第九章 细胞凋亡异常与疾病.ppt

1、第九章 细胞凋亡异常与疾病Disturbance of apoptosis and diseases,讲授内容,一、细胞凋亡的概念,二、细胞凋亡的过程及其调控,三、细胞凋亡的发生机制 四、细胞凋亡与疾病,五、细胞凋亡在疾病防治中的意义,细胞凋亡的概念 凋亡（apoptosis）一词来自希腊语，apo指分离，ptosis指落下，Apoptosis即花瓣或树叶的枯落。 1972年Kerr等人首先提出了一个不同于传统坏死的细胞死亡新概念 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细胞死亡过程，又称程序性细胞死亡（programmed cell death

2、 ,PCD）。,Cell death These electron micrographs show cells that have died by (A) necrosis or (B and C) apoptosis. The cells in (A) and (B) died in a culture dish, whereas the cell in (C) died in a developing tissue and has been engulfed by a neighboring cell.,细胞坏死与凋亡的区别,坏死 凋亡,性质,诱导因素,强烈刺激，严重损伤,较弱刺激，轻度

3、损伤,形态变化,DNA降解,炎症反应,基因调控,细胞结构全面溶解、破坏、成群细胞死亡,胞膜及细胞器相对完整,形成凋亡小体,个别细胞死亡,不规则,电泳不呈梯状分布,规则,电泳呈梯状分布,溶酶体破裂，局部有炎症反应,溶酶体相对完整，局部无炎症反应,有,主动而有序的有控降解,病理性细胞死亡,生理性或病理性细胞死亡,无,被动而无序的随机降解,蛋白质合成 无 有,细胞凋亡的意义biological significance of apoptosis：,确保正常的生长发育(development )：清除无用、多余的细胞。 维持内环境稳定(maintenance of homeostasis) ：清除受损

4、、突变或衰老的细胞。 发挥积极的防御功能(defense reaction)： 清除病毒感染的细胞等对机体有害的细胞。,Sculpting the digits in the developing mouse paw by apoptosis.,Tissue remodeling.,The resorption of the tadpole tail at the time of its metamorphosis into a frog occurs by apoptosis.,Elimination of transitory organs and tissues.,细胞凋亡参与皮肤更新,

5、第二节 细胞凋亡及其调控 一、细胞凋亡大致过程(process) （四个阶段） 1.凋亡信号转导(signal transduction) 2.凋亡基因激活(activation of apoptotic genes) 3.凋亡的执行（execution of death, 由DNase 和 caspases执行） 4.凋亡细胞的清除(clearance of apoptotic cells) 。,凋亡过程小结,+受体,cAMP Ca2+ 神经酰胺,凋亡诱导因素,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,基因激活,二、凋亡时细胞的主要变化 （一

6、）细胞凋亡的形态学改变 1.细胞核的变化: 核固缩、核染色质凝聚、边集，最后解离形成核碎片。 2.细胞质的变化: 细胞表面微绒毛消失，并逐渐与周围细胞脱离。 胞质脱水、体积缩小、空泡化；内质网不断扩张并与胞膜融合，形成膜表面的芽状突起，即出芽（buding）。,(二) 细胞凋亡时的主要变化,细胞凋亡的形态学变化(Morphological changes),（二） 细胞凋亡的生化改变 1. DNA的片段化（fragmentation of DNA): 即D NA双链片段化断裂。其断裂部位发生在染色质核小体的连接部，此处易受内源性核酸内切酶 的攻击而断裂。,DNase,DNA链上每隔200个核苷

7、酸就有1个核小体，当 核酸内切酶在核小体连接部切开DNA时，即可形 成180 200bp或其整倍数的DNA片段。这些片段在 琼脂糖凝胶电泳中可呈特征的阶梯状条带，是判 断细胞凋亡的客观指标之一。,DNA ladder,DNA fragmentation,chromatin,DNA,core histone,nucleosome,180bp,endonucleolytic,Detection of DNA fragmentation,2. 内源性核酸内切酶激活及其作用： Activation and activity of endonuclease ( caspase-activated deo

8、xyribonuclease, CAD) 在正常情况下，内源性核酸内切酶以无活性的形 成存在于细胞核内。如被激活就可切断染色质DNA。,核酸内切酶 (无活性） Ca2+ Mg2+ 核酸内切酶(有活性) 切开DNA(核小体连接部),3. Caspase的激活及其作用*Activation and activity of Caspases,含半胱氨酸的门冬氨酸特异水解酶 （cysteine containing aspartate-specific proteases， CASPASES)是一组对底物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酶。,Caspases8、9、10起凋亡启

9、动子作用， Caspases3、6、7、9、12起凋亡效应子作用，能分解细胞蛋白，起凋亡执行器作用。,凋亡蛋白酶原,死亡信号 + 受体,（受体激活途径）,死亡信号 损伤线粒体,（线粒体激活途径）,凋亡蛋白酶,2004 0484,Mechanism of caspase activation,catalytic domain requires amino acids from large and small subunits,zymogen,active caspase,prodomain,small,large,prodomain,autoproteolysis, other caspases

10、,Asp,Asp,凋亡蛋白酶(caspases)作用 (1)水解蛋白质，分割胞质，形成凋亡小体 (2)灭活凋亡抑制物（Bcl-2） (3)参加凋亡级联反应，水解凋亡相关活性蛋白,三、细胞凋亡的调控,（一）细胞凋亡相关因素,（二). 细胞凋亡信号的转导,（三） 细胞凋亡的相关基因,（一）细胞凋亡相关因素factors associated with apoptosis 1.细胞凋亡的诱导因素与抑制因素 (1)诱导因素（启动细胞凋亡） 理化因素：电离辐射、高温、强酸、强碱、细胞毒 性抗癌药等。 激素和生长因子失衡：二者过多或缺乏均可应起细 胞凋亡。例：强烈应激反应 糖皮质激素 淋巴细胞凋亡。 病原

11、体：细菌、病毒等。例：HIV CD4+T细胞 凋亡。 (2)抑制因素（抑制细胞凋亡） 细胞生长因子：如IL-2 、神经生长因子。 激素 例：ACTH 肾上腺皮质细胞凋亡。 其他：如Zn2+、药物、某些病毒等。,凋亡诱导因素 作用于 细胞 转化为 凋亡信号 胞内信号转导途径 激活细胞死亡程序 细胞凋亡（DNA片段化及蛋白解体）。,（二). 细胞凋亡信号的转导,凋亡信号转导系统的特点：,（1）多样性：即不同种类的细胞有不同的信号转导系统。 （2）偶联性：即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、偶联。同一个信号，在不同条件下既可引起凋亡，也可引起增殖。 （3）同一

12、性：即不同的凋亡诱导因素可通过同一信号转 导系统引起细胞凋亡。 （4）多途性：即同一凋亡诱导因素，可通过多条信息转导途径引起的细胞凋亡。,1. 胞内Ca2+ 信号系统,蛋白激酶A,蛋白质或酶磷酸化,酶活性改变 膜通透性改变 基因转录加快 蛋白质合成加速,信息效应,AMP,cAMP-蛋白激酶途径总结,3.FAS蛋白/FAS配体信号转导系统Death receptor-induced signaling,2003 0276,4 . 神经酰胺(ceramide)信号转导系统,神经鞘磷脂 Sphingomyelin，SM,神经酰胺ceramide,SM酶,二酯酰甘油/蛋白激酶C信号系统,MAPK 信号

13、系统,（三） 细胞凋亡的相关基因 Genes associated with apoptosis （1）抑制凋亡(anti-apoptotic genes) 基因：Bcl-2、EIB 、IAP（inhibitors of apoptosis proteins)等。 Bcl-2(B-cell lymphoma/leukemia -2)基因： 分布：造血细胞、上皮细胞、淋巴细胞、多 种瘤细胞。 BCL-2 家族：抗凋亡的Bcl-2、Bcl-XL、Mc1-1等。 促凋亡的Bad、Bax、Bak、Bid等。,2004 0491,Bcl-2 family members,Chan and Yu (200

14、4). Clin. Exp. Pharm. Phys. 31:119-28,2004 0497,Interactions of Bcl-2 family members,Chan and Yu (2004). Clin. Exp. Pharm. Phys. 31:119-28,功能：抑制多种凋亡诱导因素（如电离辐射、化学药物） 所引起的细胞凋亡。 机制： *直接抗氧化而抑制细胞调亡； *抑制线粒体释放促凋亡的蛋白质； *抑制促凋亡调节蛋白的细胞毒作用； *抑制凋亡蛋白酶的激活； *维持细胞钙稳态。,（2）促进凋亡（proapoptotic genes) 基因：p53、ICE、Fas、Bax等。

15、 野生型p53基因编码p53蛋白，故名。 功能：促使恶性肿瘤细胞、衰老细胞或损伤较重的 细胞凋亡，修复受损的细胞（分子警察）。,机制：射线、毒素 DNA损伤+P53 蛋白 启动DNA修复机制 DNA修复 启动细胞凋亡机制 细胞凋亡,P53 基因突变后反而抑制细胞凋亡,值得注意。,2004 0498,Role of p53 in cell survival and apoptosis,p53,DNA damage,cell cycle arrest,DNA repair,（3）双向调控基因：C-myc 双向调节： 诱导细胞增殖（有生长因子） 诱导细胞凋亡（无生长因子）,第三节 细胞凋亡的发生机制

16、,1. 氧化应激,2. 钙稳态失衡,3. 线粒体损伤,(一) 氧化应激（oxidative stress）与自由基的损伤作用 1.氧自由基对DNA损伤导致聚ADP核糖转移酶活化和P53基因的激活。前者引起NAD快速耗竭，ATP 大量消耗，使细胞凋亡。后者具有促进细胞 凋亡的功能。 2.氧自由基攻击细胞膜上不饱和脂肪酸，引起脂质过氧化直接造成细胞膜损伤，导致细胞凋亡。 3.氧化应激可激活Ca2+/Mg2+ 依赖的核酸内切酶及活化核转录因子如NF-B，诱导细胞凋亡。 4.氧化应激引起细胞膜结构的破坏，使Ca2+ 内流增加；脂质过氧化等诱导细胞凋亡。,(二) 钙稳态失衡（ Calcium dysho

17、meostasis） 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，催化细胞内肽链间的酰基转移，在肽链间形成共价键，使细胞骨架蛋白分子间发生广 泛交联，有利于凋亡小体形成。 3.激活核转录因子，加速细胞凋亡相关基因的转录。 4.Ca2+ 在ATP的配合下使DNA链舒展，暴露出核小体之间的连接区内的酶切位点，有利DNA内切酶切割 DNA。,(三) 线粒体损伤（ Mitochondria injury）,(三) 线粒体m下降与细胞凋亡,Ca2+ 浓度升高,活性氧,NO 缺血 缺氧 原卟啉,线粒体内膜的跨膜电位下降,PTP开放,释放细胞凋亡的始动因子,Ap

18、arf 和Cyt.C,凋亡诱导因子,激活核酸内切酶,激活Caspase 9,Caspase 3,2004 0481,第四节 细胞凋亡与疾病Cell proliferation - apoptosis = homeostasis,proliferation,apoptosis,homeostasis,time,一、细胞凋亡不足(inadequate apoptosis) 1.肿瘤(cancer) 细胞增殖过度、细胞凋亡不足。 实验研究： P53基因（促凋亡基因）缺失或突变 Bcl-2基因（抑制凋亡基因）表达过度 临床应用： 放疗、化疗 诱导瘤细胞凋亡,细胞凋亡不足 肿瘤,2.自身免疫病(Auto

19、immune diseases) 机体对自身抗原发生免疫应答： 自身组织损伤。 针对自身抗原免疫细胞凋亡不足：自身免疫病。 例：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。 临床应用： 应用 糖皮质激素诱导自身免疫性淋巴细胞凋亡。,二、细胞凋亡过度Excessive apoptosis,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；梗死灶的中央以细胞坏死为主，梗死灶周边以细胞凋亡为主；轻度缺血以细胞凋亡为主，重度缺血以细胞坏死为主； 在一定时间范围内缺血再灌注损伤时细胞凋亡加重；急性严重缺血以坏死为主，慢性、轻度的心肌缺血以细胞凋亡为主。,（一）心血