“細胞的自殺”,它的生物名稱叫“程式性細胞死亡”,又可稱作“細胞凋亡”,這種死亡方式,細胞首先皺縮,內部的染色體被切割分段,細胞核固縮、碎裂,形成凋亡小體,最終被體內的巨噬細胞吞噬,而被清除,這種死亡不會影響周圍細胞,而是悄無聲息地消失,稱為“自殺”,就是因為這些細胞是自己按程式來結束“生命”的。
細胞的死亡有兩種方式:另一種是,當細胞受到外部傷害時,細胞因喪失正常的生理功能而導致死亡,其表現是會出現炎症,因為細胞質的釋放,影響周圍細胞正常功能或是其他微生物作用,對細胞的殺傷沒有選擇性,可以引起局部組織的大量細胞死亡,這是我們熟悉的現象。
二十世紀60年代,英國科學家悉尼·布雷內選擇秀麗隱桿線蟲,研究適合基因水平,並能確立完整的神經系統實驗模型。布雷內選擇秀麗隱桿線蟲,是居於這種動物體形小,成年雌雄同體線蟲總共才959個細胞,一生連發育中凋亡的131個細胞,總計1090個,不過這一小生物卻有表皮、腸、神經、肌肉等多種細胞的分化;生長周期短,從受精卵到性成熟只需要三天半的時間,結構簡單,通體透明,在顯微鏡下可以直接觀察到它的每一個細胞,並且能夠從產卵、孵化、生長、攝食到死亡的全過程,這樣科學家可以全過程地觀察到每一個細胞的生成、生長和最終的終結。更重要的是它是能自我繁殖的雌雄同體生物,非常利於得到具有同一基因的純合體,另外,這種線蟲還具有一種不能自我繁殖的雄性個體,它可以與雌蟲交配,給雌蟲子受精,又給科學家準備了一份可以將突變基因從一種線蟲到另一種線蟲的便利材料。布雷內的主要貢獻是,合理地選擇了實驗材料,建立了最為豐富的突變體線蟲株,並將線蟲體、行為的改變與染色體上突變位點一一對應起來,使得基因分析能夠與細胞分裂、分化,及器官的發育聯繫起來,並能夠在顯微鏡下追蹤這一系列過程,為另外兩位科學家的發現奠定了基礎。
蘇爾斯頓和霍維茨通過艱苦的工作,確定了線蟲發育過程中每一個細胞的分裂和分化及其最終命運,利用布雷內建立的突變的線蟲株,發現並分離了一系列影響細胞凋亡的基因,包括CED-1、ced-2和nuc-1,提出生物發育過程中細胞的凋亡是由一系列基因控制的。1986年,霍維茨及其學生髮現了線蟲中細胞凋亡過程中起關鍵作用的兩種基因:ced-3和ced-4。這兩種基因的缺失將改變細胞的命運,使線蟲原本正常情況下會死亡的細胞存活並繼續分化下去。同時,對於早先發現的在細胞尚未亡中起作用的基因,他們也弄清了它們所起的確切作用。隨後霍維茨的一位中國學生於1993年克隆出ced-3基因,並發現該基因表達的蛋白質與哺乳動物中的一種酶非常相似。該酶與細胞凋亡相關,這表明在哺乳動物中也存在引起細胞凋亡的基因及其表達。
發現細胞自殺的規律,首先人類更進一步認識生命,有些細胞犧牲是利於有機體的維持和更新,它們完成了自生的“使命”後,自己悄悄退出,如有明顯變態發育的生物,要從一種形態轉變為另一種形態,由於新形態所具有的功能與前一形態不同,在細胞功能上是有差異的,象蝌蚪變成青蛙,要退去尾巴,毛毛蟲變成蛾或是蝴蝶等等,原來的細胞已經完成了使命,要退出個體發育又不影響後繼生命體,這些細胞的死亡是如何進行的。其次,當細胞喪失了這種“自殺”功能時,癌症便發生了。這種細胞變得“永生不老”,持續進行細胞分裂增殖,失去控制。理解生物個體不能無限制地增大外觀尺寸,在體內不停進行的細胞分裂,不會使各種器官增大得讓有限空間不能容納,細胞在新老交替中不會出現如炎症的病變。再次,當我們認識了細胞的凋亡規律之後,這一過程是由基因及相關物質調節控制的,在臨床醫學中,可以對引起病變的細胞實施選擇性的、可控制的誘導,促使不正常細胞的凋亡,保護正常細胞,對癌症、腫瘤及許多目前的醫學難症提供新的治療方法,減少現有的物理化學方法在治療過程中引起的毒副作用——也就是在殺死腫瘤細胞的同時,危及其相鄰的正常細胞而引起新的不必要的組織或器官損傷。