第二章 文獻探討
第三節 細胞凋亡
1. 細胞凋亡的意義
早在1972 年，Kerr與Wyllie等學者將Apoptosis的命名取自於希臘 文，希臘文中的”apo”代表離去、消失的意思，而”ptosis”在希臘文中 代表凋落、落下的意思。原本字面的意思是指樹葉凋落或掉落 38。而
在拉丁文中”apopto-”在拉丁文中是”枯萎．凋零”的意思，用來表示細 胞進行apoptosis 時的外觀，並指”死亡”之意。
Apoptosis或為計畫性死亡，在真核細胞的發展、生長與分化當 中以排除大量與不需要的細胞的方式，為一種細胞自我毀滅的過程
39。所以apoptosis為一種發生在正常的物理狀態之下死亡的過程而不
是細胞有損傷或是遭受攻擊的時候39。在多細胞有機生物體中，
apoptosis是一種控制與維持細胞數非常重要的程序。而生物體的恆定 也依靠著apoptosis與細胞增生的之間平衡來控制。如果apoptosis程序 被抑制或是其中調控的基因有損害，則會造成細胞無法走向計畫性死 亡，而導致細胞循著錯誤的訊息繁衍下去，造成細胞增生，癌化的表 現。
Apoptosis與necrosis的不同在於apoptosis的死亡是經由分裂成
bodies），由monocyte或macrophage吞噬處理掉 39-42，如圖二。這樣的 死亡不會波及其他周圍的細胞，且不會發生發炎現象。而necrosis的 死亡方式會造成細胞發炎破裂，釋出發炎因子而造成周圍細胞一併被 波及，出現壞死現象。許多的因子都會促使apoptosis的產生，例如：
外加的stress（ionizing and ultraviolet radiation, heat shock）與經由一些 receptor像是：tumor necrosis factor α（TNF-α）等的receptor因子所造 成。這些促使apoptosis的刺激因子會被caspase-specific inhibitors所抑 制，由此可知caspase在apoptosis當中也是扮演著很重要的角色。當 apoptosis啟動時，caspase會經由瀑布式活化apoptosis路徑，利用本身 的酵素活性去切割下游的caspase而使之活化。Caspase還可以去活化 DNAase，於是DNAase就可以去切割DNA，使在apoptosis當中造成 DNA fragmentation 43。
2. 形態學上的表現
接受到細胞進行apoptosis的指令之後，細胞核內的染色質開始濃 染且細胞變圓，接著DNA fragment開始形成，產生 180-200 bp或其倍 數的DNA片段，因此藉由電泳膠片法來觀察的時候，可以看見像樓 梯狀的電泳帶44。其他的形態包括cytoplasm開始皺縮，然後lamins與 actin filaments被切割而使細胞形成凋亡小體，最後經由monocyte與
圖二 Apoptosis與necrosis的不同 39。
3. 內在與外在的apoptosis pathway 39
（1） 外在路徑
外在路徑由death receptor與細胞膜上的surface receptor結合釋放 計 畫 性 死 亡 訊 號 後 所 開 啟 。Apoptosis 開 啟 之 後 會 去 活 化 caspase cascade，而這樣經由capsase路徑所的啟動apoptosis是非常迅速的 39。 最代表性的例子就是CD95（Fas）、TNFR1、TRAIL（TNF-related apoptosis inducing ligand）。
（A）由 CD95/Fas 所傳遞的路徑
Fas屬於tumor necrosis factor receptor superfamily當中的一員。當 Fas與Fas ligand結合後會導致death domains（DD）的聚集，接著會吸 引細胞內的Fas-associated death domain（FADD）過來與DD結合，結 合之後會活化caspase-8 45，經由一連串切割的過程再去活化下游的 caspase，例如capsase-3 與capsase-7 等。
圖三 經由Fas活化apoptosis的路徑 39。
（B）由 Tumor Necrosis Factor Receptor-1（TNFR1）所傳遞的路徑 TNF 是由遭受到感染所反映出來的 T cell 與活化的 macrophage 所製造出來的，其 ligand 則為 TNFR1。在一些細胞當中，TNF 可以 藉由啟動免疫反應而活化 NF-κB。當 TNF 結合上 TNFR1 時，會吸 引TRADD（TNFR-associated death domain）的靠近，這樣的機制會 啟動更多蛋白的靠近。而其中吸引來的蛋白：RIP（receptor interacting protein）與 TRAF2（TNF-associated factor 2）可以活化 NF-κB 的路 徑，促使細胞生存或死亡，另一方面也活化 caspase-8，導向 apoptosis。
圖四 經由TNF活化apoptosis的路徑39。
（C）由 TRAIL（TNF-related apoptosis inducing ligand）所傳遞的 路徑
其實TRAIL 所造成的 apoptosis 路徑與 Fas L 很相似，TRAIL 的 receptor 是 DR4 或 DR5，當 TRAIL 與 DR4 或 DR5 結合之後，則會 啟動apoptosis 的機制。唯一跟 Fas L 機制不太一樣的是 Fas L 的表現 需要T cell 與 NK cell 的活化，而 TRAIL 的活化可以由許多組織刺激 來表現。在細胞表面上仍有兩種 receptor 來與 DR4 或 DR5 競爭與 TRAIL 所結合的位置，這兩種 receptor 就是 DcR1 與 DcR2。於是當 TRAIL 與 DcR1 或 DcR2 結合上，則不會啟動 apoptosis；而 TRAIL 與DR4 或 DR5 結合上之後則會啟動 apoptosis。
圖五 經由DR4/DR5 活化apoptosis的路徑39。
（2）內在路徑
內在路徑最代表性的是由粒線體所誘發的 46。第一個被發現的就 是Bcl-2，Bcl-2 位於粒線體膜的外層，調控細胞的存活。第二個被發 現的是cytochrome c 46。當細胞受到傷害，有個訊號將引起計畫性死 亡的時候，就促使cytochrome c由粒線體的intermembrane space釋放到 細 胞 質 中 ， 刺 激 形 成apoptosome 與 活 化 caspase 的 複 合 物 47， apoptosome包括了cytochrome c、ATP、Apaf-1 與caspase-9 原生酶。
經由切割pro-caspase 9 使之變成活化態之後，即可活化下游的caspase 而啟動apoptosis。
圖六 粒線體在apoptosis中扮演的角色39。
（A）Caspase
Caspase的全名為Cystein aspartase，為一種有著Cystein活化態殘 基的蛋白酶。Caspase可以在目標蛋白N端的aspartate殘基與C端的 small hydrophobic residue間做切割的動作而導致變成活化態48-49。 Caspase的原生酶包括了三個部分，他們可以經由切割而活化：
amino-terminal prodomain、a large subunit（17-20 kD）與a small subunit
（10-12 kD）。在caspase-3 與caspase-7 中，他們的prodomain通常都比 較短，而在caspases-1、-2、-4、-8、-9、-10 中，他們的prodomain通 常都比較長。
這些caspase皆有幾個共通點 50：
1. 可藉由切割形成大小不同的次單位而活化，其切割位置為 Asp 的 C 端肽鍵上。
2. 具有本身催化或互相激活的能力
3. 具有相似的催化部位，包括active site cystein residue 的 QACXG 序列。
目前已發現的caspase至少有 14 種，根據他們的同源性，約可以分成 三大類 49, 51：
（a） The ICE subfamily of cytokine processors：
分都跟發炎反應有關
（b） The Ced-3/CPP subfamily of apoptotic executioners
此類的 caspase 有 caspases-3、-6、-7。其功能為負責執行細胞凋 亡，裂解下游的蛋白，例如：poly（ADP-ribose）polymerase（PARP）。
PARP 原本的作用為修復已受損的 DNA，但如果當 PRAP 受到 caspase 3 的活化裂解，則會由 116 kD 裂解成 85 kD，失去原本的功能，而使 得朝apoptosis 的方向進行。
（c） The ICH-1/Nedd-2 subfamily of apoptotic initiators
此類的 caspase 包括了 caspases-2、-8、-9、-10。這類 caspase 的 功能在於活化 apoptotic executioners，使其能執行 apoptosis。
（B）Bcl-2 family
Bcl-2 family包括了Bcl-2、Bcl-XL、Bcl-Xs、Bax、Bad、Bag、
Bak、Bid。其各有促進以及抵抗apoptosis的功能 52-56。當過度表現Bax 基因會打亂Bcl-2 或Bcl-XL抑制apoptosis的作用而啟動計畫性死亡
57。Bcl-2、Bcl-XL、Bax與Bad可以扮演著channel protein的角色在粒 線體膜上穿梭 57-59。
Bax與Bak可以控制粒線體膜的通透性而調控apoptosis機制。因此
Bax與Bak則可以運輸像是cytochrome c與apoptosis inducing factor，而 啟動下游的caspase活化與apoptosis。也有報導指出這些pro-apoptotic 與anti-apoptotic protein的比例可以控制apoptosis是否要進行57, 60-61。 Bcl-2 family各成員功能列在下表 39。