第4章毒作用机制

1 第四章毒作用机制 MechanismsofToxicology 2 目的要求 掌握化学毒物增毒现象熟悉化学毒物主要毒性机制终毒物的种类与形成终毒物与靶分子的反应细胞功能障碍与毒性 3 内容 毒物的ADME过程和靶器官靶分子的反应细胞调节功能障碍修复障碍毒物毒作用的表观遗传机制 4 阐明毒作用机制的意义 1 解释描述性资料 评估特定外源化学物引起有害效应的概率 制定预防策略 设计危害程度小的药物和工业化学物 以及开发靶生物具有良好选择性的杀虫剂等提供依据 2 有利于对机体生理和生化过程及人类某些疾病重要疾病病理过程的进一步认识 5 毒物在体内的可能毒性过程 第一步 第二步 第三步 第四步 6 第一节毒物ADME过程与靶器官 7 毒性的强度主要取决于终毒物在其作用部位的浓度和持续时间 终毒物 ultimatetoxicant 是指与内源靶分子 如受体 酶 DNA 微丝蛋白 脂质 反应或引起机体生物学微环境改变 导致机体结构和功能紊乱 表现毒物毒性作用的化学物 终毒物可以为 原化学物 母化合物 代谢物活性氧 氮 内源化学物 8 一 从接触部位进入血液循环 10 一 毒物的吸收 透过细胞扩散穿越上皮屏障到达毛细血管脂溶性是影响吸收的重要因素 二 毒物进入体循环前的消除 首过效应 胃肠道粘膜细胞 肝脏 肺肠上皮细胞和肝细胞 丰富的代谢酶和转运蛋白 毒物经肠胃吸收进入血液循环之前 一部分经肠转运蛋白泵回肠腔 一部分经肠肝代谢酶代谢 一小部分进入血液循环 11 二 从血液循环进入靶部位 一 促进毒物分布到靶部位的机制1 毛细血管内皮多孔性 肝窦 肾小管周围毛细血管有较大孔道 利于化合物的蓄积 2 专一化的膜转运 离子通道 膜转运蛋白 铊 百草枯3 细胞器内蓄积 可质子化的胺类和亲脂特征的两性化合物 溶酶体 线粒体4 可逆性细胞内结合 黑色素 12 二 从血液循环进入靶部位 二 妨碍毒物分布到靶部位的机制1 血浆蛋白结合 与高分子血浆蛋白或脂蛋白结合 影响扩散 2 专一化屏障 血脑屏障 血睾屏障 胎盘屏障阻止亲水性化合物3 贮存部位分布 铅取代羟磷灰石中的钙离子沉积在骨骼 氯代烃蓄积脂肪细胞4 与细胞内结合蛋白结合 金属硫蛋白与镉结合5 从细胞内排出 mdr编码的P蛋白将化合物泵回细胞间隙 13 二 从血液循环进入靶部位 三 排泄与重吸收1 排泄 主要排泄器官为肝和肾 毒物理化性质决定排泄途径和速度 高亲水性和离子化的化合物 2 重吸收 1 肾小管重吸收 需要化学物质有一定脂溶性的物质 2 经胆汁 胃肠排泄 及唾液腺和外分泌胰腺分泌而转运到胃肠道的毒物 可穿越肠黏膜二重吸收 14 三 增毒与减毒 一 终毒物的形成 15 三 增毒与减毒 一 终毒物的形成增毒 toxication 外源化学物在体内经生物转化为终毒物的过程 增毒过程主要是使外源化学物转变为 亲电子剂 electrophiles 自由基 freeradicals 亲核物 nucleophiles 活性氧化还原性反应物 redox activereductants 16 一 终毒物的形成1 亲电子剂的形成亲电子剂 是指含有一个缺电子原子的分子 它能通过与亲核物中的富含电子原子共享电子对而发生反应 亲电子剂的形成通过插入一个氧原子而产生 共轭双键形成 键异裂 金属的氧化还原 17 常见亲电物 无机离子的氧化与还原 18 异裂作用产生阳离子亲电子剂 19 20 21 一 终毒物的形成2 自由基 1 自由基 freeradicals 是在其外层轨道中含有一个或多个不成对电子的分子片段 自由基主要是由于化合物的共价键发生均裂而产生 接受或丢失一个电子 22 2 几种主要的自由基单线态氧 单线态氧 gO2 单线态氧 g O2 超氧阴离子自由基 O2 过氧化氢 H2O2 羟基自由基 OH 臭氧 O3 氮的氧化物 NO NO2 过氧亚硝基 ONOO 次氯酸 HOCl 23 3 自由基的来源 了解 1 外源化学物通过接受一个电子形成自由基 2 亲核外源化学物在过氧化氢酶催化作用下丢失一个电子而形成自由基 3 电子向分子转移引起的还原性键均裂过程形成自由基 24 25 26 一 终毒物的形成3 亲核物的形成亲核物的形成是毒物活化作用较少见的一种机制 氰化物苦杏仁经肠道 糖苷酶催化形成氰化物 丙烯腈环氧化后与谷胱甘肽结合形成氰化物 硝普钠经巯基诱导降解后形成氰化物 等 27 一 终毒物的形成4 活性氧化还原反应物的形成特殊机制 引起高铁血红蛋白的亚硝酸盐 既可在小肠中由硝酸盐经细菌还原生成 也可由亚硝酸酯或硝酸酯与谷胱甘肽反应而生成 还原性化合物如抗坏血酸等以及NADPH依赖性黄素酶等还原酶可使Cr6 还原为Cr5 Cr5 反过来又可催化HO 生成 28 二 解毒解毒 detoxication 是指通过生物转化而将终毒物消除 或者阻止毒性产物形成的过程 在某些情况下 解毒过程可能与代谢活化过程竞争同一外源化学物 无功能基团毒物的解毒 I II相代谢解毒 亲核物的解毒 在亲核功能基团上的结合反应解毒亲电子剂的解毒 谷胱甘肽结合环氧化物水化酶催化金属离子由金属硫蛋白形成复合物自由基的解毒 SOD GSH Px蛋白质毒素的解毒 蛋白酶 29 二 解毒1 无功能基团毒物的解毒I II相代谢解毒 30 二 解毒2 亲核物的解毒一般通过在亲核功能基团上的结合反应来解毒如羟化的化合物通过硫酸化作用 葡萄糖醛酸化作用来结合3 亲电子剂的解毒一般亲电性毒物的解毒是通过与巯基亲核物谷胱甘肽共轭结合而解毒此类反应可自发产生或由谷脱甘肽 s 转移酶协同进行金属离子如Ag2 Cd2 Hg2 和CH3Hg离子很容易与谷脱甘肽反应而解毒 31 二 解毒4 自由基的解毒没有任何一种可以解除HO 预防HO 毒作用的最有效办法是阻止其产生 超氧化物歧化酶 SOD 谷胱甘肽氧化酶 GPO 和过氧化氢酶 CAT 对超氧阴离子自由基 O2 的解毒作用 32 二 解毒5 蛋白质毒素的解毒硫氧环蛋白 蛇毒6 解毒过程失效解毒能力耗竭 解毒酶 共底物 抗氧化剂 解毒酶失活 某些结合反应被逆转 肺部吸入甲基异氰酸盐 不稳定的谷胱甘肽结合物解毒过程产生潜在的有害副产物 谷胱甘肽自由基 33 第二节靶分子的反应 34 35 一 靶分子的属性所有的内源化合物都是毒物潜在的靶标 毒理学相关的靶标是大分子 如DNA 蛋白质 小分子中如膜脂质 辅因子如辅酶A和吡哆醛 内源性分子作为靶分子必须具有合适的反应性和 或空间构型 以容许终毒物发生共价或非共价反应 靶分子必须接触足够高浓度的终毒物 故处于反应活性化学物邻近或接近它们形成部位的内源性分子常常是靶分子 活性代谢物的第一个靶分子常常是催化这些代谢物形成的酶或邻近的细胞内结构 36 二 反应的类型 一 非共价结合 nonconvalentbinding 定义 通过非极性交互作用或氢键与离子键等非共价结合方式与膜受体 细胞内受体 离子通道和某些酶等靶分子结合 特点 毒物原子的空间排列使其与内源性分子的互补部位结合 非共价键结合的键能相对较低 因此是可逆的 举例 番木鳖碱 strychnine 与脊髓运动神经元甘氨酸受体的结合 TCDD与芳烃受体的结合 哈蚌毒素 saxitoxin 与钠通道的结合 37 二 共价结合 convalentbinding 是不可逆的 这种结合持久地改变内源分子 具有重要的毒理学意义亲电子剂 如非离子和阳离子亲电子剂以及自由基阳离子 中性自由基 如 HO NO2 和Cl3C DNA或脂质亲核毒物 体内亲电化合物罕见 胺类和肼类与吡哆醛 pyridoxal 的共价反应一氧化碳 氰化物 硫化氢和叠氮化物与各种血红素蛋白中的铁形成配位共价键 38 三 去氢反应 hydrogenabstraction 自由基作用 自由基引起内源性分子去氢 生成新的内源性自由基 R SH R S 为R SOH和R S S R等巯基氧化物的前身 使游离氨基酸或氨基酸残基的CH2基团去氢 变为羰基化合物 并与胺类化合物反应 形成DNA或蛋白质交联 自由基脱氧核糖去氢并产生C 4 自由基是引起DNA链断裂的基础脂肪酸去氢并产生脂质自由基最终启动脂质过氧化 39 四 电子转移 electrontransfer 如化学物能将血红蛋白中的Fe2 氧化为Fe3 形成高铁血红蛋白血症 五 酶促反应 enzymaticreaction 少数一些毒素 蓖麻蛋白 细菌毒素 白喉毒素等 通过酶促反应作用于特定靶蛋白上 40 三 毒物对靶分子的影响 41 三 毒物对靶分子的影响 一 靶分子功能失调模拟内源性配体 活化靶蛋白 吗啡激活鸦片受体 氯贝丁酯为过氧化酶体增殖物激活剂受体的激动剂抑制靶分子功能 阿托品 箭毒及士的宁 阻断神经递质受体 DDT抑制钠通道关闭改变蛋白质结构 催化中心和关键基团 与蛋白质巯基发生共价结合或氧化修饰 酪氨酸硝化影响信号通路 干扰DNA模板功能 黄曲霉素8 9 氧化物与鸟嘌呤共价结合 导致G A配对 导致某些基因碱基突变 42 三 毒物对靶分子的影响 二 靶分子结构破坏加合物形成 亲电子剂 细胞骨架蛋白 DNA大分子交联 OH 活性亲电子剂 亲核部位结合DNA断裂 DNA碱基受 OH自由基攻击形成咪唑环开放的嘌呤或环收缩的嘧啶 DNA复制障碍电离辐射 OH 断裂较短的DNA双链自发性降解 氧化损伤 自由基引起脂肪酸脱氢启动脂质过氧化 与脂质 邻近蛋白或DNA反应 43 三 毒物对靶分子的影响 三 新抗原形成 与外源化合物共价结合的蛋白质少数可以形成新抗原 激发免疫应激 硝基氯苯 青霉素和镍本身具有蛋白质结合的能力 另一些化合物经转化与蛋白有结合能力 药物引起狼疮和粒细胞减少症是有药物 蛋白质加合物才出发的免疫反应介导 44 第三节细胞调节功能障碍 45 细胞执行特定着特定的程序决定细胞命运 增殖 分化 凋亡或自噬控制细胞瞬息活动 分泌活性物质 转运和代谢营养物质毒物引起细胞功能障碍 细胞功能障碍程序 细胞应激 细胞调节功能障碍 细胞稳态失调 细胞死亡 46 一 细胞应激细胞应激 指细胞处于不利环境和遇到有害刺激时所产生的防御或适应性反应 根据引起细胞应激的原因不同以及细胞应激反应的差异 热应激 heatstress 氧化应激 oxidativestress 缺氧应激 hypoxicstress 内质网应激 endophasmicreticulumstress 遗传毒性应激 genotoxicstress 47 一 细胞应激细胞应激过程高度有序 应激源诱发的细胞内信号转导激活相关的转录因子和促进应激基因的快速表达 合成多种特异性和非特异性的且对细胞具有保护作用的应激蛋白质 从而对细胞产生特异性和非特异性保护作用 同时细胞内正常基因表达受抑制 若细胞损伤严重而导致损伤无法修复 则启动细胞凋亡或自噬过程 加速细胞死亡 48 一 细胞应激应激原 能导致细胞应激的物理 化学和生物因素 DNA损伤性应激原介导的细胞应激称为基因毒性应激 DNA损伤性应激原 紫外线 离子射线 活性氧 化学致畸剂 化学致癌剂 化学致突变剂非DNA损伤性应激原介导的细胞应激为非基因毒性应激 如热应激 缺氧应激 氧化应激和内质网应激 非DNA损伤性应激原 创伤 感染 营养剥夺 渗透压改变 缺氧和热应激 49 一 热应激热应激的特征反应 是诱导细胞表达热休克蛋白 heatshockprotein HSP HSP有称应激蛋白 结构性HSP 为细胞的结构蛋白 正常时即存在于细胞内 帮助新生的蛋白质进行正确的折叠 移位 降解 称为分子伴侣 Molecularchaperone 诱导性HSP 由各种应激原诱导生成 参与受损蛋白质的修复或移除 保护细胞免受严重损伤 加速修复 提高细胞对应激原的耐受性 50 二 氧化应激氧化应激 主要应激原主要为自由基 活性氧 reactiveoxygenspecies ROS 和活性氮 reactivenitrogenspecies RNS 自由基包括超氧阴离子 O2 羟自由基 OH 过氧自由基 ROO 氯离子自由基 CL 和一氧化氮分子自由基 NO ROS是一类由氧形成 并在分子组成上含有氧且化学性质比较活波的物质包括超氧阴离子 O2 羟自由基 OH 过氧自由基 ROO 等 RNS是NO及其体内继发性产物的总称 包括一氧化氮 NO 二氧化氮 NO2 和过氧化亚硝酸盐 ONOO 等 51 1 ROS RNS 机体防御 吞噬细胞杀伤病原体 2 免疫细胞杀伤肿瘤细胞 与ROS有关 3 ROS RNS 参与解毒 4 ROS参与细胞信号转导和基因表达调控 细胞增殖 分化 5 影响Ca2 稳态 蛋白质磷酸化 转录因子激活等多通路发挥调节作用 二 氧化应激ROS和RNS的生理功能 机体通过抗氧化防御系统 清除自由基 防止氧化应激 52 1 线粒体机制 作用于线粒体 导致位于线粒体的促凋亡蛋白Bcl 2家族成员激活 启动凋亡程序 2 过量ROS通过激活内质网激活信号通路 启动凋亡程序 二 氧化应激自由基 ROS和RNS过多 破坏氧化 还原平衡 发生氧化应激细胞调节功能 细胞维持功能障碍 甚至凋亡和自噬 ROS引起凋亡的机制 53 三 缺氧应激缺氧应激 细胞和组织为适应低氧压力而诱导系列涉及血管生成 铁代谢和糖代谢相关基因的表达 以维持细胞的增殖和存活 此过程称缺氧应激 低氧是重要缺氧应激原 金属暴露 脂多糖 IL 1 胰岛素等引起缺氧应激 Ca2 NO和CO在低氧信号传导中起重要作用 介导缺氧应激反应的关键因子为缺氧诱导因子1 HIF 1 由两种亚基HIF 1 和HIF 1 HIF 1 稳定表达 HIF 1 在正常情况下检测不到 但缺氧状态下 降解受抑制 与HIF 1 形成有活性的HIF 1 转移到细胞核调节多基因转录 54 HIF 1下游靶基因 1 EPO 2 VEGF 3 iNOS 4 MMP 5 GLUT 1 6 TGF 1 2 3 3 5 5 5 55 四 内质网应激内质网 蛋白质和脂质合成 加工 折叠和运输 加工和包装特异性的分子伴侣为糖调节蛋白78 glucoseregulatedprotein78 GRP78 细胞内质网受损或需要加工和包装的蛋白质合成增加时 即引起内质网应激和非折叠蛋白反应 theunfoldedproteinresponse URP 由三个主要内质网跨膜蛋白介导 即IRE1 pERK和ATF6信号通路 内质网应激是一种保护机制 降低胞内未折叠蛋白浓度 阻碍聚集 56 四 内质网应激以下情况 出现内质网应激 1 内质网特异性分子伴侣减少或缺失 2 内质网Ca2 耗竭 3 氧化应激或缺氧应激 4 基因突变影响到基因产物蛋白质分子折叠 5 二硫键形成减少 57 五 遗传毒性应激遗传毒性应激 人体细胞启动自身防御网络系统以应对遗传物质DNA免受外源遗传毒性损伤的过程 应激原 遗传毒性致癌剂和致突变物 紫外线和放射性核素 化疗药物 某些代谢产物 如自由基和活性氧 丝裂原活性蛋白激酶 MAPKs 途径是细胞遗传应激反应中主要信号转导途径之一 保证细胞正常生长和DNA复制保真度 58 六 毒理学意义细胞应激 细胞能量代谢 蛋白质合成和加工 细胞内环境建立和维持 细胞遗传物质损伤的识别和修复 细胞增殖 细胞周期调控 细胞存活和凋亡等 1 是机体面对有害因素刺激的防御性反应 利于内环境稳定 2 过程引起信号转导迅速改变 某些重要信号分子或信号通路改变可能损害细胞正常功能 二 细胞调节功能障碍细胞受信号分子所调节 受体激活最终可导致 1 改变基因表达 增加或减少特定蛋白的功能 2 通过磷酸化使特定蛋白发生化学修饰 磷酸化 甲基化 乙酰化和硝化 从而激活或抑制蛋白质 控制细胞命运的程序主要影响基因表达 而调节控制细胞瞬息活动的程序主要影响功能蛋白的活性 60 一 基因表达调节障碍 61 一 基因表达调节障碍1 基因转录调节障碍 转录因子 能结合在某基因上游特异核苷酸序列上的蛋白质 能调控其基因的转录 顺式作用元件 位于基因旁侧 可调控影响基因表达的核酸序列 包括启动子 增强子等 应答元件 位于基因上游能被转录因子识别和结合 从而调控基因专一性表达的DNA序列 如热激应答元件 金属应答元件等 62 一 基因表达调节障碍1 基因转录调节障碍 63 一 基因表达调节障碍1 基因转录调节障碍 64 毒物影响转录因子 TFs 活性是毒物调节基因表达最主要方式 两种类型TFs 即配体激活的TFs 和信号激活的TFs天然配体 激素 如类固醇 甲状腺激素 和维生素 视黄醇和维生素D 通过结合与激活转录因子而影响基因的表达化学物 模拟天然配体而调节下游基因表达 一 基因表达调节障碍1 基因转录调节障碍 65 邻苯二甲酸酯模拟多不饱和脂肪酸 模拟Zn2 66 细胞信号转导的机制 信号转导是通过细胞外的信号分子如生长因子 细胞因子 激素和神经递质等利用细胞表面受体和细胞内的信号转导网络来完成的 一 基因表达调节障碍2 信号转导调节障碍 68 细胞生长因子 细胞表面生长因子受体磷酸化 RAS 连续的激酶磷酸化 转录因子 调控影响细胞周期进展和决定细胞结局的基因 69 毒物引起细胞信号转导异常的途径改变蛋白质的磷酸化 干扰G蛋白 如Ras蛋白 的GTP酶活性 破坏正常的蛋白质 蛋白质交互作用建立异常的交互作用 改变信号蛋白的合成与降解 70 I B抑制性结合蛋白降解 促使NF B进入细胞核 MAPK PI3K AKT途径激活 蛋白表达上调炎症维持存活 抗凋亡 过量活性氧 71 一 基因表达调节障碍3 细胞外信号转导产生的调节障碍 72 二 细胞瞬息活动的调节障碍1 电可兴奋细胞的调节障碍 运动神经元电压门控的Na 通道 中枢神经系统GABA受体 73 2 其他细胞活动的调节障碍信号转导机制也在非可兴奋细胞中起作用 但这些细胞信号转导过程的失调通常不产生严重的后果 大鼠肝细胞表达 1 肾上腺素能受体 受体激活引起葡萄糖水解和谷胱甘肽输出增加 可能对细胞有一定毒理学意义 74 三 细胞稳态失调细胞稳态 cellularhomeostasis 指在神经 内分泌和免疫系统共同调节下 细胞内各种成分和生理功能保持相对稳定的状态 细胞稳态是细胞存活和正常代谢所必须的 生物膜的完整性是维持细胞稳态的关键 细胞稳态失调 机体生理性衰老状态下 细胞稳态调节系统出现异常 导致细胞内物质转运障碍和代谢功能丧失 甚至诱发细胞死亡 75 一 细胞稳态失调的机制外源性化合物通过启动三种关键性生化代谢紊乱引起细胞稳态失调 1 ATP耗竭 2 细胞内Ca2 持续升高 3 ROS和RNS的过度产生 76 1 ATP耗竭 78 氧化磷酸化过程及外源化合物干扰物 氢以NADH形式传递给初始电子转运复合物氧传递给终末电子转运复合物ADP和无机磷转运给ATP合酶电子沿电子传递链流向氧 伴有质子从基质腔膜逐出 质子返回基质腔驱动ATP合酶 79 外源化合物干扰氧化磷酸化 80 2 细胞内Ca2 持续升高 81 毒物促进Ca2 向细胞质内流或抑制细胞质之内Ca2 外流 而引起胞浆Ca2 水平升高 毒物可诱导Ca2 从线粒体或内质网漏出而增加胞浆Ca2 也可通过抑制Ca2 转运蛋白或耗竭其驱动力而较少Ca2 外流 2 细胞内Ca2 持续升高 82 3 ROS和RNS过度产生 83 三 细胞稳态失调 二 细胞稳态失调各要素的相互关系ATP储存耗竭胞浆Ca2 升高 细胞内高Ca2 ROS和RNS ROS与RNS巯基依赖的Ca2 泵发生氧化性失活加剧了高钙 ROS与RNS也能消耗ATP储备 过氧亚硝酸盐阴离子ONOO 能诱发DNA单链断裂 导致聚 ADP 核糖 合酶 PARP 激活 消耗ATP 最终引起坏死或凋亡的初级代谢紊乱 ATP耗竭 细胞内高钙含量和ROS RNS过量产生 间的相互关系 ATP SYN ATP合酶 MET 线粒体电子传递 NOS 一氧化氮合酶 PARP 聚 ADP 核糖 聚合酶 ROS 活性氧 RNS 活性氮 XO 黄嘌呤氧化酶 m 线粒体膜电位 85 三 细胞稳态失调 三 细胞稳态失调的后果致死前时相 prelethalphase 可发生凋亡 apoptosis 胀亡 oncosis 和自噬 autophagy 改变 坏死时相坏死是指细胞死亡时发生的一系列变化 包括 肿胀性坏死 凋亡性坏死和自噬性坏死 86 87 三 细胞稳态失调的后果1 坏死 线粒体通透性转换孔的高通透状态即所谓的线粒体通透性转变 mitochondrialpermeabilitytransition MPT MPT是由于一种跨越线粒体内外膜间的蛋白质孔 巨通道 开放而引起 其开放使质子自由地内流进入基质间隙 引起 m迅速和完全消散 ATP合成中断及水渗透内流 导致线粒体膨胀 已蓄积于基质间隙的Ca2 通过孔流出 涌进胞质 88 三 细胞稳态失调的后果2 凋亡 决定细胞凋亡的线粒体事件 MPT和Cytc释放细胞色素c Cytc 从线粒体进入胞浆 可导致 线粒体ATP合成受阻 增加O2 形成 导致细胞死亡 激活胱天蛋白酶 Caspases 启动细胞凋亡 89 细胞凋亡途径 线粒体途径和死亡受体途径 信号型Caspase效应型Caspase Fas 90 受损细胞命运的 决定方案 MPT 线粒体通透性转变 RO N S 活性氧或活性氮 毒物在低暴露水平或高水平暴露后的早期阶段倾向于诱发凋亡 而在高暴露水平后期则引起坏死 ATP利用度是决定细胞死亡形式的关键 发生MPT的线粒体数量影响到细胞ATP耗竭的严重性和细胞结局 存活 线粒体自体吞噬凋亡 天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶激活坏死 ATP耗竭 91 有些毒物通过其他机制引起细胞死亡 1 直接损伤细胞膜 2 损伤溶酶体膜 3 破坏细胞骨架 4 引起微丝和其他细胞蛋白超磷酸化 5 抑制细胞蛋白质合成 92 三 细胞稳态失调的后果3 细胞程序性坏死 细胞坏死也是可调控的程序性细胞坏死 称为细胞程序性坏死 programmednecrosis 或坏死性凋亡 necroptosis 细胞膜破裂 细胞器肿胀 细胞质形成透明样结构等坏死样形态特征 缺血再灌注损伤 物理和化学因素诱导的机体损伤 机体感染 神经退行性病变等伴有程序性死亡发生 化学药物和细胞因子 如TNF FasL TRAIL 均可诱导 93 三 细胞稳态失调的后果3 细胞程序性坏死 受体相互作用蛋白1和3 RIPK1和RIPK3 是程序性坏死的关键信号分子 RIPK1 RIPK3形成的坏死复合体成为细胞程序性死亡起始阶段的调控核心 执行阶段 涉及因素包括细胞内ROS水平升高 Ca2 浓度升高 能量耗竭和组织蛋白酶激活 94 第四节修复障碍 95 96 一 损伤修复机制 一 分子修复1 蛋白质修复巯基被氧化使许多蛋白质功能受损 被氧化的蛋白巯基可通过酶促还原而逆转 a氧化的巯基 酶促还原使其逆转内源性还原剂硫氧还蛋白 谷氧还蛋白b受损蛋白 通过水解清除 97 2 脂质修复过氧化的脂质通过一系列还原剂以及谷胱甘肽过氧化物酶和还原酶共同协调运作的复杂过程来修复 含有脂肪酸氢过氧化物的磷酯首先为磷酯酶A2所水解 过氧化的脂肪酸为正常脂肪酸所取代 同时 需要NADPH来修复在该过程中被氧化的还原剂 98 3 DNA修复直接修复切除修复碱基的切除修复 BER 核苷酸切除修复 NER 错配修复 MMR DNA双链断裂的修复 同源重组修复 HRR 和同源末端连接 NHEJ 99 二 细胞修复大多数组织 细胞受化学物伤害后死亡 而存活的细胞靠分裂来取代死亡的细胞 神经细胞成熟的神经细胞没有繁殖能力 因此当其轴索损伤时 其修复主要靠巨噬细胞和施旺细胞 schwanncells 来完成 100 三 组织修复1 细胞凋亡 受损细胞的主动清除2 细胞增殖 细胞和细胞外的间质的再生 还涉及新元件的重新整合连接 细胞分裂 分裂周期的启动受多种基因的调控 再生 细胞移动 3 细胞外基质的替代 101 二 修复障碍及其引起的毒作用 一 修复障碍修复的局限性 某些损伤的修复可能被遗漏 损伤程度超过机体修复能力时 修复失效 修复所必需的酶或辅因子被消耗时 修复能力耗竭 某些毒性损害不能被有效地修复 如毒物与蛋白质的共价结合 102 修复过程本身也可引起毒性 因DNA损伤修复过程消耗过量NAD 机体抗氧化过程消耗过量NAD P H均可危及氧化磷酸化过程 导致或加剧ATP耗竭 从而引发细胞损害 DNA的剪切修复和脂质的再酰化作用也因为消耗大量的ATP而导致细胞供能障碍和损伤 慢性组织损伤后 当修复过程偏离正确轨道 导致不可控制的增生形成肿瘤 细胞外间质的过度产生则导致组织纤维化 103 二 修复障碍引起的毒性炎症 1 细胞与炎症 微循环改变和炎性细胞聚集 2 活性氧和活性氮 聚集细胞释放自由基和水解酶 损害邻近组织 2 坏死 1 凋亡和增殖 可终止坏死 2 损伤程度超过机体修复能力 即坏死 104 二 修复障碍引起的毒性3 纤维化 1 组织修复不良 2 细胞增生和细胞外基质形成增多 致癌作用 1 DNA修复失效 原癌基因活化和抑癌基因失活 2 细胞凋亡失效 凋亡抑制剂 3 终止细胞增生失效 有丝分裂增加 原癌基因表达高 4 非遗传毒性致癌物 有丝分裂促进剂和凋亡抑制剂 105 第五节毒物毒作用的表观遗传机制 106 一 表观遗传学调控机制表观遗传学 研究不涉及DNA序列改变的基因表达和调控的可遗传变化的 或者说是研究从基因演绎为表型的过程和机制的一门遗传学分支 表观遗传就是不基于DNA差异的核酸遗传 即细胞分裂过程中 DNA序列不变的前提下 全基因组的基因表达调控所决定的表型遗传 涉及染色质重塑 整体的基因表达调控 如DNA甲基化 组蛋白修饰等功能等 107 表观遗传学的研究内容 基因转录后的调控基因组中非编码RNA微小RNA miRNA 反义RNA内含子 核糖开关等 基因选择性转录表达的调控DNA甲基化基因印记组蛋白共价修饰染色质重塑 107 108 DNA甲基化 DNAmethylation 主要是基因组DNA上的胞嘧啶第5位碳原子和甲基间的共价结合 胞嘧啶由此被修饰为5甲基胞嘧啶 5 methylcytosine 5mC 胞嘧啶甲基化反应 S 腺苷甲硫氨酸 一 DNA甲基化 哺乳动物基因组中5mC占胞嘧啶总量的2 7 约70 的5mC存在于CpG二连核苷 在结构基因的5 端调控区域 CpG二连核苷常常以成簇串联形式排列 这种富含CpG二连核苷的区域称为CpG岛 CpGislands 其大小为500 1000bp 约56 的编码基因含该结构 基因调控元件 如启动子 所含CpG岛中的5mC会阻碍转录因子复合体与DNA的结合 DNA甲基化一般与基因沉默相关联 一 DNA甲基化 109 以基因型为a a的母鼠及其孕育的基因型为AVY a的仔鼠作实验对象 孕鼠分为两组 试验组孕鼠除喂以标准饲料外 从受孕前两周起还增加富含甲基的叶酸 乙酰胆碱等补充饲料 而对照组孕鼠只喂饲标准饲料 结果实验组孕鼠产下的仔鼠大多数在身体的不同部位出现了大小不等的棕色斑块 甚至出现了以棕褐色为主要毛色的小鼠 而对照组孕鼠的仔鼠大多数为黄色 分析表明喂以富甲基饲料的孕鼠所产仔鼠的IAP所含CpG岛的甲基化平均水平远高于对照组 转录调控区的高甲基化使原该呈异位表达的基因趋于沉默 毛色也趋于棕褐色 111 二 组蛋白修饰 组蛋白与DNA组装成核小体 是蛋白质中最保守的 112 组蛋白修饰是表观遗传研究的重要内容 组蛋白的N端是不稳定的 无一定组织的亚单位 其延伸至核小体以外 会受到不同的化学修饰 这种修饰往往与基因的表达调控密切相关 被组蛋白覆盖的基因如果要表达 首先要改变组蛋白的修饰状态 使其与DNA的结合由紧变松 这样靶基因才能与转录复合物相互作用 因此 组蛋白是重要的染色体结构维持单元和基因表达的负控制因子 112 113 组蛋白修饰种类