第8章-细胞凋亡课件

细胞凋亡与疾病细胞凋亡与疾病 cell apoptosis and diseasescell apoptosis and diseases第第8 章章细胞细胞增殖增殖细胞细胞死亡死亡 如果不存在细胞死亡，一个到了如果不存在细胞死亡，一个到了80岁的岁的老人的骨髓和淋巴结可达老人的骨髓和淋巴结可达2000公斤，肠道可公斤，肠道可达达3200米。米。细胞凋亡细胞凋亡名称的由来名称的由来英国英国Aberdeen大学病理系大学病理系 Kerr教授教授19721972年我和年我和WyllieWyllie在在研究中观察到一种不研究中观察到一种不同于坏死的细胞死亡同于坏死的细胞死亡方式，联想到秋日落方式，联想到秋日落叶，我们就把它称作叶，我们就把它称作Apoptosis“apo（off 离开，分离）离开，分离）+ptosis（falling 下降，掉下来）下降，掉下来）”Apoptosis 来自希腊，秋天树叶的凋落和花来自希腊，秋天树叶的凋落和花瓣的散落。瓣的散落。falling off被引用了11408次！细胞凋亡的概念细胞凋亡的概念由体内外因素触由体内外因素触发细胞内发细胞内预存的死预存的死亡程序亡程序而导致的细而导致的细胞胞死亡死亡过程。过程。又称程序性死亡又称程序性死亡 PCDPCD（programmed cell deathprogrammed cell death）Sydney Brenner:a lucky scientist in his research career.He developed a simple model-the tiny transparent worm C.elegans,which was useful for studying organ development,innate immune system,neurobiology,and apoptosisu Brenner建立了秀丽隐杆线虫（建立了秀丽隐杆线虫（C elegans)模型模型u约翰约翰.苏尔斯顿发现雌雄同体的秀丽线虫在发育中，苏尔斯顿发现雌雄同体的秀丽线虫在发育中，1090个体个体细胞必定有细胞必定有131个细胞死亡个细胞死亡，说明线虫的每个细胞的位置、分裂，说明线虫的每个细胞的位置、分裂与命运都是由与命运都是由遗传程序精确的预先存在遗传程序精确的预先存在。u霍维次发现了霍维次发现了第一个调控细胞凋亡的基因第一个调控细胞凋亡的基因Ced-3.细胞凋亡的生理意义细胞凋亡的生理意义1、确保正常发育、生长确保正常发育、生长 如：指（趾）间隙的形成如：指（趾）间隙的形成2、维持内环境稳定维持内环境稳定 如：清除受损、突变或衰老的细胞如：清除受损、突变或衰老的细胞3、防御功能防御功能 如：使受到病毒感染的细胞凋亡如：使受到病毒感染的细胞凋亡u 凋亡凋亡 apoptosisapoptosisu 自噬自噬 autophageautophageu 坏死坏死 necrosisnecrosis细胞死亡的方式细胞死亡的方式细胞坏死与凋亡的差异细胞坏死与凋亡的差异 坏死坏死 凋亡凋亡 性质性质病理性、非特异性病理性、非特异性生理性或病理性，生理性或病理性，特异性特异性 诱导因素诱导因素强烈刺激强烈刺激，随机发生，随机发生较弱刺激，非随机发生较弱刺激，非随机发生 生化特点生化特点被动过程，无新蛋白质合成，被动过程，无新蛋白质合成，不耗能不耗能主动过程，有新蛋白质合成，主动过程，有新蛋白质合成，耗能耗能 DNADNA电泳电泳 形态变化形态变化弥散性降解，电泳呈均一弥散性降解，电泳呈均一DNADNA片片状状细胞结构全面溶解、破坏、细胞结构全面溶解、破坏、细细胞肿胀胞肿胀DNADNA片段化（片段化（180180200 200 bpbp），），电泳呈电泳呈“梯梯”状条带状条带胞膜及细胞器相对完整细胞胞膜及细胞器相对完整细胞皱缩，核固缩皱缩，核固缩 炎症反应炎症反应溶酶体破裂，局部炎症反应溶酶体破裂，局部炎症反应溶酶体相对完整溶酶体相对完整，局部无炎症局部无炎症反应反应 凋亡小体凋亡小体无无有有 基因调控基因调控无无有有ApoptosisApoptosisNecrosisNecrosisapoptosisapoptosis凋亡时细胞的形态学改变凋亡时细胞的形态学改变空泡化空泡化核固缩核固缩出芽出芽凋亡小体凋亡小体 早期早期：胞浆脱水胞浆脱水，胞膜空泡化，细胞，胞膜空泡化，细胞核固缩核固缩晚期晚期：染色质边集，凋亡小体凋亡小体最后最后：被附近的巨噬细胞吞噬消化：被附近的巨噬细胞吞噬消化 胞膜皱缩内陷，分割包裹胞质，胞膜皱缩内陷，分割包裹胞质，内含内含DNA物质及细胞器，形成泡状物质及细胞器，形成泡状小体称为凋亡小体小体称为凋亡小体apoptosis body.凋亡细胞的生化改变凋亡细胞的生化改变 1.1.DNADNA片段化片段化内切酶在核小体切开内切酶在核小体切开DNADNA，形成，形成180-200bp180-200bp为倍数的为倍数的片段，电泳呈片段，电泳呈“梯状梯状”条带条带2.2.内源性核酸内切酶内源性核酸内切酶（Dnase）激活激活切割染色质切割染色质DNADNA，CaCa2+2+/Mg/Mg2+2+(+)(+)，ZnZn2+2+(-)(-)3.3.凋亡蛋白酶凋亡蛋白酶（Caspase）(caspasescaspases：cysteinecysteine-containing-containing asparateasparate-specific protease)-specific protease)CaspasesCaspases的的活活性性中中心心富富含含半半胱胱氨氨酸酸，对对底底物物天天冬氨酸部位有特异的水解作用冬氨酸部位有特异的水解作用作用：切割染色质作用：切割染色质DNADnase特点：特点：Ca2+、Mg2+依赖依赖Caspase灭活凋亡抑制物灭活凋亡抑制物 水解蛋白质结构，形成凋亡小体水解蛋白质结构，形成凋亡小体 水解凋亡相关活性蛋白水解凋亡相关活性蛋白作用：作用：1、Caspase:（含（含半胱氨酸半胱氨酸的的天冬氨酸天冬氨酸特异水解酶）特异水解酶）结构特点 以无活性的形式以无活性的形式:Pro-Caspases存在存在。在在Pro-CaspasesPro-Caspases的的N N端均含有一段的前区域（端均含有一段的前区域（ProdomainProdomain）。）。活性形式活性形式均是由均是由2 2个大亚基和个大亚基和2 2个小亚基组成的杂四聚体。一分子个小亚基组成的杂四聚体。一分子Pro-Pro-CaspaseCaspase只能分裂产生只能分裂产生1 1个大亚基和个大亚基和1 1个小亚基。个小亚基。在大亚基的在大亚基的C C端均含有端均含有QACXGQACXG（X=R.QX=R.Q或或G G）的）的活性中心，其中半胱氨酸活性中心，其中半胱氨酸（C C）是必需氨基酸）是必需氨基酸，故，故 CaspaseCaspase是属于半胱氨酸蛋白酶类。是属于半胱氨酸蛋白酶类。作用底物 灭活灭活ICAD：使使CADCAD发挥切割发挥切割DNADNA片段的功能。片段的功能。核纤层蛋白核纤层蛋白 细胞骨架蛋白：导致细胞解体，形成凋亡小体细胞骨架蛋白：导致细胞解体，形成凋亡小体 CAD:凋亡蛋白酶激活的凋亡蛋白酶激活的DNA酶酶ICAD:凋亡蛋白酶激活的凋亡蛋白酶激活的DNA酶抑制物酶抑制物使抑制凋亡因子失使抑制凋亡因子失活，使活，使CADCAD/ICAD/ICAD解解离离 破坏细胞结构，如破坏细胞结构，如核纤层核纤层LaminaLamina 将调节区与催化区将调节区与催化区分离，使蛋白失活，分离，使蛋白失活，如如GelsolinGelsolin 2.内源性核酸内切酶的作用内源性核酸内切酶的作用H1核心颗粒核心颗粒连接区连接区180-200 bp内源性核酸内切酶ZnZn2+CaCa2+MgMg2+Dnase：降解降解核小体连接区核小体连接区典型凋亡细胞典型凋亡细胞DNA琼脂糖凝胶电泳琼脂糖凝胶电泳（呈现梯状条带）（呈现梯状条带）典型凋亡细胞典型凋亡细胞DNADNA琼脂糖凝胶电泳琼脂糖凝胶电泳（呈现梯状条带）（呈现梯状条带）一、凋亡细胞概述一、凋亡细胞概述二、细胞凋亡的调控二、细胞凋亡的调控三、细胞凋亡与疾病三、细胞凋亡与疾病 一、细胞凋亡信号一、细胞凋亡信号细胞凋亡的诱发因素细胞凋亡的诱发因素 生理性因素生理性因素 损伤刺激损伤刺激 肿瘤坏死因子家族 病毒感染 FasL、TNF P53、PTEN 转化生长因子 细胞毒素 细胞癌基因 自由基 神经递质神经递质 治疗因素治疗因素 谷氨酸、多巴胺 化疗药物 去除细胞生长因子 紫外线 基质失去粘附特性 中草药 生理性因素生理性因素 杆状病毒P35 细胞生长因素 牛痘病毒CrmA 细胞外基质药物因素药物因素 雌激素 促癌物 雄激素 苯巴比妥 中性氨基酸 PMA病毒因素病毒因素 六氯化苯 腺病毒E1B 半胱氨酸蛋白酶抑制剂细胞凋亡的抑制因素细胞凋亡的抑制因素 细胞凋亡的信号通路细胞凋亡的信号通路l 外源途径：外源途径：由死亡受体（由死亡受体（Fas、TNFR)介导。该途径启始介导。该途径启始caspase-8首先被激活首先被激活l 内源途径：内源途径：由线粒体介导：启始由线粒体介导：启始caspase-9首先被激活首先被激活细胞凋亡后期的共同途径：细胞凋亡后期的共同途径：效应效应caspase被激活被激活CaspaseCaspasel 特点：特点：以无活性酶原（以无活性酶原（Pro-caspase)形式存在：酶原包含形式存在：酶原包含20kD和和10kD的结构域的结构域。l 分类：分类：启始启始caspase：包括包括-2，-8，-9，-10等，传递凋亡信号。酶原等，传递凋亡信号。酶原转变成启始转变成启始caspase，启动凋亡过程。，启动凋亡过程。效应效应caspase:-3,-6,-7，降解底物。，降解底物。l 作用底物作用底物灭活灭活ICAD：凋亡蛋白酶激活的：凋亡蛋白酶激活的DNA酶抑制物酶抑制物(ICAD)，使使 CAD发挥切割发挥切割DNA片段的功片段的功能。能。降解核纤层降解核纤层降解细胞骨架，导致细胞解体，形成凋亡小体降解细胞骨架，导致细胞解体，形成凋亡小体 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Caspase-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 活化活化二、细胞凋亡的信号通路二、细胞凋亡的信号通路Fas/FasLFas/FasLTNFR/TNFTNFR/TNFTRAILR/TRAILTRAILR/TRAIL二、细胞凋亡的信号通路二、细胞凋亡的信号通路1.1.死亡受体通路死亡受体通路CAD:凋亡蛋白酶激活的凋亡蛋白酶激活的DNA酶酶ICAD:凋亡蛋白酶激活的凋亡蛋白酶激活的DNA酶抑制物酶抑制物Fas/FasLTNFR/TNFl 正常细胞中，由于呼吸链的质子和电子转移正常细胞中，由于呼吸链的质子和电子转移在线粒体膜两侧产生了电位，该电位促使在线粒体膜两侧产生了电位，该电位促使ATPATP形形成。成。l 线粒体膜上的线粒体膜上的PTPPTP，调节离子和蛋白转运。当，调节离子和蛋白转运。当PTPPTP孔开放时，分子量小于孔开放时，分子量小于1.5kD1.5kD的物质通过线的物质通过线粒体内膜，会使线粒体跨膜电位下降。粒体内膜，会使线粒体跨膜电位下降。线粒体跨膜电位线粒体跨膜电位的消失的消失线粒体渗透转运孔开放线粒体渗透转运孔开放二、细胞凋亡的信号通路二、细胞凋亡的信号通路2.2.线粒体通路线粒体通路ICAD:凋亡蛋白酶激活的凋亡蛋白酶激活的DNA酶抑制物酶抑制物CARDPTPPTP开放开放开放开放CaCa2+NONO缺血缺血缺血缺血缺氧缺氧缺氧缺氧活性氧活性氧活性氧活性氧CARDl 当当Cyt-cCyt-c从线粒体释放后，与从线粒体释放后，与Apaf-1Apaf-1、Procaspase-9Procaspase-9结合，形成凋亡复合体，并且导致结合，形成凋亡复合体，并且导致caspase-9caspase-9被激活。相关的文章如下：被激活。相关的文章如下：三三、细胞凋亡的执行者、细胞凋亡的执行者1、Caspase，在细胞凋亡中处于在细胞凋亡中处于中心地位中心地位2、内源性核酸内切酶、内源性核酸内切酶 Caspase降解核纤层后使染色质固缩降解核纤层后使染色质固缩三、细胞凋亡的执行者三、细胞凋亡的执行者内源性核酸内切酶内源性核酸内切酶四、细胞凋亡的基因调控四、细胞凋亡的基因调控 功能 基因抑制凋亡基因 Bcl-2 Bcl-XL、Bcl-w、A1/Bfl-1、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 Bcl-2Bcl-2家族家族 一类呈抗凋亡作用一类呈抗凋亡作用，有有BcL-2,BcL-2,BcL-wBcL-w，BcLBcL-XL-XL、BFL-1BFL-1、Brag-1Brag-1、MCL-1MCL-1，AIAI。另一类呈现促凋亡作用另一类呈现促凋亡作用，有，有BaxBax，BakBak,BokBok，BcLBcL-Xs-Xs，Bad,Bid,BikBad,Bid,Bik，HrkHrk，BimBim等。等。BcL-2BcL-2基因家族成员自身或彼此之间有形成二基因家族成员自身或彼此之间有形成二聚体或多聚体的能力聚体或多聚体的能力，BcL-2BcL-2家族的蛋白与蛋家族的蛋白与蛋白相互作用调节着细胞的存活与凋亡。白相互作用调节着细胞的存活与凋亡。(1)BcL-2的同源基因和蛋白质的同源基因和蛋白质抑制凋亡机制：抑制凋亡机制：1.1.直接抗氧化直接抗氧化2.2.抑制线粒体释放的促凋亡的蛋白质抑制线粒体释放的促凋亡的蛋白质,如如Cyt cCyt c、AIFAIF3.3.抑制促凋亡因子抑制促凋亡因子BaxBax、BakBak的细胞毒作用的细胞毒作用4.4.抑制凋亡蛋白酶的激活抑制凋亡蛋白酶的激活5.5.维持钙稳态维持钙稳态 Bcl-2 B细胞淋巴瘤/白血病-2基因（癌基因）(B cell lymphoma/leukemia-2,Bcl-2)第一个被确认的第一个被确认的抑制凋亡基因，即抑制凋亡基因，即不通过促进细胞增值促进癌症发生的不通过促进细胞增值促进癌症发生的基因。基因。P53 P53P53基因基因（2）P53基因基因p wtP53 修复受损的修复受损的DNA，如修复失败则诱导细胞，如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+细胞凋亡细胞凋亡分分子子警警察察（3）C-myc基因基因C-myc生长因子生长因子(+)诱导增殖诱导增殖生长因子生长因子(-)诱导凋亡诱导凋亡 细胞凋亡与疾病细胞凋亡与疾病凋亡的正常功能凋亡的正常功能u 组织器官的正常发育组织器官的正常发育u 调节细胞数量，提高细胞信号转导的精确性调节细胞数量，提高细胞信号转导的精确性u 清除衰老的细胞清除衰老的细胞u 清除针对自身抗原的清除针对自身抗原的T淋巴细胞淋巴细胞u 清除被病原体感染的的细胞清除被病原体感染的的细胞NGFNGFNGFtarget cellsdeveloping neuronsNGFNGFNGFtarget cellsCTL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正常机体细胞生长与死亡的平衡正常机体细胞生长与死亡的平衡生长生长坏死、凋亡坏死、凋亡正常机体正常机体细胞凋亡与疾病细胞凋亡与疾病 表：表：与细胞凋亡异常相关的疾病与细胞凋亡异常相关的疾病 凋亡不足凋亡不足 凋亡过度凋亡过度肿瘤肿瘤 肝癌、恶性血液肿瘤、乳腺癌肝癌、恶性血液肿瘤、乳腺癌 发育异常发育异常 气管气管-食管瘘、房（室）间隙缺食管瘘、房（室）间隙缺 、膀胱癌、肺癌、胶质瘤、前、膀胱癌、肺癌、胶质瘤、前 损、唇（腭）裂、短肢畸形、损、唇（腭）裂、短肢畸形、列腺癌等列腺癌等 尿道下裂以及多囊肾等尿道下裂以及多囊肾等发育异常发育异常 先天性消化道、胆道、肛门狭先天性消化道、胆道、肛门狭 CNS Alzheimer病、病、Parkinson 病、病、窄或闭锁、动脉导管未闭、两窄或闭锁、动脉导管未闭、两 肌萎缩性侧索硬化症、色素性肌萎缩性侧索硬化症、色素性 性畸形、甲状舌骨囊肿等性畸形、甲状舌骨囊肿等 视网膜病，脊肌肉萎缩、早老视网膜病，脊肌肉萎缩、早老免疫系统免疫系统 系统性红斑狼疮、糖尿病、类系统性红斑狼疮、糖尿病、类 性痴呆性痴呆 风湿性关节炎、桥本甲状腺炎风湿性关节炎、桥本甲状腺炎 免疫系统免疫系统 免疫缺陷病、免疫缺陷病、AIDS 、多发性的硬化症等多发性的硬化症等 该死的不死该死的不死不该死的死了不该死的死了凋凋 亡亡 相相 对对 不不 足足 肿瘤肿瘤自身免疫性疾病自身免疫性疾病病毒感染等病毒感染等 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肿肿 瘤瘤P53突变突变，Bcl-2的高表达在许多肿瘤中都存在的高表达在许多肿瘤中都存在Chemicals Viruses RadiationMutatep53 GeneBladder Blood Brain Breast Colon Esophagus Liver Lung Spleen Thyroid细细 胞胞 凋凋 亡亡 过过 度度神经退行性疾病神经退行性疾病（老年性痴呆老年性痴呆AD、帕金森病帕金森病PD）心肌缺血心肌缺血/再灌注损伤再灌注损伤心肌梗塞心肌梗塞艾滋病艾滋病心脏、肝脏、肾脏衰竭心脏、肝脏、肾脏衰竭主要病理特征为包含主要病理特征为包含-淀粉样蛋白淀粉样蛋白（amyloid-，A）的老年斑和）的老年斑和tau 蛋白为蛋白为主要成分的主要成分的神经元纤维缠结神经元纤维缠结以及表浅皮层以及表浅皮层较大的较大的胆碱能神经元和突触丢失胆碱能神经元和突触丢失。病理检查：病理检查：大脑皮质萎缩，脑回变平，脑大脑皮质萎缩，脑回变平，脑沟增宽，脑室扩大沟增宽，脑室扩大，重量减轻。萎缩于颞、，重量减轻。萎缩于颞、顶前额和海马区最明显，以早期起病者表顶前额和海马区最明显，以早期起病者表现更加显著。现更加显著。Alzheimer 老年性痴呆（阿尔茨海默病）Cerebro con Alzheimer Cerebro Normal 大脑皮质萎缩，脑回变平，脑沟增宽大脑皮质萎缩，脑回变平，脑沟增宽 心肌缺血与缺血心肌缺血与缺血-再灌注损伤再灌注损伤 特点特点缺血早期以凋亡为主，晚期以细胞的坏死为主。缺血早期以凋亡为主，晚期以细胞的坏死为主。在梗死灶的中心以坏死为主，梗死灶周边以凋亡为主；在梗死灶的中心以坏死为主，梗死灶周边以凋亡为主；轻度缺血以凋亡为主，重度缺血以坏死为主；轻度缺血以凋亡为主，重度缺血以坏死为主；心力衰竭心力衰竭u 凋亡使心肌细胞数量减少，心衰恶化凋亡使心肌细胞数量减少，心衰恶化 HIV CDHIV CD4 4T T淋巴细胞凋亡淋巴细胞凋亡 慢性艾滋病，已感染的慢性艾滋病，已感染的CD4T淋巴细胞可诱导未感染的淋巴细胞可诱导未感染的CD4T淋巴细胞凋亡淋巴细胞凋亡AIDS细胞凋亡不足与过度并存细胞凋亡不足与过度并存氧化型氧化型LDLLDL血小板激活血小板激活AgAg高血压高血压 内皮细胞凋亡过度内皮细胞凋亡过度 平滑肌凋亡不足平滑肌凋亡不足 动脉粥样硬化动脉粥样硬化增殖凋亡增殖凋亡管腔狭窄或管壁破裂出血管腔狭窄或管壁破裂出血 冠状动脉粥样硬化冠状动脉粥样硬化 心肌缺血，猝死心肌缺血，猝死 发生在肌弹力型动脉（主动脉、冠状动脉、脑动脉）内膜出现含胆固醇、类脂肪细胞凋亡在疾病防治中的作用细胞凋亡在疾病防治中的作用干预凋亡信号转导干预凋亡信号转导合理利用凋亡相关因素合理利用凋亡相关因素调节凋亡相关基因调节凋亡相关基因调控凋亡相关的酶学机制调控凋亡相关的酶学机制防止线粒体跨膜电位的下降防止线粒体跨膜电位的下降总总 结结细胞凋亡是不同于细胞坏死的一种主要的细胞死亡方式。细胞凋亡是不同于细胞坏死的一种主要的细胞死亡方式。其主要的形态学改变为染色体凝聚并陈列于核的周边，细胞固缩、其主要的形态学改变为染色体凝聚并陈列于核的周边，细胞固缩、细胞断裂形成凋亡小体，为临近细胞吞噬。它是一种高度精密调节细胞断裂形成凋亡小体，为临近细胞吞噬。它是一种高度精密调节的、有序的死亡过程，已发现一些诱导因素和抑制因素，这些因素的、有序的死亡过程，已发现一些诱导因素和抑制因素，这些因素可通过激活细胞膜受体，产生第二信使，通过一系列的级联式可通过激活细胞膜受体，产生第二信使，通过一系列的级联式（cascadecascade）反应而实现，涉及从细胞外、胞膜、胞浆到细胞核内反应而实现，涉及从细胞外、胞膜、胞浆到细胞核内的各层次的调节行为。核内的各层次的调节行为。核内DNADNA在核小体连接区断裂，电泳显示梯在核小体连接区断裂，电泳显示梯状条带。它广泛参与生理、病理过程。状条带。它广泛参与生理、病理过程。细胞凋亡增强或减弱都可造成疾病，细胞凋亡增强或减弱都可造成疾病，该死的不死，不该死的死该死的不死，不该死的死了了。如何把它们纠正到生理状态，即该死的细胞死，不该死的不死，。如何把它们纠正到生理状态，即该死的细胞死，不该死的不死，是治疗疾病的关键是治疗疾病的关键一、掌握细胞凋亡的概念一、掌握细胞凋亡的概念二、二、掌握掌握细胞凋亡与坏死的区别；细胞凋亡与坏死的区别；细胞凋亡的过程与调控细胞凋亡的过程与调控三、了解细胞凋亡与疾病发生的三、了解细胞凋亡与疾病发生的关系、细胞凋亡的研究方法及防关系、细胞凋亡的研究方法及防治意义。治意义。