ANT 或VDAC 的结合介导PT 孔的开放，而抗凋亡类蛋白如Bcl-2、Bcl-xl 等则可通过与Bax竞争性地与ANT 结合，或者直接阻止Bax 与ANT、VDAC 的结合来发挥其抗凋亡效应。 Bcl-2 家族的结构和能形成离子通道的一些毒素（如大肠埃希菌毒素）非常相似。 插入膜结构中形成较大的通道，允许细胞色素C 等蛋白质通过，这可能是细胞色素C 释放的另一个途径。

在线虫中，ced-3 和ced-4 的缺失突变抑制所有发育阶段的细胞死亡。 在哺乳动物中，尽管Apaf-1 基因缺失的小鼠没有caspase 活化，但除了神经细胞过多外，大多数器官发育是正常的。 近年来的研究发现，随细胞色素C 释放的蛋白还有Smac（second mitochondria-derived activator of caspase）、凋亡诱导因子（apoptosis inducing factor，AIF）和核酸内切酶G（Endo G）。 Smac 能通过N 端的几个氨基酸与IAP（凋亡抑制蛋白）的BIR 结构域结合，从而解除IAP 对caspase 的抑制；AIF 则引起核固缩和染色质断裂；Endo G 可以使DNA 片段化。 可见即使在caspase 不参与的情况下，由线粒体途径仍可引起细胞凋亡。

在对Fas 应答的细胞中，Ⅰ型细胞（type Ⅰ），如胸腺细胞，其caspase-8 有足够的活性，被Fas 活化后导致细胞凋亡，在这类细胞中高表达Bcl-2 不能抑制Fas 诱导的细胞凋亡。 在Ⅱ型细胞（type Ⅱ），如肝细胞中，Fas 介导的caspase-8 活化不能达到足够的水平，因此这类细胞中的凋亡信号需要借助凋亡的线粒体途径来放大。 活化的caspase-8 将胞质中的Bid 剪切，形成活性分子tBid（truncated Bid），tBid 进入线粒体，导致细胞色素C 释放，使凋亡信号放大。

我们不难看出，线粒体既是细胞的能量工厂，也是细胞的凋亡控制中心，线粒体之所以担负如此重要的双重功能，一个主要的原因是各类生长因子都可以促进葡萄糖转运和己糖激酶等向线粒体转运、加速能量生产，相反地剥夺生长因子后，细胞氧消耗降低、ATP 合成不足、蛋白质合成受阻，最后细胞走向死亡。

（四）神经细胞自噬

真核生物中，自噬根据待降解物被转运到溶酶体内的途径不同分为大自噬（macroautophagy）、小自噬（microautophagy）以及分子伴侣介导的自噬（chaperon-mediated autophagy，CMA）3 种，通常所说的自噬即大自噬。 自噬发生需要众多分子的参与，如自噬相关基因（autophagy-related gene，Atg）、微管相关蛋白轻链3（microtubule-associated protein light chain 3，LC3）等。

自噬通过形成自噬小体降解细胞内小分子物质、细胞器或细胞膜，一方面帮助细胞清除受损伤或衰老的细胞器、不再需要的生物大分子以及细胞内异物；另一方面也为细胞内细胞器的构建提供原料，即细胞结构的再循环；同时在应激或饥饿时尚能为细胞提供生存必需的营养物质以帮助细胞渡过难关。 自噬的过度发生也可诱导细胞发生程序性死亡，被称为Ⅱ型程序性细胞死亡，参与多种疾病的发生发展。 同时，自噬作为一种重要的物质代谢活动，其对维持缺血缺氧等应激状态下神经细胞存活、清除神经细胞内衰老细胞器及错误折叠蛋白等起重要作用，但目前自噬在神经细胞死亡上是起保护作用还是促进作用仍存在较大争议。

（五）神经细胞死亡与神经发育和神经退行性疾病

1.神经细胞死亡与神经发育

在胚胎发育过程中神经细胞的凋亡具有独特的生物学意义，从一个结构简单的神经板到一个构筑精巧、功能精细复杂的脑，神经细胞的增生、迁移与细胞死亡发挥着极其重要的作用。 一旦这种生长与死亡之间的平衡遭到破坏，将导致各种各样的神经系统发育畸形。 一般认为，发育过程中的增生与凋亡之间的平衡决定最终组织和器官的结构大小和形态。 研究发现，最早的神经细胞死亡发生在神经嵴形成和神经管发生时期，并广泛分布于中枢神经系统和周围神经系统的神经节。 细胞凋亡在神经管的形成之初就可以出现，主要是神经干细胞的凋亡。

细胞凋亡对于神经管的形成有重要意义，它有助于神经管与外胚层分离，同时也是神经管头部脑泡塑形的基础。 神经细胞的凋亡与神经管的分化、发育也有密切关系，如神经管分化过程中背侧两面的细胞凋亡不尽相同，而且脑泡不同节段细胞凋亡也有区别，这些现象都是由于神经管区域性分化需要决定的。 神经管分化阶段的细胞凋亡可能是神经干细胞或者早期有丝分裂后细胞。 神经管神经上皮细胞的死亡也主要是通过caspase 依赖性凋亡和自吞噬加以实现的，caspase 依赖性凋亡细胞主要是由相邻细胞或巨噬细胞经异体吞噬作用消除死亡细胞，而自吞噬主要是依靠细胞自身溶酶体的自噬作用消除死亡细胞。

神经管形成之后，脑内细胞死亡以神经细胞和神经胶质细胞凋亡为主。 神经细胞凋亡常常发生在突触联系建立的过程中，广泛的细胞死亡已经发生，据估计神经系统中有多于一半的细胞要在发育过程中凋亡。 过剩的神经细胞可以允许在它们与靶结构之间有更为精确的配对联系。 在突触发生过程中，过剩的神经元可能增加生存的竞争性，同时也要增加与产生在靶器官的有限的生长因子的竞争。 神经元在它们建立了适当的突触联系后，就需要摄取从靶结构来源的生长因子，这些获得足够生长因子的神经元将继续生长，而那些没得到足够生长因子的神经元将死亡。 神经细胞凋亡常常是健康细胞的DNA 受损，当DNA 受损时，细胞不再维持它们的完整性。 细胞并不完全瓦解，但细胞内容物可以漏入细胞间隙，被膜包被成凋亡小体（apoptotic bodies），这些凋亡小体被周围的巨噬细胞迅速识别和消化。 这样巨噬细胞保护了潜在的细胞毒性物质破坏邻近的细胞并引发炎症反应。 没有足够的生长因子维持，细胞将表达自杀基因。 一旦凋亡级联反应启动后，细胞死亡将在24 ～48 小时内发生，仅仅是那些建立了适当突触联系的神经元才得以生存。

2.神经细胞死亡与神经退行性疾病

除了正常的发育过程中的生理性神经细胞凋亡外，神经细胞也见于某些神经退行性疾病。 在多种神经性疾病的发展过程中caspase 扮演了一个关键性的角色。 在急性神经性疾病，坏死和caspase 介导的凋亡都可以发生。 而对于慢性神经元退行性疾病，caspase 介导的凋亡通路在调节细胞功能丧失和细胞死亡中具有显著性作用。 急性神经性疾病常常是一次性刺激导致大量的细胞死亡，而持续性温和的刺激引发慢性神经细胞凋亡。 缺血性脑卒中是典型的激活caspase 为特征的急性神经性疾病，抑制caspase 可以减轻脑组织的损伤并显著改善神经系统症状。 慢性神经元退行性疾病也常伴有神经细胞凋亡，其病因往往是一种或数种基因突变的结果。 这些基因变化改变了基因产物的功能，从而对细胞产生损害。 环境因素同样是与慢性神经退变有关。 caspase 家族对肌萎缩侧索硬化（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）、亨廷顿病（Huntington’s disease，HD）、阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）以及帕金森病（Parkinson’s disease，PD）的发生和发展都起着至关重要的作用。

自噬也在神经变性性疾病的发生发展中起着重要作用。 它既可加速疾病的进展，在某些条件下又起保护作用。 在AD、HD 和PD 中，溶酶体系统的形态学特征发生了显著变化，调控自噬的信号转导系统也同时发生改变。 在神经变性性疾病的早期阶段，激活自噬加速变性蛋白的清除阻止了疾病的进一步发展。 例如在HD 中，通过自噬途径对突变蛋白小片段的降解就阻止了它们的进一步聚集。 激活自噬可加速细胞内蛋白聚合物的清除，而这种蛋白聚合物的存在是神经变性性疾病的典型特点之一。神经变性性疾病受累神经元两个最主要的特征是：胞质中蛋白聚集物的存在和大的蛋白裂解体系活性的改变。 尽管不同的神经变性性疾病突变蛋白的种类不同，但蛋白聚集物形成的过程却极为相似。 首先，受损蛋白错误折叠、构象改变，暴露出那些在正常情况下隐藏于蛋白内部的疏水性残基；然后，细胞活化分子伴侣系统和胞质蛋白酶体系促进这些错误折叠蛋白的再折叠或清除。 最初，分子伴侣和蛋白酶可以逆转或在一定程度上延缓蛋白聚集物的形成；然而，随着受损蛋白的不断增多，当上述机制不足以完全清除时，这些分子伴侣和蛋白酶则被蛋白聚集物捕获，成为其中的一部分。 尽管蛋白聚集可能是细胞对抗疏水残基暴露的保护机制，这同时使聚集的蛋白更加不易被蛋白酶降解，因此自噬成为降解这些变性蛋白的唯一机制。 激活自噬加速新合成的蛋白聚集物清除已经得到实验证实。 然而，随着疾病的进展，蛋白聚集物越来越多，它们对溶酶体蛋白酶降解的敏感性下降，自噬的持续性激活导致细胞最终发生自噬性程序性细胞死亡。

（六）小结

凋亡和自噬是目前研究最为广泛的神经细胞程序性死亡方式，其在神经系统发育、维持正常生理功能以及多种慢性神经退行性疾病的病理过程中具有重要意义。

凋亡过程中细胞形态结构发生明显变化，DNA 发生片段化，细胞皱缩分解为凋亡小体，被邻近细胞或巨噬细胞吞噬，不发生炎症反应。 这是与细胞坏死的最大区别。 已经发现了一些细胞凋亡的相关基因，其中线虫的ced-3、ced-4 是死亡基因，与人的胱天蛋白酶（caspase）家族同源，线虫的ced-9 是死亡抑制基因，与人的Bcl-2 基因同源。 在细胞凋亡过程中，caspase 家族发挥了重要作用，caspase 通过裂解特异性底物调控细胞凋亡。 细胞凋亡是极其复杂的生命活动过程，细胞内、外因素主要通过两条途径引发细胞凋亡：即由细胞表面死亡受体介导的外源性途径和由线粒体介导的内源性途径。 神经细胞凋亡调控失常与许多疾病有关。

自噬对应激状态下神经细胞存活、清除神经细胞内衰老细胞器和错误折叠蛋白等起重要作用。 自噬通过降解细胞内小分子物质、细胞器或细胞膜，一方面帮助细胞清除受损伤或衰老的细胞器、不再需要的生物大分子以及细胞内异物；另一方面也为细胞内细胞器的构建提供原料，即细胞结构的再循环；同时在应激或饥饿时尚能为细胞提供生存必需的营养物质以帮助细胞渡过难关，是应激状态下神经细胞的重要保护机制。 但过度的自噬发生，也可作为神经细胞死亡的方式之一，与多种神经系统疾病有关。

二、神经元的老化

老化（aging）是发生在整个生命中的一个过程，它不是一个独立的阶段，而是孕育在发育和成熟之中。 按照生理年龄，人的一生可以划分成不同时期：新生儿、婴儿期、幼儿期、学龄前期、学龄期、青春期、中年期、老年期。 一个人的生命历程从精子卵子的结合而开始，经历发育、成熟、老化的阶段，最后以死亡而结束。 但是，这种生物学阶段的分界线并不明确，就个体而言，因其不同的基因背景、环境、生活方式、疾病等因素影响，可以提前或者是推迟出现老化的表观特征，具体于每一个细胞、组织和器官而言，老化就超出了时间的范围，器官和组织的更新依赖于已有细胞的死亡和新的细胞产生，在这个“动态平衡”中，新的细胞产生伴随着发育过程，原有细胞的死亡便伴随着老化的历程，老化与发育在对立中统一。

（一）关于老化的理论研究

老化，不仅是近代科学研究的前沿热点问题，更是一个伴随人类社会发展的哲学命题，人们从未停止对其的探索，以达到延长生命和提高生活质量的目的。 关于老化，学者们从不同的立场和观点提出不同的理论，涉及不同层次和水平，有程序性死亡、基因组的不稳定性和多效性、基因表达、DNA 修复、蛋白质合成、缺陷性蛋白质的清除、细胞器、钙离子、神经递质和调质、受体、神经元和胶质细胞的关系、自由基、社会心理因素等。 但每个理论都不能全面解释老化现象，它们是相互关联和交叉的，是从不同层面阐述老化的机制。 相关理论虽多，但是归纳起来无非是以下几点：断续与连续的对立，前者认为人生是由生长、发育、成熟、老化几个断续阶段串联起来的，后者认为这些阶段都有前因后果，互相联系，是连续的演变过程；宏观与微观的对立，前者注重的是“大环境”对身体整体的影响，尤其是神经-内分泌的调节，而后者强调的是生理结构各个层次上的变化，并已经深入到分子水平；遗传与环境的对立；多元论与一元论的对立；程序决定与随机偶然性的对立；可逆与不可逆的对立。 在众多理论当中，有几个基础因素，此处将作以详细介绍。

1.基因表达在老化中的作用

基因在老化中起的作用是决定性的，生物体生命的长短由基因控制，所以每种生物都有自身的生命周期，疾病、环境、社会和心理因素只会加速和减缓这个过程。 老化的基因理论包括了不同的内容，有编程理论（programmed theory）、DNA 损伤和修复理论、端粒酶（telomerase）理论等。

程序性细胞死亡（programmed cell death，PCD）在脑发育与老化中起着非常重要的作用，主要是两点：消除已损害的和失能的细胞，这样有利于细胞增殖，使老化的细胞被新增生的功能活跃的细胞所取代，维持动态平衡；对于那些不能被替代的有丝分裂后细胞，PCD 是重要的消除方式。

DNA 损害与修复的能力也深刻影响着老化的进程。 在正常的生命活动中，机体会产生许多毒素，并接受许多来自环境中紫外线等辐射污染，从而造成DNA 损害，导致DNA 转录、蛋白质翻译的障碍，或产生无功能蛋白。 蛋白质生成的错误对细胞而言是灾难性的，功能缺陷蛋白的积累最终会导致老化改变和引起疾病发生。 但在正常的情况下，DNA 具有较强的修复能力，能将错误的碱基片段切除或修复，如果修复能力下降，而DNA 损害的机会增加，就将加速老化。

关于老化的端粒酶理论是指，每个染色体的顶端都存在一段重复DNA 序列，称为端粒（telomere），它是维持染色体结构和功能的基因基础，然而细胞在每次分裂过程中都会由于DNA 聚合酶功能障碍而不能完全复制，所以每次细胞分裂都会使其缩短，最终导致细胞损害。 端粒酶能够修复端粒在分裂后产生的错误，端粒只有在端粒酶的情况下才能保持其长度，维持分裂细胞的正常功能，它是目前从基因水平研究和预防细胞老化的重要方面。 但是，另一方面，人们发现它也存在于85%的肿瘤之中，可能是造成癌细胞无节制增生的元凶。所以，对于端粒酶在衰老方面的研究更需要辩证的态度。

2.神经-内分泌在老化中的作用

我们知道在自然界中有许多低代谢的动物都拥有很长的生命力，比如乌龟，当它们冬眠时，代谢率降到了最低，能够延长它们的生命时间。 下丘脑是神经-内分泌调节的重要器官，它控制着不同器官的激素分泌，调节机体功能和代谢，达到协调工作。 随着老化进展的推进，下丘脑神经元逐渐丧失它精确调节的能力，另外，神经元受体的减少也会使得激素负反馈调节能力降低，导致机体的代谢和功能紊乱，这也是老化的重要表现。

3.自由基在老化中的作用

20 世纪50 年代，随着分子分析技术的发展，人们开始认识到机体体内存在自由基（free radical）这一类化学物质，并且逐渐揭示了许多生命现象中的自由基机制。 自由基是指单质或化合物均裂时产生的带有不成对电子的原子或基团。 其单电子具有很强的配对倾向，倾向于以各种方式和其他的基团结合，以便形成更稳定的结构。 人体内自由基可以分为氧自由基和非氧自由基，其中氧自由基占主导地位（约占自由基的95%以上），它们又被称为ROS。 ROS 可以导致DNA、蛋白质、脂质成分氧化，从基因、蛋白质、细胞膜等层次影响细胞功能，引起细胞老化和功能衰退。

自由基在老化过程中的损害是多部位、多靶点的，可归纳为以下几点：导致DNA 损害，引起基因稳定性降低；线粒体及细胞膜损害；干扰细胞信息传导，影响DNA、RNA 及蛋白质合成；作用于蛋白质，引起结构、酶活性和信号通路的改变。

4.细胞膜损害与老化

老化引起的细胞膜改变主要来自于3 个方面：自由基损害、细胞电活动所产生的“残余热”（residual heat）和脂质成分改变。 细胞每次动作电位的发生都伴随着能量消耗和热量产生，对膜结构导致损害，加上自由基损害，是整个生命进程中构成神经细胞膜损害的重要因素。 胞膜损害的功能意义是广泛的，研究发现膜损害引起的残存变化在不同类型细胞中表现相同，这种损害日积月累进而导致功能损害。 虽然，细胞具备一定的更新修复能力，可以替代结构或者功能改变的分子，但是这种替代往往是不完全的。 另外，对于那些更新较快的细胞，细胞膜的影响相对较小，但是对于那些更新较慢或是不更新的有丝分裂后细胞，特别是神经元，其膜残存变化随着老化进程而增多，逐渐影响细胞功能，导致细胞膜钾离子通透性改变，使得细胞内钾离子降低、水分丢失、胶体成分浓缩，导致细胞固体成分增加。 随着老化的进行，细胞膜及细胞内膜性成分的脂质减少、含水量降低、膜弹性下降、质地变硬，也影响细胞正常功能。 细胞内的这种毒素累积成为脂褐质（lipofuscin），在中枢神经系统，下橄榄核、丘脑、海马及其他神经元可见脂褐质颗粒，发现海马内脂褐质颗粒的沉积程度与个体精神退变有关。 在脑内的沉积与老年性疾病（如阿尔茨海默病）发病有关。

5.钙离子变化对老化的作用

由于钙离子（Ca2+）在细胞生理过程中的重要作用，它对老化的作用也是多方面的，可作为其他老化理论具体作用的一个通路，相互影响，形成循环。例如，膜的老化导致其对Ca2+通透性的改变，引起Ca2+内流增加，将导致一系列瀑布效应，产生信号转导变化、激活细胞死亡等。 研究表明，在海马老化时Ca2+浓度与Ca2+依赖的后超级化（Ca2+-dependent afterhyperpolarization，AHP）两者有显著相关性；海马CA1 区锥体神经元上L 型电压门控Ca2+通道（L-type voltage-gated Ca2+channel，L-Vgcc）数量也增加，这种通道主要产生AHP，虽然L-Vgcc 增加的机制尚不清楚，可能与基因或者蛋白质表达变化有关。另外，在老化神经元，Ca2+对刺激的反应增强，使细胞Ca2+内流增加，基准水平含量增加，也增加神经元损害的机会。

（二）神经元老化的形态改变

关于老化对神经元影响的认知历程是曲折的，人们在早期研究发现，老化导致大脑体积的缩小，在65 岁时，脑重量减少了7%～8%，皮质减少了5%，额叶皮质减少将近10%，从而认为神经元的丢失是脑老化的重要表现形式，是脑功能降低的重要原因。 但近20 年来，关于老化时神经元变化的深入研究发现，老化对神经元的影响则表现为神经元萎缩、体积缩小，皮质神经元数目没有显著变化，额叶、颞叶、顶叶和枕叶皮质神经元数目、密度和百分比均无明显减少，不同细胞层也无明显差异，皮质的体积变化则是因为神经毡（neuropil）、神经纤维网减少而非神经元数目丢失。 细胞数目减少只见于一些特殊区域和核团，如黑质（substantia nigra）、海马（hippocampus）等。

老化对神经元的作用是胞体萎缩、体积缩小、胞质内含有脂褐质颗粒，这种改变可见于额叶和颞叶。 脂褐质颗粒在大神经元内更为明显，例如运动皮质的Betz 细胞含有较多的颗粒。 老化对神经元树突的影响还没有定论，研究发现树突减少，最多可以达到50%，树突长度缩短，是导致突触数目减少的重要因素。 神经元萎缩表现为胞体和胞核萎缩，在甲苯胺蓝（toluidine blue）染色上表现为暗红色轮廓（dark neuron profile，DN），而没有萎缩的神经元染色浅，称为非暗红色轮廓（non dark neuron profile，NDN）。 这种萎缩神经元可能因为能量代谢，引起细胞骨架蛋白、神经丝的损害，从而导致细胞体积的萎缩。 在这些萎缩的神经元中，它们的超微结构发生变化，可以看到微空泡、脂褐质沉积、核糖体解聚、线粒体和内质网的结构紊乱，细胞膜不规则，周围有一些胶质突起包围。 这种萎缩神经元代表从退变到死亡的过程，是老化中由基因控制的神经元程序性死亡的根本体现。

老化可以导致突触数目减少，但在不同大脑皮质存在很大差异，在前额叶皮质，突触数目减少大约20%，与皮质树突的丢失一致，推测树突减少可能是导致突触数目减少的重要因素。 在海马齿状回的突触也明显减少，在颞叶皮质和枕叶皮质突触数目没有显著的改变，所以突触减少只存在于某些特定区域。

（三）神经元老化在老年期痴呆中的作用

老年期痴呆是老年期常见的一组慢性进行性精神衰退性疾病，在老年人的疾病谱和死亡谱中占有重要的位置。 目前认为，老年期痴呆是由于慢性或进行性大脑结构的器质性损害引起的高级大脑功能障碍的一组综合征，是患者在意识清醒的状态下出现的持久的全面的智能减退，表现为记忆力、计算力、判断力、注意力、抽象思维能力、语言功能减退，情感和行为障碍，独立生活和工作能力丧失。 作为年龄相关性疾病，老化无疑是其重要的危险因素，它包括阿尔茨海默病（Alzheimer disease，AD）、血管性痴呆（vascular dementia，VD），另外，也提出了轻度认知障碍（mild cognitive impairment，MCI）的概念。

（武胜昔　黄静　陈晶　白璐）

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