细胞增殖凋亡异常与疾病

第十二章细胞增殖与凋亡失调性疾病教学目的与教学要求1.掌握细胞增殖和凋亡的概念2.了解细胞增殖分化异常与相关疾病的关系3.掌握参与细胞裂周期基因4.熟悉细胞分化调控异常与疾病5.

熟悉P53

基因的作用机制6.熟悉细胞凋亡的过程与调控

第一节

细胞增殖失调性疾病DiseasesAssociatedwithCellProliferationDysregulation细胞增殖与凋亡失调性疾病细胞增殖异常AbnormalDifferentiationandDiseasesAbnormalApoptosisandDiseasesAbnormalProliferationandDiseases1.2.3.【CellProliferation】

细胞分裂和再生的过程，细胞通过分裂进行增殖，把遗传信息传给子代，保持物种的延续和数量增多。【Apoptosis】通过基因调控而引起的有序的细胞生理性死亡过程。是机体生长发育、器官形成及细胞更新的调控形式。细胞增殖异常细胞增殖分化异常与相关疾病增殖异常分化异常增殖分化异常再生障碍性贫血肥胖症恶性肿瘤白癜风遗传性血红蛋白病银屑病前列腺肥大肌营养不良畸胎瘤动脉粥样硬化先天畸形家族性红细胞增多症X-连锁-球蛋白缺乏症高IgM血症细胞增殖异常AbnormalCellProliferation,DifferentiationApoptosisandRelatedofDisease细胞增殖异常一、细胞周期异常与疾病（Abnormalcellcycle&diseases）细胞过度增殖或不足的本质是细胞周期调控异常。【Deregulationofcellcycle】■细胞周期驱动失控（Cyclin、CDK和CDI表达异常）■监控（检查）机制受损（Theimpairmentofcheckpointsystem）■细胞周期检查点（Checkpointofcellcycle）细胞内存在监控机制—检测点（Checkpoint）。

DNA损伤检查点G1/S

CheckpointDNA复制检查点S/G2

纺锤体组装检查点G2/M

细胞增殖异常1.细胞分裂周期基因（celldivisioncyclegene，cdcgene）：如：cdc8、20、24、28、31等参与细胞周期的调控；

2.原癌基因（proto-oncogene）：包括：src、ras、sis、myc、myb等在生理条件下参与调控细胞增殖；转化为癌基因，使细胞增殖失控，细胞癌变。

3.抑癌基因（supperession-oncogene）：如：Rb、p53等，是一类在细胞增殖条件下参与负调控细胞增殖。细胞增殖异常■细胞增殖↓、分化不良（过度）组织器官发育不全■细胞增殖↑、分化不全肿瘤发生

【细胞增殖过程】

细胞增殖异常细胞生长DNA复制细胞分裂Thesequentialultrastructuralchangesseenin:

necrosis(left)

apoptosis(right).细胞增殖异常【Checkmechanism】▲P53

：DNA损伤部位的AMT磷酸化P53，磷酸化P53上调p21Cipl基因转录，P21Cipl与CDK-cyclin复合物结合，抑制CDKs激活，阻滞G1/S过渡，为DNA修复提供足够时间。▲

Cdc25：负责G2期处检查。二、细胞周期中的信号系统调控温度、pH、营养、药物、感染、射线细胞因子、激素、生长因子

1.生长因子（growthfactor)通过与细胞膜上特异受体结合，调节细胞周期的多肽类物质。

PDGF、EGF、IL、TGF、FGFNGF等，对G0细胞进入S期有调节作用

2.激素（Hormone)

蛋白类激素R在细胞膜上固醇类激素R在细胞质中细胞增殖异常pRbE2F2.细胞外信号的调控（Regulationofextracellularsignals）G1期有一个“限定点”（restrictionpoint），决定细胞是否进入周期。

“限定点”主要受细胞外信号的调控。

■刺激信号（生长因子）细胞增殖异常（EGF、IGF、IL）■抑制信号（TGF-β）下调cyclin和CDK4的表达和促进P21wafl、P27kipl和P15ink4b等CDI产生，使细胞阻滞在G1期。

■细胞生长条件不具备使P16INK4a和P15INK4b增加抑制CyclinD-CDK4/6复合物的功能，细胞阻滞在G1期。三、细胞增殖失调性疾病（TheDiseaseAssociatedwithCellProliferationDysregulation）（一）肿瘤细胞增殖（TheCellProliferationinTumor）1.生长分数与肿瘤细胞增殖（GrowthFractionandtheCellProliferationinTumor）决定群体细胞增殖速率的动力学参数包括:细胞周期时间、细胞凋亡率和生长分数：

AGF=——————A+B+CGF：GrowthFraction；A：Proliferativecell，B：postpositiveproliferativecell，C：Non-proliferativecellGF决定肿瘤的生长快慢。影响细胞生长分数的因素：

（Theinfluencefactorsofthegrowthfraction）癌基因（src、ras、sis、myc、myb）的激活；抑癌基因（Rb、p53）的抑制等。目前研究热点：（1）cyclin如：CLND（D1、D2、D3）、CLNE过度表达；（2）CDI的缺失与突变；（一）细胞周期驱动机制失控■Cyclins的过表达（Overexpressionofcyclins）肿瘤的发生与cyclin（D、E）过量表达有关。【CyclinD1（Bcl-1）过表达原因】（原癌基因）▲基因扩增（CyclinD1过表达的主要机制）乳腺癌、胃癌、食道癌存在CyclinD1基因扩增过度。细胞增殖异常细胞增殖异常▲染色体倒位（Chromosomeinversion）CyclinD1基因倒位于甲状旁腺启动子控制下CyclinD1蛋白合成↑▲染色体易位（Chromosometranslocation)Bcl-1t(11:14)(q13:q32)易位甲状旁腺腺癌

CyclinD1受Ig重链基因增强子影响

CyclinD1表达↑（p15:q13）▲基因突变CyclinD1T286突变CyclinD1泛素化受阻CyclinD1↑■CDK表达异常主要见于CDK4、CDK6过表达。CDK4↑+cyclinD结合↑CDK4/cyclinD↑CDKs表达↑

pRbpRb磷酸化↑细胞增殖过度

E2F↑G1/S过渡加速【CyclinD过表达致肿瘤机制】CyclinD过表达+生长因子

CDKs瀑布效应↑细胞增殖过度易发生细胞癌变细胞增殖异常可能细胞增殖异常■CDI表达不足和突变

肿瘤细胞常出现CDI（肿瘤抑制基因）表达不足或突变。▲InK4失活

【p16InK4基因失活原因】

突变或缺失、染色体易位、p16InK4高度甲基化。【Mechanism】p16InK4基因表达↓CDK4与cyclinD结合↓细胞周期处在“易于”被启动状态

易发生细胞癌变

可能细胞增殖异常正常【Mechanism】

p53基因突变P21cip1转录↓DNA受损细胞增殖↑▲

Kip/Cip含量减少（DeficientexpressionofKip/Cip）

P21cipl功能cyclins/CDKs活性↓细胞周期速度↓增殖细胞核抗原（PCNA）阻滞DNA复制2.细胞周期监控机制受损(Impairmentofcheckpointsystem)

主要原因：G1/S、G2/M检查点异常失察结果：探测DNA损伤功能降低

（如发现不了DNA损伤，会导致基因缺失、易位、染色体重排等）

细胞增殖异常

▲P53突变或丢失易发生细胞癌变

致变剂检测点检查功能↓遗传不稳定性复制忠实性↓■G1/S交界处失察

▲P53进入S期

DNA损伤修复成功

G1/S检查停顿G1期损伤DNA修复修复失败细胞凋亡下调bcl-2表达、激活bax基因P53

表2人类肿瘤p53基因突变热点和频率肿瘤型突变频率（%）突变热点肿瘤型突变频率（%）突变热点肺癌56157，248，273前列腺癌30不确定结肠癌50175，245，248，273肝细胞癌45249食道癌45不确定胶质癌25175、248卵巢癌44273乳腺癌22175、248、273胰腺癌44273子宫内膜癌22248皮肤癌44248、278甲状腺癌13248、273胃癌41不确定白血病12175、248头颈鳞癌37248宫颈癌7273膀胱癌34280软组织肉瘤31不确定细胞增殖异常

■G2/M交界处失察

G2/M交界处

DNA双链断裂激活DNA损伤检查点阻止细胞进入M期诱导修复基因转录完成断裂的DNA修复

▲失去G2/M检查点的阻滞作用染色体发生重排、丢失细胞增殖异常（二）平滑肌细胞增殖（TheCellProliferationinSmoothMuscle）主要表现在：（1）EGF、IGF、IL、PDGF可促进平滑肌细胞由G0期向G1期转变；（2）平滑肌细胞自分泌失调促进细胞增长高分泌PDGF、平滑肌源性生长因子、平滑肌源性游走因子。抑制细胞增长的生长因子：PDGF-AA和TGF-β如：动脉粥样硬化（Atherosclerosis）：两者水平失衡。平滑肌细胞对生长因子的敏感性增高动脉粥样硬化（Atherosclerosis）时,平滑肌细胞从收缩型合成型

(成人型)(胚胎型)敏感性增高

细胞周期素(CLN)(CLNA、D和E)细胞周期蛋白依赖激酶抑制因子如（p21、p27）表达不足原发性血小板增多症（PT）■临床症状：以巨核细胞增殖为主的骨髓增生性疾病。伴有血小板持续增多和血小板功能异常，有反复自发性出血及血栓形成。由于血小板功能缺陷，粘附及聚集功能减退，血小板第三因子降低，5-羟色胺减少以及释放功能异常。部分病人凝血机制不正常，毛细血管脆性增加。因血小板过多，活化的血小板产生血栓素，易引起微血管内血栓形成。■病因与机制：X染色体遗传、TGF-减少、辅助细胞缺乏等。良性前列腺增生■发病机制：细胞增殖不变，细胞凋亡出现下降，导致良性前列腺增生。■良性前列腺增生的病因：众说纷纭，如新生物学说、动脉硬化学说、炎症学说、内分泌学说以及体型、种族、社会因素、代谢营养因素等。Prostate银屑病■发病机制：表皮生长因子受体的增加和受体的减少是引起表皮细胞增长过快的原因。银屑病的发病原因目前有遗传，免疫功能紊乱，精神刺激,外伤感染等多方面的学说,但至今尚无明确定论。2.肺纤维化（Pulmonaryfibrosis）

肺血管受损纤维蛋白酶↑↑↑成肌纤维细胞成胶原细胞胶原蛋白沉积机体缺氧气体弥散障碍肺泡膜增厚细胞分化异常3.肥胖症（Morbidobesity）肥胖症是指体内脂肪堆积过多和/或分布异常，体重增加。

表现为脂肪组织与其他组织失去正常比例的一种状态。前脂肪细胞过度向脂肪细胞分化，导致脂肪组织内脂肪细胞数量增加。细胞分化异常2.细胞分化特点■稳定性、■全能性、■选择性、

■细胞分化条件的可逆性。1.

干细胞特征■全能干细胞；■多能干细胞；■定向干细胞细胞分化异常四、细胞分化调控异常与疾病DeregulatedcelldifferentiationandDisease（一）细胞分化与调控(Regulation,Differentiation)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。3.细胞间相互作用

细胞分化与细胞所在位置及与其他细胞的联系有关。其效应可以是细胞间直接接触所进行信息转导，也可以是细胞外物质的作用结果。（二）Mechanismofcelldifferentiation1.细胞决定（Determination）的选择作用

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。“决定”先于分化。

细胞分化异常

2.细胞质在决定细胞差别中作用由于干细胞在分裂时，细胞质分配的不均匀，导致子代干细胞的胞质组分（细胞质决定子）不同，导致子细胞产生差别。4.

基因水平调控（Regulationonthegenomiclevel）■

House-keepinggenes（与分化关系不密切）House-keepinggenesgenerallyencodeproteinsthatparticipateinbasicoruniversalcellularfunctionsessentialformaintainingcellsurvival.■组织专一基因（与细胞分化关系密切）细胞分化异常5.转录和转录后调控（Regulationontranscriptionandpost-transcriptionlevels）■转录水平调控（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前体处理、加工和iRNA调节）细胞分化异常6.翻译与翻译后水平调控细胞分化异常7.细胞外因素调控（Extracellularfactorsthatcontroldifferentiation）细胞外信号物质、基质和营养因素等可改变细胞分化状态。细胞分化异常

►Abnormaldifferentiation&diseases

1.

肿瘤（Tumor）

■Hallmarkofcancersdifferentiation

▲低分化、去分化或逆分化

▲异质性指同一种组织细胞的肿瘤，其瘤细胞分化程度和分化方向的存在着差异性。未分化已分化●胚胎性基因重现表达肝癌细胞合成AFP和胎儿型醛缩酶A；结肠癌合成CEA表达。细胞分化异常■分化障碍发生机制（Mechanismofderegulationdifferentiation）▲细胞的增殖和分化脱耦联▲基因表达时空上失调●特异性分化基因表达受到抑制

细胞分化异常

▲癌基因和抑癌基因的协同失衡

●癌基因突变、外源基因插入、基因扩增、染色体易位、基因重排和甲基化程度降低等引起癌基因过度表达与激活。

●抑癌基因缺失、失活和突变，削弱细胞分化和增殖调节系统的显性负调节信号，增强了细胞恶变的可能性。

第二节

细胞凋亡失调性疾病DiseasesAssociatedwithCellApoptosisDysregulation►细胞死亡的模式■Necrosis=细胞意外性死亡■

Apoptosis=细胞自发性死亡NecrosisApoptosis一、细胞凋亡的一般生物学特征GeneralBiologicalCharacteristicsofCellApoptosis细胞凋亡异常

由于体内外生理或病理因素触发细胞内预存的死亡程序而导致的细胞主动死亡过程。【Conceptofapoptosis】细胞凋亡异常【凋亡的生理学意义】■参与发育、生长。■维持内环境稳定。■参与防御反应。凋亡的概述（1）（2）（3）SydneyBrennerH.RobertHorvitzJohnE.Sulston

凋亡的概述Oct.7th,2002SydneyBrenner(England),H.RobertHorvitz(USA)andJohnE.Sulston(England)gotNobelprizeinphysiologyandmedicineaboutapoptosisstudy.凋亡的概述凋亡过程可大致分成4个阶段：凋亡信号转导*凋亡基因激活凋亡的执行凋亡细胞的清除凋亡的概述凋亡相关基因：P53，Fas，Bax，ICE双向调控基因：c-myc，Bclx抑制凋亡基因促进凋亡基因凋亡相关基因：Bcl-2，EIB，Ras细胞凋亡不足:1.肿瘤2.自身免疫病:SLE、1型糖尿病、类风湿性关节炎、多发性硬化症、慢性甲状腺炎。细胞凋亡过度:1.心血管疾病2.神经元退行性疾病3.感染性疾病阿尔茨海默病（Alsheimerdisease，AD）细胞凋亡不足与过度并存动脉粥样硬化症(内皮细胞凋亡过度，平滑肌细胞增殖＞凋亡)细胞凋亡的调控凋亡的概述凋亡相关基因激活DNase激活、Caspases激活巨噬细胞吞噬分解凋亡细胞（一）►细胞凋亡大致过程（Theprocessofapoptosis）+cAMP、Ca2+、神经酰胺死亡信号凋亡诱导因素受体凋亡信号转导

凋亡基因激活

凋亡的执行

凋亡细胞清除

一、细胞凋亡的过程与调控（Process&Regulationofcellapoptosis）细胞凋亡异常■凋亡细胞（实体细胞）与周围细胞脱接触■胞膜空泡化（Blebbing）■细胞固缩（Condensation）、核固缩和发芽■凋亡小体（Apoptoticbody）凋亡细胞(扫描电镜)凋亡细胞(透射电镜)APLApoptosis（二）细胞凋亡的形态学改变（Themorphologiccharacteristicsofapoptosis）（二）

►凋亡时细胞的主要变化（Featuresofapoptosiscells）细胞凋亡异常DNA片段化（DNAladdingpattern）激活核酸内切酶

核小体连接区发生DNA降解，寡核小体片段（160～200bp的倍数）（三）细胞凋亡的生化改变（Thebiochemicalcharacteristicsofapoptosis）细胞凋亡异常■钙超载（Calciumoverload）Ca2+载体A23187B淋巴细胞内[Ca2+]↑诱导B细胞凋亡（Ca2+在细胞凋亡中充当凋亡信号传递的角色）■内源性核酸内切酶激活Ca2+/Mg2+增加核酸内切酶活性Zn2+抑制核酸内切酶活性■细胞膜磷脂酰丝氨酸外翻（caspase激活、PKC活化、蛋白合成等）（四）影响细胞凋亡的主要因素Themainlyinfluencefactorsofapoptosis

Table：Themainly

influencefactorsofapoptosis

诱导性因素（Inducers）抑制性因素（Inhibitors）理化因素射线、高温、强酸、细胞因子IL-2、NGF等强碱、应激、抗癌药激素ACTH、睾丸酮、雌激素激素和因子糖皮质激素、TNF其它Zn2+、苯巴比妥、半胱氨免疫性因素CTL分泌的粒酶酸蛋白酶抑制剂、EBV、病原体因素HIV、HCV牛痘、病毒、中性氨基酸

细胞凋亡异常1.Concept,Classification,ConstructionofCaspases■概念：Caspase属于半胱氨酸蛋白酶家族，14个成员(Caspase1-14)。细胞凋亡异常（五）细胞凋亡的信号传导（Caspases依赖的pathway）■Caspase信号通路分类

上游（Caspase-8,-9,-10）下游（Caspase-2,-3,-6,-7）（共同通路）▲

Caspase（Ced-3亚家族）死亡受体通路线粒体途径大小亚基结合（二聚体）

caspase活化（四聚体）■结构特点

Pro-caspase：NH2末端结构域、20KD亚基、10KD亚基剪切Twomajorpathwaystoactivateeffectorcaspases:1.Extrinsic(deathreceptor)pathway2.Intrinsic(mitochondrial)pathway-releaseofcyto-c凋亡途径的概述2．死亡受体通路（Extrinsicorcytoplasmicpathway）■死亡受体TNFR、Fas、DR3、DR4、DR5等是一类通过与相应配体结合，传递细胞凋亡信号的细胞膜蛋白。■通路（pathway）细胞凋亡异常FSALFADDPro-caspase-8Caspase-8Caspase-3Pro-caspase-3细胞凋亡生长因子、信号、Fas抗体FASFADD（Fas-associateddeathdomain）；DD（deathdomain）；DED（deatheffectordomain）。DEDDEDDDcaspase-10膜通透性↑、线粒体肿胀、△m↓Apaf-1活化Cyt.c

3．线粒体途径（Intrinsicormitochondrialpathway）

Ca2+NO缺血缺氧活性氧MPT开放Cyt.c+Pro-caspase-9Caspase-9ATPApaf-1+Apaf-1活化Cyt.cCARDapoptosome细胞凋亡异常AIFcaspase-independentapoptosisPro-Caspase-3凋亡Caspase-3Apaf-1-------凋亡酶激活因子-1（apoptoticproteaseactivatingfactor-1），线粒体膜通透转运孔细胞凋亡异常c-FLIP:cellularFas-associateddeathdomain-likeIL-1beta-convertingenzymeinhibitoryprotein脱氧核糖核酸酶(caspase-activateddeoxyribonulease，CAD)Pro-caspase-2caspase-2Pro-caspase-6Caspase-6Pro-caspase-7caspase-7Pro-caspase-9ICAD（抑制性CAD）CAD（caspase活化DNA酶）CDA进入细胞核内降解DNA细胞凋亡剪切细胞内结构蛋白caspase-94．Activationofcaspase-3（共同通路）(Effectorcaspase)Caspase-3Pro-caspase-3细胞凋亡异常►细胞凋亡的发生机制（Mechanismofapoptosis

）1．氧化损伤（Oxidationdamage）氧自由基破坏了机体正常的氧化/还原动态平衡，造成生物大分子的氧化损伤，形成严重的氧化应激状态。【Mechanism】激活p53基因、消耗ATP、生物膜脂质过氧化、激活核酸内切酶,启动细胞凋亡。各种氧化剂、缺氧等直接通过氧化损伤诱导细胞凋亡。2．钙超载（Calciumoverload

）3．线粒体损伤（Mitochondriadamage）细胞凋亡异常►细胞凋亡的调控机制（Regulatedmechanismofapoptosis）表细胞凋亡的调控基因功能基因抑制凋亡基因Bcl-2Bcl-XL、A1/Bfl-1、Bcl-w、Bcl-G和Mcl-1等促凋亡基因P53、Bax、Bad、Bak、Bid、Bim、Bik、Bok、

Bcl-B、Bcl-Xs、Krk、Mtd、Nip3、Nix、Noxa等双向调控基因c-myc、Belx【调控基因】细胞凋亡异常Bcl-2■Bcl-2（Bcl-XL）能够抑制线粒体MPT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Caspase抑制剂1．Bcl-2基因家族（Bcl-2Family®ulatingfunctions）细胞凋亡异常CARDMPT开放膜通透性↑、线粒体肿胀、△m↓Cyt.cATPApaf-1+Apaf-1活化Cyt.cApaf-1活化Cyt.c+Pro-caspase-9apoptosomeAIFCaspase-9Pro-Caspase-3Caspase-3凋亡caspase-independentapoptosis【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。2．p53基因（抑癌基因）

Asatranscriptionfactor,p53regulatesdownstreamgenesimportantincellcyclearrest,DNArepair,andapoptosis.AfterDNAdamage,p53holdsthecellatacheckpointuntilthedamageisrepaired.Ifthedamageisirreversible,apoptosisistriggered.细胞凋亡异常

表：与细胞凋亡异常相关的疾病

凋亡不足凋亡过度肿瘤肝癌、恶性血液肿瘤、乳腺癌发育异常气管-食管瘘、房（室）间隙缺、膀胱癌、肺癌、胶质瘤、前损、唇（腭）裂、短肢畸形、