课件：细胞凋亡与疾病.ppt

第八章 细胞增殖和凋亡异常与疾病,病 理 生 理 学 Pathophysiology,第一节 细胞增殖异常与疾病,细胞增殖 指细胞分裂和再生的过程，细胞通过分裂进行增殖，使遗传信息传给子代，保持物种的延续性和数量增多。 细胞增殖是通过细胞周期来实现的。,细胞周期 指细胞从一次分裂结束到下一次分裂终了的过程或者间隔时间。 通常四个阶段 G1 (DNA合成前期） S (DNA合成期） G2 (DNA合成后期） M（有丝分裂期） 最关键S期进行DNA倍增和染色体复制。,a. 周期性细胞 （连续分裂细胞）按四个阶段循环，连续运转。如表皮细胞。 始终处于增殖和死亡的动态平衡中，不断增殖以补充衰老脱落或者死亡的细胞，这种更新称稳态更新。,b. G0期细胞 （休眠细胞） 暂时脱离细胞周期，需要适当刺激方可重新进入细胞周期。如肝肾细胞。 G0期细胞在遭遇损伤或者应激等刺激后可返回细胞周期，进行细胞增殖，称为条件性更新。,c. 终端分化细胞 (不分裂细胞） 不可逆的脱离细胞周期，丧失增殖能力，但具有一定的生理功能，如心肌细胞。,细胞周期的特点 单向性 阶段性 检查点（各时相交叉处存在检查点，决定细胞下一步的增殖趋向） 细胞微环境,细胞周期的自身调控 细胞周期的运行通过： 细胞周期蛋白cyclin随细胞不同时相进行合成与降解 周期蛋白依赖性蛋白激酶CDK有序的磷酸化和去磷酸化调节 CDK抑制因子CDI时相变化检查点对DNA损伤及复制和纺锤体组装做出反应加以调控,细胞外信号对细胞周期的调控 细胞外信号包括 细胞因子 激素 基质等 分为增殖信号和抑制信号 增殖信号大多可以促使G0期细胞进入细胞周期 抑制信号如转化生长因子可以抑制增殖促进凋亡，使细胞阻滞于G1期,细胞周期的调控 cyclin 细胞周期自身调控 cdk cdi 细胞周期检查点 细胞外信号对细胞周期的调控,Cyclin 8种 14个成员 3大类 G1期 S期 G2/M期，各成员分别在相应期高表达。 cyclin作为调节亚基，需要与催化亚基CDK形成复合物，激活相应的CDK和加强CDK对特定底物的作用，驱动该期前行。,Cyclin以恒定的速度产生，有丝分裂消失由于降解大于合成。 CDK表达分子浓度在各阶段均恒定，由于cyclin的周期性波动导致CDK出现周期性活性变化。,CDK 一组丝/苏氨酸蛋白激酶，9个成员。 只有cyclin的浓度升高达到阈值时，才能与相应的CDK结合形成复合物，此时CDK才能被激活。 CDK的灭活除了泛素介导的蛋白水解体系外，CDI也可特异性抑制CDK的活性。,CDI是CDK的抑制物 主要包括Ink4和Kip Ink4是一组CDK4的抑制蛋白，可特异的与CDK4/6结合，防止其与cyclin再结合或者降低cyclin-CDK复合物的稳定性以抑制其激酶活性。,Kip是一组CDK的抑制蛋白，可共价键与cyclin-CDK复合物结合抑制CDK。 主要用于调控细胞周期确保遗传物质精确的传递给下一代，消除由于DNA损伤而引发的肿瘤，还参与细胞应激状态的信号转导。调节其合成主要有P53依赖性和P53非依赖性两条途径。,细胞周期检查点 生物进化过程中，细胞发展出一套保证细胞周期中DNA复制和染色体分配质量的检查机制 称细胞周期检查点，为一类负反馈调节机制。,第二节 概述,机体发育过程中出现的一系列与发育 相关的细胞生理性死亡过程,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,凋亡（apoptosis）,程序化细胞死亡programmed cell death,坏死（necrosis）,细胞在受到严重损伤后发生的死亡,病 理 生 理 学 Pathophysiology,凋亡和坏死的区别,凋 亡 坏 死 性质 特异性，生理/病理性 非特异性，病理性 诱导刺激 较弱刺激，非随机发生 强刺激，随机发生 生化特点 主动，耗能，新蛋白质合成 被动，不耗能 形态改变 细胞膜、器相对完整、 核固缩细胞结构全面溶解， 皱缩， 肿胀、破裂 DNA电泳 DNA片段化，电泳 弥散性降解，电泳 呈“梯状 呈均一DNA片状 炎症反应 溶酶体相对完整，局部 溶酶体破坏，局部炎症反应 无炎症反应 凋亡小体 有 无 基因调控 有 无,细胞凋亡意义,1、保持正常生长发育： 清除多余的，失去功能价值的细胞 2、维持 组织器官的正常形态和内环境稳定：清除异常的、突变的、衰老的细胞。 3、保卫机体免遭损害：有效地破坏入侵病毒的DNA，消灭为病毒所感染的细胞和肿瘤细胞。,细胞凋亡过程和调控,病 理 生 理 学 Pathophysiology,过程,信号转导 基因激活 凋亡执行 细胞清除,诱导因素+受体,cAMP Ca2+ 神经酰胺,死亡 信号,凋亡相关 基因激活,巨噬细胞吞分解,DNase激活 Caspases激活,Fas配体或抗Fas抗体与Fas蛋白结合,神经鞘磷脂 酶活性,神经酰胺途径 诱导细胞凋亡,激活ICE样 的caspase,降解H1组蛋白 暴露DNase 的酶切位点,通过Ca2+信号系统 传递死亡信号,Fas蛋白/Fas配体信号系统,凋亡时细胞的形态学改变,胞浆脱水 胞膜空泡化,细胞缩小固缩,内质网扩张 出芽,染色质浓缩 边集,凋亡小体,正常时磷脂酰丝氨酸位于细胞膜内侧，在细胞受到凋亡诱导后不久，磷脂酰丝氨酸转移到细胞膜外侧，巨噬细胞看到以后就将它及时吞噬,凋亡细胞的生化改变,特异性水解天冬氨酸 水解蛋白质结构，形成 凋亡小体 灭活凋亡抑制物,切割染色质DNA Ca2+/ Mg2+依赖；Zn 2+抑制,内源性核酸内切酶的激活,DNA片段化,DNA电泳梯形条带180200bp或整数倍DNA片段,凋亡蛋白酶激活,细胞凋亡的三个阶段 诱导期 凋亡相关因素（包括诱导性因素和抑制性因素）的作用及其启动的相关信号转导 效应期 相关基因接受死亡信号后按预定程序启动合成执行凋亡所需的各种酶类引起核酸内切酶和caspase家族的级联反应,降解期 底物降解如核酸内切酶破坏多种基因，caspase导致细胞结构的解体等，引起细胞凋亡,细胞凋亡的调 控,某些细胞因子：IL-2，神经生长因子 促成活基因表达 某些激素：ACTH，雌激素，雄激素,病 理 生 理 学 Pathophysiology,凋亡相关因素,诱导因素：凋亡程序启动者,激素和生长因子失衡：过多/缺乏 理化因素：射线，酸硷，高温，应激- 免疫因素：细胞毒T淋巴细胞 微生物因素：细菌病毒,抑制因子：阻抑细胞的凋亡,凋亡信号 1.生理性凋亡信号 某些激素和细胞因子的直接作用 糖皮质激素是淋巴细胞凋亡的典型信号 某些激素和细胞因子的间接作用 细胞的增殖需要从其他细胞获得足够的增殖信号，缺乏时，自杀基因可被激活引发凋亡,2.病理性凋亡信号 一般认为能对细胞造成伤害的许多因素都可诱发凋亡如生物毒素 化学毒素等等 能否诱导细胞凋亡可能于有害因素的种类，强度以及持续时间等等有关,病理性凋亡信号经下列环节诱发细胞凋亡 1. 氧化应激 射线及紫外线可以直接分解水分子产生羟自由基；损伤因素可活化巨噬细胞使活性氧生成增多，通过多种途径诱导凋亡,2. 死亡受体的激活 死亡受体是肿瘤坏死因子受体基因超家族的成员 包括TNFR1，Fas 等，与相应配体结合后出发凋亡过程 3.线粒体结构和功能的改变 早期可见线粒体跨膜电位明显下降，早于凋亡的生化和形态学改变 原理：,跨膜电位的下降的原因可能与线粒体通透性转换孔的改变相关， 线粒体通透性转换孔的异常可以影响线粒体膜通透性，导致线粒体的能量代谢障碍等而诱发凋亡 另外钙离子也是凋亡过程DNA断裂成片段的执行者,1. 线粒体内膜通透性内膜跨膜电位 能量合成 2. 凋亡诱导因素跨膜电位内外之间的通透性转换 孔（PTP）开放通透性 释放凋亡启动因子： 细胞色素C 凋亡蛋白酶激活因子Apaf 凋亡诱导因子AIF,细胞凋亡信号的转导 1. 死亡受体介导的凋亡通路 2.线粒体介导的凋亡通路 3.共同通路,死亡诱导信号复合物,细胞凋亡异常,c-FLIP: cellular Fas-associated death domain-like IL-1 beta-converting enzyme inhibitory protein,脱氧核糖核酸酶,凋亡抑制蛋白主要抑制379,凋亡蛋白酶激活因子,研究较多的是Fas蛋白 是细胞膜上的跨膜蛋白，属于FNFR家族 相关转导通路 1.配体受体结合，神经鞘磷脂酶活性上升，神经鞘磷脂分解产生神经酰胺并作为第二信使激活相应的蛋白激酶，诱导细胞凋亡,2.配体受体结合，激活ICE样的caspase,后者可降解H1组蛋白，染色体松弛，DNA链舒展而暴露出核酸内切酶的酶切位点，DNA链可被切割 3.Fas蛋白被激活后也可以通过钙离子信号系统传递死亡信息导致细胞凋亡,细胞凋亡异常,AIF促进线粒体释放细胞色素C增强凋亡信号,凋亡启动子,凋亡蛋白酶激活因子,凋亡复合体,细胞凋亡的执行 1.caspase 半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶 其成员具有相似的氨基酸序列，结构和底物特异性，常以酶原形式存在 结构 ： a . NH2末端结构域的序列和长度高度变异，可能与其所表现的不同功能以及各异的活化机制有关,b. 所有procaspase的各结构域之间具有相同的分割区，提示可以自身活化或者被具有相同结构特点的酶活化。 Caspase是一种高度特异的蛋白酶，具有在天冬氨酸之后剪切蛋白的特点。,Caspase 分为两型 启动型（caspase8-10) 效应型（caspase3,6,7) caspase8: 通常凋亡信号与死亡受体Fas结合后，Fas的胞内死亡域DD与街头蛋白FADD结合，进一步激活caspase8，通过自身催化功能，在局部形成高浓度的启动型caspase,后者再活化其他效应型caspase,引起凋亡,目前已知的caspase的功能 1.灭活凋亡抑制蛋白 正常细胞中caspase激活的脱氧核糖核酸酶CAD与ICAD结合不具有催化活性，当发生凋亡时，ICAD被caspase灭活并与CAD分离，此时CAD表现出核酸酶活性使DNA片段化,2.直接作用于细胞结构并使之阶梯 核膜下有一层半层结构，参与染色质构成，凋亡细胞半层结构崩解并导致染色质浓缩 3.分解与细胞骨架构成相关的蛋白 4.瓦解核结构成核碎片,2. 内源性核酸内切酶 正常情况下内源性核酸内切酶是以无活性的酶原形式存在胞核内，多数为钙离子或镁离子依赖的，锌离子抑制其活性。 活化的内切酶可以作用于核小体连接区，使DNA断裂成核小体倍数大小的180-200bp的片段,细胞膜磷脂酰丝氨酸外翻 （caspase激活、PKC活化、蛋白合成等）,细胞凋亡的基因调控 1.Bcl-2家族 是高等动物中生存和死亡信号至关重要的整合因子 分三类 抗凋亡成员 bcl-2 bcl-xl 使细胞免受凋亡 促凋亡成员 bax 等 与抗凋亡成员之间相互作用决定了细胞的死亡阈值 BH3-only死亡蛋白,Bcl-2是B细胞淋巴瘤基因的缩写形式，第一个被确认有抑制凋亡作用的基因。它的高表达能阻抑多种掉忘忧岛伊苏所引发的细胞凋亡 如 依赖神经生长因子的神经细胞，将表达bcl-2的基因质粒注入细胞可防止神经细胞凋亡 临床发现bcl-2高表达可致肿瘤对放化疗耐受性增强，不易凋亡,机制 直接抗氧化 抑制线粒体释放促凋亡的蛋白质 如细胞色素C和凋亡诱导因子AIF 抑制促凋亡性调节蛋白的细胞毒作用 抑制凋亡蛋白酶caspase的激活 维持细胞钙稳态, Bcl-2（Bcl-XL）能够抑制线粒体PTP开放，Cyt.c 、AIF释放, Bcl-2也能特异地结合细胞色素C, Bcl-2能够结合和灭活Apaf-1，阻断对caspase-9活化,P53 野生型p53基因具有诱导细胞凋亡的功能，其编码的P53蛋白是一种DNA结合蛋白，在细胞周期的G1期发挥检查点的功能，负责检查染色体DNA是否有损伤 发现损伤DNA通过刺激CDI的表达阻滞细胞周期，启动DNA修复 修复失败，P53启动细胞凋亡,细胞周期的运行通过： 细胞周期蛋白cyclin随细胞不同时相进行合成与降解 周期蛋白依赖性蛋白激酶CDK有序的磷酸化和去磷酸化调节 CDK抑制因子CDI时相变化检查点对DNA损伤及复制和纺锤体组装做出反应加以调控,【促凋亡机制】 P53通过与Bcl-2基因相互作用，下调Bcl-2的表达。 P53诱导细胞凋亡的靶蛋白表达（线粒体和死亡受体介导）。 P53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C释放和caspase活化。 P53诱导死亡受体Fas表达。 P53能使死亡受体再定位于细胞膜上。,C-myc 蛋白是重要的转录调节因子。 C-myc基因表达时-生长因子条件-细胞增殖 生长因子不够-细胞凋亡 Bcl-x基因- Bcl-xL蛋白-抑制细胞凋亡 Bcl-xS蛋白-促进细胞凋亡,双向调控基因-C-myc , Bcl-x,吞噬细胞对凋亡细胞的识别和吞噬 正常凋亡的细胞以及凋亡小体的最终结局是被邻近的吞噬细胞或正常细胞迅速识别吞噬，进而被吞噬细胞内的溶酶体酶彻底消灭 如果吞噬细胞的内含物外泄，引起炎症反应和次级损伤 如果凋亡细胞的核小体释放，还会刺激正常细胞合成DNA和免疫球蛋白,1.吞噬细胞凝集素的作用 细胞相互作用机制之一，细胞表面的糖类可与另一个细胞表面的凝集素结合 2.血小板反应蛋白介导吞噬 吞噬细胞分泌的血小板反应蛋白可介导巨噬细胞上的victronectin受体对凋亡细胞的吞噬,3.磷脂酰丝氨酸受体的作用 正常磷脂酰丝氨酸PS位于细胞膜内层，细胞凋亡，暴露内层相关成分，导致细胞被巨噬细胞上的磷脂酰丝氨酸受体识别吞噬,细胞凋亡调控异常和疾病 适当的凋亡的作用： 确保正常生长发育 维持内环境稳定 发挥积极的防御功能 适度的细胞凋亡是维持细胞群体数量稳态的重要手段,生物体内的细胞增殖和凋亡正常情况下处于动态平衡 增殖/凋亡 细胞过剩性疾病 增殖/凋亡 细胞减少性疾病,凋亡失调包括细胞凋亡不足和凋亡过度 细胞凋亡不足 包括肿瘤 病毒感染性疾病和自身免疫病 共同特点 细胞凋亡相对不足，细胞群体稳态被破坏，病变细胞异常增多 1.细胞凋亡不足与肿瘤 细胞凋亡不足与肿瘤的发生 Bcl-2基因 凋亡抑制基因高表达 P53基因 凋亡促进基因基因突变或缺失,细胞凋亡不足与肿瘤的发展 当发生癌前病变和肿瘤时，增殖与凋亡失衡，细胞净增长率提高，具体表现： 细胞增殖增强，细胞凋亡减弱 细胞增殖并不增强，但细胞凋亡明显减弱,细胞凋亡不足与肿瘤的转移 环境不适宜细胞生长时，正常细胞凋亡，肿瘤细胞则可移行到远离起源组织的地方定居存活形成转移灶。,2. 细胞凋亡不足与病毒感染性疾病 病毒感染中，宿主利用细胞凋亡介导感染细胞的自杀结束病毒的繁殖，病毒在逃避宿主防御机制时逐渐形成抑制感染细胞凋亡的程序 病毒及其产物抗凋亡的机制： 灭活P53,高表达Bcl-2或者Bcl-2样蛋白 灭活ICE痘病毒产生ICE的抑制物,3.细胞凋亡不足与自身免疫病 自身免疫病的特征是自身抗原受到自身抗体或者致敏T淋巴细胞的攻击，造成自身组织器官损伤和破坏。,细胞凋亡过度 包括免疫缺陷病 心血管疾病和神经元退行性疾病等 共同特点 细胞凋亡过度，死大于生，细胞群体稳态被破坏，导致细胞异常减少，组织器官体积变小和功能异常 1.细胞凋亡过度与ADIS,艾滋病又称获得性免疫缺陷综合症 由人类免疫缺陷病毒HIV感染引起的传染病，机制CD4淋巴细胞被选择性破坏，由于CD4淋巴细胞数量减少导致的相关免疫功能缺陷。 相关因素： gp120糖蛋白的表达,合胞体的形成 受HIV感染的大部分CD4淋巴细胞逐步融合形成合胞体或者多核巨细胞 Fas基因表达的上调 T细胞的激活 细胞因子的分泌 Tat蛋白的产生,在HIV慢性感染阶段 HIV感染通过多因素和多途径诱导CD4淋巴细胞凋亡，导致相关免疫功能缺陷，同时也具有一定保护意义，凋亡可使宿主细胞的DNA发生降解，使整合于其中的病毒DNA被破坏，可终止病毒的复制和表达,细胞凋亡过度与心脏疾病 缺血再灌注损伤细胞凋亡特点： 缺血早期以细胞凋亡为主，晚期以细胞坏死为主 梗死灶中央以细胞坏死为主，周边以细胞凋亡为主 轻度缺血以细胞凋亡为主，重度以细胞坏死为主,在一定时间范围内缺血再灌注损伤发生的细胞凋亡比同时间的单纯缺血更严重 急性严重的心肌缺血以心肌坏死为主，慢性轻度的心肌缺血以细胞凋亡为主 引起细胞凋亡的机制： SOD超氧化物歧化酶显著减少，提示与氧化应激有关,死亡受体Fas显著上调，可能与FasL反应有关 P53基因转录增加，可能与p53基因激活有关,