科学家发现了使细胞的生存与自我消亡处于平衡状态的基因。

细胞的表面出现疖状和皱缩。细胞核收缩，然后分解。最终，DNA——所有细胞过程的指令者浓缩并裂解成短片。1小时之内，有时甚至在全部细胞过程停止以前，白血细胞肃清障碍，并封锁相应的消息，以便身体的其他部分不感惊恐。这听起来像好莱坞电影中的一幕，而这在体内是平常之事，虽然人们倾向于将竞争及生存是看成唯一的成功方式，而令人惊奇的是看起来激烈、实际上自动的细胞死亡形成了生命的正常与必需的部分。

生物学家于70年代和80年代就描述了细胞程序死亡过程，且已证明其在胚胎的生长和发育中起重要作用，其方式象形成手指一样具有戏剧性，像建立发育着的大脑的正确联系一样精妙。随着遗传操作新技术的出现，细胞程序死亡已成为90年代的一个热门课题。许多实验室的大力研究于1993年后期和1994年早期形成了大量研究报告，其内容有关于可启动或阻抑这种现象的基因、可进行致命打击的分子机制以及研究疾病（包括不恰当的细胞死亡，如神经变性疾病，或不适宜的细胞长寿命，如癌症）的治疗途径。

新近的实验也导致一些细胞生物学家提出细胞程序死亡的广泛得多的作用。它可形成正在进行的过程的重要部分，该过程通过杀灭不必要的新细胞，使另一些细胞分化为成熟表现型，从而保持细胞群体一致。

在许多胚性组织中，某些细胞充当支柱，只是后来被拆毁。例如，在每肢末端的细胞中若没有细胞程序死亡，我们将有鳍状肢而不是手和足。在发育的神经系统中，这个过程既很精妙又很具戏剧性。随着胎儿的脑发育，神经细胞或叫神经元必须与正确的目标细胞连接。不适当的或太多的连接将会破坏复杂的脑机器。为确保全部进行正确的连接，要有过量的神经元产生并寻找目标。但构成神经的所有神经元至少有一半形成与目标有功能的连接。那些多余的细胞则会死亡。

华盛顿大学医学院的尤金 · 约翰逊（Eugene M. Johnson）与其同事斯坦利 · 科斯迈耶（Stanley J. Korsmeyer），丹尼斯 · 乔伊（Dennis W. Choi）一起在1993年10月关于细胞死亡的一次专题学术讨论会上发言。“细胞在恰当时候、恰当地方死亡是生理上适宜的。”尤金说，“构成生理上适宜的细胞死亡基础的过程可被看作一种细胞分化途径，预定达到某种特定表型。就这些神经元来说，它们在发育的一定时期表达的特定表型就是死亡。”

细胞程序死亡的机制与由损害引起的细胞死亡——坏死形成明显的对比。例如，由细菌毒素杀死的细胞典型地胀大和破裂，渗出细胞内含物。胀裂启动免疫系统的炎性反应。而在细胞程序死亡过程中，细胞收缩，内含物形成结合膜的小袋，精确利落的处理避免了发炎。

证据还表明，巨噬细胞（清除血细胞间的死物）能分辨程序死亡细胞与坏死细胞之间的区别。程序死亡细胞可产生适合于非炎性毁损而使细胞衰退的细胞表面分子，另一方面 · 当清除坏死细胞时，巨噬细胞可释放进一步增强发炎的化学信号。

如果细胞程序死亡的“程序”一词贴切的话，细胞生物学家推论，基因必定构成这个过程的基础。科斯迈耶及其同事，与另两个研究小组一起，于1985年发现了这类基因中的一种，即定位于称为滤泡的B-细胞淋巴瘤的人类癌症的断裂染色体位点的致癌基因。B-细胞产生两类主要白血细胞的一类，这一类白血细胞负责合成称为抗体的免疫蛋白。该基因叫做bcl-2，似乎编码一种阻抑程序细胞死亡的拯救者蛋白。虽然这种基因的正常功能仍不清楚，但它可以保护增生的祖先细胞和正常长寿命细胞。例如，某些长寿命B-细胞提供免疫系统的记忆反应，使人体得以对以前遇到过的外源物质迅速发生反应。但是，如果bcl-2不适当地存留，细胞就会在应死时而不死，引起标志癌症的失控的细胞增生。最近，几个研究小组不仅在脊椎动物中，而且还在简单生物中发现了许多类似于bcl-2的基因。

神经元：细胞程序死亡的模式

神经元的生长为了解细胞程序死亡可在组织的发育中怎样起作用提供了根据。神经元生出长突出物，叫做轴突，它沿化学踪迹前行，通过组织寻找特定的目标细胞——脑中其他神经元或任何一细胞类型，同时，目标释放微量的几种神经营养性因子［神经生长因子（NGF）是最著名的］中的一种，将特定的受体分子结合于新来的轴突生长锥上。这种结合发射一种未知的化学信号于生长细胞内，引发一种促进信使 RNA合成、蛋白质合成和生长的营养程序，而这种营养因子也保持细胞活着。

“除了促进这种营养程序以外，营养因子还起抑制不同的遗传程序、死亡程序的作用，这同样可能包括特定信使 RNA的合成以产生可视为杀手蛋白的物质。”约翰逊说。

约翰逊和另一些人已在实验室模仿这种行为，收集了死亡程序的证据。随着NGF生长的感觉神经元生长旺盛。但如果科学家在化学上中和该因子，则细胞培养物衰萎，成为细胞程序死亡的牺牲者。如在实验中于神经元中增加抗细胞程序死亡基因bcl-2，就阻止了这种细胞程序死亡。但这不是证据。约翰逊指出：“当超量表达一种基因，获得一种功能，那是遗传药理学。对于一特定基因而言，它表现出一种功能，但并不证明一种功能。”

约翰逊及其同事们推论，如果缺乏NGF引发一种编码杀手蛋白的基因，阻抑那种蛋白的合成则可拯救细胞。他们中和NGF而同时阻止培养的神经元的蛋白质合成，结果细胞存活了。类似的实验能阻止大多数（但非全部）细胞类型的细胞程序死亡，这是遗传程序的强有力证据。

细胞程序死亡的遗传控制给予神经系统发育和进化的优势。神经元的起源性过剩确保了至少一个轴突将抵达每个合理目标。然而，长入错误地方、在错误时候长入的神经，或抵达一个早已由适当数量的轴突占据的目标，不会得到正确的化学信号，并且死亡。

细胞程序死亡的作用

如果神经元需要营养因子才能生存，那么其他类型的细胞也需要化学生存信号吗？英国伦敦大学的马丁 · 拉弗（Martin C. Raff）及同事认为如此，当拉弗发现实验室培养皿中的细胞死亡时，这一想法开始在他心中明朗化。这些特定细胞不是神经元，它们是围绕轴突生长以产生称为髓质鞘的隔离层的细胞。拉弗的同事、现美国斯坦福大学医学院的巴巴拉 · 巴雷斯（Barbara A. Barres）解释说：“我们在缺乏营养因子的情况下培养这些细胞，它们都经历了细胞程序死亡，与关于神经元的已有报道恰恰相同。”

这个结果使巴雷斯和拉弗感到惊奇。产生髓质鞘的细胞属于神经胶质一类，神经生物学家早已认为，神经胶质分泌支持神经元的物质，而不是相反的方式。巴雷斯发表于1992年的结果开始了一场神经生物学家之间的智力滚球。

“这立即提示我们，事实并不像神经元那样简单。”巴雷斯说。“胶质细胞需要某些因子，脑中的细胞就全是这样。那么你立即开始疑惑‘这是细胞的普遍性质吗’？”这一发现导致了拉弗的假说，研究小组成员和一些同事称之为“末端”假说，在1993年秋的《科学》上详述：几乎每类细胞都需要连续的化学信号来抑制细胞程序死亡。拉弗研究小组试图反证他的末端假说，但至今还没有发现不需要某种抗程序死亡化学信号的任何细胞类型。神经元需要促神经激素；产生髓质鞘的细胞似乎需要促神经激素、细胞素和像胰岛素一类的因子；肾细胞需要表皮生长因子；前列腺细胞需要睾酮。晶状体表面的细胞似乎只需要一些由其相邻的其他晶状体上皮细胞分泌的未知因子。

随超量生产之后的细胞程序死亡系统使神经元数量与目标细胞数量相适合。至于产生髄质鞘的细胞，类似的系统使成熟细胞数与需要隔离的轴突数相适合。

在其他组织中，细胞程序死亡似乎平衡成熟组织的细胞增生，故新细胞取代老细胞而不以异常方式改变组织的大小。拉弗进一步推测，从正常组织部位脱离的细胞失去了决定性的生存信号而死亡。

bcl-2与bax之间的平衡作用

“突变细胞的异常增生引起了癌症研究人员的极大关注”，科斯迈耶说。而抗细胞程序死亡基因bcl-2的发现，使他们面临重新筹划研究癌症的道路。科斯迈耶设计了超量表达bcl-2的转基因鼠以检验其作用。转基因鼠产生了肿瘤。“bcl-2告诉我们，在到达癌的途中有一交替的环状运动，其中增殖速率没有改变，但细胞死亡的速率实际上提高了。”科斯迈耶说。正常的细胞死亡可能不外乎两个理由：细胞拯救者基因如bcl-2的超量活性或死亡启动子基因的功能缺乏。

科斯迈耶实验室博士后研究人员佐丹 · 奥特维（Zoltan Oltvai）的bcl-2研究导致了另一种基因的发现。这种新基因叫做与x相关的bcl-2，即bax。显得不与除bcl-2以外的任何其他已知基因相似。“当然，这对佐丹提出了这两个基因是否一齐起作用以阻止细胞死亡的问题。”科斯迈耶说。“另一种可能性为，这是一种短兵相接的形式，其中一种分子可能是死亡效应基因，另一种分子可能限制它的功能。”

奥特维和科斯迈耶发现的bax，在1993年8月27日的《细胞》上发表，提出了几个问题，如果bcl-2与bax平衡，若从天平中移去一个，将会发生什么情况？

科斯迈耶通过使bcl-2失去效力的所谓失效实验，设计了遗传工程鼠。惊人的是，工程鼠出生时看起来正常。但一周以后，科学家开始看到差别：小耳朵，有点畸形的脸，没有增重。后来出现了真正的麻烦。某些组织，特别是胸腺和脾，在细胞程序死亡的高潮以后实际上溶解了。一个月内，四分之三的老鼠死亡。科斯迈耶推测，一些bcl-2“失效”鼠依仗拯救细胞的交替遗传途径而幸存下来。

科斯迈耶也可通过引起这两基因中的一种或另一种超量产生蛋白质而使平衡倾斜。太多的bax蛋白使细胞倾向于程序死亡，使bcl-2方面超载则阻抑它。

平衡保持一些细胞活着和迫使另一些细胞死亡的两基因产物的思想已引起药物公司的兴趣。科斯迈耶说：“有人可能提出有利于细胞死亡的策略以能用于癌症或自身免疫注疾病。或者如果我们能支持相反的情况，则可能有助于免疫缺乏或神经变性疾病。”

bcl-2怎样阻止细胞死亡呢？通过防止自由基的损害，“细胞中进行的最惊人的过程之一，”科斯迈耶回答。bcl-2基因产物甚至能阻抑γ射线引起的细胞死亡，科斯迈耶等在1993年10月22日《细胞》上报道。γ射线攻击水，产生能直接损害DNA、蛋白质和细胞膜的自由基。该基因使细胞与多种损害隔离的能力表明了一条最终共同的细胞死亡途径，科斯迈耶写道。

细胞程序死亡不能解释所有死亡的细胞。神经生物学家确信，在中风后的脑细胞大量死亡，叫做激毒性细胞死亡，不是细胞程序死亡。但事实上杀死血液饥渴的脑细胞的最后结果可以提供两种死亡途径之间的联系，一种具有治疗意义的联系。在通往细胞程序死亡的路和通往中风引起的细胞死亡的路的会集点上很可能是有破坏性的自由基的制造厂。虽然详细情况仍不清楚，但氧丧失似乎引发了最终导致具高度活性的氧自由基形成的一连串反应。这些本身又可杀死细胞。

“激毒性不必是对bcl-2相关的细胞程序死亡，"华盛顿大学的乔伊说。的确，如果bcl-2编码或以某种重要方式修饰细胞的抗氧化系统，那么就能容易弄清bcl-2的蛋白质或类似的蛋白质产物可能在治疗像中风一类的疾病上有用。

死亡程序：多细胞性的根基

死亡程序不仅是根本的，似乎也是普遍的。在哺乳动物细胞中，bcl-2的活性化作用阻抑细胞死亡，其成对的另一基因bax的活性化作用促进细胞死亡。这两种基因产生平衡的蛋白质以保持一些细胞活着而迫使另一些细胞自我毁灭，

在微小的线虫中，发现恰好是（1090个细胞的固定总数中的）131个特异细胞在正常发育过程中死亡。麻省理工学院的罗伯特 · 霍维茨（H. Robert Horvitz）及其同事，包括现纽约冷泉港实验室的米歇尔 · 亨加纳（Michael O. Hengartner），发现了一类称为ced的3种基因，它们编码只杀死那131个细胞的蛋白质。两种基因即ced-3和ced-4引起发育过程中正常的细胞死亡。而ced-9阻抑正常生存细胞的死亡。

使ced-3和ced-4失去效力，可阻抑正常的细胞死亡。值得注意是的，具失去效力基因的蠕虫存活，且未经训练者看去正常。然而，突变蠕虫因低育性、缓慢生长和异常行为而受损。“它们并不严重畸形，”亨加纳说，“但它们肯定是十分不正常的，将不能与野外的野生型螨虫竞争。”

亨加纳和霍维茨最近发现，人的拯救者基因bcl-2和线虫拯救者基因ced-9显示出惊人的类属相似性，这构成它们功能相似性的基础。ced-9产生的蛋白质与bcl-2的蛋白质比与其他任何一种已知的蛋白质具有更多的相似性。

并且，两种基因共有一段特殊的功能序列（一个内含子）。相同的内含子存在干bax中，一些其他基因也存在于bcl-2类族中，表明起源追溯到几亿年前脊椎动物的祖先和线虫的祖先在进化上分离。

但进化踪迹并未在那里终止。最简单的多细胞生物之一团藻，仅由两类细胞构成：一个体细胞组成的空球包围着少数几个生殖细胞。当生殖细胞成熟时，大规模细胞死亡消解体细胞球，释放生殖细胞。体细胞死亡时，它们显示所有程序死亡的信号。而且，抑制全部蛋白质合成就阻止这种大规模的细胞死亡。

科学家，包括亨加纳和科斯迈耶，在细胞程序死亡的情节中看到了对多细胞生物的进化很重要的一种功能。“也许多细胞生物不得不面临的关键问题之一，是怎样按有序的方式建立复杂的结构。”亨加纳说。“不仅以受控方式产生很多细胞，而且消除细胞的能力也是发育中决定性的一步。”

[Bioscience，1994年，第44卷第7期］