细胞凋亡 PPT课件.ppt

1、细胞凋亡的一般概念 细胞凋亡是指为维持内环境稳定，由基因控制的细胞自主的有序的死亡。细胞凋亡与细胞坏死不同，细胞凋亡不是一件被动的过程，而是主动过程，它涉及一系列基因的激活、表达以及调控等的作用，它并不是病理条件下，自体损伤的一种现象，而是为更好地适应生存环境而主动争取的一种死亡过程。 其实从严格的词学意义上来说，细胞程序性死亡与细胞凋亡是有很大区别的。细胞程序性死亡的概念是1956年提出的，PCD是个功能性概念，描述在一个多细 胞生物体中某些细胞死亡是个体发育中的一个预定的，并受到严格程序控制的正常组成部分。例如蝌蚪变成青蛙，其变态过程中尾部的消失伴随大量细胞死亡，高等 哺乳类动物指间蹼的消失、颚融合、视网膜发育以及免疫系统的正常发育都必须有细胞死亡的参与。 动物发育过程中存在的细胞程序性死亡是一个发育学概念，而细胞凋亡则是一个形态学的概念，描述一件有着一整套形态学特征的与坏死完全不同的细胞死亡形式。但是一般认为凋亡和程序性死亡两个概念可以 交互使用，具有同等意义。 虽然凋亡与坏死的最终结果极为相似，但它们的过程与表现却有很大差别。 坏死（necrosis）：坏死是细胞受到强烈理化或生物因素作用引起细胞无序变化的死亡过程。表现为细胞 胀大，胞膜破裂，细胞内容物外溢，核变化较慢，DNA降解不充分，引起局部严重的炎症反应。 凋亡是细胞对环境的生理性病理性刺激信号，环境条件的变化或缓和性损伤产生的应答有序变化的死亡过程。其细胞及组织的变化与坏死有明显的不同。 形态学观察细胞凋亡的变化是多阶段的，细胞凋亡往往涉及单个细胞，即便是一小部分细胞也是非同步发生的。首先出现的是细胞体积缩小，连接消失，与周围的细胞脱离，然后是细胞质密度增加，线粒体膜电位消失，通透性改变，释放细胞色素C到胞浆，核质浓缩，核膜核仁破碎，DNA降解成为约180bp-200bp片段；胞膜有小泡状形成，膜内侧磷脂酰丝氨酸外翻到膜表面，胞膜结构仍然完整，最终可将凋亡细胞遗骸分割包裹为几个凋亡小体，无内容物外溢，因此不引起周围的炎症反应，凋亡小体可迅速被周围专职或非专职吞噬细胞吞噬。 细胞凋亡的一个显著特点是细胞染色体的DNA降解，这是一个较普遍的现象。这种降解非常特异并 有规律，所产生的不同长度的DNA片段约为180-200bp的整倍数，而这正好是缠绕组蛋白寡聚体的长度，提示染色体DNA恰好是在核小体与核小体的连 接部位被切断，产生不同长度的寡聚核小体片段。 实验证明，这种DNA的有控降解是一种内源性核酸内切酶作用的结果，该酶在核小体连接部位切断染色体 DNA，这种降解表现在琼脂糖凝胶电泳中就呈现特异的梯状Ladder图谱，而坏死呈弥漫的连续图谱。 细胞凋亡的生化改变不仅仅是DNA的有控降解，在细胞凋亡的过程中往往还有新的基因的表达和某些生物大分子的合成作为调控因子。如发现的TFAR-19就是在细胞凋亡时高表达一种分子，再如在糖皮质激素诱导鼠胸腺细胞凋亡过程中，加入RNA合成抑制剂或蛋白质合成抑制剂即能抑制细胞凋亡的发生。 细胞凋亡受到严格调控，在正常细胞Caspase （半胱天冬蛋白酶）处于非活化的酶原状态，凋亡程序一旦开始，Caspase被活经随后发生凋亡蛋白酶的层叠级联反应，发生不可逆的凋亡。细胞是如何准确而又精确调节细胞凋亡呢？ 1凋亡抑制分子：迄今为止，已发现多种凋亡抑制分子，包括P35，CrmA，IAPs，FLIPs以及Bcl-2家族的凋亡抑制分子。 （1）P35是广谱凋亡抑制剂，体外研究结果表明P35以竞争性结合方式与靶分子形成 稳定的具有空间位阻效应的复合体并且抑制Caspases活性，同时P35在位点DMQD！G被靶Caspases特异切割，切割后的P35与 caspase的结合更强，CrmA（Cytokine response modfer A）是血清蛋白酶抑制剂，能够直接抑制多种蛋白酶的活性，但目前还未发现在哺乳动物中发现P35和CrmA的同源分子。（2）FLIPs(FLICE-imhibirory proterins)能抑制Fas/TNFR1介导的细胞凋亡。它有多种变异体，但其N-端功能前区（Prodomain）完全相同，C端长短不一。 FLIPs通过DED功能区，与FADD和Caspase-8，10结合，拮抗它们之间的相互作用，从而抑制Caspase8，10募集到死亡受体复合体 和它们的起始化。 （3）凋亡抑制蛋白（IAPs,inhibitors of Apoptosis protien）为一组具有抑制凋亡作用的蛋白质，首先是从杆状病毒基因组克隆到，发现能够抑制由病毒感染引起的宿主细胞死亡应答。其特性是有大约20氨基酸组成的功能区，这对IAPs抑制凋亡是必需要的，它们主要抑制Caspase3,-7，而不结合它的酶原，对Caspase则即可以结合活化的，又可结合酶原，进而抑制细胞凋亡。 （4）Bcl-2家族： 这一家族有众多成员，根据功能和结构可将Bcl-2基因家族分为两类，一类是抗凋亡的，如：Bcl-2、Bcl-xl、 Bcl-w、 Mcl-1；一类是促进凋亡的，如：Bax、 Bak、 Bad、 Bid、 Bim，在促凋亡蛋白中还有一类仅含BH3结构，如Bid、 Bad。 Bcl-2家族成员都含有1-4个Bcl-2同源结构域（BH1-4） ，并且通常有一个羧端跨膜结构域。其中BH4是抗凋亡蛋白所特有的结构域，BH3是与促进凋亡有关的结构域。这些同源结构域在介导成员之间的二聚体化过程中起重要作用。Bcl-2成员之间的二聚体化是成员之间功能实现或功能调节的重要形式。 2凋亡的执行阶段 尽管凋亡过程的详细机制尚不完全清楚，但是已经确定Caspase即半胱天冬蛋白酶在凋亡过程中是起着必不可少的作用，细胞凋亡的过程实际上是Caspase不可逆有限水解底物的级联放大反应过程，到目前为止，至少已有14种 Caspase被发现，Caspase分子间的同源性很高，结构相似，都是半胱氨酸家族蛋白酶。 根据功能可把Caspase基本分为二类：一类参与细胞的加工，如Pro-IL-1和Pro-IL-1，形成有活性的IL-1和IL-1；第二类参与细胞凋亡，包括 caspase2,3,6,7,8,9.10。 参与诱导凋亡的Caspase分成两大类： 启动酶（inititaor）和效应酶（effector）它们分别在死亡信号转导的上游和下游发挥作用。 细胞凋亡的过程大致可分为以下几个阶段：接受凋亡信号凋亡调控分子间的相互作用蛋白水解酶的活化（Caspase）进入连续反应过程细胞凋亡的启动是细胞在感受到相应的信号刺激后胞内一系列控制开关的开启或关闭，不同的外界因素启动凋亡的方式不同，所引起的信号转导也不相同，客观上说对细胞凋亡过程中信号传递系统的认识还是不全面的，目前比较清楚的通路主要有： 1、死亡受体通路受体Fas、TRAILR、TNFR1及ILlR与其相应的配体FasL、TRAIL、TNFa及IL一1结合后，相对浓度迅速升高，同时与这些受体相关的接头分子(adaptor)FADD、TRADDFADD的相对浓度也随之升高，从而导致下游信号级联分子caspase一8、easpase一10以及caspase一3、caspase一6和caspase一7的相继活化(表现为活性浓度相继升高)，活化的caspase一3和caspase一7对DFF45的切割导致核酸酶DFF40的活化，活性浓度增加，从而完成对DNA的剪切引发细胞凋亡。 2、线粒体通路 线粒体是细胞生命活动控制中心，它不仅是细胞呼吸链和氧化磷酸化的中心，而且是细胞凋亡调控中心。（1）不依赖于胱解酶的途径 一旦受到应激信号刺激，核酸内切酶ENDOG便从线粒体膜间区释放，它可诱导DNA片段化，而AIF可以从线粒体转位进入细胞核，一方面直接导致染色质凝集和大片段DNA降解，另一方面促进细胞色素C（CytC）的释放。 （2）依赖于胱解酶的途径 凋亡信号需要借助线粒体通路来放大，而Bid(bcl-2 inhibitory BH3-domain-containing protein)是将凋亡信号从caspase-8向线粒体转导的信使。 在正常细胞中，Bid位于细胞质中。当细胞表面的凋亡受体被活化后，活化的caspase-8通过剪切Bid，形成有活性的羧基端片段tBid，tBid迁移到线粒体内，促使包括Cyt C在内的线粒体蛋白的释放。被释放的Cyt C再与Apaf-1、proCaspase-9和dATP形成一种被称之为凋亡体(Apoptosome)的复合体，该复合体二聚化后再激活caspase-9，后者回馈于非线粒体途径，激活caspase-3和caspase-7诱导细胞的凋亡。 3 内质网通路 许多细胞在凋亡早期会出现胞质内游离钙离子浓度(Ca2+)迅速持续的升高，从而导致钙依赖磷酸酶Cn(calcineurin)对Bad去磷酸化诱导细胞凋亡；另外还会激活胞质中的钙依赖性蛋白酶calpain，calpain的过量积累会导致caspase-12的表达，激活的caspase-12可进一步剪切caspase-3而引发细胞凋亡。 4、生存因子抗凋亡通路（1）神经生长因子NGF 近年研究发现NGF通过其受体TrkA转导NGF的抗凋亡信号，促进神经再生。NGF与TrkA的结合可激活PI-3激酶(PI-3K)，表现为PI-3K活性浓度的升高。PI-3K以胞浆丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶AktPKB为底物，活化的AktPKB活性浓度上调可使Bad的Ser136Ser112残基磷酸化使之与Bcl-2解离，而游离的Bel-2起抗凋亡作用；同时活化的AktPKB还可磷酸化IKK，进而激活核因子B （NF- B）引发的生存因子抗凋亡途径。 （2 ）白细胞介素3（IL-3 ） IL-3R与IL-3结合后，(1)通过激活PI-3K，走与NGF重叠的抗凋亡信号路径；(2)激活cAMP以及cAMP依赖的蛋白激酶A(PKA)，PKA使Bad磷酸化，从而促使细胞生存。