细胞凋亡与疾病.ppt

细胞凋亡与疾病,apoptosisanddisease,细胞坏死:(necrosis),细胞死亡,细胞凋亡:(apoptosis),细胞凋亡是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。,细胞凋亡的其它名称：,程序性细胞死亡（PCD),基因指令性细胞死亡,生理性细胞死亡,自然发生细胞死亡,细胞舍生（cellsuicide),第一节,概述,summarize,一、细胞死亡的两种方式比较：,二、细胞凋亡的生物学意义,1确保正常发育、生长,形成器官、组织的正常形态。,2维持内环境稳定,清除受损、衰老、突变细胞。,3发挥积极的防御作用,防止病毒复制。,细胞凋亡与疾病发生机制的新认识,该死的细胞不死不该死的细胞死了,肿瘤、自身免疫性疾病老年性痴呆、IRI,第二节,细胞凋亡过程与调控,一、细胞凋亡的大致过程：,l凋亡信号转导l凋亡基因激活,l细胞凋亡的执行l凋亡细胞的清除,凋亡诱导因素,受体,cAMP、Ca2+、神经酰胺,死亡信号,凋亡相关基因激活,DNase激活、Caspases激活,巨噬细胞吞噬，分解凋亡细胞,二、凋亡时细胞的主要变化：,（一）细胞凋亡的形态学改变：,光镜下的改变：微绒毛消失,胞膜空泡化、细胞固缩出芽、染色质边集、凋亡小体,电镜下的凋亡小体：,透亮空泡不透光的核碎片,胸腺细胞,正常,凋亡,胸腺细胞,正常,凋亡,凋亡细胞形态学变化的特点：,胞膜及细胞器膜相对完整,整个凋亡过程没有细胞内容物外漏,局部无炎症反应,（二）细胞凋亡的生化改变：,1、内源性核酸内切酶激活,DNA的片段化,依赖二价金属离子的核酸内切酶Ca2Mg2激活Zn2抑制非依赖二价金属离子的核酸内切酶内源性核酸内切酶激活：凋亡因素受体信号转导酶激活DNA水解,凋亡诱导因素激活内源性核酸内切酶,DNA双链在核小体连接部断裂,形成180200bp或其整数倍的片段,电泳呈特征性的“梯”状条带,l,核小体（nucleosome）：一种串珠状结构，由核心颗粒和连结线DNA两部分组成。每个核小体单位包括约200bp的DNA、一个组蛋白核心和一个H1；由H2A、H2B、H3、H4各两分子形成八聚体，构成核心颗粒；DNA分子以左手螺旋缠绕在核心颗粒表面，每圈80bp，共1.75圈，约146bp，两端被H1锁合；相邻核心颗粒之间为一段60bp的连接线DNA。,2、Caspase的激活及其作用：,（1）caspase命名和作用,：,cysteine-containingaspartate-specificprotease含半胱氨酸的门冬氨酸特异水解酶作用：在底物天冬氨酸后切断肽链,（2）caspase的分类,启动子caspase：caspase-8,9,10,具有长的N端原结构域，激活后切割并活化下游的caspase分子,效应子caspase：caspase-3,6,7,具有短的N端原结构域或缺如，被激活后能分解细胞蛋白,（3）caspase的激活,凋亡诱导因素,启动子caspase,下游caspase分子,效应子caspase,（4）caspase在凋亡中的主要作用：,灭活凋亡的抑制物：如bcl-2,水解细胞的结构蛋白：如核纤层蛋白，肌动蛋白,水解细胞的效应蛋白：如DNA修复相关蛋白，信号蛋,白，转录调控蛋白，周期蛋白,在凋亡级联反应中水解相关活性蛋白，改变蛋白的,生物学功能：如Caspase-9水解激活Caspase-3,Caspase-8自剪切活化，激活Caspase-3，7,Caspase-3激活特异性核酸内切酶CAD：降解DNA,核酸内切酶与caspase之间的相互关系,因果关系：核酸内切酶由caspase激活,协同关系：是凋亡的主要执行者,核酸内切酶切断DNA,caspase水解细胞的蛋白结构,3谷氨酰胺转移酶（TGases）的作用：,钙依赖性的酶家族，促进谷氨酰胺与赖氨酸残基之间交联，形成稳定的框架，使内容物保持在凋亡小体内而不释放到细胞间隙。在TGases高表达的细胞，发生细胞膜的凹陷、皱缩,及凋亡小体的形成。,4细胞膜磷脂酰丝氨酸外翻：,正常时：磷脂酰丝氨酸多分布在膜内层凋亡早期：磷脂酰丝氨酸翻到膜外层,Annexin-作为探针可结合磷脂酰丝氨酸，标记出早期凋亡的细胞,（二）细胞凋亡的生化改变：,1、内源性核酸内切酶激活,DNA的片段化,2、Caspase的激活,蛋白质降解,核小体形成,3、谷氨酰胺转移酶激活4细胞膜磷脂酰丝氨酸外翻,三、细胞凋亡的调控：,（一）细胞凋亡相关因素：,1、诱导性因素：凋亡程序的启动者,（1）激素和生长因子失衡：GC,（2）理化因素：射线、高温、强酸碱、抗癌药（3）免疫性因素：细胞毒T淋巴细胞（4）微生物学因素：细菌、病毒、毒素,细胞凋亡的诱导因素,诱导因素射线GCTGF-1TNFCTL抗癌药HIV,凋亡细胞类型多种细胞淋巴细胞肝细胞靶细胞靶细胞癌细胞CD4淋巴细胞,2、抑制性因素：,细胞因子（IL-2、神经生长因子）激素（ACTH、睾丸酮、雌激素）病毒（腺病毒、EB病毒、牛痘病,毒）,其他：Zn2+、半胱氨酸蛋白酶抑制剂,（二）细胞凋亡信号的转导,凋亡诱导因素细胞细胞凋亡信号信号转导途径激活凋亡程序细胞凋亡,凋亡信号转导系统的特点：,1多样性2偶联性3同一性4多途性,细胞不同转导系统不同凋亡和增殖、分化的转导系统在某些环节有交叉、偶联。不同的凋亡诱导因素可通过同一信号转导系统触发凋亡同一凋亡诱导因素可通过多条信号转导途径触发凋亡,细胞凋亡信号转导系统的类型：,1、胞内Ca2+信号系统：2、cAMP/PKA信号系统,3、Fas蛋白Fas配体信号系统4、神经酰胺信号系统,5、二酰甘油PKC信号系统6、酪氨酸蛋白激酶信号系统,1、胞内Ca2+信号系统：GC诱导胸腺细胞凋亡时，Ca2+i,升高B淋巴细胞内Ca2+,可诱导其凋亡,降低细胞内Ca2+可阻止细胞凋亡,2、cAMP/PKA信号系统双丁酰cAMP可引起髓样白血病细胞或胸腺细胞凋亡,GC,Ca2+钙调素系统,腺苷酸环化酶,cAMP,PKA激活,靶蛋白,丝、苏氨酸残基磷酸化,细胞凋亡,3、Fas蛋白Fas配体信号系统,Fas是跨膜蛋白，为细胞表面受体，其胞内部分与TNF受体相似，与NGF受体高度同源。在胸腺、肝、心、肾组织表达丰富,FasL为Fas蛋白的配体，主要在激活的T淋巴细胞、NK细胞、眼和睾丸中表达,活化的T淋巴细胞表面的FasL与靶细,胞上的Fas结合，启动细胞凋亡,Fas蛋白介导凋亡的机制：,l（1）Fas蛋白与其配体或抗体结合，,使神经鞘磷脂分解为神经酰胺，引起凋亡,l（2）Fas蛋白与其抗体或TNF结合，,激活caspase1,降解H1组蛋白l（3）Fas蛋白激活Ca2+信号系统,4、神经酰胺信号系统,神经鞘磷脂（SM),神经酰胺,神经酰胺诱导u293白血病细胞凋亡,神经酰胺,鞘氨醇,1磷酸鞘氨醇,（SPP)SPP传递细胞增殖信号,SM酶,水解,磷酸化,5、二酰甘油DGPKC信号系统PKC是细胞凋亡过程中重要的负调控因子PKC激动剂PMA可抑制GC、TCR激活、,cAMP、,Ca2+通道及IL-2撤除引起的凋亡,生长因子、和IL-2和L-1,DG,PKC激活,抑制胸腺细胞凋亡但活化的PKC1可诱导u293白血病细胞凋亡,6、酪氨酸蛋白激酶（PTK)信号系统,细胞凋亡的负调控系统,生长因子、细胞因子通过PTK信号系统产生促进细胞分化的效应,该系统被阻断或不能有效激活可引起凋亡,细胞凋亡信号转导系统的类型：,1、胞内Ca2+信号系统：2、cAMP/PKA信号系统,3、Fas蛋白Fas配体信号系统4、神经酰胺信号系统,5、二酰甘油PKC信号系统6、酪氨酸蛋白激酶信号系统,l线虫Caenorhabditis,elegans是研究个体发育和细,胞程序性死亡的理想材料（生命周期短，细胞数量少）。l线虫神经系统由302个细胞组成。这些细胞来自于407个前体细胞。也就是说105个细胞发生了程序性死亡。l控制线虫细胞凋亡的基因主要有3个Ced-3、Ced-4和Ced-9Ced-3和Ced-4的作用是诱发凋亡；Ced-9抑制Ced-3、Ced-4的作用。,（三）凋亡相关基因,抑制凋亡基因：Bcl-2,EIB,IAP,促进凋亡基因：Fas,Bax,ICE,P53,双向调控基因：,c-myc,Bclx,Bcl-2,B细胞淋巴瘤/白血病-2,（Bcelllymphoma/leukemia-2）细胞分布：造血细胞、上皮细胞、淋巴细胞、神经细胞、多种瘤细胞细胞内分布：bcl-2能够编码bcl-2（26KD）和bcl-2（22KD）两种蛋白质，是膜的整合蛋白，主要存在于线粒体外膜、核膜及部分内质网中。Bcl-2与CED-9同源，Bcl-2高表达能抑制多种凋亡诱导因素所引发的细胞凋亡。,Bcl-2抗凋亡的主要机制：,直接的抗氧化应激,抑制线粒体释放促凋亡的蛋白质，如：细胞色素C、凋亡诱导因子（AIF）,抑制促凋亡调节蛋白Bax、Bak的细胞毒作用抑制凋亡蛋白酶（caspases）的激活：,阻断Apaf的功能,维持细胞钙稳态：阻断Ca2+从内质网释放,EIB,腺病毒5型编码的早期即刻蛋白B,（earlyimmediateproteinB,EIB）,是一种重要的凋亡抑制基因，,其主要是通过阻断p53介导的细胞凋亡机制而促进细胞存活。,IAP“细胞凋亡抑制剂”,(inhibitorofapoptosis，IAP）,l20世纪90年代后期相继在病毒和真核生物中,鉴定了40种以上被称为“细胞凋亡抑制剂”,(inhibitorofapoptosisIAP)的蛋白家族。l已鉴定的人类IAP家族成员有5种，其中，1997年由Ambrosini等鉴定的存活蛋白(survivin)是IAP家族参与癌症发生的最有力证据。,Fasfas又称作APO-1，属TNF受体和NGF受体家族。,lll,1993年人白细胞分型国际会议统一命名为CD95。fas基因编码产物为分子量45KD的跨膜蛋白。Fas蛋白与Fas配体组成Fas系统，二者的结合导致靶细胞走向凋亡。,Fas诱导的细胞凋亡,l,Fas与配体（如TNF）结合发生三聚化，使胞内的DD区（Deathdomain）与接头蛋白FADD的DD区结合。,l,FADD,N端通过DED区（death,effectordomain）与Caspase-8前体蛋白和CAP3结合，激活Caspase-8。,P53,wtP,53基因编码的P53蛋白为DNA结合,蛋白，对损伤的DNA可启动修复或凋亡，是一种受到广泛重视的抑癌（促凋亡）基因。“分子警察”,Bax,Bax与Bcl-2有高度的同源性。Bax蛋白质分子在细胞中以二聚体形式或与Bcl-2蛋白质分子形成异种二聚体形式存在。,Bax的过表达可以拮抗Bcl-2的促进细胞增殖及抑制细胞凋亡的作用,ICE,白细胞介素1转换酶,ICE是Caspase-1,参与Fas诱导的细胞凋亡，与线虫的死亡基因CED-3高度同源。ICE诱导的细胞凋亡可被Bcl-2及牛痘病毒等阻断。,C-myc,c-myc是一种癌基因,c-myc蛋白是一种转录调节因子，既可激活介导细胞增殖的基因，也可激活介导细胞凋亡的基因，何去何从则取决于细胞接受的信号和生长的环境。,Bcl-x,Bcl-XL抑制细胞凋亡，可使细胞在细胞生长因子撤除之后，不发生凋亡。,Bcl-XS促进细胞凋亡，通,过抑制Bcl-2的过表达而诱发细胞凋亡。,抑制凋亡基因：Bcl-2,EIB,IAP,促进凋亡基因：Fas,Bax,ICE,P53,双向调控基因：,c-myc,Bclx,第三节,细胞凋亡的发生机制,pathogenesisofapoptosis,一、氧化应激在,细胞凋亡中的作用,氧化应激是由于体内活性氧相对超负荷引起的一种细胞应激，既可引起细胞损伤也可引起细胞凋亡。活性氧（ROS)：由氧形成、化学性质较基态氧活泼的含氧代谢产物总称。氧自由基：O2，OH,非自由基的含氧物质：1O2,，H2O2,ROS的损伤作用：,1.生物膜脂质过氧化增强：2.抑制蛋白质的功能:3.破坏核酸及染色体：,1.引起的DNA损伤可激活P53基因。,2.引起的DNA损伤可活化聚ADP核糖转移酶，,导致NAD快速耗竭，ATP大量消耗。3.引发脂质过氧化，诱导细胞凋亡。,4.使膜通透性增加，促进Ca2+内流诱导细胞,凋亡。破坏线粒体膜，诱导细胞凋亡。,5.激活Ca2+/Mg2+依赖的核酸内切酶,6.活化核转录因子NF-kB和AP-1，促进凋亡,基因的表达。,二、钙稳态失衡在细胞凋亡中的作用,细胞凋亡时，Ca2+i升高,人为升高Ca2+i可诱导细胞凋亡,Ca2+i升高,激活多种钙依赖性酶,凋亡,钙稳态失衡引起细胞凋亡的可能机制：1激活Ca2+/Mg2+依赖的核酸内切酶，降解,DNA链,2激活谷氨酰胺转移酶细胞骨架蛋白分子,交联利于凋亡小体形成。,3激活核转录因子加速细胞凋亡相关基因,的转录。,4Ca2+在ATP的配合下使DNA链舒展，利于,DNA内切酶切割DNA。,三、线粒体损伤在细胞凋亡中的作用,细胞凋亡时，线粒体形态改变不明,显，,主要出现功能上的变化。,其主要表现为：,1.线粒体内膜通透性升高2.内膜跨膜电位下降3.能量合成明显障碍,第四节,细胞凋亡与疾病,（一）细胞凋亡不足1肿瘤发生机制：细胞增殖过度细胞凋亡不足,存活大于死亡,细胞数目增加,BCL-2表达上调凋亡不足P53基因突变或缺失,2自身免疫病,是自身抗体或致敏淋巴细胞对自身抗,原起反应造成自身组织破坏并引起临床症状的一种疾病状态。,正常：针对自身抗原的T细胞发生凋亡胸腺功能异常时，针对自身抗原的T细胞不能有效的凋亡，甚至增殖，导致自身组织的免疫性损伤。,但对于靶细胞来讲为凋亡过度,（二）细胞凋亡过度,心血管疾病,神经元退行性疾病AIDS,1心血管疾病,（1）心肌缺血与缺血-再灌注损伤,特点：,缺血早期以凋亡为主，晚期以坏死为主。梗死灶中央以坏死为主，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。一定时间内再灌注的凋亡比单纯缺血更严重。急性严重的心肌缺血以心肌坏死为主，慢性,轻度的心肌缺血以心肌细胞凋亡为主。,心肌细胞凋亡机制：,氧化应激,Fas蛋白上调p53基因激活,（2）心力衰竭,心衰时心肌细胞凋亡的可能诱导因子：,氧化应激,压力或容量负荷过重神经-内分泌失调,细胞因子（TNF）的作用,缺血、缺氧,2神经元退行性疾病,Alzheimerdisease,(阿尔兹海默病),Pakinsondisease,(帕金森氏病),Huntingtondisease,Alzheimerdisease（AD),表现：进行性痴呆，遗忘和近记忆丧失，称早老性痴呆或老年性痴呆。,病理改变：大脑皮质萎缩、皮质神经元丢失、广泛分布的皮质老年斑、脑实质和血管壁有进行性淀粉样蛋白沉淀、神经胶质增生,AD患者神经元丧失的主要机制为细胞凋亡,可能诱导因素：淀粉样蛋白；钙超载；氧化应激；神经生长因子分泌不足等。可能机制：致病因素神经元Ca2+内流激活淀粉样蛋白合成基因神经元,内淀粉样蛋白活性氧,NF-,kB活化,神经元凋亡,3获得性免疫缺陷综合征（AIDS）,AIDS由HIV感染引起,其主要机制是细胞凋亡使,CD4+淋巴细胞被选择性的破,坏，引起相关的免疫机能缺陷。,导致CD4+淋巴细胞凋亡的因素,受HIV感染胞融和成合胞胞感染HIV,（1）糖蛋白120（gp,120,）：,即发凋HIV感CD4T基因表HIV染巴胞生长因子生,后生亡受染使+细胞的Fas感使细成减,达上调强其对Fas介导的凋少的4+泌TNF,（2）合胞体形成：,增，被HIV染而激活,CDT,，感,亡的敏感性细胞因子不能发生增+,CD4,+T细胞,殖而发生凋亡，称为“诱导激CD4胞,激活刺T细,的细胞死亡（AICD）”TNF受体1生自由基,（3）Fas基因上调：,：,（5）细胞因子异常：,（6）tat蛋白：,Gp120与CD4+T细胞表面受体结合可激活钙通道，促使CD4+T细胞凋,细,体，合胞体在形成过程中或形成,淋,胞因缺乏细,分增多,结合产,（4）T细胞激活启动死亡程序氧化应激,凋亡,受的的CD+4tat巴细受,（7）在HIV慢性感染时HIV感染染细胞可产生淋蛋白，进胞作,入未感+细胞导生自的诱产由,为效应细胞，未受感染的CD4染淋巴细胞作为靶细胞而被诱导产生凋亡。基，增加Fas抗原表达，促凋亡,HIV也可诱导其它免疫,细胞如B细胞、CD8,+淋巴细,胞、巨噬细胞发生细胞凋亡。,HIV感染后细胞凋亡的意义：,使整合于细胞中的DNA破坏，避免病毒的复制和表达，从而阻止病毒的进一步扩散，但因凋亡的保护作用有限，不足以补偿它对整个免疫系统的严重破坏。,（三）细胞凋亡不足与过度并存,动脉粥样硬化,内皮细胞表现为凋亡过度，平滑肌细胞则凋亡相对不足。,第五节细胞凋亡在疾病,防治中的意义,Fas/FasL,转导1.治疗凋亡过度性可通过降低细胞,促进凋亡信号,2.SPP亡内外钙离子度增加细胞内外锌离子,传递增殖信号，抗凋或,型P53基因浓度来抑制内源性核酸内切酶活性；相,1.应用基因导入技