医学课件细胞信号转导与疾病

第十一章 细胞信号转导与 疾病 倪秀雄 一、细胞信号转导系统的组成 细胞信号 受体 信号转导通路 终端效应器 第一节 细胞信号 转导系统概述 1. 细胞信号转导（cellular signal transduction ） 细胞通过位于胞膜或胞内的受体感受胞 外信息分子的刺激，经复杂的细胞内 信号转导系统的转换而影响其生物学 功能，这种过程称为细胞信号转导。 2. 跨膜信号转导（ transmembrane signal transduction） 水溶性的信息分子及某些脂溶性的 信息分子由于不能穿过细胞膜，需通过 胞膜的受体作用将胞外的信息传递至胞 内或核内，最终完成细胞功能的调节， 这一过程称为跨膜信号转导。 二、细胞信号的种类 1. 光信号、生物电信号、压力张力信 号、冷热刺激、渗透压改变等。 2. 激素、递质、细胞因子、其它化 学物质等，化学信号又称配体信息分 子。 3. 其它信号如质膜结合分子。 三、细胞信号转导的主要途径 1. G蛋白介导的途径： 可与鸟嘌呤核苷酸可逆性结合。G-G-G三聚体 （无活性），激活时为GTP-G （有活性）和G 二种亚型。复原时GTP-G GPT水解，又转变为 G-G-G三聚体。根据G对腺苷酸环化酶（AC） 的作用， G又分为二种活性类型，刺激性的书写 为Gs，抑制性的为Gi。 G通过AC和PLC（磷脂酶C）发挥作用。 G蛋白偶联受体（GPCR） GTP-G AC PLC （磷脂酰肌醇二磷酸 三磷酸肌酸） cAMP PIP2 IP3 PKA （蛋白激酶A） PKC Ca2+释放 基因转录 、增殖、肥大等 通过上述途径的信号有： 肾上腺素、血管紧张素、胰高血糖素、 胰岛素等。 2. 酪氨酸蛋白激酶介导的途径（略 ） 有表皮生长因子、白介素、干扰素等 。 与细胞增殖肥大、肿瘤发生、细胞生 长、分化、凋亡有关。 3. 鸟氨酸环化酶途径（略） 如NO，乙酰胆碱。 该途径存在于心血管系统和脑。 4. 核受体转导途径（略）： 如类固醇激素受体家族（如糖皮质激素、 盐皮质激素、性激素）和甲状腺激素受体 家族（如甲状腺素、维生素D），前者与 热休克蛋白（HSP ）结合（无活性）存在 于胞浆中，后者不与HSP结合存在于胞核 。 影响核基因的转录 四、细胞转导的抑制与终止 1. 信号的终止方式 受体与配体的解离 受体下调：受体内吞 降解 G蛋白的“分子开关”作用 第二信使的降解 2.信号转导过程的负反馈调节 受体磷酸化导致其与配体的亲合力 下降 受体数量下调见于激动剂持续性作 用时 信号转导过程产生的抑制性成分可 抑制下游的级联反应（cascade） 第二节 细胞信号转导 的病理生理学 一、细胞信号转导障碍的 原因与发生机制 （一）基因突变 1. 信号转导蛋白数量改变：如肿瘤 组织中某种蛋白质的高表达。 2. 信号转导蛋白功能改变：如影响 受体与配体的亲合性；转导通路的过度 激活。 （二）自身免疫反应： 如自身免疫性受体病 （三）继发性配体、受体和转导 蛋白异常： 酸碱平衡紊乱 电解质紊乱 ATP减少 激素水平变化 二、信号转导异常与疾病 （一）受体异常与疾病 受体异常分为上调和下调，或增敏与 减敏。 受体上调与受体下调的概念 受体增敏与受体减敏的概念：靶细胞 对配体刺激的反应性过强或过弱、消 失。 受体病的概念： 因为受体的数量、结构、调节功能变化 ，使之不能介导配体在靶细胞中应有的 效应所引起的疾病。 1. 遗传性受体病 （1）家族性高胆固醇血症（FH，familial hypercholesterolemia） 机制：19号染色体基因突变 LDL受体缺陷 数量、结构、功能异常 四种类型： （1）受体合成障碍 受体数量下调 （2）受体合成后转运障碍，不能运送到核糖 体 成熟受阻，不能分布到膜上。 （3）受体与配体亲合力下降或过强。 （4）因为受体结构异常导致与配体结合后不 能积聚成簇，影响内吞。 对机体影响：以上这些缺陷，造成肝细胞 与肝外细胞不能摄取LDL，后者运输胆固醇给 细胞利用，所以血中胆固醇增加。 发生概率：纯合子发病率为1/100万，杂合 子为1/500 ， 前者LDL比正常高6倍，多在20 岁前死于动脉粥样硬化， 后者比正常高2-3倍， 易在4050岁发生冠心病。 （2）家族性肾性尿崩症 多为X染色体上的ADH受体的基因突变所 至。所以，男性发病，女性一般无症状 。 机制：远端肾小管和集合管上的ADH受体 数量减少；或受体结构异常使其与ADH的 亲和力下降，上皮细胞对水的通透性下 降，水重吸收减少。 （3）甲状腺素抵抗综合征（hormone resistance syndrome） 激素抵抗综合征的概念：指因为靶细胞 对激素反应性降低或丧失而引起的病理 过程。 部分患者为常染色体隐性遗传。 机制：水通道蛋白缺陷使肾小管对ADH 不敏感，ADH作用减弱，上皮细胞对水的 通透性下降，水重吸收减少。 甲状腺素抵抗综合征的机制： 突变的甲状腺素受体不能与T3结合，临 床上表现为甲减，但血液中T3、T4增高。 2. 自身免疫性受体病 （1）重症肌无力 神经冲动 Ach释放 （-） 抗n-Ach受体抗体 与n-Ach受体 结合 Na+通道开放 胸腺上皮和淋巴细胞内有与n-Ach受体结 构相似的物质，其诱发产生的抗n-Ach抗 体，后者可干扰Ach与n-Ach的 结合，或 加速受体的内吞和破坏，使Ach作用减弱 （2）自身免疫性甲状腺病 发生机制： 机体产生促甲状腺素受体的抗体，抗 体有两种： TSH受体刺激性抗体 TSH受体阻断性抗体 刺激性抗体使受体对配体（TSH ） 的反应性增高，促进甲状腺生长、肿大 、甲状腺素分泌增多，即Graves病。 阻断性抗体-使受体对配体（TSH） 反应性降低，表现为甲减、特发性粘液 性水肿，即乔本氏病。 区别： 刺激性抗体结合位点：TSH受体胞外区30 -35氨基酸残基 阻断性抗体结合位点：TSH受体胞外区 295-302和385-395氨基酸残基 3. 继发性受体异常 疾病过程中因为H+增多、电解质紊乱、 配体增多等可使受体数量下调或减敏， 其机制包括损伤性变化和抗损伤反应使 受体功能发生代偿性调节，如： （1）休克患者 儿茶酚胺增多 微循 环缺血缺氧 酸中毒 血管对儿 茶酚胺的反应减弱（受体减敏） 血 管扩张 机体希望以此来改善微循环 ，但是也因此使血压下降。 （2）心衰患者 造成儿茶酚胺过量 心肌细胞膜上的受体下调，尤其 1受体 比例由原来的7080%减为小于50%，对 配体（肾上腺素、异丙肾上腺素）的反 应性也减弱 抑制心肌的收缩力 机体希望以此改善心肌的缺氧，但是也 加重心输出量减少。 （4）某些病如胰腺炎等造成蛋白酶、溶酶 体酶入血 分解膜磷脂 受体损 伤性变化、数量减少 进一步影响 疾病的发展。如出血性胰腺炎。 （3）低钾血症 洋地黄受体减敏 疗效差 （二）G蛋白异常与疾病 1. 霍乱水样便： 霍乱毒素催化GTP酶Gs-GTP一直 结合即不可逆激活状态，后者通过AC诱 导cAMP产生，再使大量CL-和水运转入肠 腔发生水样便。 2. 假性甲状腺功能减退症（PHP） 因为编码Gs的基因突变 Gs缺少 - PTH受体不能与Gs偶联 不能 激活PC 不能产生 cAMP PTH生 物学效应减退或无反应 表现为血钙 降低、血磷升高、尿钙增多、ALbright遗 传性骨营养不良等。 3. 肢端肥大症和巨人症 因为编码Gs的基因突变 Gs结构异 常 异常的Gs -GTP抑制GTP酶活性 - Gs-GTP一直结合即处于不可逆激 活状态，后者通过AC诱导cAMP产生 刺激垂体生长、GH分泌 表现为肢 端肥大症和巨人症。 （三）核转录因子异常与疾病 病毒、细菌毒素、氧化剂、TNF、IL-1等 - 激活胞浆中的蛋白激酶 NF-KB 磷酸化 NF-KB-IKB解离 NF-KB进入 胞核 增强炎症介质和某些细胞因 子基因的转录 产生的炎症介质和 细胞因子又进一步激活NF-KB-IKB 恶 性循环 炎症失控。 （四） 胞浆内细胞信号异常 与缺血再灌注损伤 心肌缺血缺氧 NO合酶活性增加 缺血再灌注损伤 ？ NO进行性升高 cGMP （五）多个环节细胞信号 转导障碍与疾病 1. 高血压病 高血压病是一种多基因病。 机制： 血管活动物质（配体） 受体作用 - 一系列信号转导 血 管平滑肌的基因转录增强、蛋白质合成 增加 细胞肥大和增殖。 机械刺激因素 血管平滑肌细胞中ras 蛋白增加 激活细胞外信号调节酶（ ERK） 激活的ERK入核 加强增殖 基因的表达 细胞肥大和增殖。 2. 肿瘤 癌基因异常表达出生长炎症样物质、生 长因子受体类蛋白、蛋白激酶类TPK、G 蛋白ras、jun蛋白、fos蛋白等，这些产 物通过自分泌或旁分泌形式、导致肿瘤 无限增殖和异常分化。 四、细胞信号转导调控与疾病防治 细胞转导治疗的概念：指以信号转 导蛋白为靶分子对疾病进行防治。 增殖性疾病包括动脉粥样硬化、 血管成行术后再狭窄等。 细胞转导治疗方法可应用于肿瘤、 增殖性疾病和脓毒血症、类风湿、 移植排斥等。 应用前景： 1. TPK抑制剂：抗TPK的单抗或药物治疗肿 瘤。 2. 无活性的ras蛋白治疗肿瘤。 3. 抑制NF-KB产生：如地塞米松抗炎。 4. 产生“刺激性抗体抑制性抗体”性质的药 物调节器官功能。 第五章 细胞凋亡与疾病 倪秀雄 第一节 概 述 一、细胞凋亡的概念（apoptosis , Apo） 细胞凋亡是由于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，也 称为程序性细胞死亡（programmed cell death,PCD）。换句话说，是由基因控制的 自主性的死亡。 二、细胞凋亡的意义 1. 与胚胎发育生长有关，如指间组 织凋亡。 2. 与维持内环境稳定有关，如清除 突变细胞、“变节”淋巴细胞。 3. 发挥主动防御功能如使受病毒感 染的DNA降解。 4. 与衰老有关？ 第二节 细胞凋亡过程与调控 一、细胞凋亡过程：包含四个阶段 1. 凋亡信号转导（诱导期） 2. 凋亡基因激活（效应期） 3. 细胞凋亡的执行（效应期） 核酸内切酶（endogenous neuclease,DNase） 半胱天冬蛋白酶（caspases） 4. 凋亡细胞的清除（降解期） 凋亡诱导因素 凋亡相关基因激活 受体 cAMP Ca2+神经酰胺 DNase Caspases激活 死亡信号 巨噬细胞、吞噬细胞 分解凋亡细胞 二、凋亡时细胞的主要变化 （一）形态学改变： 微绒毛消失、膜空泡化（blebbing） 固缩（condensation） 出芽（buding） 染色质边集（margination） 凋亡小体（apoptosis body） （二）生化改变 1. DNA的片段化：核小体被内切酶切开 ，形成梯状（ladder pattern） 2. 核酸内切酶激活及其作用 3. 凋亡蛋白酶（caspases）的激活及其 作用也叫半胱天冬蛋白酶， caspases是 cysteine-containing aspartate- specific protease的缩写。 三、细胞的凋亡调控 （一）诱导细胞凋亡的因素 1. 诱导性因素 （1）激素和生长因子失衡：生理性缺乏， 应激性过多。 （2）理化因素：如射线、化疗药物、高温 。 （3）免疫性因素：细胞毒T淋巴细胞分泌 粒酶（granzyme）可引起凋亡。 病原体及代谢产物：细胞、病毒及毒 素等。如HIV可使CD4+淋巴细胞凋亡。 2. 抑制性因素 （1）某些细胞因子如IL-2，神经生长因子 （2）某些激素如ACTH，睾丸酮、雌激素等 （3）某些离子如Zn2+ （4）某些药物如苯巴比妥、半胱胺酸蛋白酶 抑制剂 （5）其它：中性氨基酸、EB病毒等 （二）细胞凋亡信号的转导系统 特点： 1. 多样性 2. 偶联性 3. 同一性 4. 多途性 （三）凋亡相关基因 1. 抑制凋亡的基因：Bcl-2、EIB、IAP Bcl-2：该基因高表达在正常细胞、肿 瘤细胞意义不同。 Bcl-2蛋白有抗氧化、有抑制线粒体释 放凋亡蛋白、抑制其它凋亡蛋白的功能 、阻断caspases的激活和维持胞内钙稳 态等作用。 2. 促进凋亡的基因有：Fas、P53、ICE Fas蛋白：是一个细胞表面受体，在Fas配 体（FasL）作用下能诱导细胞凋亡；所以， 是属于死亡受体和死亡因子。 因Fas蛋白与NGF受体同源， Fas 抗原反应增 强时，Fas抗体可阻断NGF的抑制凋亡作用 。 P53: P53基因编码的P53蛋白在G1期发挥检查 点（checkpoint）功能，又称为“分子警察” （molecular policeman），其发现DNA有损 伤时启动DNA修复机制，若修复失败，即启 动凋亡机制。 射线、化学损伤、病毒感染等可激活P53基 因诱发病变细胞凋亡。 3. 双向调节的基因：有c-myc，Bcl-x 激活增殖基因 Bcl-XL蛋白 增殖 C-myc（瘤基因） 激活凋亡基因 Bcl-Xs蛋白 凋亡 增殖与凋亡平衡失调是发生肿瘤的原因之一 。 第三节 细胞凋亡的发生机制 一、氧化损伤在细胞凋亡中的作用 1. DNA损伤可激活P53基因 2. DNA损伤可激活核酸内切酶 3. 膜损伤脂质过氧化产物可直接诱导凋亡 4. 膜损伤后通透性升高，Ca2+内流增加 5. 通过氧化应激可活化NF-B，加速其它凋 亡基因的转录表达 二、钙稳态失衡（calcium dyshomeostasis）在凋亡中的作用 1. 激活Ca2+依赖性核酸内切酶，降解DNA链 2. 激活谷氨酰胺转移酶，使细胞骨架分子交 联，促进凋亡小体形成 3. 激活NF-B，加速其它凋亡基因的转录 4. 使DNA核小体酶切位点暴露，有利于酶切 三、线粒体损伤在细胞凋亡中的作用 诱导因素（TNF、可的松、酰基鞘氨醇） 线粒体损伤 通透性转换孔开放 Cyt C（释放细胞色素C）、Apaf（凋亡蛋白酶激活因子 ）、AIF（凋亡诱导因子） 凋亡相关酶激活、跨膜电位降低、活性氧产生、 Ca2+升高、H+增多 凋亡 第四节 细胞凋亡与疾病 一、细胞凋亡不足与疾病 1. 肿瘤： B细胞淋巴瘤、 前列腺癌、结肠癌组织中 Bcl- 2基因高表达说明该肿瘤与凋亡减弱有 关。 肺癌组织P53基因突变率达5080%，说明 其与抑瘤基因（诱导凋亡）失活有关。 细胞凋亡不足导致肿瘤发生、发展的 机制： （1）细胞发育过程不成熟的细胞不能通过 细胞凋亡方式清除，幼稚细胞堆积成瘤。 （2）衰老、异常的细胞逃过凋亡，因为染 色质脆性大，易受致癌剂作用而癌变。 （3）细胞凋亡不足或增殖大于凋亡，导致 肿瘤发展。 （4）细胞凋亡减弱，癌细胞能适应其它环 境而发生转移现象。 2. 自身免疫性疾病： T细胞在胸腺发育成熟过程中通过正选 择和负选择将正常T细胞保存下来，同时 将能攻击自身组织的T细胞通过凋亡过程 清除。 胸腺功能异常 负选择机制失调 针对自身组织的T、B细胞保留 系统性红斑难狼仓、多发性硬化症、糖 尿病、慢性甲状腺炎 3. 先天性发育异常 并指 动脉导管未闭 唇裂（过度） 二、细胞凋亡过度与疾病 1. 心肌缺血再灌注损伤： 心肌缺血再灌注 氧化应激 Fas受体上调 P53基因激活 细胞调亡过度 心肌损伤 2. 心力衰竭： 心衰患者结构功能正常的心肌细胞数 量减少，其标本中心肌凋亡指数（ apoptotic index）高达35%，说明心衰 与心肌细胞数量减少也有关。 3. 神经元退行性疾病： 阿尔茨海默病（Alzheimer disease,AD）， 帕金森病（Parkinson disease)，Huntington 病，多发性硬化症等，色素性视网膜病。 退行性死亡信号？ Fas、P53、c-Jun、c-foc等 P75NGFR NF-B 基因激活和异常表达 氧自由基、-淀粉样蛋白、钙超载、氧化应激 神经元和胶质细胞凋亡 临床上用尼其地平（钙拮抗剂）、VitE（ 抗氧化剂）有效。 4. AIDS病： 与选择性CD4+淋巴细胞破坏（主要是 细胞凋亡）有关。 HIV引起CD4+淋巴细胞凋亡的机制 （1）诱导HIV基因产物糖蛋白120-gP 120 与CD4+淋巴细胞膜上受体结合 触发凋亡 （2）HIV感染CD4+细胞后 细胞融合 形成合胞体或多核巨细胞 凋亡降解 （3）HIV感染CD4+细胞后 使Fas基因表达上调 促进凋亡 （4）HIV感染CD4+细胞后 激活T淋巴细胞 生长因子生成减少 不能增殖就要发生凋亡 （5）HIV感染巨噬细胞 产生TNF CD4+TNF受体-1 CD4+细胞产生氧自由基 启动凋亡程序 通过氧化应激加速凋亡。 （6）HIV感染的细胞产生fat蛋白 穿入CD4+细胞 产生氧自由基和增强Fas抗原表达 促进细胞