细胞凋亡（apoptosis）术语是在1972年由Kerr等提出的，用于描述细胞在一定的生理或病理条件下，主动结束自己生命的一种死亡形式。这种死亡具有特征的形态学和生物化学变化。细胞凋亡在胚胎发育、维持自身稳定和肿瘤发生、发展控制等方面发挥重要作用。许多疾病，如肿瘤、自身免疫性疾病、老年性痴呆和帕金森病等，均与细胞凋亡有密切关系。

细胞凋亡是细胞内死亡程序活化而致的细胞自杀。从线虫到人，细胞凋亡都有严格的形态学特征，这反映了进化过程中的保守性。凋亡的细胞首先变圆，细胞间连接丧失，彼此脱离，失去微绒毛，胞质浓缩，体积缩小；内质网扩张呈泡状并与细胞膜融合，线粒体无显著变化；细胞核致密化，染色质浓缩成块，呈半月形，并凝聚在核膜周边；核仁裂解；细胞膜内陷将细胞分隔成多个具有完整膜性结构，内含染色质片段、细胞器和胞质成分的圆形小体，即凋亡小体（apoptotic body）。凋亡小体可由胞体脱落，被单核细胞和周围细胞识别、吞噬和降解。如果将凋亡细胞的基因组DNA进行琼脂糖凝胶电泳，可以发现其DNA片段呈间隔180～200bp的阶梯状电泳条带，这是因为核酸内切酶被激活导致的染色体DNA有控降解，这种典型改变常被认为是细胞凋亡的可靠指标（图1-7）。

细胞凋亡与细胞坏死（necrosis）有本质区别。细胞凋亡由凋亡相关基因调节控制，所以也称为程序性细胞死亡（programmed cell death），是主动的过程。发生凋亡的细胞常单个或几个散在分布，细胞凋亡的过程没有溶酶体破裂，无细胞内容物外泄，不引起炎症反应和次级损伤。细胞坏死是不同损伤（如高热、缺血和生物侵袭等）干扰和中断了细胞正常代谢活动而造成的细胞意外死亡。坏死细胞多由于膜的完整性遭到破坏而细胞内容物溢出，引起炎症反应，组织多成片坏死。

凋亡有关的研究最早源于无脊椎动物，尤其是秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans，C.elegans）。C.elegans虫体透明，易于观察，是研究程序性细胞死亡的良好模型。在其雌雄同体发育产生的1090个体细胞中，131个细胞在特定的时间和位置凋亡，有严格特异性。这些细胞的凋亡至少受14个基因的控制，其中最重要的凋亡活化基因有 ced- 3、 ced- 4和凋亡抑制基因 ced- 9。1993年袁钧英等发现哺乳类动物细胞的白细胞介素-1β转化酶（interleukin-1β-converting enzyme， ICE）基因与 ced- 3基因存在功能和序列相似性，并推荐将ICE/ced-3家族统一命名为Caspases（cysteinyl aspartate-specific protease）。Caspases属于半胱氨酸蛋白酶，其家族成员有相似的氨基酸序列和结构，有严格的底物特异性，总是特异地剪切天冬氨酸残基后的肽键。正常细胞中均以无活性的酶原形式表达，活化后促使细胞发生凋亡。

根据在细胞凋亡中的作用，可将Caspases分为两类：上游Caspases（如Caspase-2、Caspase-8、Caspase-9、Caspase-10等），含有长的N-端结构域，对细胞凋亡的启动很重要；下游Caspases（如Caspase-3、Caspase-6、Caspase-7等），含有短的前结构域，是介导特定底物水解的效应Caspases。在凋亡诱导信号的作用下，上游Caspases通过结合特异的辅因子而活化，进而活化下游的效应Caspases，通过“级联”放大的模式，将细胞内的重要蛋白降解，引起细胞凋亡。凋亡中许多生化与形态学改变都是Caspases裂解底物的直接后果。细胞凋亡的发生是一个复杂的过程，由多条通路分别独立地引发。细胞凋亡后期的共同途径是Caspases的激活，公认的细胞凋亡途径主要有两条，一条是通过胞外信号激活细胞内的Caspases，另一条是线粒体途径。

死亡受体（death receptor，DR）属于肿瘤坏死因子受体（TNFR）超家族，是一类通过与相应配体结合，传递细胞外凋亡信号的细胞膜蛋白。该家族成员除了具有相似的、富集半胱氨酸的胞外结构域外，其胞质区内包含高同源性的由60～80个氨基酸组成的死亡结构域（death domain，DD），Fas和TNFR是该家族中最典型的代表。Fas相关死亡结构域蛋白（Fasassociated death domain，FADD）和TNFR相关死亡结构域蛋白（TNF receptor associated death domain，TRADD）起着重要传递作用。在Fas配体（FasL）和TNF诱导下，Fas和TNFR胞质内的DD成簇，分别与FADD/TRADD分子中的DD交联，组成死亡诱导信号复合物，从而激活Caspase-8。活化的Caspase-8可进一步激活下游的Caspases，导致细胞凋亡（图1-8）。其中，TNF与TNFR1结合后，后者可与RIP（receptor interacting protein）形成复合物并促进NF-κB（nuclear factor-κB）的活化，诱导细胞凋亡。肺腺癌常存在Fas表达低下，同时表达FasL；约10.6%的NSCLC患者有 TRAIL- R2的突变；大约50%的肺癌细胞株不表达TRAIL-R2，从而产生TRAIL的耐受。

在外界各种应激刺激下，线粒体膜的通透性发生改变，致使细胞色素C（cyt-c）释放入胞液，在ATP/dATP存在的条件下与凋亡活化因子（Apaf-1）结合，提供能量诱导Apaf-1自身多聚化，形成8亚单位的Apaf-1多聚物，通过N-端黏附Caspase-9前体，形成凋亡复合体（apoptosome），其中Caspase-9前体多聚化导致构象改变，自身裂解并活化，活化的Caspase-9或Caspase-8经多步骤水解反应激活Caspase-3，形成级联放大反应。然后通过蛋白水解作用诱导细胞进入凋亡。所谓的凋亡复合体形成是Caspase“线粒体途径”的特征性步骤。有报道表明28% NSCLC肿瘤不表达Caspase-3；79%的SCLC细胞株缺乏Caspase-8；约35%的SCLC和18%的支气管类癌存在Caspase-8启动子的甲基化。

细胞凋亡是由基因编程控制的死亡，涉及凋亡过程的基因很多，且不断有新的凋亡相关基因报道。

Bcl- 2基因是从B细胞淋巴瘤中鉴定出的癌基因，也是迄今研究最为深入的凋亡抑制基因，定位于人染色体的18q21.3，由230kb组成，含有3个外显子，正常情况下不表达或低表达。该基因编码蛋白分子量约为25kD，位于核膜、部分内质网及线粒体外膜上。在肿瘤形成过程中，细胞过度增殖和细胞凋亡受阻，均可导致肿瘤的发生。 Bcl- 2不同于一般意义上的加速细胞增殖而致癌的癌基因，它通过抵抗多种形式的细胞死亡，延长细胞寿命，使细胞数目累积增多来促进肿瘤形成。有足够的实验结果证实 Bcl- 2是多细胞动物普遍存在的“长寿”基因，与线虫 Ced- 9有同源性。现已分离出多种与Bcl-2同源的家族成员，其中一些属于凋亡抑制蛋白，如Bcl-2、Bcl-XL、Bcl-w和Mcl-1等，另一些则具有诱导凋亡活性，如Bax、Bad、Bcl-Xs、Bik、Bak等。抗凋亡与促凋亡的Bcl-2家族蛋白比值取决于受应激刺激后线粒体膜的通透性。在肺癌往往有Bcl-2蛋白过度表达，绝大多数耐药SCLC上调表达Bcl-2。Bcl-2活化能抑制细胞的程序性死亡，导致某些肿瘤如淋巴瘤的发生。临床研究发现不同病理类型肺癌Bcl-2表达水平有明显差异，SCLC的Bcl-2的表达明显高于NSCLC，在NSCLC中，肺鳞癌的表达高于肺腺癌，且早期肺癌组织中的Bcl-2表达要高于晚期，提示Bcl-2有可能成为肺癌早期诊断指标。

Survivin基因是凋亡抑制蛋白（inhibitor of apoptosis protein，IAP）家族中分子量最小的一个成员，基因定位于17q25，靠近端粒，全长14.7kb，由3个内含子和4个外显子组成，编码142个氨基酸。其表达产物是迄今发现的功能最强的凋亡抑制蛋白，在正常分化组织中几乎不表达，而在人类各种肿瘤组织中可特异性表达，为肿瘤的诊断和治疗提供了新的思路。Survivin表达与肺癌的分化程度有关，肿瘤分化程度越低，其表达率越高。NSCLC表达显著高于SCLC。 Survivin基因的高表达提示肺癌有较高的浸润性和不良预后。因此，Survivin表达具有早期诊断价值和较好的靶向特异性，可能成为肿瘤治疗的新靶点。Survivin表达与Bc1-2表达呈正相关，二者在NSCLC发生中可能起协同作用。

如前所述， Myc是一个多重功能的癌基因。现认为 Myc是程序性细胞死亡的关键因素之一，对细胞凋亡的作用表现在促进和抑制两方面。当抑制细胞生长的因素（如抑癌基因或低血清培养条件等）与 Myc同时作用时，则细胞凋亡。而 Myc与促癌因子同时作用时，则促进细胞增殖。 Myc可与 Bcl- 2协同抑制细胞凋亡，促进细胞转化。 Bcl- 2抑制 Myc所致的细胞凋亡，但不影响 Myc促有丝分裂的增殖作用。

p53作为肿瘤抑制基因，对细胞生长起负性调节作用，具有促细胞凋亡功能。 p53通过多种机制诱导细胞凋亡。 p21基因和 Bax是 p53依赖的凋亡信号途径的重要中介物。 p53可下调 Bcl- 2和上调 Bax的表达介导细胞凋亡，也可通过诱导氧化反应相关基因的表达和降解线粒体成分等诱导凋亡。在DNA损伤诱导的细胞凋亡中 p53起重要作用。因此， p53突变在肺癌发生中起重要作用。有报道指出NSCLC中 Bcl- 2表达水平和 p53异常成反比， p53基因和 Bcl- 2原癌基因在凋亡中起着关键作用。

Fas又称Apo-1或CD95分子，是广泛分布于多种细胞表面的一种跨膜糖蛋白，如活化的T淋巴细胞、B淋巴细胞、单核细胞、成纤维细胞、内皮细胞等。Fas分子与TNF受体和神经生长因子（NGF）受体具有同源性，属于TNF受体和NGF受体超家族。人类Fas分子由325个氨基酸组成，属于Ⅰ型跨膜糖蛋白，胞内区中有大约70个氨基酸构成的区域是诱导细胞凋亡必不可少的死亡结构域（DD）。Fas配体（FasL）主要分布在活化的T淋巴细胞表面。FasL与Fas结合，使后者激活诱导细胞凋亡。

细胞程序性死亡与细胞增殖、分化一样，是最基本的生物现象。如胚胎发育过程中，通过特定细胞群的凋亡，清除“多余”和无用的细胞，有利于器官的形态发生；在免疫细胞成熟过程中通过凋亡方式清除自身反应性T淋巴细胞、B淋巴细胞；通过凋亡清除了机体衰老细胞，保持细胞遗传特性的稳定。细胞增殖、分化和凋亡三方面的相互协调维持着正常组织的生长平衡，肿瘤不仅是增殖和分化异常的疾病，同时也是凋亡异常的疾病。细胞凋亡理论的提出为考察肿瘤形成提供了一个新视角。

细胞凋亡受阻将打破正常组织中细胞增殖与凋亡的平衡，致细胞死亡率下降。如果细胞增殖与凋亡的平衡不能重新恢复，将导致细胞数目的不断增加，表现出生长优势，这是肿瘤形成的一个重要基础。应该走向凋亡而未能发生正常凋亡的细胞可能是肿瘤细胞起源之一，因为这种“老化”细胞的染色体不稳定、基因易突变，对致癌物的易感性升高，从而增加恶变的概率。有实验表明，抑癌基因 p53的缺失使细胞凋亡大为减少，自发肿瘤发生率上升。肿瘤的生长速度取决于细胞增殖和凋亡的水平，按照瘤细胞增殖速度预测肿瘤的生长，结果发现估计值高于实际水平，这是因为肿瘤组织除了增殖活性以外，还同时存在细胞凋亡障碍。对于具有同等增殖力的肿瘤而言，细胞凋亡率减少，将使肿瘤细胞净生长率（net growth）提高，预后更差。

细胞凋亡可以发生在细胞分化的各个阶段，在分化和凋亡之间有着协调的关系，这提示细胞凋亡对分化起着严格的筛选作用。通过凋亡方式剔除不能正常分化的细胞，而选择具有正常发育潜能的细胞进入细胞分化。如同细胞分化是一个十分有序的过程一样，细胞分化中的凋亡也受到精细调控。一旦破坏了它们间的“和谐”关系，就可能导致分化或者凋亡的异常，无论哪方面的异常都与肿瘤的发生有着必然的联系。目前对分化和凋亡调控机制的了解还较少。凋亡障碍也是肺癌发生的重要环节，近年来有关凋亡障碍修复的研究已经取得了快速的发展，在肿瘤细胞内导入凋亡活化基因或灭活凋亡抑制基因已经是肿瘤基因治疗的策略之一， Bcl- 2反义核酸和野生型 p53基因治疗已经进入临床试验阶段，绝大多数以肿瘤凋亡为靶点的肿瘤基因治疗和非基因治疗探索尚处于临床前研究之中。