分子生物学细凋亡PPT课件

细胞凋亡细胞凋亡 Apoptosis主要内容主要内容 细胞凋亡细胞凋亡（科普诗）（科普诗）一、概述一、概述 细胞凋亡细胞凋亡(apoptosis)apoptosis)，是是19721972年年由由KerrKerr等建议等建议用来描述伴随细胞死亡的一系列用来描述伴随细胞死亡的一系列形态学上形态学上固定的固定的变化形式的。变化形式的。“凋亡凋亡”一词来自希腊语，一词来自希腊语，apoapo意为意为“分离分离”，ptosisptosis指花瓣或树叶的脱落指花瓣或树叶的脱落，“凋亡凋亡”是由这两个词组合而成，意指是由这两个词组合而成，意指细胞凋亡细胞凋亡的形态类似秋天花瓣或树叶的凋落一样的形态类似秋天花瓣或树叶的凋落一样（一）细胞凋亡研究简史细胞凋亡研究简史1 1 凋亡概念的形成凋亡概念的形成n2 2细胞凋亡的形态学及生物化学研究阶段：（细胞凋亡的形态学及生物化学研究阶段：（1972-1972-19871987）n3 3细胞凋亡的分子生物学研究阶段，最近几年细胞凋亡的分子生物学研究阶段，最近几年n4 4细胞凋亡的临床应用基础研究阶段细胞凋亡的临床应用基础研究阶段2002年年10月月7日英国人日英国人悉尼悉尼布雷诺尔、美国人罗伯特布雷诺尔、美国人罗伯特霍维霍维茨和英国人约翰茨和英国人约翰苏尔斯顿苏尔斯顿，因在，因在细胞程序性死亡细胞程序性死亡方面的研方面的研究获诺贝尔究获诺贝尔诺贝尔生理与医学奖诺贝尔生理与医学奖。他们不但发现在生物的器官发育过程中存在细胞程他们不但发现在生物的器官发育过程中存在细胞程序性死亡，而且阐明了细胞程序性死亡过程中的基因规律。序性死亡，而且阐明了细胞程序性死亡过程中的基因规律。H.Robert HorvitzJohn E.Sulston THE NOBEL DIPlOMA2002年诺贝尔医学与生理学颁奖仪式，瑞典年诺贝尔医学与生理学颁奖仪式，瑞典斯德哥尔斯德哥尔摩音乐厅摩音乐厅。Sydney Brenner receiving his Nobel Prize from His Majesty the King at the Stockholm Concert Hall.Photo:Hans Mehlin,Nobel e-Museum（二）细胞死亡的方式1.细胞坏死(necrosis)n是细胞受到急性强力伤害时立即出现的反应n早期表现为细胞膜破坏，线粒体肿胀n溶酶体破裂,细胞内容物流出,引起炎症坏死坏死坏死炎细胞浸润坏死炎细胞浸润细胞凋亡的概念：细胞凋亡的概念：由体内外因素触发细胞内预存的死亡程序而导致由体内外因素触发细胞内预存的死亡程序而导致 的细胞死亡过程的细胞死亡过程 细胞凋亡的特点：细胞凋亡的特点：细胞通过出芽的方式形成许多细胞通过出芽的方式形成许多凋亡小体凋亡小体；凋亡小体内凋亡小体内有结构完整的细胞器有结构完整的细胞器；溶酶体活性不增加溶酶体活性不增加 内切酶活化，内切酶活化，DNADNA片断化片断化，凝胶电泳图谱呈，凝胶电泳图谱呈梯状梯状 2.细胞凋亡(apoptosis)凋亡凋亡3.细胞程序性死亡n细胞程序性死亡细胞程序性死亡（programmed cell death，PCD）是一种基因指导的细胞自我消亡方式。nPCD和细胞凋亡的区别在以下方面：nPCD是功能性概念，凋亡是形态学概念。n大多数PCD的最终结果是细胞凋亡，但细胞凋亡并非都是程序化的。nPCD存在于胚胎发育过程中。细胞凋亡与细胞坏死的比较(一)细胞凋亡与细胞坏死的比较(二)n细胞凋亡的特征是细胞由于降解酶，主要是水解酶（蛋白酶与核酸酶）的作用，在近乎正常的细胞质膜内趋向死亡。这与坏死时细胞质膜早期破损不同。n在细胞凋亡过程中，质膜脂双层丧失二侧不对称性，磷脂酰丝氨酸暴露于细胞表面，从而导致被吞噬。（三）线虫（三）线虫(C.elegant)中的细胞程序性死亡中的细胞程序性死亡隐杆秀丽线虫隐杆秀丽线虫（Caenorhabditis elegans,C elegans）低等蠕虫，虫体透明，低等蠕虫，虫体透明，易于观察体内细胞形态易于观察体内细胞形态的变化。的变化。经典凋亡模型经典凋亡模型Apoptosis is all around us（四）生理性细胞凋亡的作用多余细胞的清除生理性细胞凋亡的作用病毒DNA二、细胞凋亡的形态学二、细胞凋亡的形态学变化和生化改变变化和生化改变（一）细胞凋亡的形态学变化（一）细胞凋亡的形态学变化n细胞首先变圆,随即与邻周细胞脱离,n失去微绒毛,胞浆浓缩,内质网扩张呈泡状并与细胞膜融合,n核染色质密度增高呈半月形,并凝聚在核膜周边,核仁裂解,n进而细胞膜内陷将细胞自行分割为多个外有膜包裹、内涵物不外泄的细胞凋亡小体，n被吞噬细胞或邻周细胞所识别、吞噬,或自然脱落而离开生物。n不引起炎症反应和次级损伤。apoptosisapoptosis凋亡过程与调控凋亡过程与调控空泡化固缩出芽边集凋亡小体 形态学特征：染色质边集染色质边集胸腺细胞胸腺细胞正常正常凋亡凋亡A comparison of normal and apoptotic T-cells.胸腺细胞胸腺细胞正常正常凋亡（二）细胞凋亡的生化改变（二）细胞凋亡的生化改变DNA片断化caspase激活灭活凋亡抑制物水解活性蛋白水解结构蛋白Ca 2+/Mg 2+Zn 2+核酸内切酶激活300 kb50kbn180200180200bpbp或其整倍数片段或其整倍数片段5min90min2 2 内源性核酸内切酶激活及其作用内源性核酸内切酶激活及其作用3 3 凋亡蛋白酶（凋亡蛋白酶（caspasescaspases）的激活及的激活及其作用其作用Caspase 8的激活，需要的激活，需要FADD(Fas associated protein with death domain)Caspase 9 激活，需要通过激活，需要通过CARD（caspase-recruitment domain)、Apaf-1、细胞色素细胞色素c、ATP等多个因子的参与。等多个因子的参与。细胞色素细胞色素C、Apaf-1和和pro-caspase 9 组成了组成了“Apoptosome”（凋亡体）凋亡体）caspasescaspases功能功能三、细胞凋亡过程与调控三、细胞凋亡过程与调控（一）细胞凋亡的过程（一）细胞凋亡的过程凋亡诱因凋亡信号转导凋亡基因激活细胞凋亡凋亡细胞清除受体受体死亡信号DNase活化 Caspases活化 DNA片断 凋亡小体形成巨噬细胞吞噬、分解apoptosisapoptosis凋亡过程与调控凋亡过程与调控凋亡过程凋亡过程受体受体cAMPCa2+神经酰胺神经酰胺凋亡相关凋亡相关基因激活基因激活信信号号转转导导细胞膜细胞核细胞核凋亡诱导因素凋亡诱导因素+Dnase激活激活Caspases激活激活死亡信号死亡信号apoptosisapoptosis凋亡过程与调控凋亡过程与调控凋亡过程凋亡过程DNase激活激活Caspases激活激活凋亡细胞的凋亡细胞的清除清除凋亡执行凋亡执行（二）（二）细胞凋亡的调控细胞凋亡的调控诱导性因素激素和生长因子失衡理化因素免疫性因素微生物学因素大量糖皮质激素淋巴细胞凋亡射线/高温/强酸/强碱/乙醇/抗癌药物CTL分泌粒酶HIVCD4+细胞凋亡抑制性因素细胞因子(IL-2/NGF)激素(ACTH/睾丸酮/雌激素)金属阳离子(Zn2+)药物(苯巴比妥/半胱氨酸酶抑制剂)病毒EB病毒/牛痘病毒凋亡信号转导系统特点凋亡信号转导系统特点2.2.细胞凋亡信号的转导细胞凋亡信号的转导APOPTOSIS腺苷酸环化酶钙调素 Ca2+cAMP 谷氨酰胺转移酶 PKA 转录因子FasFas L神经酰胺 SPP AP-1 S期(抗凋)caspaseH1组蛋白CKCK-RMAPK MAPKKRaf-1RasPTK分化PKC 二酰甘油Tc-R糖皮质激素研究较多的系统：n依据：依据：n细胞凋亡时胞内游离细胞凋亡时胞内游离Ca2+浓度显著上升浓度显著上升n用用Ca2+载体载体A23187人为升高人为升高B淋巴细胞淋巴细胞Ca2+水平，水平，B淋巴细胞凋亡淋巴细胞凋亡n用用Ca2+络合剂降低胞内络合剂降低胞内Ca2+水平，阻止细胞水平，阻止细胞凋亡凋亡1胞内胞内Ca2+信号系统（信号系统（Ca2+为第二信使）为第二信使）激活激活Ca2+依赖谷氨酰胺转移酶依赖谷氨酰胺转移酶 Ca2+活化活化转录因子转录因子2cAMP/PKA信号系统（信号系统（cAMP为第二信使）为第二信使）n依据：依据：n双丁酰双丁酰cAMP可引起培养的髓样白血病细胞可引起培养的髓样白血病细胞及胸腺细胞凋亡及胸腺细胞凋亡n糖皮质激素使糖皮质激素使cAMP上升上升ncAMP激活激活PKA使靶蛋白某些氨基酸使靶蛋白某些氨基酸（苏、丝（苏、丝AA）残基磷酸化残基磷酸化改变蛋白质功能改变蛋白质功能3Fas蛋白蛋白/Fas配体信号系统配体信号系统nFas蛋白蛋白：细胞膜跨膜蛋白：细胞膜跨膜蛋白nFas蛋白蛋白+Fas配体（抗配体（抗Fas）细胞凋亡细胞凋亡n机制机制：nFas蛋白蛋白+Fas配体（抗配体（抗Fas）神经鞘磷脂酶活神经鞘磷脂酶活性性产生神经酰胺产生神经酰胺蛋白激酶激活蛋白激酶激活细胞凋亡细胞凋亡nFas蛋白蛋白+抗抗Fas、TNF 激活激活ICE样样caspase 降解降解H1组蛋白组蛋白染色体松驰染色体松驰DNA暴露内切酶位暴露内切酶位点点n通过通过Ca2+信号系统传递死亡信息引起细胞凋亡信号系统传递死亡信息引起细胞凋亡nFas又称又称CD95，APO-1，是由是由325个氨基个氨基酸组成的受体分子酸组成的受体分子n配体诱导配体诱导受体三聚体化受体三聚体化，然后在细胞膜，然后在细胞膜上形成上形成凋亡诱导复合物凋亡诱导复合物，nFas分子胞内段带有特殊的分子胞内段带有特殊的死亡结构域死亡结构域（DD,death domain）。）。死亡结构域相聚死亡结构域相聚成簇，吸引了胞浆中另一种带有相同死成簇，吸引了胞浆中另一种带有相同死亡结构域的蛋白亡结构域的蛋白FADD。nFADD是死亡信号转录中的一个连接蛋白，是死亡信号转录中的一个连接蛋白，它由两部分组成：它由两部分组成：C端（端（DD结构域）结构域）和和N端（端（DED）部分部分。无活性的半无活性的半胱氨酸蛋白酶胱氨酸蛋白酶8（caspase8）酶原酶原进而引起进而引起随后的级联反应，即随后的级联反应，即Caspases，The combination of TNFR with TNF死亡受体死亡受体（FAS,TNFR,DR3，DR4，DR5）等，在死亡因等，在死亡因子（子（FasL，TNF,APO-3L,APO-2L)等刺激下诱导凋亡。等刺激下诱导凋亡。1.(FasL-Fas)-FADD-caspase 8-途径。途径。2.(TNF-TNFR1)-TRADD-FADD-caspase 8-途径途径3.(DR3L-DR3)-TRADD-FADD-caspase 8-途径途径 4.(APO-2L-DR4/5)-caspase 8-途径途径死亡受体途径图解死亡受体途径图解4神经酰胺信号系统神经酰胺信号系统n神经酰胺：神经鞘磷脂（神经酰胺：神经鞘磷脂（SM）在神经鞘磷脂在神经鞘磷脂酶的作用下产生的一类新型第二信使物质。酶的作用下产生的一类新型第二信使物质。n介导细胞凋亡的依据：用天然神经酰胺处理介导细胞凋亡的依据：用天然神经酰胺处理u937白血病细胞，诱导细胞凋亡白血病细胞，诱导细胞凋亡n神经酰胺途径相关诱因：电离辐射、神经酰胺途径相关诱因：电离辐射、TNF-、Fas抗原、糖皮质激素抗原、糖皮质激素 5二酰甘油二酰甘油/蛋白激酶蛋白激酶C（PKC）信号系统信号系统n二酰甘油二酰甘油：磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇和和磷脂酰胆碱磷脂酰胆碱在磷脂酶在磷脂酶C催化下产生的一种第二信使物质。催化下产生的一种第二信使物质。n依据：依据：n活化的活化的PKC1可诱导可诱导u937白血病细胞凋亡白血病细胞凋亡n抑制抑制PKC活性可抑制糖皮质激素诱导的小鼠活性可抑制糖皮质激素诱导的小鼠胸腺细胞凋亡胸腺细胞凋亡6酪氨酸蛋白激酶系统酪氨酸蛋白激酶系统n生长因子或细胞因子生长因子或细胞因子激活酪氨酸蛋白激酶激活酪氨酸蛋白激酶靶蛋白酪氨酸磷酸化靶蛋白酪氨酸磷酸化Ras蛋白激活蛋白激活通过通过Raf-1、MAPKK、MAPK蛋白质磷酸化蛋白质磷酸化细细胞分化胞分化n生长因子或细胞因子撤除生长因子或细胞因子撤除不能激活酪氨酸蛋不能激活酪氨酸蛋白激酶系统白激酶系统细胞凋亡细胞凋亡n（1）死亡基因：）死亡基因：ced-3、ced-4、ced-9。nCed-3和和 Ced-4的作用是诱发凋亡的作用是诱发凋亡;nCed-9抑制抑制Ced-3,Ced-4的作用的作用（三）凋亡相关基因（三）凋亡相关基因保守性高，在哺乳动物中相应同源物：保守性高，在哺乳动物中相应同源物：Ced-3=ICE,ced-4=apaf-1,ced-9=bcl-2.n（2）吞噬基因：参与吞噬。）吞噬基因：参与吞噬。ced-1、ced-2、ced-5、ced-6、ced-7、ced-8和和ced-10。n（3）核酸酶基因：）核酸酶基因：nuc-1。n（4）某些特殊类型细胞的死亡基因：）某些特殊类型细胞的死亡基因：ces-1、ces-2。n抑制凋亡基因：抑制凋亡基因：bcl-2n促进凋亡基因：促进凋亡基因：fas，P53,baxn双向调控基因：双向调控基因：c-myc，bcl-x1 1 Bcl-2Bcl-2：抑制凋亡基因抑制凋亡基因n细胞凋亡抑制基因细胞凋亡抑制基因，名称来源于，名称来源于B细胞淋巴瘤细胞淋巴瘤/白血白血病病-2(B-cell lymphoma/Leukemia-2，bcl-2)。nbcl-2 能够编码能够编码 bcl-2（26KD）和和 bcl-2（22KD）两种蛋白质，是膜的结合蛋白，主要存在于两种蛋白质，是膜的结合蛋白，主要存在于线粒体线粒体外膜、核膜及部分内质网中外膜、核膜及部分内质网中。nBcl-2Bcl-2的功能是阻遏细胞凋亡的功能是阻遏细胞凋亡 延长细胞延长细胞的寿命，而不是刺激细胞的增殖的寿命，而不是刺激细胞的增殖Bcl-2Bcl-2抗凋亡机制抗凋亡机制 2 2 Bcl-xBcl-x：双向调控基因双向调控基因3.c-myc：双向调控基因双向调控基因 死亡受体介导的信号途径死亡受体介导的信号途径mFasL:cell-membrane-bound FasLsFasL:soluble FasL死亡受体死亡受体（FAS,TNFR,DR3，DR4，DR5）等，在死亡因等，在死亡因子（子（FasL，TNF,APO-3L,APO-2L)等刺激下诱导凋亡。等刺激下诱导凋亡。1.(FasL-Fas)-FADD-caspase 8-途径。途径。2.(TNF-TNFR1)-TRADD-FADD-caspase 8-途径途径3.(DR3L-DR3)-TRADD-FADD-caspase 8-途径途径 4.(APO-2L-DR4/5)-caspase 8-途径途径死亡受体途径图解死亡受体途径图解A model for the function of p53G1SG2MCyclin A+CDKCyckin A+CDK1Cyclin BCyclin Dp53Bax+Bcl-2molecular policeman?Blocking IGF+R四、细胞凋亡的发生机制四、细胞凋亡的发生机制机制：机制：氧化诱导氧化诱导细胞凋亡细胞凋亡的的机制机制及其调节及其调节钙稳态失衡引起凋亡的机制：钙稳态失衡引起凋亡的机制：Caspase 9 激活，需要通过激活，需要通过CARD（caspase-recruitment domain)、Apaf-1、细胞色素细胞色素c、ATP等多个因子的参与。等多个因子的参与。细胞色素细胞色素C、Apaf-1和和pro-caspase 9 组成了组成了“Apoptosome”（凋亡体）凋亡体）细胞凋亡的恶性网络假说AIFCaspase抑制剂抑制剂+Caspase 9酶原酶原Caspase-9Caspase3酶原酶原Caspase-3蛋白质水解蛋白质水解无活性核无活性核酸内切酶酸内切酶内切酶激活内切酶激活DNA断裂断裂+Bcl-2Ca2+apoptosis？氧化损伤氧化损伤钙稳态失衡钙稳态失衡线粒体损伤线粒体损伤恶性网络假说恶性网络假说(deleterious network hypothesis)细胞凋亡 m AIF，ApafPTP open本章目的要求1.1.掌握细胞凋亡的相关概念及英掌握细胞凋亡的相关概念及英语词汇语词汇2.2.掌握细胞凋亡的形态学改变、掌握细胞凋亡的形态学改变、生化改变、过程、发生机制。生化改变、过程、发生机制。3.3.熟悉细胞凋亡信号传导通路特熟悉细胞凋亡信号传导通路特别是别是FasFas通路通路4.4.熟悉凋亡相关基因熟悉凋亡相关基因