疾病的细胞机制 ppt课件

疾病的细胞机制疾病的细胞机制 Cellular Mechanism of Disease Mr. Liuleap Department of Pathophysiology Inner Mongolia Medical College 1 人类不断进化人类不断进化 /生长生长 /发育发育 /衰老衰老 周而复始周而复始 我们身体里在发生什么变化？我们身体里在发生什么变化？ 裸鼠的结肠癌病理模型复制裸鼠的结肠癌病理模型复制 胃癌手术后肿瘤细胞转移患者 （患者处于恶液质状态） 细胞的增殖细胞的增殖 为什么为什么 会转变为肿瘤细胞？会转变为肿瘤细胞？ 2 原发性细胞损伤导致疾病发生的机制原发性细胞损伤导致疾病发生的机制 损伤部位损伤部位 机制机制 例证例证 细胞膜细胞膜 粘连蛋白缺失粘连蛋白缺失 肿瘤细胞易脱落、转移肿瘤细胞易脱落、转移 细胞膜细胞膜 胰岛素受体缺乏胰岛素受体缺乏 型糖尿病型糖尿病 内质网内质网 对缺陷蛋白降解障碍对缺陷蛋白降解障碍 海绵样脑病、克雅氏病海绵样脑病、克雅氏病 内质网内质网 Ca2+泵泵 障碍障碍 肌肉收缩力下降肌肉收缩力下降 线粒体线粒体 线粒体异常线粒体异常 线粒体肌病线粒体肌病 Cellular Mechanism of Disease 疾病的细胞机制疾病的细胞机制 细胞损伤形式细胞损伤形式 病因的间接损伤病因的间接损伤 病因的直接损伤病因的直接损伤 3 疾病的细胞机制疾病的细胞机制 疾疾 病病 的的 细细 胞胞 机机 制制 细细 胞胞 分分 化的化的 调调 控控 异异 常常 与与 疾疾 病病 细细 胞胞 凋凋 亡亡 异异 常常 与与 疾疾 病病 细细 胞胞 增增 殖殖 的的 调调 控控 异异 常常 与与 疾疾 病病 4 细胞增殖调控异常与疾病细胞增殖调控异常与疾病 Disease associated with cell proliferation 一、概念（一、概念（ Concept） 细胞分裂和再生的过程，细胞通过分裂进行增细胞分裂和再生的过程，细胞通过分裂进行增 殖，把遗传信息传给子代，保持物种的延续和数殖，把遗传信息传给子代，保持物种的延续和数 量增多。量增多。 疾病的细胞机制疾病的细胞机制 细胞增殖细胞增殖 /分化不良（过度）分化不良（过度） 组织器官发育不全组织器官发育不全 细胞增殖细胞增殖 /分化不全分化不全 肿瘤发生肿瘤发生 5 【 细胞周期细胞周期 】 （ Cell cycle ） 细胞周期分期细胞周期分期 （ By stages） G1SG 2M 【 细胞增殖过程细胞增殖过程 】 疾病的细胞机制疾病的细胞机制 细胞生长 DNA复制 细胞分裂 Howard/Pelc1953年提出 6 细胞周期和其他的一些细胞生理过程就像多米诺骨牌 Cyclin的周期性变化 有丝分裂前期有丝分裂前期 中心体 有丝分裂前中期 有丝分裂中期 有丝分裂后期 7 【 构成有机体的三大类活细胞构成有机体的三大类活细胞 】 1、周期性细胞（连续分裂细胞）：、周期性细胞（连续分裂细胞）： 按按 G1SG 2M 四阶段循环，不断增殖死亡，四阶段循环，不断增殖死亡， 维持稳态更新维持稳态更新 （如表皮、骨髓细胞）（如表皮、骨髓细胞） 。 2、 GO期细胞（休眠细胞）：期细胞（休眠细胞）： 暂时脱离细胞周期不进行增殖，有关刺激后才暂时脱离细胞周期不进行增殖，有关刺激后才 增殖，这称为条件性更新增殖，这称为条件性更新 （如肝、肾细胞等）（如肝、肾细胞等） 。 3、终端分化细胞（不分裂细胞）：、终端分化细胞（不分裂细胞）： 为永远脱离细胞周期，丧失分裂能力的细胞。为永远脱离细胞周期，丧失分裂能力的细胞。 （ 如神经细胞、心肌细胞等）如神经细胞、心肌细胞等） 。 8 【 细胞周期的特点细胞周期的特点 】 1、单向性：只能按、单向性：只能按 G1SG2M 方向推进方向推进 2、阶段性：可停止，条件合适继续、阶段性：可停止，条件合适继续 3、检查点：存在于各时相交叉处，决定增殖否、检查点：存在于各时相交叉处，决定增殖否 4、细胞微环境影响：与细胞外信号、条件相关、细胞微环境影响：与细胞外信号、条件相关 9 2001年诺贝尔 生理医学奖获得者 2001年度诺贝尔生理学或医学奖，授予了美国科学家利兰 哈特韦尔（ L. Hartwell） 、英国科学家蒂莫西 亨特（ T. Hunt）和保罗 纳斯（ P. Nurse），以表彰他们发现了细胞 周期的关键调控因子的调节机制。 他们的发现对研究细胞的发育有重大的影响，特别是对开 辟治疗癌症新途径将具有极其深远的意义，因为细胞周期控 制过程中出现的缺陷可以导致癌细胞中染色体的变异。 10 二、二、 细胞周期的控制细胞周期的控制 (Controlled of cell cycle) 疾病的细胞机制疾病的细胞机制 1. 细胞周期自身控制细胞周期自身控制 (Cell cycle self-control) 细胞周期的控制细胞周期的控制 细胞周期自身控制细胞周期自身控制 细胞外信号对周期的调控细胞外信号对周期的调控 细胞周期素细胞周期素 (Cyclin)：随周期不同时相合成与降解：随周期不同时相合成与降解 细胞周期素依赖性蛋白激酶细胞周期素依赖性蛋白激酶 (Cyclin dependent kinase, CDKs)： 有序磷酸化和去磷酸化来调节有序磷酸化和去磷酸化来调节 CDK抑制因子抑制因子 （ CDI）：随时相变化来影响细胞周期）：随时相变化来影响细胞周期 检查点：检查点： 对对 DNA损伤及复制和纺锤体组装作出反应损伤及复制和纺锤体组装作出反应 Key words： Cyclin/CDKs/CDI/Checkpoint of cell cycle 11 Cyclin 【 Classification 】 (Cyclin至少有至少有 11种种 ,16个成员个成员 ) Cyclin： A / B1-2 / C / D1-3 / E / F / G1-2 / H / I / K / T1-2 疾病的细胞机制疾病的细胞机制 CDK 300aa PSTAIRE cyclin CDK Cyclin/CDK Combine 图图 Cyclin box 结构与功能结构与功能 100aa组成组成 cyclin box Cyclin -COOHH2N- 催化亚基催化亚基 调节亚基调节亚基 12 Cyclin-CDK复合物及其相关蛋白复合物及其相关蛋白 Cyclins 相关相关 CDKs 细胞周期作用细胞周期作用 相关蛋白相关蛋白 底物底物 降解降解 A CDK1， CDK2 S+G2, M p107+E2F， p21， PCNA Rb ubiquitin B(B1,B2) CDK1(cdc2) G2, M p21,PCNA Rb ubiquitin C CDK8 G1 - - PEST D(D1-3) CDK4(2,5,6) G1 Rb,p21,p27,p15,p16,PCNA Rb PEST E CDK2 G1+G1, S p107+E2F ,p21,PCNA Rb PEST F - S - - - G - G1 - - - H CDK7 G1,S,G2, M - CDK1,4,6 - Cyclin周期变化图周期变化图 PCNA D Cyclin分为三大类分为三大类 : G1期、期、 S期、期、 G2/M期细胞期细胞 Cyclin PCNA 13 Cyclins降解主要是泛素降解主要是泛素 -蛋白酶体进行泛素化降解蛋白酶体进行泛素化降解 疾病的细胞机制疾病的细胞机制 泛素 蛋白质 降解的蛋白质 SUMO 后期促进复合物后期促进复合物 14 【 CDK活化启动活化启动 cell cycle】 CDK活化活化 Cyclin与与 CDK结合磷酸化结合磷酸化 CAK对对 CDK活化部位的磷酸化活化部位的磷酸化 Cell cycle CDKs家族家族 CDKs是一组丝氨酸是一组丝氨酸 /苏氨酸蛋白激酶。苏氨酸蛋白激酶。 称为称为 CDK19。 疾病的细胞机制疾病的细胞机制 CDK活化激酶（活化激酶（ CDK activation kinase CAK） Thr14-15去磷酸化 15 疾病的细胞机制疾病的细胞机制 【 CDKs活化部位与抑制部位活化部位与抑制部位 】 CAK对对 CDK活化部位活化，进而参与和调活化部位活化，进而参与和调 控控 CDK的活性的活性 。 活化部位（活化部位（ CDK1Thr161）磷酸化）磷酸化 抑制部位（抑制部位（ CDK1Thr14、 Tyr15）去磷酸化）去磷酸化 使活性中心苏使活性中心苏 /酪酪 aa受抑（受抑（ P80cdc25磷酸酶）磷酸酶） cdc25：酪氨酸磷酸酶：酪氨酸磷酸酶 (细胞分裂周期基因 -细胞周期中信号转导物质 ) 16 CDK2+ cyclin E/A 识别染色体识别染色体 ARS 促进促进 S期期 CDK1+ cyclin B1 (Maturation promoting factor,MPF) 启动启动 M期期 CDK1+ cyclin A 启动启动 G2期期 磷酸酶 P80cdc25 疾病的细胞机制疾病的细胞机制 【 CDK与不同与不同 cyclin结合活化调控细胞周期结合活化调控细胞周期 】 CDK2与与 cyclin E结合，结合， CDK4/CDK6与与 cyclin D1/D2/D3结合结合 pRb磷酸化磷酸化 释放游离释放游离 E2F 启动启动 G1期期 DNA合成合成 启动启动 S期期 Rb：视网膜母细胞瘤基因，是第一个被克隆也是最为重要的肿瘤抑癌基因。：视网膜母细胞瘤基因，是第一个被克隆也是最为重要的肿瘤抑癌基因。 17 疾病的细胞机制疾病的细胞机制 CDI： CDI可特异性抑制可特异性抑制 CDK的活性。的活性。 Ink4： P16INK4a/P15INK4b/P18INK4c/P19INK4d CDK4/CDK6 Cip/Kip/Waf1： p21Cip1/P27Kip1/P57Kip1 CDK2 【 抑制途径抑制途径 】 CDIs通过直接结合通过直接结合 CDK-cyclin复合物的磷复合物的磷 酸化活化部位，抑制酸化活化部位，抑制 CDK的激酶活性。的激酶活性。 P16INK4a通过结合通过结合 CDK4单体，阻断它与单体，阻断它与 cyclins的结合（多肿瘤抑制基因的结合（多肿瘤抑制基因 1， MST1） 。 18 细胞周期检查点（细胞周期检查点（ Checkpoint of cell cycle） 疾病的细胞机制疾病的细胞机制 1、 DNA 损伤检查点损伤检查点 G1/S 2、 DNA 复制检查点复制检查点 S/G2 3、纺锤体组装检查点、纺锤体组装检查点 G2/M 三个组成部分： 探测器 传感器 效应器 细胞周期的生化 事件与检验点 19 P53 ： 能与能与 DNA损伤部位结合的损伤部位结合的 AMT磷酸化磷酸化 P53，磷酸化，磷酸化 P53上调上调 p21Cipl基因的转录，基因的转录， P21Cipl 能与多种能与多种 CDK-cyclin复合物结合，抑制复合物结合，抑制 CDKs的的 激活，阻滞激活，阻滞 G1/S的过渡，为的过渡，为 DNA修复提供足够时修复提供足够时 间。间。 Cdc25：负责：负责 G2期处检查。期处检查。 AMT：甲基酪氨酸：甲基酪氨酸 【 Check mechanism】 疾病的细胞机制疾病的细胞机制 20 肿瘤型肿瘤型 突变频率（突变频率（ % ） 突变热点突变热点 肿瘤型肿瘤型 突变频率（突变频率（ % ） 突变热点突变热点 肺癌肺癌 56 157， 248， 273 前列腺癌前列腺癌 30 不确定不确定 结肠癌结肠癌 50 175， 245， 248， 273 肝细胞癌肝细胞癌 45 249 食道癌食道癌 45 不确定不确定 胶质癌胶质癌 25 175、 248 卵巢癌卵巢癌 44 273 乳腺癌乳腺癌 22 175、 248、 273 胰腺癌胰腺癌 44 273 子宫内膜癌子宫内膜癌 22 248 皮肤癌皮肤癌 44 248、 278 甲状腺癌甲状腺癌 13 248、 273 胃癌胃癌 41 不确定不确定 白血病白血病 12 175、 248 头颈鳞癌头颈鳞癌 37 248 宫颈癌宫颈癌 7 273 膀胱癌膀胱癌 34 280 软组织肉瘤软组织肉瘤 31 不确定不确定 人类肿瘤人类肿瘤 p53基因突变热点和频率基因突变热点和频率 21 pRb E2F 2. 细胞外信号对细胞周期的调控细胞外信号对细胞周期的调控 G1期存在一个期存在一个 “限定点限定点 ”（ restriction point），）， 它决定细胞是否进入周期。它决定细胞是否进入周期。 这这 “限定点限定点 ”主要受细胞外信号的调控。主要受细胞外信号的调控。 疾病的细胞机制疾病的细胞机制 （ EGF、 IGF、 IL）刺激信号（生长因子刺激信号（生长因子 ） 细胞生长条件不具备细胞生长条件不具备 能使 P16INK4a和 P15INK4b增加并 均能抑制 Cyclin D-CDK4/6复合物 的功能，细胞阻 滞 G1期。 抑制信号（抑制信号（ TGF-） 可以下调可以下调 cyclin和和 CDK4的表达的表达 和促进和促进 P21wafl、 P27kipl和和 P15ink4b 等等 CDI产生，使细胞阻滞在产生，使细胞阻滞在 G1期。期。 22 三、细胞周期调控异常与疾病三、细胞周期调控异常与疾病 (Cell proliferation dysregulation and disease) 疾病的细胞机制疾病的细胞机制 （一）细胞增殖过度（一）细胞增殖过度 细胞周期驱动机制失控细胞周期驱动机制失控 （ Cyclin、 CDK和和 CDI表达异常）表达异常） 细胞周期监控机制受损细胞周期监控机制受损 （检查点功能障碍）（检查点功能障碍） 23 增殖异常增殖异常 分化异常分化异常 增殖分化异常增殖分化异常 再生障碍性贫血再生障碍性贫血 肥胖症肥胖症 恶性肿瘤恶性肿瘤 前列腺肥大前列腺肥大 遗传性血红蛋白病遗传性血红蛋白病 银屑病银屑病 动脉粥样硬化动脉粥样硬化 肌营养不良肌营养不良 畸胎瘤畸胎瘤 肝肺肾纤维化肝肺肾纤维化 白癜风白癜风 先天畸形先天畸形 家族性红细胞增多症家族性红细胞增多症 X-连锁连锁 -球蛋白缺乏症球蛋白缺乏症 原发性血小板增多症原发性血小板增多症 高高 IgM血症血症 细胞增殖分化异常与相关疾病细胞增殖分化异常与相关疾病 24 肝癌晚期 细胞增殖异常机制细胞增殖异常机制腹中大肿瘤 25 1、细胞周期驱动机制失控、细胞周期驱动机制失控 cyclins的异常的异常 肿瘤的发生与肿瘤的发生与 cyclin（ D、 E）过量表达有关。）过量表达有关。 【 Cyclin D1(Bcl-1)过表达原因过表达原因 】 (原癌基因原癌基因 ) 基因扩增基因扩增 （ Cyclin D1过表达的主要机制）过表达的主要机制） 乳腺癌乳腺癌 /胃癌胃癌 /食道癌存在食道癌存在 Cyclin D1基因扩增过度。基因扩增过度。 染色体倒位染色体倒位 Cyclin D1基因倒位于甲状旁腺启动子控制下基因倒位于甲状旁腺启动子控制下 甲状旁腺腺癌甲状旁腺腺癌 Cyclin D1蛋白合成蛋白合成 疾病的细胞机制疾病的细胞机制 26 疾病的细胞机制疾病的细胞机制 染色体易位染色体易位 Bcl-1 t（ 11:14）（）（ q13:q32）易位）易位 Cyclin D1受受 Ig重链基因增强子影响重链基因增强子影响 Cyclin D1表达表达 基因突变基因突变 Cyclin D1的的 T286突变突变 Cyclin D1泛素化受阻泛素化受阻 半衰期延长半衰期延长 【 Cyclin D过表达致肿瘤机制过表达致肿瘤机制 】 CyclinD过表达过表达 +生长因子生长因子 正常细胞正常细胞 CDKs的瀑布效应的瀑布效应 肿瘤细胞肿瘤细胞 27 CDI表达不足和突变表达不足和突变 肿瘤细胞中常出现肿瘤细胞中常出现 CDI（肿瘤抑制基因）表达（肿瘤抑制基因）表达 不足或突变。不足或突变。 疾病的细胞机制疾病的细胞机制 CDK的增多的增多 （主要见于（主要见于 CDK4、 CDK6过表达）过表达） CDK4+ cyclin D结合结合 CDK4/cyclin D pRb pRb磷酸化磷酸化 CDKs表达表达 E2F G1/S过度加速过度加速 细胞增殖过度细胞增殖过度 28 疾病的细胞机制疾病的细胞机制 InK4失活失活 【 p16 InK4基因失活原因基因失活原因 】 突变或缺失、染色体易位、突变或缺失、染色体易位、 p16 InK4高度甲基化。高度甲基化。 【 Mechanism】 p16 InK4基因表达基因表达 抑制抑制 CDK4与与 cyclin D结合结合 细胞周期驱动处在细胞周期驱动处在 “易于易于 ”被启动状态被启动状态 Ink直接抑制 cyclinD竞争 结合 G1期激酶 CDK4/6 Ink抑制 E2F-1与未磷酸化 的 P105Rb结合 黑色素瘤，胶质瘤，胰黑色素瘤，胶质瘤，胰 腺癌，食管癌，乳腺癌腺癌，食管癌，乳腺癌 ，直肠癌，非小细胞肺，直肠癌，非小细胞肺 癌，急性白血病等癌，急性白血病等 正常细胞正常细胞 29 疾病的细胞机制疾病的细胞机制 Kip/Cip含量减少含量减少 P21cipl功能功能 cyclins/CDKs活性活性 细胞周期速度细胞周期速度 抑制增殖细胞核抗原抑制增殖细胞核抗原 (PCNA) 阻滞阻滞 DNA复制复制 正常调控正常调控 正常细胞正常细胞 肿瘤细胞肿瘤细胞 【 Mechanism】 P53基因突变基因突变 P21cip1转录转录 DNA受损的细胞增殖受损的细胞增殖 P21：肝癌：肝癌 /黑色素瘤黑色素瘤 /骨肉瘤等骨肉瘤等 P27：乳腺癌：乳腺癌 /前列腺癌前列腺癌 /肺癌肺癌 / 胃癌胃癌 /大肠癌大肠癌 /卵巢癌等卵巢癌等 30 主要原因：主要原因： G1/S、 G2/M检查点异常检查点异常 失察结果：探测失察结果：探测 DNA损伤功能降低损伤功能降低 如发现不了如发现不了 DNA损伤，会导致：损伤，会导致： 基因缺失、易位、染色体重排等基因缺失、易位、染色体重排等 疾病的细胞机制疾病的细胞机制 2 细胞周期监控机制受损细胞周期监控机制受损 31 G1/S交界处失察交界处失察 P53功能正常功能正常 细胞进入细胞进入 S期期 DNA损伤损伤 修复成功修复成功 G1/S交界处交界处 细胞周期停顿细胞周期停顿 G1期期 对损伤对损伤 DNA修复修复 DNA修复失败修复失败 诱导细胞凋亡诱导细胞凋亡 下调下调 bcl-2基因表达或激活基因表达或激活 bax 基因基因 P53 P53突变或丢失突变或丢失 正常细胞正常细胞 肿瘤细胞肿瘤细胞 致变剂致变剂 检测点检查功能检测点检查功能 遗传不稳定性遗传不稳定性 复制忠实性复制忠实性 疾病的细胞机制疾病的细胞机制 32 G2/M 交界处失察交界处失察 失去 G2/M检查点的阻滞作用 染色体发生重排、丢失 G2/M交界处交界处 DNA双链断裂双链断裂 激活激活 DNA损伤检查点损伤检查点 阻止细胞进入阻止细胞进入 M期期 诱导修复基因转录诱导修复基因转录 完成断裂的完成断裂的 DNA修复修复 失察失察 33 原发性血小板增多症原发性血小板增多症 （ PT） 临床症状：以巨核细胞增殖为主的骨髓增生性疾病。伴有血临床症状：以巨核细胞增殖为主的骨髓增生性疾病。伴有血 小板持续增多和血小板功能异常，有反复自发性小板持续增多和血小板功能异常，有反复自发性 出血及血栓形成。出血及血栓形成。 病因与机制：病因与机制： X染色体遗传、染色体遗传、 TGF-减少、减少、 辅助细胞缺乏等。辅助细胞缺乏等。 良性前列腺增生良性前列腺增生 病因与机制：细胞凋亡出现下降，增殖不变，导致良性前列病因与机制：细胞凋亡出现下降，增殖不变，导致良性前列 腺增生。腺增生。银屑病银屑病 病因与机制：表皮生长因子受体的增加和病因与机制：表皮生长因子受体的增加和 受体的减少是引起受体的减少是引起 表皮细胞增长过快的原因。表皮细胞增长过快的原因。 34 （二）细胞增殖缺陷（二）细胞增殖缺陷 细胞增殖缺陷与相关疾病细胞增殖缺陷与相关疾病 再生障碍性贫血再生障碍性贫血 Alzheimer disease(AD) 白癜风白癜风 Parkinson disease 遗传性血红蛋白病遗传性血红蛋白病 基因缺陷无汗症基因缺陷无汗症 糖尿病肾病糖尿病肾病 胚胎发育障碍先天畸形胚胎发育障碍先天畸形 X-连锁连锁 -球蛋白缺乏症球蛋白缺乏症 衰老衰老 增殖缺陷可导致许多疾病，其发生机制各不相同。增殖缺陷可导致许多疾病，其发生机制各不相同。 但是均有不同程度的但是均有不同程度的 cyclin/CDK/CDI及相关蛋白的及相关蛋白的 表达异常。表达异常。 35 白癜风皮肤表现白癜风皮肤表现 36 衰老的分子机制衰老的分子机制 衰老细胞中衰老细胞中 CDK/cyclin均有异常表达均有异常表达 : cyclinD/E的的 mRNA正常休眠细胞正常休眠细胞 cyclin-CDK活性活性 正常休眠细胞正常休眠细胞 缺乏缺乏 cyclinA/B和和 CDK4/2 mRNA产物产物 cyclinD/E-CDK中的磷酸化水平中的磷酸化水平 ,细胞停滞于细胞停滞于 G1期期 。 CDI 中的中的 P16INK4、 P15INK4、 p21kip1过表达过表达 抑制抑制 G1期复期复 合物的活性合物的活性 37 Necrosis = 细胞意外性死亡细胞意外性死亡 Apoptosis = 细胞自发性死亡细胞自发性死亡 细胞凋亡与疾病细胞凋亡与疾病 Diseases associated with cell apoptosis 疾病的细胞机制疾病的细胞机制 坏死 凋亡 细胞细胞 死亡模式死亡模式 一、细胞凋亡的概述一、细胞凋亡的概述 38 【 Concept of apoptosis】 由体内外因素触发细胞内预存的死亡程由体内外因素触发细胞内预存的死亡程 序而导致的细胞死亡过程。序而导致的细胞死亡过程。 特定时空中发生的，受机体严密调控的特定时空中发生的，受机体严密调控的 细胞细胞 “自杀自杀 ”现象。现象。 确保组织器官正常发育、生长。确保组织器官正常发育、生长。 维持内环境稳定。维持内环境稳定。 发挥积极的防御功能发挥积极的防御功能 。 【 生理学意义生理学意义 】 疾病的细胞机制疾病的细胞机制 39 疾病的细胞机制疾病的细胞机制 40 悉尼悉尼 布雷诺尔布雷诺尔 罗伯特罗伯特 霍维茨霍维茨 约翰约翰 苏尔斯顿苏尔斯顿 2002年诺贝尔生理与医学奖获得者年诺贝尔生理与医学奖获得者 （一）细胞凋亡的过程（一）细胞凋亡的过程 凋亡相关基因激活凋亡相关基因激活 DNase激活、激活、 Caspases激活激活 巨噬细胞吞噬分解凋亡细胞巨噬细胞吞噬分解凋亡细胞 + cAMP、 Ca2+、 神经酰胺神经酰胺 死亡信号死亡信号 凋亡诱导因素凋亡诱导因素 受体受体 二、细胞凋亡的过程与主要改变二、细胞凋亡的过程与主要改变 疾病的细胞机制疾病的细胞机制 凋亡基因激活 凋亡的执行 凋亡细胞清除 凋亡信号转导 41 凋亡细胞与周围细胞脱离接触，胞膜空泡化凋亡细胞与周围细胞脱离接触，胞膜空泡化 （ Blebbing） 细胞固缩（细胞固缩（ Condensation） 发芽发芽 （ buding） 核固缩核固缩 /染色质边集染色质边集 (Margination) 凋亡小体（凋亡小体（ Apoptotic body） 凋亡细胞 (扫描电镜 ) 凋亡细胞 (透射电镜 ) APL Apoptosis 疾病的细胞机制疾病的细胞机制 （二）（二） 凋亡时细胞的主要变化 1、形态学特征、形态学特征 42 DNA片段化片段化 疾病的细胞机制疾病的细胞机制 2、生化改变、生化改变 细胞凋亡过程中细胞凋亡过程中 DNA的的 片段化断裂片段化断裂 及及 蛋白质降解蛋白质降解 尤为重要。尤为重要。 Caspases激活激活 凋亡蛋白酶 (caspases)是 一组对底物天冬氨酸部位有 特异水解作用，其活性中心 富含半胱氨酸的蛋白酶。目 前已发现该蛋白酶家族至少 有 14个成员。 诱导性因素激活核酸内切酶诱导性因素激活核酸内切酶 核小体连接区发生核小体连接区发生 DNA降解降解 梯状梯状 电泳电泳 寡核小体片段（寡核小体片段（ 180 200bp的倍数）的倍数） 43 诱导性因素（诱导性因素（ Inducers） 抑制性因素（抑制性因素（ Inhibitors） 理化因素理化因素 射线、高温、强酸、射线、高温、强酸、 细胞因子细胞因子 IL-2、 NGF等等 强碱、应激、抗癌药强碱、应激、抗癌药 激素激素 ACTH、睾丸酮、雌激素、睾丸酮、雌激素 激素和因子激素和因子 糖皮质激素、糖皮质激素、 TNF 其它其它 Zn2+/苯巴比妥、半胱氨苯巴比妥、半胱氨 病原体因素病原体因素 HIV、 HCV 酸蛋白酶抑制剂、酸蛋白酶抑制剂、 EBV、 牛痘牛痘 病毒、中性氨基酸病毒、中性氨基酸 疾病的细胞机制疾病的细胞机制 三、细胞凋亡的调控三、细胞凋亡的调控 （一）凋亡信号（一）凋亡信号 （ apoptosis signal） 【 Influence of factors of apoptosis】 有生理性和病理性凋亡信号以及诱导和抑制性因素的不同。有生理性和病理性凋亡信号以及诱导和抑制性因素的不同。 44 结构：结构： Pro-caspase： NH2末端结构域、末端结构域、 20KD亚基、亚基、 10KD亚基亚基 大小亚基结合（二聚体）大小亚基结合（二聚体） caspase活化（四聚体）活化（四聚体） 【 Caspases 】 概念：概念： Caspase属于半胱氨酸蛋白酶家族有属于半胱氨酸蛋白酶家族有 14个成员个成员 (Caspase 1-14). 疾病的细胞机制疾病的细胞机制 （二）（二） 细胞凋亡的信号传导细胞凋亡的信号传导 （ Caspases依赖的依赖的 pathway） 分类： 上游（ Caspase-8 , -9, -10） 下游（ Caspase -2, -3,-6,-7 - 共同通路 Caspase （ Ced-3亚家族） 死亡受体通路 线粒体途径 45 1 死亡受体死亡受体 (Death receptor, DR)通路通路 (外通路外通路 ) 死亡受体死亡受体 TNFR、 Fas、 DR3、 DR4、 DR5等等 是一类通过与相应配体结合，传递细胞凋亡信号的细胞膜蛋白。是一类通过与相应配体结合，传递细胞凋亡信号的细胞膜蛋白。 通路机制：通路机制： FSAL FADD Pro-caspase-8 Caspase-8 Caspase-3Pro-caspase-3 细胞凋亡细胞凋亡 生长因子、信号、生长因子、信号、 Fas抗体抗体 FAS FADD（ Fas-associated death domain） / DD（ death domain） ； DED （ death effector domain）。）。 DED DED DD caspase-10 46 膜通透性膜通透性 、线粒体肿胀、线粒体肿胀、 m Apaf-1活化活化 Cyt.c 2线粒体途径（内通道）线粒体途径（内通道） Ca2+ NO 缺血缺血 缺氧缺氧 活性氧活性氧 MPT开放开放 Cyt.c + Pro-caspase-9 Pro-Caspase-3 Caspase-3 凋亡凋亡 AIF Caspase-9 ATP Apaf-1+ Apaf-1活化活化 Cyt.c CARD apoptosome 疾病的细胞机制疾病的细胞机制 47 Pro-caspase-2caspase-2 Pro-caspase-6 Caspase-6 Pro-caspase-7 caspase-7 Pro-caspase-9 ICAD （抑制性（抑制性 CAD）CAD（ caspase活化活化 DNA酶）酶） CAD进入细胞核内降解进入细胞核内降解 DNA 细胞凋亡细胞凋亡 剪切细胞内结构蛋白剪切细胞内结构蛋白 caspase-9 3、活化、活化 Caspase-3（共同通路）（共同通路） Caspase-3 Pro-caspase-3 疾病的细胞机制疾病的细胞机制 48 疾病的细胞机制疾病的细胞机制 49 疾病的细胞机制疾病的细胞机制（三）细胞凋亡的发生机制（三）细胞凋亡的发生机制 (Mechanism of cell apoptosis) 【 Mechanism】 激活激活 p53基因基因 /消耗消耗 ATP/生物膜脂生物膜脂 质过氧化质过氧化 /膜破坏致 Ca2+内流 /激活核酸内切酶激活核酸内切酶 / 活化核转录因子 NF-B和 AP-1。 1、氧化损伤、氧化损伤 2钙稳态失衡钙稳态失衡 3线粒体损伤线粒体损伤 氧自由基破坏了机体正常的氧化氧自由基破坏了机体正常的氧化 /还还 原动态平衡，造成生物大分子的氧化损伤，形成严原动态平衡，造成生物大分子的氧化损伤，形成严 重的氧化应激状态。重的氧化应激状态。 50 （四） 细胞凋亡细胞凋亡 的基因调控 （ The regulation of cell apoptosis） 功能功能 基因基因 抑制凋亡基因抑制凋亡基因 Bcl-2 Bcl-XL、 A1/Bfl-1、 Bcl-w、 Bcl-G和和 Mcl-1等等 促凋亡基因促凋亡基因 P53、 Bax、 Bad、 Bak、 Bid、 Bim、 Bik、 Bok、 Bcl-B、 Bcl-Xs、 Krk、 Mtd、 Nip3、 Nix、 Noxa等等 双向调控基因双向调控基因 c-myc、 Bclx 【 调控基因调控基因 】 疾病的细胞机制疾病的细胞机制 细胞凋亡的调控基因细胞凋亡的调控基因 51 Bcl-2 Bcl-2（ Bcl-XL）能够抑制线粒体）能够抑制线粒体 MPT开放，开放， Cyt.c 、 AIF释放释放 Bcl-2也能特异地结合细胞色素也能特异地结合细胞色素 C Bcl-2能够结合和灭活能够结合和灭活 Apaf-1，阻断对，阻断对 caspase-9活化活化 Caspase抑制剂抑制剂 1 bcl-2基因家族基因家族 (癌基因癌基因 ) 疾病的细胞机制疾病的细胞机制 MPT开放开放 膜通透性膜通透性 、线粒体肿胀、线粒体肿胀、 m Cyt.c ATP Apaf-1+ Apaf-1活化活化 Cyt.c Apaf-1活化活化 Cyt.c + Pro-caspase-9 apoptosome AIF Caspase-9 Pro-Caspase-3 Caspase-3 凋亡凋亡 CARD 52 P53通过与通过与 Bcl-2基因相互作用，下调基因相互作用，下调 Bcl-2的表达。的表达。 P53诱导细胞凋亡的靶蛋白表达诱导细胞凋亡的靶蛋白表达 (线粒体和死亡受体介导线粒体和死亡受体介导 )。 P53诱导线粒体内凋亡的相关蛋白诱导线粒体内凋亡的相关蛋白 (Bax/NOXA/PUMA) 表达，并触发细胞色素表达，并触发细胞色素 C释放和释放和 Caspase活化。活化。 P53诱导死亡受体诱导死亡受体 Fas表达。表达。 P53能使死亡受体再定位于细胞膜上。能使死亡受体再定位于细胞膜上。 2、 p53基因（抑癌基因，分子警察）基因（抑癌基因，分子警察） 野生型野生型 p53是非常重要的促凋亡基因，突变型则否。是非常重要的促凋亡基因，突变型则否。 疾病的细胞机制疾病的细胞机制 【 促凋亡机制促凋亡机制 】 53 疾病的细胞机制疾病的细胞机制 （五）细胞凋亡异常和疾病（五）细胞凋亡异常和疾病 （ The diseases associated with apoptosis ） 与细胞凋亡异常相关的疾病与细胞凋亡异常相关的疾病 凋亡不足凋亡不足 凋亡过度凋亡过度 肿瘤肿瘤 肝癌、恶性血液肿瘤、乳腺癌肝癌、恶性血液肿瘤、乳腺癌 发育异常发育异常 气管气管 -食管瘘、房（室）间隙缺食管瘘、房（室）间隙缺 、膀胱癌、肺癌、胶质瘤、前、膀胱癌、肺癌、胶质瘤、前 损、唇（腭）裂、短肢畸形、损、唇（腭）裂、短肢畸形、 列腺癌等列腺癌等 尿道下裂以及多囊肾等尿道下裂以及多囊肾等 发育异常发育异常 先天性消化道、胆道、肛门狭先天性消化道、胆道、肛门狭 CNS Alsheimer病病 /Parkinson 病、病、 窄或闭锁、动脉导管未闭、两窄或闭锁、动脉导管未闭、两 肌萎缩性侧索硬化症、色素性肌萎缩性侧索硬化症、色素性 性畸形、甲状舌骨囊肿等性畸形、甲状舌骨囊肿等 视网膜病，脊肌肉萎缩、早老视网膜病，脊肌肉萎缩、早老 免疫系统免疫系统 系统性红斑狼疮、糖尿病、类系统性红斑狼疮、糖尿病、类 性痴呆性痴呆 风湿性关节炎、桥本甲状腺炎风湿性关节炎、桥本甲状腺炎 免疫系统免疫系统 免疫缺陷病、免疫缺陷病、 AIDS 、多发性的硬化症等、多发性的硬化症等 心脏疾病心脏疾病 心肌缺血、心力衰竭心肌缺血、心力衰竭 54 （乳腺癌、肝癌、膀胱癌、肺癌、胶质瘤等也存在（乳腺癌、肝癌、膀胱癌、肺癌、胶质瘤等也存在 Bcl-2高水平表达）高水平表达） 存在存在 1、细胞凋亡不足与肿瘤、细胞凋亡不足与肿瘤 疾病的细胞机制疾病的细胞机制 bcl-2基因过表达基因过表达 85%滤泡状和滤泡状和 20% 弥漫性弥漫性 B细胞淋巴瘤细胞淋巴瘤 染色体染色体 t（ 14;18）易位）易位 bcl-2基因受到基因受到 Ig基因增强子控制基因增强子控制 肿瘤发生肿瘤发生 bcl-2基因高表达基因高表达细胞凋亡细胞凋亡 速率速率 55 p53基因缺失或突变基因缺失或突变 （ 50%以上恶性肿瘤中存在以上恶性肿瘤中存在 P53异常，异常， 非小细胞肺癌非小细胞肺癌 p53 基因的突变率为基因的突变率为 50以上，在小细胞肺癌甚至高达以上，在小细胞肺癌甚至高达 80 ） 调节调节 P53的稳定性、细胞内定位或（和）活性发生异常的稳定性、细胞内定位或（和）活性发生异常 p53表达或功能存在缺陷表达或功能存在缺陷 细胞凋亡速率细胞凋亡速率 肿瘤发生肿瘤发生 56 HBV编码的编码的 HBX蛋白是蛋白是 p53的强效抑制物，与肝癌发生密的强效抑制物，与肝癌发生密 切相关。切相关。 疾病的细胞机制疾病的细胞机制 病毒的癌基因病毒的癌基因 异常融合蛋白异常融合蛋白 慢性髓细胞性白血病（慢性髓细胞性白血病（ CML） 染色体易位染色体易位 t (9； 22)( Ph染色体染色体 ) 存在存在 Bcr-abl融合基因融合基因 表达和产生表达和产生 p210 Bcr-abl蛋白质蛋白质 NF-B活化、活化、 细胞凋亡速率细胞凋亡速率 CML髓系祖细胞的克隆扩增髓系祖细胞的克隆扩增肿瘤肿瘤 发生发生 自身免疫病：自身免疫病： SLE/多发性硬化多发性硬化 /慢性甲状腺炎等慢性甲状腺炎等 57 2、细胞凋亡过度、细胞凋亡过度 由由 HIV引起，引起， 其其 关键的发病机制是关键的发病机制是 CD4+淋巴细胞淋巴细胞 被选择性破坏，被选择性破坏， 致其数量锐减，引起相关免疫功能缺陷。致其数量锐减，引起相关免疫功能缺陷。 AIDS： 神经退行性疾病：神经退行性疾病： Alzheimer disease(AD) Parkinson disease (PD) 心脏疾病：心脏疾病： 心肌缺血心肌缺血 /心肌梗死心肌梗死 /心力衰竭等心力衰竭等 58 感染 HIV的宿主细胞 膜上可表达一种名为 gp120 的糖蛋白， CD4+淋巴细胞 的表面存有这种蛋白的受 体，当 gP120与 CD4+受体 分子结合后即可触发 CD4+ 淋巴细胞凋亡。 HIV gp120 结合 CD4 / 辅助受体 CD4 抗原 辅助受体 CD4+ 细胞（ 1）糖蛋白）糖蛋白 120(gP120)： AIDS 59 细胞融合 被感染的 CD4+ 细胞 gp120 阳性 未感染的 CD4+ 细胞 gp120 阴性 受 HIV感染的大部分 CD4+淋巴细胞 (约 80 -90 ) 逐步融合形成合胞体 (syncytia)或多核巨细胞，合胞 体在形成过程中或形成后即可发生凋亡而解体。 gp120 CD4 (2) 合胞体形成：合胞体形成： 60 HIV感染可使感染可使 CD4+ 淋巴细胞的淋巴细胞的 fas基因基因 表达上调，因而使表达上调，因而使 CD4+淋巴细胞对淋巴细胞对 fas 介导的凋亡敏感性介导的凋亡敏感性 提高。提高。 (3) Fas基因表达上调：基因表达上调： 61 (4) T细胞激活：细胞激活： HIV感染可引起 CD4+淋巴细胞处于 被激活状态。正常情况下被激活的细胞 会迅速发生增殖反应，但在 HIV感染时 被激活的 CD4+淋巴细胞不但不发生增 殖，反而发生凋亡。 这种发生在细胞激活以后的 T淋巴细 胞死亡又称为 激活诱导的细胞死亡激活诱导的细胞死亡 (activation-induced cell death， AICD)。 62 （ 5）细胞因子：）细胞因子： 受 HIV感染的巨噬细胞分泌肿瘤坏死因 子 (TNF)增多， TNF可通过与 TNF受体 -1( 死亡受体 )结合而启动死亡程序，也可刺 激 CD4+淋巴细胞大量产生氧自由基，通过 氧化应激而触发细胞凋亡。 HIV感染的巨噬细胞 63 (6) tat蛋白：蛋白： 受 HIV感染的细胞可产生 tat蛋白蛋白 ， 这种蛋白可自由透过细胞膜。 tat蛋白 进入 CD4+淋巴细胞后，可诱导细胞产 生氧自由基，增强 Fas抗原表达而提高 对细胞凋亡的易感性。 64 (7) 自相残杀自相残杀 在 HIV慢性感染阶段，受感染的 CD4+ 淋巴细胞可作为效应细胞 (effect cell)，未 受 HIV感染的 CD4+淋巴细胞作为其靶细 胞而被诱导产生凋亡。这是慢性 HIV感 染 CD4+淋巴细胞数量减少的主要原因。 65 健康人外周血中 CD4+T细胞数量为 1000/ml，晚期 AIDS患者则在 100/ml 66 HIV病毒病毒 球形，直径 100- 120nm，电镜下可 见一致密的圆锥状 核心，内含病毒 RNA分子和酶（逆 转录酶、整合酶、 蛋白酶），病毒外 层囊膜系双层脂质 蛋白膜，其中嵌有 gp120和 gp41，分 别组成刺突和跨膜 蛋白。囊膜内面为 P17蛋白构成的衣 壳，其内有核心蛋 白（ P24）包裹 RNA。 67 在 AIDS发病