細胞凋亡(apoptosis)

1、細胞凋亡與疾病,病理生理教研室王生蘭,悉尼-布雷內(nèi),羅伯特-霍維茨,約翰-蘇爾斯頓,2002年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎分別授予了英國科學家悉尼·布雷內(nèi)(Sydney Brenner)、美國科學家羅伯特·霍維茨(H.Robert Horvitz)和英國科學家約翰·蘇爾斯頓(John E.Sulston)，以表彰他們發(fā)現(xiàn)了在器官發(fā)育和“程序性細胞死亡”過程中的基因規(guī)則。,內(nèi) 容,細胞凋亡概述細胞凋亡的形態(tài)學

2、和生物化學特征細胞凋亡的分子調(diào)控機理細胞凋亡的發(fā)生機制細胞凋亡與疾病,細胞凋亡(Apoptosis),早在1972年Kerr等已發(fā)現(xiàn)從細胞形態(tài)、超微結構和生化變化等方面來分析，細胞有二種死亡形式,一種是早被熟知的細胞壞死（Necrosis），另一種是新提出的程序性細胞死亡（Programmed cell death, PCD）學說?，F(xiàn)在普遍稱之為細胞凋亡（Apoptosis）細胞凋亡由體內(nèi)外因素觸發(fā)細胞內(nèi)預存的死亡程序而導

3、致的細胞死亡過程。是一個由基因調(diào)控的細胞主動結束生命的過程。,100% Apoptosis: induced by BL-106 (5mM) that binds to bcl-2. Nuclear stained with Hoechest33258,細胞凋亡與細胞壞死的區(qū)別,———————————————————,———————————————————,———————————————————,壞死

4、 凋亡,1.性質,2.誘導因素,強烈刺激，隨機發(fā)生,較弱刺激，非隨機發(fā)生,3.生化特點,4.形態(tài)變化,6.DNA電泳,5.炎癥反應,7.凋亡小體,8.基因調(diào)控,被動過程，無新蛋白合成，不耗能,主動過程，有新蛋白合成，耗能,細胞結構全面溶解、破壞、細胞腫脹,胞膜及細胞器相對完整細胞皺縮，核固縮,彌散性降解，電泳呈均一DNA片狀,DNA片段化（180-200bp），電泳呈“梯”狀條帶,溶酶體破裂，局部炎癥

5、反應,溶酶體相對完整，局部無炎癥反應,有,病理性，非特異性,生理性或病理性，特異性,無,有,無,細胞凋亡的生理意義,確保正常發(fā)育、生長維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定發(fā)揮積極的防御功能,蝌蚪尾的消失脊椎動物的神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)發(fā)育過程中手和足的成形過程,,,,,凋亡過程,凋亡誘導因素,受體,cAMPCa2+神經(jīng)酰胺,死亡信號,凋亡相關基因激活,Dnase激活Caspases激活,巨噬細

6、胞吞噬分解凋亡細胞,,,,,,,,,,凋亡過程可分為三個階段:,誘導期:細胞凋亡相關因素的作用和細胞信號轉導;效應期:相關基因接受死亡信號后按預定程序啟動合成執(zhí)行凋亡所需的各種酶類及相關物質,并引起核酸內(nèi)切酶和caspase家族的級聯(lián)反應;降解期:底物降解,包括核酸內(nèi)切酶徹底破壞細胞生命活動所必須的全部基因, caspase導致細胞結構的全面解體,完成細胞凋亡。,內(nèi) 容,細胞凋亡概述細胞凋亡的形態(tài)學和生物化學特征細胞凋

7、亡的分子調(diào)控機理細胞凋亡的發(fā)生機制細胞凋亡與疾病,形態(tài)學特征,■凋亡細胞（實體細胞）與周圍細胞脫接觸■胞膜空泡化（Blebbing）■細胞固縮（Condensation）、核固縮和出芽(Budding)、染色體邊集（Margination）■凋亡小體（Apoptotic body）,生物化學特征,胞漿內(nèi)Ca2+濃度升高。細胞內(nèi)活性氧增多。質膜通透性變大。DNA內(nèi)切酶活性被激活升高，雙鏈DNA在核小體之間切斷形成180

8、~200bp為基數(shù)的有序片段。Ⅱ型谷氨酰胺轉移酶和需鈣蛋白酶（Calpain）活性升高。細胞膜磷脂酰絲氨酸外翻,典型凋亡細胞DNA瓊脂糖凝膠電泳呈現(xiàn)梯狀條帶,,內(nèi) 容,細胞凋亡概述細胞凋亡的形態(tài)學和生物化學特征細胞凋亡的分子調(diào)控機理細胞凋亡的發(fā)生機制細胞凋亡與疾病,促進細胞凋亡：生物及化學毒物、病毒感染、射線、應激和化療藥等。抑制細胞凋亡：化學促癌物、某些病毒（EB病毒，人類乳頭狀瘤病毒）,（一）凋亡信號,生理性

9、凋亡信號,（1）某些激素和細胞因子的直接作用：強烈應激→GC→淋巴細胞凋亡（2）某些激素和細胞因子的間接作用：睪丸酮對前列腺上皮細胞；ACTH對腎上腺皮質細胞。,病理性凋亡信號,病理性信號可經(jīng)以下環(huán)節(jié)誘導凋亡,氧化應激作用死亡受體的激活線粒體結構和功能的改變其他：鈣離子的作用,（二）細胞凋亡過程中的信號轉導Fas/CD95信號轉導途徑 2. TNFR-1 信號轉導途徑,,3. 酪氨酸蛋白激酶信號系統(tǒng)（負調(diào)控作用）,,

10、生長因子,Tyrosine protein kinase-mediated signal transduction pathway,,,Adenylyl cyclase signal transduction pathway,4. cAMP/PKA信號系統(tǒng),靶蛋白 磷酸化,,,Phospholipase C signal transduction pathway,5. 胞內(nèi)Ca2+信號系統(tǒng),GH,Growth hormone rec

11、eptor signaling through the JAK/STAT pathway,（STAT1可激活細胞周期依賴性激酶的抑制分子p21的轉錄,而且STAT1是某些細胞發(fā)生凋亡所必須；STAT3則可能對促進凋亡的Bax分子表達有誘導作用）,6. JAK-STAT通路,7. 神經(jīng)酰胺信號系統(tǒng)神經(jīng)鞘磷脂　 神經(jīng)酰胺 細胞凋亡電離輻射、TNF-α、Fas抗原、糖皮

12、質激素均可通過神經(jīng)酰胺信號系統(tǒng)誘導細胞凋亡。8.TRAIL介導的凋亡信號通路腫瘤壞死因子相關的凋亡誘導配體（TNF related　apoptosis inducing ligand, TRAIL）, TRAIL誘導的凋亡與TNF相似,它與相應的受體結合后可激活NF-κＢ、JNK通路和Caspases級聯(lián)。但目前對TRAIL受體誘導的凋亡機制仍有許多爭議。,,SM酶,,（三）細胞凋亡的途徑,（四）細胞凋亡的執(zhí)行,Caspase家族

13、凋亡的執(zhí)行者特點：前體形式存在, 級聯(lián)反應作用：滅活凋亡抑制物水解蛋白質結構，形成凋亡小體水解凋亡相關活性蛋白瓦解核結構成碎片,使抑制凋亡因子失活，如CAD/ICAD Bcl-2破壞細胞結構，如Lamina將調(diào)節(jié)區(qū)與催化區(qū)分離，使蛋白失活，如Gelsolin分解核結構成碎片,Caspase 如何殺死細胞？,（四）細胞凋亡的執(zhí)行,內(nèi)源性核酸內(nèi)切酶作用：切割染色質DNA特點：Ca2+Mg2+依賴Zn2

14、+抑制其他：鈣離子,（五）細胞凋亡的基因調(diào)控,Bcl-2家族 抗凋亡成員：Bcl-2和Bcl-XL 促凋亡成員：Bax和Bak BH3-only死亡蛋白,,凋亡相關基因: 抑制凋亡的基因：EIB 、IAP、 Bcl-2 促進凋亡的基因：Fas 、Bax 、ICE 、P53 雙向調(diào)控基因： c-myc 、

15、Bclx,（五）細胞凋亡的基因調(diào)控,Bcl-2 B淋巴細胞瘤/白血病2（B cell lymphoma/leukenia-2）分布：造血細胞，上皮細胞，淋巴細胞，多種瘤細胞（線粒體內(nèi)膜、細胞膜內(nèi)表面、內(nèi)質網(wǎng)和核膜等處）Bcl-2抗凋亡的機制：⑴直接抗氧化⑵抑制線粒體釋放促凋亡的蛋白質⑶抑制促凋亡調(diào)節(jié)蛋白Bax、Bak的細胞毒作用⑷抑制凋亡蛋白酶的激活⑸維持細胞鈣穩(wěn)態(tài),（五）細胞凋亡的基因調(diào)控,P53 誘導凋亡的基因

16、P53 “ 分子警察”(molecular policeman)其他雙向調(diào)節(jié)基因 c-myc,（六）吞噬細胞對凋亡細胞的識別與吞噬,吞噬細胞凝集素的作用血小板反應蛋白介導吞噬磷脂酰絲氨酸的作用,細胞凋亡發(fā)生的時間過程,,內(nèi) 容,細胞凋亡概述細胞凋亡的形態(tài)學和生物化學特征細胞凋亡的分子調(diào)控機理細胞凋亡的發(fā)生機制細胞凋亡與疾病,細胞凋亡發(fā)生機制,（一）氧化損傷（二）鈣穩(wěn)態(tài)失衡 ( 三

17、 ) 線粒體損傷,(一) 氧化損傷,細胞凋亡,,,氧自由基→,DNA損傷→,多聚ADP核酸合成酶活化,→,氧自由基→,DNA損傷→,p53激活→,NAD耗竭 ATP消耗,→,細胞凋亡,氧自由基→,細胞膜過氧化損傷,→,→細胞凋亡,→,→,細胞凋亡,氧化應激→,核酸內(nèi)切酶激活（Ca2+/Mg2+）,→,細胞凋亡,Ca2+ 內(nèi)流↑,過氧羥基24碳四烯酸,氧自由基→,線粒體膜損傷→,通透性↑膜電位改變 →,細胞凋亡,氧化

18、應激→,NF-κB,AP-1活化→,凋亡相關基因表達,→細胞凋亡,（二）鈣穩(wěn)態(tài)失衡,1.激活核酸內(nèi)切酶→,2.激活谷氨酰氨轉移酶→,降解DNA鏈,?；D移,→蛋白交聯(lián),→形成凋亡小體,3.激活核轉錄因子→,凋亡相關蛋白表達,→凋亡,4.Ca2+→,ATP,DNA舒展→,核小體間酶切點暴露,→DNA內(nèi)切酶切割DNA,(三) 線粒體損傷,細胞凋亡異常,內(nèi) 容,細胞凋亡概述細胞凋亡的形態(tài)學和生物化學特征細胞凋亡的分子調(diào)控機理細胞

19、凋亡的發(fā)生機制細胞凋亡與疾病,,,該“死”的細胞（如腫瘤細胞、自身反應性免疫細胞）未死，是造成腫瘤、自身免疫性疾病的主要發(fā)病機制之一。,細胞凋亡與疾病發(fā)生機制的新認識,,,,不該“死”的細胞（如神經(jīng)元、心肌細胞）死了，這與老年性癡呆、心肌缺血/再灌注損傷等發(fā)病有關。,細胞凋亡與疾病發(fā)生機制的 新認識,細胞凋亡不足：腫瘤，自身免疫病細胞凋亡過度：心肌缺血，心力衰竭，神經(jīng)元退行性疾病，病毒感染,凋亡與疾病,與細胞凋亡有關

20、的疾病,NATURE CELL BIOLOGY VOL 4 JUNE 2002,細胞凋亡與腫瘤,細胞凋亡與腫瘤發(fā)生 凋亡抑制(Bcl-2、P53)2. 細胞凋亡與腫瘤發(fā)展 細胞增殖和凋 亡比例失衡3. 細胞凋亡與腫瘤轉移 環(huán)境變化凋亡減少,HIV與T細胞凋亡,對HIV感染T細胞的影響：多個細胞胞膜融合形成合胞體病毒持續(xù)出胞和HIV 蛋白對細胞膜的損傷病毒復制形成的線狀RNA對細胞有毒性

21、作用4. HIV打破Bcl-2家族中抗凋亡、促凋亡因素的平衡 HIV蛋白可增加Fas和FasL的表達6. HIV蛋白酶可使Bcl-2失活，同時激活Caspase-8,對旁觀者細胞的影響：T細胞激活-激活誘導的細胞死亡（ activation-induced cell death, AICD ）Gp120糖蛋白誘導細胞凋亡Tat蛋白進入旁觀者細胞-誘導氧自由基產(chǎn)生-Fas表達增強-細胞凋亡4. 細胞因子的作用-T

22、NF,細胞凋亡與心肌缺血及缺血-再灌注損傷,特點: 缺血早期以凋亡為主，晚期以細胞的壞死為主。 在梗死灶的中心以壞死為主，梗死灶周邊以凋亡為主； 輕度缺血以凋亡為主，重度缺血以壞死為主；機制: 氧化應激、FasR通路、p53基因的轉錄增加。,細胞凋亡和阿爾茨海默病,老年癡呆,它的發(fā)病機制主要是細胞凋亡所致神經(jīng)元喪失1.Fas抗原的介導2.p53基因的活化3.c-Jun和c-foc及其編碼蛋白的作用4.APP69

23、5基因突變的作用5.低親和力神經(jīng)生長因子高表達6.NF-κB的活化,細胞凋亡在帕金森病發(fā)病中的作用,帕金森病（Parkinson disease）是中老年人常見的中樞神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病，病變主要累及黑質和黑質紋狀體，腦黑質的多巴胺能神經(jīng)元變性、退化-紋狀體內(nèi)多巴胺和乙酰膽堿失衡而發(fā)病。1.氧化應激是黑質多巴胺能神經(jīng)元凋亡的重要過程2.鈣穩(wěn)態(tài)失衡與黑質多巴胺能神經(jīng)元凋亡3.線粒體損傷在黑質多巴胺能神經(jīng)元凋亡中的作用4.Bcl-2

24、和Bax蛋白是黑質多巴胺能神經(jīng)元凋亡的調(diào)控因子5. Caspase酶是黑質多巴胺能神經(jīng)元凋亡的效應分子,細胞凋亡在動脈粥樣硬化中的作用 動脈粥樣硬化（atherosclerosis,AS）是指發(fā)生在大型或中型彈性動脈、肌性動脈壁內(nèi)膜及內(nèi)膜下，以脂質沉著，并伴有中層血管平滑肌細胞向內(nèi)膜移行、增殖為特征，內(nèi)膜增厚發(fā)展而形成的粥樣病灶或纖維脂質斑塊。１.P53突變→血管平滑肌細胞增殖２.bcl-2表達，促進內(nèi)膜增生血管肥厚３.NO

25、通過P53和 bcl-2途徑促進或抑制細胞凋亡４.泡沫細胞膜表達Fas →泡沫細胞和Ｔ細胞凋亡 5. NF-κＢ活化抗細胞凋亡基因,細胞凋亡在疾病防治中的意義 可以通過不同的手段在不同的階段進行干預而治療疾病 合理利用凋亡相關因素 干預凋亡信號轉導 調(diào)節(jié)凋亡相關基因 控制凋亡相關酶學機制,細胞凋亡—生命的選擇,作業(yè)：,名詞解釋：1、核受體2、激素抵抗綜合征3、跨膜細胞信號轉導4、分子警察問答題：1