在生命謝幕之際，細胞們均會以不同的姿勢走向最終的歸宿，而細胞凋亡（細胞程序性死亡，PCD）則是細胞以優雅老死的方式來定格生命消逝時的最後瞬間。
而細胞凋亡作為個體正常發育中一個預定的細胞分子生物學過程，是受到細胞內嚴格程序控制的，它對於維持一個多細胞生物的組織或器官的完整性和平衡性，具有不可替代的重要作用。
凋亡過程及形態學特徵
細胞凋亡大致可分為三個階段：早期（early phase），晚期（later phase）和末期（at last）。但因其也是一個連續的細胞學行為過程，且單從細胞的形態上有時很難把凋亡的早期和晚期非常嚴格地區分開，因而可將這兩期合二為一形成細胞死亡階段（the dying process），其末期則為細胞清除階段（the elimination process）。
圖1：凋亡的細胞學過程
凋亡早期，細胞核內染色質結構改變，如染色質固縮（condensation）、染色質邊緣化（margination）、細胞核內胞漿緊實（compaction）以及細胞核的核膜摺疊（fold）。
凋亡晚期，細胞核發生碎片化現象；細胞喪失了表面結構，形成光滑的輪廓；細胞體積變小，胞漿內細胞器發生集中分布，細胞膜出芽/起泡（bleb），細胞皺縮。
凋亡末期，凋亡小體（Apoptotic body）形成，可被吞噬為吞噬體（phagosome），進而可轉化為溶酶體殘留小體（lysosomal residual body），最終完成整個細胞凋亡過程。
值得注意的是，凋亡小體內的細胞器因被細胞膜包饒，且沒有細胞內容物的外洩，因此不會引起周圍的炎症反應。
凋亡家族的關鍵分子
細胞凋亡家族龐大，牽涉其中的分子眾多，但最知名的分子家族莫過於Bcl-2家族和Caspase家族。
根據分子內所含有的同源結構域（BH1-BH4）的差異，可將Bcl-2家族分為三個不同的亞家族：
1）Bcl-2亞家族，含有BH1和BH2結構域，抑制細胞凋亡；
2）Bax亞家族，內含有BH3結構域以及其他BH結構域，可促進細胞凋亡；
3）BH3亞家族，只含有BH3結構域，亦可促進細胞凋亡。
該家族中Bcl-2分子和Bax分子最有代表性。當Bax高表達時，細胞對死亡信號敏感可促發細胞凋亡過程；當Bcl-2高表達時，Bcl-2可與Bax形成異源二聚體，抑制細胞凋亡,因而胞內Bcl-2/Bax的比例決定了細胞凋亡的敏感性。
圖2：Bcl-2家族的分類和結構示意圖
而Caspase家族則是一組半胱氨酸蛋白水解酶，其作用位點均在天冬氨酸殘基後的位點，以酶原的形式存在，需要活化來發揮作用。依據其功能亦可將其分為三組：
1）凋亡啟動亞類（apoptotic initiation），如Caspase-2、8、9和10；
2）凋亡效應亞類（apoptotic execution）：如Caspase-3、6 和7，始終處於凋亡啟動類Caspase蛋白酶的下遊；
3）細胞因子激活類（cytokine activation）：如Caspase-1、4、5和13，它們與細胞凋亡的關係並不密切，但可能與多種炎症因子或者細胞因子的成熟有關。
細胞凋亡之信號通路
細胞凋亡因啟動階段的不同可分為以下三條主要通路。
1.線粒體通路
線粒體，這看似花生的細胞器，不僅是細胞氧化磷酸化呼吸鏈的中心，在脊椎動物細胞凋亡中也是調控中心。
當死亡信號激活含BH3結構域的Bcl-2家族成員後，可使胞漿中的Bcl-2家族成員發生寡聚化並插入線粒體膜，引起線粒體膜通透性改變，跨膜電位丟失，釋放細胞色素C(Cyt C)和其他蛋白。
Cyt C的釋放是線粒體凋亡路徑的關鍵限速步驟，它可與凋亡蛋白酶活化因子 (Apaf-1)形成多聚複合體，並通過Apaf-1氨基端的Caspase募集結構域 (CARD) 招募胞質中的Caspase-9前體，並使其自我剪切活化啟動Caspase級聯反應，如激活下遊的Caspase-3和Caspase-7，從而誘導細胞凋亡。
圖3：凋亡的線粒體途徑示意圖
2.內質網通路
內質網是細胞內蛋白質合成的主要場所，同時也是Ca2+的主要儲存庫。除此之外，內質網也參與了凋亡信號的處理和傳遞。
當內質網內鈣離子平衡被破壞或者內質網蛋白的過量積累，會誘導Caspase-12在內質網膜上的表達，同時誘導胞質的Caspase-7轉移到內質網表面並激活Caspase-12，並進一步剪切Caspase-3，從而引發細胞凋亡。
雖然由內質網功能失調引起的凋亡通路和由線粒體為靶點的凋亡信號明顯不同，但這兩條通路之間是有一定的相關性的。胞質內高Ca2+濃度激活的鈣依賴性蛋白酶，也可影響線粒體的通透性以及膜電位，進而促進凋亡。
圖4：凋亡的內質網通路示意圖
3.死亡受體通路
死亡受體，屬於腫瘤壞死因子受體(TNFR)基因超家族，是一類跨膜蛋白，其胞外部分含有一個富含半胱氨酸的區域，胞質區有一個由同源胺基酸殘基構成的結構，即「死亡結構域」 (death domain，DD)，具有蛋白水解功能，可傳遞死亡信號啟動細胞凋亡。
目前已知的死亡受體有五種：
1）TNFR-1 (又稱CD120a或p55)；
2）Fas(又稱為CD95或Apo1)；
3）DR3(死亡受體3 death receptor 3，又稱 Apo3)；
4）DR4（死亡受體4，又被稱為TRAIL-R1）；
5）DR5（死亡受體5，又被稱為Apo2，TRAIL-R2)
圖5：死亡受體介導的信號通路圖
a）Fas/FasL死亡通路在免疫系統的發育過程中起到重要作用，因為FasL只在激活的T細胞和NK細胞中表達。FasL是一個同源三聚體，在結合3個Fas分子後，通過Fas胞內段的死亡結構域招募胞質中含有死亡結構域的Fas相關蛋白（FADD）。
FADD氨基端的死亡效應結構域（DED結構域）可與Caspase-8分子的DED結構域相互作用，募集Caspase-8從而形成死亡誘導信號複合體（DISC），隨後引起下遊級聯反應，誘導細胞凋亡。
b）TNF則通過TNFR-I（含有死亡結構域）和TNFR-II（缺乏死亡結構域）介導下遊的生物學活性，介導細胞凋亡。
當 TNF結合受體之後，TNFR受體（不具有酶解活性）發生三聚體化，招募一個銜接蛋白TRADD，進而招募其他三個銜接分子：Fas/FasL通路中的FADD分子、TRAF-2 和RIP。
如果TRADD結合TRAF-2/RIP，下遊激活NF-κB通路或者JNK/AP-1通路；如果TRADD結合FADD，下遊激活Caspase，從而誘導細胞發生凋亡。
c）在DR3通路和DR4/DR5通路（TRAIL通路）中，DR3/DR4/DR5的胺基酸序列因與TNFR1高度同源，也可激活下遊的NF-κB 通路和Caspase介導的細胞凋亡反應。
但即便如此，因這些通路的配體和受體具有組織或細胞表達特異性，則TNF/TNFR通路和DR3/DR4/DR5通路可在不同的組織或器官內介導具有不同生物學功能的下遊通路。
細胞凋亡的檢測方法
通常檢測細胞凋亡需要解決三個問題：1）研究體系中是否有凋亡現象發生；2）凋亡的發生率，需要結合細胞群體的增殖率來分析，以便更客觀地反應細胞群體的生長狀態；3）了解細胞凋亡的嚴重程度以及凋亡的發生階段。
1.形態學方法
以顯微鏡觀察細胞甚至是亞細胞層面的形態變化和形態學特徵，而具體的顯微鏡技術以及其所檢測的凋亡形態學特徵見下圖：
圖6：顯微鏡技術及其檢測的凋亡相關形態學特徵
2.流式細胞儀檢測（Annexin V-PI雙染色實驗）
正常細胞中，磷酯醯絲氨酸（PS）只分布在細胞膜的脂質雙分子層的內側；在細胞凋亡早期，PS可從細胞膜內側外翻到細胞膜的外側，可與磷脂結合蛋白Annexin V相結合；PI作為一種核染料，本是不能透過完整的細胞膜的，但在凋亡晚期或細胞壞死中，因細胞膜的完整性已經遭到破壞，可透過細胞膜與細胞核發生結合。
因此Annexin V-PI雙染色實驗可將細胞分為四種類型（見下圖）：
圖7是一張典型的Annexin V-PI 雙染色後的流式檢測結果數據
1）Annexin V陰性且PI陰性（雙陰性細胞）：活細胞；
2）Annexin V陽性且PI陰性：早期凋亡的細胞；
3）Annexin V陽性且PI陽性（雙陽性細胞）：晚期凋亡或者是壞死的細胞；
4）Annexin V陰性且PI陽性：可能是由於非特異性染色導致的。
3.核酸電泳檢測細胞凋亡（DNA片段檢測法）
細胞凋亡時DNA會在核小體間有規律的斷裂並會產生180-200bpDNA片段；而壞死細胞的DNA則會斷裂為無特徵的雜亂片段。因而在凝膠電泳中，如果出現這種特徵性的電泳條帶，就可以判斷細胞發生了凋亡。
圖8：DNA 片段檢測法代表性電泳圖
4.凋亡明星分子檢測
通常以western blot檢測凋亡通路明星蛋白，如線粒體通路中的Cas-9和Cas-3，前體分子Pro-cas-9和Pro-cas-3以及Cas-3的底物PARP分子；死亡受體凋亡通路中的Fas、FasL、TNF和TNFR；FasL-Fas通路以及TNF-TNFR通路中的FADD分子。
又如抑制凋亡的Bcl-2和促進凋亡的Bax，在以western檢測Bcl-2和Bax的表達量後，通過Bcl-2/Bax的比值，可表徵細胞凋亡的程度。
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