第八章细胞凋亡

1、中南大学病理生理学教研室中南大学病理生理学教研室贺智敏贺智敏第八章第八章 细胞凋亡细胞凋亡(apoptosis)(apoptosis)二、发生机制二、发生机制三、凋亡与疾病三、凋亡与疾病一、概述一、概述apoptosisApoptosis(apo-ptosis)PCD（programmed cell death） 在体内外因素诱导下，由基因严在体内外因素诱导下，由基因严格调控而发生的自主性细胞有序死格调控而发生的自主性细胞有序死亡，故又称程序性细胞死亡。亡，故又称程序性细胞死亡。( (一一) ) 定义定义(1) 细胞膜的变化：细胞膜的变化：(2) 细胞质的变化：细胞质的变化：(3) 细胞核的变

2、化：细胞核的变化：微绒毛、细胞突起消失；微绒毛、细胞突起消失；空泡化；出芽空泡化；出芽胞质浓缩；细胞器变胞质浓缩；细胞器变化化染色质边聚染色质边聚( (二二) ) 凋亡时细胞的主要变化凋亡时细胞的主要变化(4) 凋亡小体形成凋亡小体形成 胞膜皱缩内陷，分割包裹胞质，内含胞膜皱缩内陷，分割包裹胞质，内含DNA物质及细胞器，形成泡状小体称为物质及细胞器，形成泡状小体称为凋亡小体（凋亡小体（apoptosis body） (5) 吞噬吞噬 (6) 继发性坏死继发性坏死淋巴细胞凋亡各期形态学变化概概 述述Morphological features of Morphological features

3、of apoptosisapoptosisMembrane blebbing2. 生化改变生化改变(1) 凋亡启动因子凋亡启动因子(2) 凋亡蛋白酶凋亡蛋白酶(3) 内源性核酸内切酶与内源性核酸内切酶与DNA片断化片断化 凋亡启动因子凋亡启动因子 细胞色素细胞色素C(cytochrome C)（凋亡复合体凋亡复合体） 凋亡诱导因子凋亡诱导因子(apoptosis inducing factor,AIF) 凋亡蛋白酶激活因子凋亡蛋白酶激活因子- -1(apoptotic protease activiation factor,Apaf-1)凋亡复合体凋亡复合体NecrosisApoptosisF

4、IGURE 3 SEM of a necrotic cell. Numerous lesions appear on the cell surface.(original magnification: x 5,000) FIGURE 4 SEM of an apoptotic cell. Surface blebbing is evident. (original magnification: x 5,000) ( (四四) ) 分期分期凋亡诱导因素凋亡诱导因素受体或直接作用受体或直接作用死亡信号死亡信号凋亡相关基因激活凋亡相关基因激活DNase激活激活Caspases激活激活巨噬巨噬细胞细胞

5、吞噬吞噬分解分解凋亡凋亡细胞细胞或或继发性坏死继发性坏死诱导期诱导期执行期执行期消亡期消亡期图图8 81 1 细胞凋亡的分期细胞凋亡的分期二、发生机制二、发生机制三、凋亡与疾病三、凋亡与疾病一、概述一、概述apoptosis( (一一) )细胞凋亡相关因素细胞凋亡相关因素( (二二) )主要的信号传导通路主要的信号传导通路( (三三) ) 凋亡相关基因凋亡相关基因( (一一) )细胞凋亡相关因素细胞凋亡相关因素1. 诱导性因素诱导性因素激素和生长因子失衡激素和生长因子失衡理化因素：高温、强酸、强碱、抗癌药物理化因素：高温、强酸、强碱、抗癌药物免疫性因素免疫性因素微生物学因素：细菌、病毒微生物学

6、因素：细菌、病毒凋亡程序的执行者凋亡程序的执行者2. 2. 抑制性因素抑制性因素细胞因子：细胞因子：IL-2，神经生长因子，神经生长因子某些激素：某些激素：ACTH、睾丸酮、雌激素、睾丸酮、雌激素某些二价金属阳离子、药物某些二价金属阳离子、药物( (二二) )主要信号传导通路主要信号传导通路细胞凋亡的三条主要途径1、膜受体途径、膜受体途径2、线粒体途径、线粒体途径3细胞核途径细胞核途径p53 1 . 1 . 死亡受体通路死亡受体通路 2 . 2 . 线粒体通路线粒体通路 1. 1. 死亡受体通路死亡受体通路凋亡诱导因素凋亡诱导因素死亡受体死亡受体/ /配体的表达、结合配体的表达、结合Caspa

7、se-8活化活化Caspase-3活化活化apoptosisBid活化活化线粒体通路线粒体通路 活化活化FasFas/ /FasLFasL2. 2. 线粒体通路线粒体通路时时 间间 主主 要要 发发 现现 参参 考考 文文 献献19941994年首次提出年首次提出线粒体线粒体在细胞凋亡中是不可缺少的在细胞凋亡中是不可缺少的 Newmeyer,etNewmeyer,et al. al.19961996年线粒体中年线粒体中细胞色素细胞色素C C的释放引起细胞凋亡的释放引起细胞凋亡 Liu,etLiu,et al, al,5519971997年年 证明证明Caspase-9Caspase-9在细胞色

8、素在细胞色素C C和和dATPdATP存在时存在时 与与Apaf-1Apaf-1结合并被激活，再激活结合并被激活，再激活Caspase-3 Caspase-3 Li,etLi,et al. al.6619981998年年 膜死亡受体通路通过膜死亡受体通路通过BidBid作用于线粒体信号通路作用于线粒体信号通路 Luo,etLuo,et al. al.242419991999年年 线粒体释放线粒体释放Caspase-2,9Caspase-2,9参与凋亡的发生线粒体参与凋亡的发生线粒体 SusinSusin S S A,etA,et al. al.88 释放释放AIFAIF参与凋亡的发生参与凋亡的

9、发生 SusinSusin S S A,etA,et al. al.9920002000年年 线粒体释放线粒体释放SmacSmac/DIABLO/DIABLO参与凋亡发生参与凋亡发生 Du,etDu,et al al1010. . Verhagen,etVerhagen,et al al111120012001年年 线粒体释放线粒体释放核酸内切酶核酸内切酶G G引起引起“DNADNAladder”ladder” 的产生的产生 Li,etLi,et al. al.1212 线粒体释放线粒体释放 SmacSmac样的丝氨酸蛋白水解酶样的丝氨酸蛋白水解酶HtrA2/OmiHtrA2/Omi， 后者通

10、过抑制后者通过抑制IAPIAP促进细胞凋亡促进细胞凋亡 Suzuki,etSuzuki,et al. al.1919细胞凋亡线粒体信号通路研究中的重要发现细胞凋亡线粒体信号通路研究中的重要发现凋亡诱导因素凋亡诱导因素PTP开放开放线粒体中细胞色素线粒体中细胞色素C C等释放等释放Caspase-9活化活化Caspase-3活化活化apoptosis3. 3. 凋亡蛋白酶凋亡蛋白酶Caspases: cysteine-containing aspartate-specific protease（含（含半胱氨酸半胱氨酸的的天冬氨酸天冬氨酸特特异水解酶）异水解酶） 是一组对底物的天冬氨酸部位有特异水

11、是一组对底物的天冬氨酸部位有特异水解作用，其活性中心富含半胱氨酸的蛋白解作用，其活性中心富含半胱氨酸的蛋白酶。酶。(1) (1) 定义及分类定义及分类apoptosisapoptosis概概 述述CaspasesCaspasesCaspasesCaspases的分的分的分的分类及其类及其类及其类及其功能功能功能功能CaspasesCaspasesCaspasesCaspases被激被激被激被激活的方式活的方式活的方式活的方式Caspase-3Caspase-8Caspase-9(3) caspase的作用底物的作用底物 凋亡蛋白酶激活的凋亡蛋白酶激活的DNADNA酶抑制物酶抑制物(ICAD)

12、核纤层核纤层（lamina）蛋白蛋白 细胞骨架蛋白：导致细胞解体，形成凋细胞骨架蛋白：导致细胞解体，形成凋 亡小体亡小体 其他的其他的caspases 灭活细胞凋亡的抑制物灭活细胞凋亡的抑制物核纤层核纤层蛋白蛋白LaminLamin在核内的在核内的结构和位置结构和位置4. 4. 内源性核酸内切酶与内源性核酸内切酶与DNA片断化片断化CAD激活方式激活方式DNADNA断裂与断裂与“梯状条带梯状条带”(1)(1)DNADNA断裂与断裂与“梯状条带梯状条带”(2)(2)典型凋亡细胞典型凋亡细胞DNADNA琼脂糖凝胶电泳（呈现梯状条带）琼脂糖凝胶电泳（呈现梯状条带）( (三三) ) 细胞凋亡相关基因细

13、胞凋亡相关基因抑制凋亡基因：抑制凋亡基因：Bcl-2，IAP促进凋亡基因：促进凋亡基因：wtP53，Bax双向调控基因：双向调控基因：c-myc，Bcl-x Bcl-2-B cell lymphoma/leukemia-2 * * Bcl-2 229aa 229aa构成（鼠构成（鼠236236）分布在线粒）分布在线粒体内膜体内膜, ,细胞内膜表面，内质网，核膜等处细胞内膜表面，内质网，核膜等处 * * Bcl-2 和和C. elegans 中的中的ced-9 有很高的同源有很高的同源性，具有促进细胞存活的功能性，具有促进细胞存活的功能* *Bcl-2的功能是延长细胞的寿命，而不是刺激的功能是延

14、长细胞的寿命，而不是刺激细胞的增殖细胞的增殖1. BcL-2家族分子家族分子(1)(1) Bcl-2家族分子结构家族分子结构 (2) BcL-2的同源基因和蛋白质的同源基因和蛋白质(3)(3) BcL-2抗凋亡机制抗凋亡机制n直接的抗氧化直接的抗氧化n抑制线粒体释放促凋亡的蛋白质抑制线粒体释放促凋亡的蛋白质n抑制促凋亡的抑制促凋亡的Bax，Bak细胞毒作用细胞毒作用n抑制抑制Caspases激活激活n维持细胞钙稳态维持细胞钙稳态2. Fas Fas 属肿瘤坏死因子受体属肿瘤坏死因子受体（TNFR)家族成员，家族成员， Fas配体（配体（FasL)属属TNF家族成员。家族成员。 Fas是跨膜蛋是

15、跨膜蛋白，由胞外区白，由胞外区(157 (157 aaaa) )，穿膜区，穿膜区(17 (17 aaaa) )及胞浆区及胞浆区(145 (145 aaaa) )组成。组成。Fas胞浆区一段胞浆区一段60607070氨基酸序氨基酸序列与列与TNFR胞浆区高度同源，并介导细胞死亡，胞浆区高度同源，并介导细胞死亡，称之为死亡域称之为死亡域(death domain，DD) )。 Fas较广泛较广泛地分布于多种类型的细胞。地分布于多种类型的细胞。 FasL与其受体与其受体Fas结结合导致细胞凋亡合导致细胞凋亡。 3. 3. P53基因基因pwtP53修复受损的修复受损的DNA，如修复失败则诱导细胞，如

16、修复失败则诱导细胞凋亡凋亡p突变的突变的P53失活的失活的P53丧失监视丧失监视DNA损伤的功能损伤的功能射线，毒素射线，毒素P53蛋白蛋白+细胞凋亡细胞凋亡 C-myc是一种原癌基因，是调控细胞周期的是一种原癌基因，是调控细胞周期的主要基因。编码的蛋白是主要基因。编码的蛋白是DNA结合蛋白，调控结合蛋白，调控基因转录。在基因转录。在GF充足时主要激活介导细胞增殖充足时主要激活介导细胞增殖的基因；反之激活凋亡基因。的基因；反之激活凋亡基因。 4 4、C-myc基因基因5 5、IAP家族家族 IAP家族是一组具有家族是一组具有BIR（baculoviral IAP repeat)结构域和抑制凋亡

17、的蛋白。结构域和抑制凋亡的蛋白。IAP家族蛋家族蛋白的白的BIR结构域是结构域是IAP 抑制凋亡的结构基础。抑制凋亡的结构基础。在人类已确定有在人类已确定有6 6种种IAP相关蛋白。在酵母和哺相关蛋白。在酵母和哺乳动物细胞中，乳动物细胞中，IAP家族蛋白能通过抑制家族蛋白能通过抑制caspase-3,7,9-3,7,9等的活性等的活性。6 6、其他基因、其他基因 Jun、fos、myb、asy、Rb等基因等基因都与细胞凋亡的发生有关都与细胞凋亡的发生有关二、发生机制二、发生机制三、凋亡与疾病三、凋亡与疾病一、概述一、概述apoptosis( (一）一） 细胞凋亡的生理意义细胞凋亡的生理意义1.

18、 1. 参与正常生长发育参与正常生长发育2. 2. 维持内环境稳定维持内环境稳定3. 3. 防御功能防御功能Normal functions of apoptosis 1(1) Deleting structures that are no longer required e.g. regression of the tadpole tail(2) Sculpting(3) Adjusting cell numbers in developing tissues, e.g. the nervous systemNGFNGFNGFtarget cellsdeveloping neuronsNGF

19、NGFNGFtarget cellsNormal functions of apoptosis 2(4) Tissue homeostasis, e.g. liver regeneration / regression(7) Killing of pathogen-infected cells by cytotoxic T cells(6) Removing potentially harmful cells e.g. developing T and B lymphocytes with self-reactive antigen receptors(5) Eliminating injur

20、ed / damaged cells, e.g. cells with damaged DNACTL肿瘤细胞肿瘤细胞CTL正在诱导肿瘤细胞凋亡正在诱导肿瘤细胞凋亡( (二）二） 细胞凋亡与疾病发生的关系细胞凋亡与疾病发生的关系细胞凋亡不足引起的疾病细胞凋亡不足引起的疾病 细胞凋亡增多引起的疾病细胞凋亡增多引起的疾病1. 1.癌症癌症: 1.AIDS: 1.AIDS病病淋巴瘤淋巴瘤 乳腺癌乳腺癌 前列腺癌等前列腺癌等 2.2.神经退行形病变神经退行形病变: :2.2.自身免疫疾病自身免疫疾病: : 老年性痴呆老年性痴呆 帕金森病等帕金森病等红斑狼疮红斑狼疮 风湿性关节炎风湿性关节炎 3.3.再生

21、障碍性贫血再生障碍性贫血3.3.病毒感染病毒感染 4.4.缺血性损伤缺血性损伤疱疹病毒疱疹病毒 腺病毒等腺病毒等 心肌梗塞心肌梗塞 再灌注损伤再灌注损伤 脑卒中脑卒中 5.5.心衰心衰 肝衰肝衰1. 1. 细胞凋亡在肿瘤发生中的作用细胞凋亡在肿瘤发生中的作用 细胞增殖过快及凋亡过少均在肿细胞增殖过快及凋亡过少均在肿瘤的发生中起了重要作用瘤的发生中起了重要作用P53突变，突变，Bcl-2的高表达在许多肿的高表达在许多肿瘤中都存在瘤中都存在Cancer TypesChemicalsVirusesRadiationMutatep53 GeneBladderBloodBrainBreastColonEsophagusLiverLungSpleenThyroidCarcinog