疾病的细胞机制.ppt

1,1,疾病的细胞机制 (Cellular Mechanism of Diseases),浙江大学医学院 陈莹莹,病理生理学,2,2,3,疾病的细胞机制：细胞“生”的过程和/或“死”的过程的失控 细胞增殖异常与疾病 细胞分化异常与疾病 细胞凋亡异常与疾病 细胞自噬异常与疾病（自学）,3,4,第一节 细胞增殖异常与疾病 (Abnormal Cell Proliferation and Diseases),细胞增殖：细胞分裂和再生的过程 细胞生长DNA复制细胞分裂,细胞周期,4,5,5,一、细胞周期（Cell cycle）的概述,定义：增殖细胞从一次有丝分裂结束到下一次有丝分裂的结束所经历的时期和顺序变化 分期,6,Interphase,Prophase,Prometaphase,Metaphase,Telophase,Cytokinesis,Mitosis,Anaphase,有丝分裂视频：,有丝分裂视频：,7,7,特点 单向性：G1 S G2 M 阶段性：细胞周期停滞 （cell cycle arrest） 检查点（check point） ：细胞内存在的监控机制 ，只有通过检查点的检查，细胞才能进入下一个时相 微环境影响,8,8,人体细胞的分类 周期性细胞（Cycling cells）：表皮细胞、骨髓干细胞、生殖细胞等 G0期细胞（G0 cells） ：肝细胞、肾细胞 终端分化细胞（Terminally differentiated cells）：神经细胞、心肌细胞,9,9,二、细胞周期的调控（Regulation of Cell Cycle）,自身调控（Self-control） 周期蛋白（Cyclin）和周期素依赖性蛋白激酶（Cyclin dependent kinase, CDK ） 检查点（check point） 细胞外信号（ Extracellular signals ）的调控,10,10,1、周期蛋白（Cyclin） cyclin A、B1-2、C 、D1-3、E、F、G1-2、H、I、K、T1-2 作用：活化CDK，使不同底物磷酸化而实现对细胞周期不同时相的推进和转换作用 结构：含周期蛋白框（cyclin box），引导区域,11,11,12,12,周期蛋白的降解：通过泛素-蛋白酶体系统（Ubiquitin Proteasome System ）进行降解 M期周期蛋白：降解盒（destruction box） G1期周期蛋白：PEST site,13,13,降解第一步:泛素结合（Ubiquitin Conjugation）,14,14,降解第二步:泛素化蛋白被蛋白酶体（proteasome ）水解,泛素-蛋白酶体系统视频：,15,15,2、周期素依赖性蛋白激酶（Cyclin dependent kinase , CDK ） 丝氨酸 / 苏氨酸蛋白激酶，CDK19 作用：CDK与不同cyclin结合后活化，调控细胞周期,下游的蛋白质如Rb磷酸化,通过G1/S限制点而进入S期,组蛋白H1磷酸化导致染色体凝缩，核纤层蛋白磷酸化使核膜解体等,16,16,主要底物-视网膜母细胞瘤蛋白（Retinoblastoma protein，Rb) 抑癌蛋白 (tumor suppressor protein) Rb家族包括Rb protein、p107和p130三种 调节细胞从G1S期的转变：RB-E2F pathway,17,17,G1早期Rb并不一定以非磷酸化形式存在，也可以低磷酸化形式存在（pRb）,18,CDK活性的调控 (1)周期蛋白 (2)磷酸化和去磷酸化的调节：只有当CDK分子中的活化部位被磷酸化，同时抑制部位被去磷酸化时，CDK才被激活,CDK1的激活需要Thr161的磷酸化，以及Thr14和Tyr15去磷酸化,Wee 1 激酶,Cdc25,CDK 活化激酶（CDK-activating kinase, CAK ）,Thr 苏氨酸 Tyr 酪氨酸,19,(3) CDK 抑制因子（cyclin dependent kinase inhibitor, CDI /CKI） INK4（inhibitors of kinase 4）家族 成员：p16 INK4A, p15 INK4B, p18 INK4C, p19 INK4D 主要抑制 CDK4、CDK6 CIP (Cdk inhibitory protein) /KIP (kinase inhibitory protein)家族 成员：p21 Cip1, p27 Kip1, and p57 Kip2 主要抑制 CDK2,大多数 CDIs 是通过直接结合 CDK-cyclin 复合物的磷酸化活化部位，抑制 CDK 的激酶活性 只有p16 INK4A是通过结合 CDK4 单体，阻断它与 cyclins 的结合,20,20, p21 一种广泛作用的CDI 与增殖细胞核抗原 （proliferating cell nuclear antigen，PCNA ）结合，直接抑制DNA的合成 中介了在p53蛋白的细胞周期DNA损伤检查点的调控,21,21,（4）癌基因和抑癌基因（Oncogen and Tumor suppressor gene） 癌基因：src，ras，sis，myc，myb 抑癌基因：Rb、p53,22,22,3、细胞周期检查点（Checkpoint）,DNA 损伤检查点（DNA damage checkpoint）：G1/S交界处 DNA 复制检查点：S/G2交界处 纺锤体组装检查点 (Spindle assembly checkpoint): G2/M交界处,23,23,G1/S检测点检测主要通过肿瘤抑制蛋白 p53 分子完成,24,G2/M检测点检测主要通过Cdc25 完成的,25,25,P53也参与G2/M DNA损伤的检查,26,26,4、细胞外信号对细胞周期的调控,通过限制点（restriction point，R点）起作用,27,27,（1）增殖信号 包括大多数的肽类生长因子 通过启动ras-MAPK通路，使 cyclin D 表达增加,28,28,（2）抑制信号 转化生长因子（TGF-）：通过p38 MAPK通路，下调 cyclin 和 CDK4；或通过促进p21和 p15等 CDI 产生 不利于细胞生长的微环境,29,29,细胞周期的驱动失控（Cyclin、CDK和CDI表达异常） 监控（检查）机制受损,三、细胞周期调控异常（Dysregulation of cell cycle）,30,30,1、恶性肿瘤:生物学特征是恶性增殖,（1）周期蛋白异常 与 cyclin（D、E）过量表达有密切的关系 Cyclin D1（bcl-1） ： 295个氨基酸，由染色体11q13上的CCND1基因编码,Amplification (基因扩增),Translocation (染色体易位) 如t (11:14) (q13: q32),Inversion (染色体倒位) 如 inv (11) (p15：q13),乳腺癌、胃癌、食道癌,甲状旁腺瘤,B细胞淋巴瘤,31,31,（ 2 ） CDK 增多 CDK4 和 CDK6 过表达 （ 3 ） CDI 表达不足和突变 p16蛋白失活较为多见 黑色素瘤、食管癌、肺癌、卵巢癌、乳腺癌、结直肠癌等都报道存在较高频率的p16 InK4基因异常 原因：p16 InK4 基因缺失、突变、CpG 岛高度甲基化 p27蛋白失活 与乳腺癌，前列腺癌，肺癌，胃癌，大肠癌和卵巢癌等有关,32,32,（4）细胞周期监控机制受损 G1/S 交界处失察： 50%的肿瘤发生与p53基因突变有关 G2/M 交界处失察,33,33,2、银屑病（俗称为牛皮癣）,临床表现：皮肤出现大小不等、境界清楚的红斑鳞屑性斑块，上覆大量干燥的银白色鳞屑 原因：表皮细胞过度增生 机制 表皮生长因子受体（EGF ）的增加：正常皮肤表皮中EGFR只存在基底细胞层和基底上层，而银屑病EGFR分布于皮肤的全层，导致角质形成细胞过度增殖 cAMP水平下降,34,34,3、原发性血小板增多症（ primary throbocythemia） 临床特征：出血倾向及血栓形成 机制：骨髓巨核细胞过度增殖，外周血血小板持续明显增多（为正常的2-12倍），功能也不正常 病因：与X染色体遗传有关，血小板生成抑制因子TGF-1减少、血液微环境中辅助细胞的缺乏等,35,第二节 细胞分化异常与疾病 （Abnormal Cell Differentiation and Diseases）,一、细胞分化的概述 定义：指在细胞增殖时，子代细胞在形态、结构和生理功能上产生差异的过程 受精卵：全能性多能性单能性成熟定型 干细胞（stem cell）,35,36,36,细胞分化的结果 时间上的分化 空间上的分化,37,37,人体干细胞分类 全能干细胞：胚胎干细胞 多能干细胞：骨髓造血干细胞 定向干细胞：精原细胞、红细胞系、白细胞系等,38,38,细胞分化特点 稳定性：分化一旦确立，分化状态稳定 全能性：子代细胞保留受精卵的全部信息 选择性：基因选择性表达，出现不同的表型 细胞分化条件的可逆性：已分化的细胞在一定条件下可以逆转到胚胎状态，形成去分化现象,39,二、细胞分化的机制及其调控,1、细胞分化的机制 “决定”先于分化：细胞决定（ determination ）是指细胞内某些基因永久地关闭，而另一些基因顺序表达，具备向某一特定方向分化的能力 细胞质在决定细胞差别中作用 细胞间相互作用 微环境：壁龛（niche ）结构包括壁龛细胞、细胞外基质（extracellular matrix，ECM）和来源于壁龛细胞的可溶性因子,40,2、细胞分化的调控 基因水平的调控 奢侈基因（luxury gene）：编码细胞中特异性蛋白的基因，对细胞分化起重要作用 管家基因（ house keeping genes ）：对细胞分化只起协作作用 转录和转录后水平调控 转录水平调控：调节蛋白（转录因子）对专一基因的启动子和增强子进行调控 转录后水平调控：对 mRNA 前体的处理和加工 翻译与翻译后水平调控 细胞外因素调控：激素、细胞因子、黏附分子、药物等,41,三、细胞分化异常（Abnormal Cell Differentiation ）,1、肿瘤 肿瘤细胞的共同特征：细胞分化不足，而只是保持持续增殖 确定肿瘤细胞的分化程度对于肿瘤病情的判断具有重要意义 恶性肿瘤细胞异常分化的表现为：低分化；去分化（dedifferentiation）或反分化(retrodifferentiation)；趋异性分化（divergent differentiation）即肿瘤细胞分化程度和分化方向的差异性,42,恶性肿瘤细胞异常分化的机制 细胞的增殖和分化脱耦联：在体外培养的癌细胞表现为失去密度依赖性抑制，无限传代成为“永生的”细胞系 基因表达时空上失调 特异性基因表达受到抑制：如肝癌细胞不合成白蛋白；结肠肿瘤不合成粘蛋白 胚胎性基因重现表达：如肝癌细胞过多合成甲胎蛋白和胎儿型醛缩酶 A 等 癌基因和抑癌基因的协同失衡,43,43,细胞分化理论可用以指导临床肿瘤治疗 采取适当的方法诱导其发生终末分化，肿瘤的增殖能力就可能会被抑制 能诱导肿瘤细胞发生分化的物质称为分化诱导剂 对正常细胞的非特异性毒副作用小，有非常好的应用前景 作用机理：诱导癌细胞向终未阶段分化的同时，启动了细胞死亡程序 代表-维甲类（Retinoids）：如全反式维甲酸已用于早幼粒细胞白血病的临床治疗，视黄醇与干扰素a 合用治疗皮肤鳞癌或宫颈鳞癌,44,44,2、肺纤维化（Pulmonary fibrosis） 弥漫性肺间质纤维化，表现为活动性呼吸困难，限制性通气功能障碍，弥散功能降低和低氧血症等 3、肥胖症（Morbid obesity） 脂肪细胞体积增大，分化异常 前脂肪细胞大量向脂肪细胞分化，导致脂肪细胞数量增加,45,45,4、畸胎瘤（teratoma） 在胚胎不同时期，某些多能细胞脱落下来，分化发生异常 具有内胚层、中胚层和外胚层三个胚层的异常分化组织,46,第三节 细胞凋亡异常与疾病,一、细胞死亡形式 1、细胞坏死（ Necrosis ） 细胞在严重损伤因素刺激时，所发生的一种被动的死亡现象 形态改变是由酶性消化和蛋白变性引起的 形态特征 线粒体和内质网肿胀、崩解 炎症反应,47,47,2、细胞凋亡（ apoptosis ） 细胞在体内外因素的诱导下，在严格和复杂的信号网络调控下，发生的一种主动的有序的死亡 形态特征 细胞皱缩、核固缩、胞膜空泡化，形成凋亡小体 核酸内切酶激活DNA 的片段化（180200bp的倍数）,48,细胞凋亡的生理学意义 清除多余的和失去功能的细胞，确保组织器官正常发育、生长 清除受损、突变或者衰老的细胞，维持内环境稳定 发挥积极的防御功能：当细胞受到病毒感染时，受感染的细胞可以通过凋亡来阻止病毒的增殖，或通过 DNA 的降解，把病毒的 DNA 进行分解,49,细胞凋亡与细胞坏死的比较,50,二、细胞凋亡的过程,生理性凋亡信号：许多激素和细胞因子；生存信号的缺乏或不足 病理性凋亡信号： 促进细胞凋亡：生物及化学毒物、病毒感染、射线、应激和化疗药 抑制细胞凋亡：化学促癌物、某些病毒（EB病毒，人类乳头状瘤病毒）,51,二、细胞凋亡的过程,胞内Ca2+信号系统 cAMP/ PKA信号系统 Fas /FasL信号系统 神经酰胺信号系统 二酰甘油PKC信号系统 酪氨酸蛋白激酶信号系统 等等,52,这个系统的特点 多样性：不同种类的细胞有不同的信号转导系统 耦联性：死亡信号的转导系统与细胞增殖、分化过程中的信号转导系统在某些环节上有交叉、耦联 同一性：不同的凋亡诱导因素可以通过同一信号转导系统触发细胞凋亡 多途性：同一凋亡诱导因素可经过多条信号转导途径触发凋亡,53,胞内Ca2+信号系统,54,氧化应激,55,Fas 又称作CD95，属TNF受体家族 Fas基因编码产物为分子量45KD的跨膜蛋白 分布于胸腺细胞，激活的T和B淋巴细胞，巨噬细胞，肝、脾、肺、心、脑、肠、睾丸和卵巢细胞等 Fas蛋白与FasL结合后，会激活caspase，导致靶细胞走向凋亡,56,Fas所介导的细胞凋亡的信号转导机制 FasL或抗Fas抗体与Fas蛋白结合，引起神经鞘磷脂酶的活性迅速上升，使神经鞘磷脂分解产生神经酰胺，神经酰胺作为第二信使激活相应的蛋白激酶，从而诱导细胞凋亡 抗Fas抗体或TNF与Fas蛋白结合后可激活ICE样的caspase，后者可降解H1组蛋白，使染色体松弛，DNA链舒展而暴露出核酸内切酶的酶切位点，使DNA链更容易被切割 Fas蛋白被激活后也可以通过Ca2+信号系统传递死亡信息而导致细胞凋亡,57,神经酰胺信号系统 神经酰胺（ceramide）是神经鞘磷脂（sphingomyelin, SM）在SM酶的作用下产生的一类新型第二信使 生物学效应包括：诱导凋亡；抑制细胞生长；引起细胞周期阻滞，细胞周期通常被阻滞于G0/G1期 电离辐射、TNF-a、Fas、糖皮质激素均可通过神经酰胺信号系统诱导细胞凋亡,58,线粒体损伤 凋亡的早期就会出现线粒体内膜通透性增大，线粒体跨膜电位（m）明显下降 线粒体损伤引起细胞凋亡的可能机制是：线粒体内、外膜之间的PTP具有调节线粒体膜通透性的作用，使细胞凋亡的启动因子如细胞色素C（Cyt.C）、凋亡蛋白酶激活因子(Apaf)和凋亡诱导因子（AIF）等从线粒体内释放出来,59,二、细胞凋亡的过程,Caspases 内源性核酸内切酶（如EndoG) 作用：切割染色质DNA 特点：这些酶多数为Ca2+/Mg2+依赖的，但Zn2+可抑制其活性,60,Caspases 属于半胱氨酸蛋白酶家族，14个成员 Caspase活性位点是半胱氨酸，剪切位点是天冬氨酸残基后的肽键，因此称为Cysteine aspartic acid specific protease，即Caspase 分类：启动型caspases (caspase-8，-9，-10， -12)，效应型caspases（ caspase-3，-6，-7）,61,Caspase的结构和活化 Caspases 酶原包含三个结构域：NH2 末端结构域（Prodomain）、约 20KD 大亚基、约 10KD 小亚基 活化：剪切的位置是特异性的天冬氨酸残基的肽键（Asp-X）,62,Caspase的功能 灭活凋亡抑制蛋白 ：如CAD/ICAD，Bcl-2 直接破坏细胞结构，如Lamina 分解与细胞骨架构成相关的蛋白：如FAK、PAK2 可使一些与DNA修复、复制和mRNA缝接有关的蛋白的调节区和催化区解离，瓦解核结构,63,按照启动型caspase的不同，凋亡信号转导途径分为 外在途径(extrinsic pathway)或死亡受体途径：由细胞表面的死亡受体如Fas和肿瘤坏死因子受体家族(tumour necrosis factor receptor，TNF-R)引发，导致caspase-8或10的活化 内在途径(intrinsic pathway)或线粒体途径(mitochondrial pathway)：由许多应激条件、化学治疗试剂和药物所起始，导致caspase-9的活化 内质网应激途径：各凋亡信号导致的caspase-12的活化，从而导致凋亡,64,外在途径(Extrinsic pathway)或死亡受体途径（Death receptor pathway ）,64,65,内在途径(Intrinsic pathway)或线粒体途径(Mitochondrial pathway),66,内质网应激途径 (Endoplasmic reticulum stress pathway),66,67,67,二、细胞凋亡的过程,凋亡后细胞产生凋亡小体，后者可以被邻近巨噬细胞识别，并将其吞噬后分解。机制：磷脂酰丝氨酸迁移至细胞外侧,磷脂酰丝氨酸(phosphatidylserine，PS)外翻,68,三、细胞凋亡的调控机制,69,69,1、Bcl-2家族 BH4是抗凋亡蛋白所特有的结构域 BH3是与促进凋亡有关的结构域,70,Bcl-2等抗凋亡蛋白 存在于线粒体膜、内质网膜以及外核膜上，但主要定位于线粒体外膜 抗凋亡的机制 直接抗氧化 抑制线粒体释放促凋亡的蛋白质 抑制促凋亡调节蛋白Bax、Bak的细胞毒作用 抑制凋亡蛋白酶的激活 维持细胞钙稳态,71,促凋亡蛋白 主要定位于细胞质 受到凋亡因子的诱导而激活后，向线粒体转位，通过寡聚化在线粒体外膜形成跨膜通道，或者开启线粒体的PT孔，从而导致线粒体中的凋亡因子释放，激活caspase，导致细胞凋亡 激活方式： 去磷酸化，如Bad 被caspase加工为活性分子，如Bid 从结合蛋白上释放出来，如Bim是与微管蛋白结合在一起的,72,2、p53： “ 分子警察”(molecular policeman) 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,73,四、细胞凋亡异常与疾病,74,（一）细胞凋亡不足,肿瘤 Bcl-2基因高表达 p53基因突变或缺失 自身免疫病 未能将针对自身抗原的免疫细胞以细胞凋亡的方式有效清除,增殖过度，细胞凋亡减弱 增殖并不增加，但细胞凋亡减弱,75,（二）细胞凋亡过度,心肌缺血与缺血-再灌注损伤 缺血早期以凋亡为主，晚期以细胞的坏死为主 在梗死灶的中心以坏死为主，梗死灶周边以凋亡为主 轻度缺血以凋亡为主，重度缺血以坏死为主 缺血-再灌注损伤时发生的细胞凋亡单纯缺血更严重 急性、严重的心肌缺血以心肌坏死为主，而慢性、轻度的心肌缺血则发生细胞凋亡 心力衰竭 氧化应激/压力、容量负荷/神经-内分泌失调/TNF/缺血/缺氧心肌细胞凋亡,76,阿尔茨海默病（老年痴呆） 发病机制主要是细胞凋亡所致神经元丧失 Fas抗原的介导 p53基因的活化 c-Jun和c-foc及其编码蛋白的作用 APP695基因突变的作用 低亲和力神经生长因子高表达 NF-B的活化,77,帕金森病（Parkinson disease） 是中老年人常见的中枢神经系统变性疾病，病变主要累及黑质和黑质纹状体，脑黑质的多巴胺能神经元变性、退化-纹状体内多巴胺和乙酰胆碱失衡而发病 氧化应激是黑质多巴胺能神经元凋亡的重要过程 钙稳态失衡与黑质多巴胺能神经元凋亡 线粒体损伤在黑质多巴胺能神经元凋亡中的作用 Bcl-2和Bax蛋白是黑质多巴胺能神经元凋亡的调控因子 Caspase酶是黑质多巴胺能神经元凋亡的效应分子,78,（三）细胞凋亡不足与过度并存,动脉粥样硬化,79,五、细胞凋亡与疾病防治,1、合理利用凋亡因素 低剂量照射急性T细胞性白血病 TNF-白血病细胞株U937 高温(43)肿瘤 NGF老年性痴呆 撤除雄激素前列腺癌,80,2、干预凋亡