细胞凋亡是由死亡信号诱发的受调节的细胞死亡过程
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细胞凋亡(apoptosis)是细胞在一定的生理或病理条件下，遵循自身的程序，自己结束其生命的过程。"apoptosis"来源于希腊语，"apo"意为"分离", "plosis"指花瓣或树叶的脱落、凋零。当时选用这个词，是为了强调这种细胞死亡是自然的生理学过程。目前很多情况下，细胞凋亡亦被称作程序性细胞死亡(programmed cell death, PCD), 即在一定时间内，细胞按特定的程序发生死亡，这种细胞死亡具有严格的基因时控性和选择性。但有些学者认为细胞凋亡与PCD 有一定的区别，PCD 是一个功能性概念，描述在一个多细胞生物体中，某些细胞的死亡是个体发育中一个预定的，并受到严格控制的正常组成部分，而凋亡是一个形态学概念，指与细胞坏死受到不同的基因控制的细胞死亡形式； PCD的最终结果是细胞凋亡，但细胞凋亡并非都是程序化的。此外，细胞凋亡也可见于PCD之外的病理状态，如抗癌药所致的癌细胞死亡、循环负荷过重引起的细胞死亡等。
细胞凋亡现象普遍存在于人类及多种动、植物中，是多细胞生物体个体正常发育、维持成体组织结构不可缺少的部分，贯穿于生物全部的生命活动中，它是细胞生理性死亡的普遍形式。例如人体内每天有5×1011个血细胞通过细胞凋亡被清除，以平衡骨髓中新生的血细胞。哺乳动物神经系统的发生过程也是细胞凋亡的典型例子。在脊椎动物发育早期，一般先要产生过量的神经元，但后来近一半的神经元发生凋亡，只有那些与靶细胞（如肌肉细胞、腺体细胞等）建立起良好的突触联系，并充分接受了靶细胞分泌的存活因子的神经元才保留了下来。
一旦正常的细胞凋亡过程受到破坏，将引起一系列的疾病，包括癌症、感染性疾病、自身免疫性疾病等。例如，肿瘤的侵袭转移涉及肿瘤细胞黏附、基质降解、肿瘤细胞的迁移等，而失巢凋亡在肿瘤细胞的扩散和转移中起重要作用。
细胞凋亡呈现出特征性形态学变化
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主要包括细胞皱缩(cell shrinkage)、染色质凝聚(chromatin condensation)、凋亡小体形成、细胞骨架解体等，其中以胞核的变化最为显著。
细胞核的变化 凋亡细胞的核DNA在核小体连接处断裂成核小体片段，并向核膜下或中央部异染色质区聚集，浓缩成染色质块，使细胞核呈现新月状、花瓣状等多种形态, 染色质进一步聚集使核膜在核膜孔处断裂，形成核碎片或核残片。
细胞质的变化 由于脱水作用，凋亡细胞的胞质发生明显浓缩，其中的细胞器也发生不同程度的变化，尤其是线粒体和内质网。凋亡早期，可观察到细胞内线粒体增大，嵴增多，接着线粒体出现空泡化。多数情况下，凋亡细胞内的内质网腔增殖膨大，并为凋亡细胞形成的自噬体结构提供包裹膜。凋亡细胞原有的疏松有序的细胞骨架结构也变得致密和紊乱。细胞骨架的改变不仅仅是细胞凋亡的后果，还影响到细胞凋亡的过程。
细胞膜的变化 凋亡细胞表面原有的特化结构，如微绒毛、细胞突起及细胞间连接等逐渐消失，细胞膜起泡，但细胞膜仍保持完整，没有失去选择通透性。一些与细胞间连接有关的蛋白质从凋亡细胞的膜上消失，但正常情况下位于细胞膜内侧的磷脂酰丝氨酸(phosphatidylserine, PS)则从细胞膜的内侧翻转到细胞膜的表面，暴露于细胞外环境中。这些分子可能与凋亡细胞的清除过程有关。
凋亡小体的形成 凋亡小体的形成有三种方式：①发芽脱落机制。凋亡细胞内聚集的染色质块，形成大小不等的核碎片后，整个细胞通过发芽(budding)、起泡(zeiosis)等方式，形成一个球形的突起，并在根部绞窄脱落，形成一些大小不等，内含胞质、细胞器以及核碎片的膜包小体，即凋亡小体；②分隔机制。在凋亡细胞内由内质网分隔成大小不等的分隔区，靠近细胞膜端的分隔膜与细胞膜融合并脱落形成凋亡小体；③自噬体形成机制。凋亡细胞内线粒体、内质网等细胞器和其他胞质成分一起被内质网膜包裹形成自噬体，自噬体在与凋亡细胞膜融合后排出胞外，形成凋亡小体。有些细胞不形成凋亡小体，而仅仅发生核固缩和胞质浓缩，成为单个致密的结构，这也被称为凋亡小体。在病毒性肝炎中见到的嗜酸性小体(councilman body)就是凋亡小体的例子。
细胞凋亡时细胞生化改变的复杂性和多样性
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DNA片段化 核小体(nucleosome)是基因组染色体的基本结构，它和连接区(linker)组成核心核小体亚单位(core nucleosomal subunit), 总长度为180～200bp。细胞凋亡时，细胞的内源性核酸内切酶(endonuclease)活化，特异地在连接区切断DNA链。因此，形成长度为180～200bp整数倍的寡聚核苷酸片段，这种DNA片段化(fragmentation)的结果是在进行琼脂糖凝胶电泳时，凋亡细胞表现出特征性的DNA梯状条带(DNA ladder)。而细胞坏死时，DNA随意断裂为长度不一的片段，琼脂糖凝胶电泳呈“弥散状”(smear)。因此，尽管不是所有凋亡细胞都出现DNA梯状条带，人们仍把它作为细胞凋亡最典型的生化特征之一。
细胞凋亡中的蛋白酶 细胞凋亡的始动，以及发生、发展，主要是通过多种蛋白酶控制的，蛋白酶级联切割可能是凋亡最关键的过程，因此有学者提出蛋白酶的作用是凋亡机制的核心部分。控制凋亡的蛋白酶有多种，如胱天蛋白酶(cystein aspartic acid specific protease, caspase)家族、端粒酶或分裂素及钙蛋白酶(calpain)等。
胞质Ca2+、pH的变化 有研究认为Ca2+能通过两条途径诱导细胞凋亡。一是胞内Ca2+库释放，胞外Ca2+内流使胞质内Ca2+持续升高，作为凋亡信号启动凋亡；二是Ca2+的释放打破了细胞内结构的稳定，使细胞凋亡系统的关键成分与正常时不能接触到的基质发生反应，从而触发凋亡。胞内的H+和Ca2+一样，其浓度对生命活动影响重大。用地塞米松诱导巨噬细胞凋亡时，可观察到胞质内的pH先是急速升高，之后又缓慢降低，胞质逐渐碱化，这表明胞质碱化和酸化均能影响细胞凋亡，前者可能与细胞凋亡的启动有关，而后者可能是细胞凋亡的必然结果。
线粒体在细胞凋亡中的作用细胞凋亡有胞核和胞质两条途径，即胞质中的细胞器也是凋亡的主要目标，尤其是凋亡时，线粒体发生一系列显著的变化：①线粒体呼吸链受损，能量代谢受到破坏，导致细胞死亡；②线粒体释放细胞色素C(cytochrome C, cyt C), 而cyt C是凋亡所必需的胱天蛋白酶家族的激活物；③线粒体是细胞产生活性氧类物质(reactive oxygen species, ROS)的主要来源，ROS是细胞凋亡的信使分子和效应分子，凋亡时线粒体生成ROS增多；④线粒体渗透转变孔(permeability transition pore, PT pore) 通透性增高这是凋亡早期的决定性变化。PT孔是线粒体内膜和外膜在接触部位协同组成的一条通道，PT孔的开放可导致线粒体呼吸链解耦联，并且线粒体内的cyt C 可通过开放的PT孔释放至胞质，进而触发caspase级联反应。PT孔开放抑制剂，如环孢素(cyclosporin), 能够阻断细胞凋亡，表明PT孔在凋亡过程中具有重要作用。此外，有学者曾提出线粒体调控细胞凋亡的观点，可见线粒体在细胞凋亡过程中起很重要的作用。
失巢凋亡是又一种形式的细胞程序死亡
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失巢凋亡(anoikis)是又一种形式的细胞程序死亡，是因细胞与细胞外基质和其他细胞脱离接触而诱发的。正常的上皮或内皮细胞具有黏附依赖性，其存活依赖于细胞间和细胞与基质间的信号传递，称为锚定依赖。正常上皮细胞或不具备转移性质的实体瘤细胞从原位脱落进入血流后就会引发细胞凋亡，这种在脱离原来生存环境的特殊情况下发生的细胞凋亡称为失巢凋亡。这种现象在某些细胞分化生长周期短、组织更新快的细胞中表现更为明显。例如，小肠上皮是入体内更新最快的组织之一，小肠上皮细胞从基底膜移动到上皮表面只需要6～7天的时间。小肠上皮细胞的生长和分化对基底膜的依赖性更为明显。因此，一旦发生脱落，细胞就很容易发生凋亡。在体外培养的情况下，小肠上皮细胞也很容易出现凋亡现象，因此经常以小肠上皮细胞作为研究凋亡现象的对象。除上皮细胞和内皮细胞外，其他类型的细胞也出现失巢凋亡现象，如骨骼肌细胞某些致瘤潜力低的黑色素瘤细胞以及胚胎成纤维细胞等。失巢凋亡的意义在于防止这些脱落的细胞种植并生长于其他不适宜的地方。而肿瘤细胞，尤其是一些容易发生远处转移的恶性肿瘤细胞，具有极强的抗失巢凋亡特性，从瘤体上脱落进入循环系统后并不发生凋亡，从而完成转移过程。恶性肿瘤的这种抗失巢凋亡特性已经在肺癌、肠癌、卵巢癌、恶性黑色素瘤、口腔鳞状细胞癌等的癌细胞体外培养实验中得到证实。
细胞凋亡与细胞坏死的比较
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由于细胞凋亡是一种主动的、由基因决定的细胞自杀(cell suicide)过程，其性质与细胞坏死完全不同，两者属于截然不同的细胞学现象。细胞坏死是指细胞受到激烈的物理、化学刺激或严重的病理性刺激后，引起的细胞损伤和死亡。细胞坏死时，细胞膜发生渗漏，细胞内容物（包括膨大、破碎的细胞器以及染色质片段等）释放到胞外，导致炎症反应；而在细胞凋亡过程中，细胞膜反折并包裹断裂的染色质片段或细胞器等，随后逐渐分离而形成众多的凋亡小体，并最终为邻近的吞噬细胞所吞噬破坏。行使吞噬功能的细胞一般是巨噬细胞，有时是上皮细胞或血管内皮细胞。整个凋亡过程中，细胞膜的完整性保持良好，死亡细胞的内容物不会逸散到胞外环境中，因此并不引发炎症反应。