细胞凋亡ppt课件

第十二章 程序性细胞死亡与细胞衰老 程序性细胞死亡 PCD 细胞衰老 1 第一节程序性细胞死亡 PCD 受到严格的基因调控 程序性的细胞死亡形式 对生物体的正常发育 自稳态平衡及多种病理过程具有重要的意义 本节内容将涉及 动物细胞的程序性死亡植物细胞与酵母细胞的程序性死亡 自学 2 细胞死亡的方式主要有三种 细胞凋亡 apoptosis 细胞坏死 necrosis 细胞自噬 autophagy 动物细胞的程序性死亡 3 机体结构 细胞增殖 细胞分化 细胞凋亡 细胞信号转导 染色体 DNA与蛋白质的相互作用 衰老 4 细胞凋亡 Apoptosis 细胞凋亡一词的来源 细胞凋亡一词 即apoptosis 源自希腊语 本意指树叶的脱落或花瓣的凋零 选用此词 是强调这一过程是一种自然的生理学过程 是受基因调控的主动的生理性细胞自杀行为 5 2002年 悉尼 布雷诺尔 英 罗伯特 霍维茨 美 和约翰 苏尔斯顿 英 因在器官发育的遗传调控和细胞程序性死亡方面的研究获诺贝尔生理学 医学奖 6 秀丽隐杆线虫 C elegans是研究PCD的理想材料 咽 卵巢 肠 阴门 直肠 肛门 7 雌雄同体细胞数 体 1090 131 959 cells 生殖 2000 雄性 0 05 细胞数 体 1090 cells 生殖 1000 幼虫细胞数 个 体细胞 556原始生殖细胞 2 秀丽隐杆线虫细胞凋亡情况 8 1 细胞凋亡的概念 一种有序的或程序性的细胞死亡方式 使细胞接受某些特定信号刺激后进行的正常生理应答反应 该过程具有典型的形态学和生化特征 凋亡细胞最后以凋亡小体的形式被吞噬消化 细胞凋亡是一个主动的由基因决定的自动结束生命的过程 也常被称为细胞程序性死亡 即PCD programmedcelldeath 一 细胞凋亡的概念及特征 一 细胞凋亡 9 2 细胞凋亡过程及特征 最重要特征 细胞质膜保持完整 内含物不外泄 不引发机体炎症反应 需ATP供能 凋亡小体形成 细胞凋亡开始 正常细胞 凋亡小体被吞噬 10 胸腺细胞凋亡过程形态变化 正常 凋亡 凋亡细胞表面发泡 许多泡状或者芽状突起 逐渐分隔 形成单个凋亡小体 11 胸腺细胞凋亡过程形态变化 正常 凋亡 12 可逆膨胀 细胞皱缩 不可逆膨胀 解体 破碎 胞膜完整 细胞坏死 细胞凋亡 13 3 细胞凋亡的生化特征 DNA梯状条带 1 细胞色素C诱导0h2 细胞色素C诱导1h3 细胞色素C诱导2h4 细胞色素C诱导3h5 细胞色素C诱导4h6 阴性对照7 Marker 细胞色素C作用 促进细胞内特异性核酸酶内切酶活化 DNA降解成180 200bp片段或其整数倍片段 14 4 诱导细胞凋亡的因子 1 物理性因子 包括射线 紫外线 射线等 较温和的温度刺激 如 热激 冷激 等 2 化学及生物因子 包括活性氧基团和分子 超氧自由基 H2O2 DNA和蛋白质合成的抑制剂 正常生理因子 激素 细胞生长因子 的失调及凋亡因子 肿瘤坏死因子 TNF 细胞毒素等 15 1 凋亡的生理学意义 1 生长发育 组织与器官的塑造 趾的分化 动物变态等2 免疫细胞分化 淋巴细胞的克隆选择3 防御作用 清除衰老细胞 DNA损伤的细胞以及被病原体感染的细胞 二 细胞凋亡的生理意义 16 1 蝌蚪尾巴的消失 蝌蚪在变态过程中 尾部细胞发生凋亡 17 2 脊椎动物的神经系统的发育 凋亡的神经元 神经元 靶细胞 靶细胞分泌的存活因子 通过细胞凋亡使神经元的数目与靶细胞相匹配 神经生长因子等 18 3 发育过程中手和足的成形过程 凋亡细胞被吞噬后形成趾间隔 19 胎鼠趾的发育 20 2 凋亡的病理学意义 1 病原体侵染诱导凋亡 HIV抑制凋亡 Poxvirus 痘病毒 2 细胞凋亡不足肿瘤 自身免疫疾病 3 细胞凋亡过度神经退行性疾病 AD 帕金森症 心肌梗塞 再生障碍性贫血 骨组织坏死等 21 三 细胞凋亡的检测 形态学观测 染色法 透射和扫描电镜观察 DNA电泳 DNA片段呈现出梯状条带 TUNEL测定法 DNA断裂的原位末端标记法 彗星电泳法 cometassay 凋亡细胞DNA降解片段电荷发生了变化 在电场泳动的速度较快 使细胞核呈现出一种彗星式的图案 流式细胞分析 凋亡细胞为亚二倍体 22 1 形态学观测 1 台盼蓝染色 台盼蓝可为活细胞排斥 但可使死细胞着色 2 Giemsa染色 可观察染色质固缩 凋亡小体的形成等 3 透射和扫描电镜 可观察凋亡细胞核的形态 结构变化 如 染色体固缩 凋亡小体的形成等现象 23 2 DNALadder检测 1 诱导细胞的凋亡2 收集凋亡的细胞 提取基因组DNA3 以2 的琼脂糖胶电泳分离DNA4 EB染色进行观察 染色质DNA在核小体间被切割 24 3 TUNEL测定法 标记DNA断裂缺口的3 OH 基因组DNA断裂时 暴露的3 OH可以在末端脱氧核苷酸转移酶 TdT 的催化下 加上荧光或DIG标记的dUTP 可通过荧光显微镜 流式细胞仪或酶促显色进行检测 25 TUNEL测定法检测晶状体上皮细胞的凋亡情况 26 4 DAPIStaining方法 与DNA结合的染料 27 四 细胞凋亡的分子机制 线虫 C elegans 的凋亡研究发现 ced3 ced4基因促进细胞凋亡 ced9基因可阻止ced3 ced4的激活 抑制细胞凋亡 Ced3在哺乳类同源物是ICE Interleukin 1 convertingenzyme 白介素 1 转换酶 即Caspase1 可促进细胞凋亡 常见的细胞凋亡途径有两条 Caspase依赖性的细胞凋亡 外源 内源性 和不依赖于caspase的细胞凋亡途径 两个途径一般同时被激活 28 1 Caspase家族与凋亡 1 Caspase家族简介Caspase的活性位点均包含半胱氨酸 Cysteine 残基 裂解靶蛋白位点是天冬氨酸残基后的肽键 故称天冬氨酸特异性的半胱氨酸蛋白水解酶 Cysteineasparticacicspecificprotease 即Caspase Caspase自身以非活化的酶原Procaspase存在 其激活依赖于其他的Caspase在它的天冬氨酸位点裂解活化或自身活化 29 2 caspase超家族成员及功能 15种 执行者负责切割胞质及核内的结构和调节蛋白 产生凋亡 对执行者前体进行切割 激活执行者 白介素前体的活化 不直接参与凋亡信号的传递 30 Caspase的分类及功能 共15种 31 A 起始者 对执行者前体进行切割 激活包括 Caspase 2 8 9 10 11B 执行者 切割胞质及核内的结构和调节蛋白 产生效应包括 Caspase 3 6 7 C 激活期 前期细胞应答死亡信号 起始Caspase活化D 执行期 后期执行Caspase活化 执行细胞死亡 3 Caspase的分类 4 Caspase的激活阶段 32 3 Caspase的结构特征 起始者及执行者均以无活性的酶原形式存在 N端均含一段前区域 33 在大亚基的C端含有一活性中心 其中半胱氨酸是必需氨基酸 活性形式由2个大亚基和2个小亚基组成的杂四聚体 34 Caspase的级联效应 Caspase的酶原活化 35 4 Caspase的作用底物 目前已知的Caspase作用底物约280种 36 凋亡蛋白酶激活的DNA酶抑制物 ICAD CAD CaspaseActivatedDNase由Caspase激活的核酸酶 具内切酶活性 ICAD CAD DNA Caspase Caspase的作用底物举例 降解 37 核纤层 lamina 蛋白核纤层解体 细胞骨架蛋白 导致细胞解体 形成凋亡小体 其他的caspases 灭活细胞凋亡的抑制物 38 当细胞接受凋亡信号分子 FasL TNF等 刺激后 凋亡细胞表面信号分子受体相互聚集并与细胞内衔接蛋白 Adaptorprotein 结合 这些衔接蛋白又募集Procaspase聚集在受体部位 胞质内的Procaspase相互活化并产生级联反应 使细胞凋亡 2 Caspase依赖的细胞凋亡途径 分为死亡受体 Fas 起始的外源途径及线粒体起源的内源途径两条 1 死亡受体起始的外源途径 书上P450 39 下游caspases活化后 作用于底物 裂解核纤层蛋白 导致细胞核形成凋亡小体 裂解Dnase结合蛋白 使Dnsae释放 降解DNA形成DNAladder 裂解参与细胞连接或附着的骨架和其他蛋白 使凋亡细胞皱缩 脱落 便于细胞吞噬 导致膜脂重排 如 磷酯酰丝氨酸由脂双层内页 外页 便于吞噬细胞识别并吞噬 40 外源性死亡受体通路 凋亡诱导因素 死亡受体 Fas 配体 FasL 的表达 结合 Caspase 8活化 Caspase 3活化 apoptosis FADD FADD 接头蛋白 41 死亡诱导信号复合物 接头蛋白 DD 死亡结构域DED 死亡效应结构域CARD caspase募集结构域 8 10 2 9 凋亡诱导因子 细胞凋亡内源和外源信号途径 Bcl 2家族 执行者 起始者 起始者 Apaf 1 凋亡蛋白酶活化因子 接头蛋白 42 2 Bcl 2家族与线粒体起源的内源性细胞凋亡 Bcl 2 B celllymphomagene2 是一种原癌基因 是线虫抗凋亡蛋白Ced9在哺乳类中的同源物 与线粒体相结合 能改变线粒体外膜通透性 释放凋亡因子CytC 抑制或促进细胞凋亡 Bcl 2家族成员的基因根据功能不同可分为两组 A Bcl 2 Bcl xL Bcl w等抑制凋亡 B Bax Bak Bad Noxa等促进凋亡 43 BCL 2家族部分成员 Bax和Bak寡聚化 促进CytC释放 引发凋亡 Bcl 2 Bcl xL与Bax Bak形成异二聚体 阻止Bax和Bak寡聚化 从而抑制凋亡 44 Bcl 2家族 线粒体与细胞凋亡 Bcl 2家族促凋亡因子Bid被活化后的Caspase8或其他刺激因素裂解成2个片段 其中含有BH3 Bcl 2homology 结构域的C 端片段被运送到线粒体 与Bcl 2 Bax的BH3结构域形成复合物 导致细胞色素C释放 CytC与胞质中Ced4同源物Apaf 1 凋亡蛋白酶活化因子apoptosisproteaseactivatingfactor 结合并活化Apaf 1 被活化的Apaf 1再活化Procaspase9 最后引起细胞凋亡 45 46 细胞内源信号激发细胞程序性死亡 起始者 执行者 凋亡蛋白酶活化因子 CytC被释放并与Apaf1结合 47 凋亡诱导因素 死亡受体 配体的表达 结合 Caspase 8活化 Caspase 3活化 apoptosis Bid活化 线粒体通路活化 死亡受体通路与线粒体通路的联系 Caspase 3活化 48 二 细胞坏死 necrosis P543细胞受到意外损伤 如极端的物理 化学因素或与严重的病理性刺激而发生的细胞被动死亡形式 细胞坏死时 细胞内含物释放到胞外 引起周围区域的炎症反应 49 炎症反应 50 细胞凋亡与细胞坏死的特征比较 51 第二节细胞衰老cellaging或cellsenescence 一般含义是复制衰老 是指正常细胞经过有限次数的分裂增殖后 停止分裂 细胞形态和生理代谢发生显著改变的过程 52 涉及内容 Hayflick界限 HayflickLimitation 细胞在体内条件下的衰老 自学 衰老细胞结构的变化 自学 细胞衰老的分子机制 自学 53 1 概念 关于细胞增殖能力和寿命是有限的观点细胞 至少是培养的二倍体细胞 不是不死的 而是有一定的寿命 它们的增殖能力不是无限的 而是有一定的界限 这就是Hayflick界限 即细胞最大分裂次数 癌细胞或培养的细胞系是不正常细胞 其染色体数目或形态已经不同于原先的细胞 细胞的增殖能力与供体年龄有关物种寿命与培养细胞寿命之间存在着一定的关系二倍体细胞的衰老是由细胞本身决定的 决定细胞衰老的因素在细胞内部 不是外部的环境 是细胞核而不是细胞质决定了细胞衰老 一 Hayflick界限 HayflickLimitation 54 成人早衰症 Werner ssyndrome 病人平均39岁时出现衰老 47岁左右生命结束 55 患婴幼儿早衰症 Hutchinson Gilfordsyndrome 小孩在1岁时出现明显的衰老 12 18岁即过早夭折 其细胞培养只传代2 10次 56 二 细胞在体内条件下的衰老 在机体内 细胞的衰老和死亡是常见的现象 甚至在个体发育的早期也会发生 正常情况下终生保持分裂的细胞 其分裂能力是否随着有机体年龄的增高而下降 它们会不会衰老 衰老动物体内 细胞分裂速度显著减慢 其原因主要是G1期明显延长 衰老个体内的环境因素影响了细胞的增殖和衰老 骨髓干细胞移植实验说明随着年龄的增加 干细胞增殖速度也趋缓慢 57 一名男子从36岁到75岁味觉丧失64 肾小球减少44 肾小球过滤率减少31 脊神经元减少37 神经传导速度减慢10 脑供血量减少20 肺活量减少44 58 三 细胞衰老的形态变化 59 衰老细胞结构的变化 细胞核的变化内质网的变化线粒体的变化致密体的生成膜体系的变化 60 一 细胞核的变化在衰老变化中细胞核结构的最明显变化是核膜内折 电镜检测可见衰老细胞核形状不规则 内陷和断裂 染色质固缩化是衰老细胞核中另一个重要变化 在衰老细胞中 细胞核固缩 还常常出现核内容物 核质染色加深 核的细致结构逐渐消失 核仁也发生明显的变化 61 二 内质网的变化在衰老细胞中 内质网排列变得无序 膜腔膨胀扩大甚至崩解 膜面上核糖体数量减少 三 线粒体的变化细胞中线粒体的数量随着年龄的增大而减少 而其体积则随着年龄的增长而增大 同时 线粒体的结构也发生变化 肿胀空泡化 内部嵴大大减少 线粒体崩解是细胞衰老变化的重要标志 62 四 致密体的生成溶酶体或线粒体转化五 膜系统的变化1 膜脂相发生改变 不饱和脂肪酸含量增加 膜流动性下降 2 细胞的间隙连接明显减少 组成间隙连接的膜内颗粒聚集体变小 使细胞间代谢协作减少 3 膜的微粘度增加 从而影响膜表面受体的移动和特异性生物化学信号的传导 63 四 细胞衰老的分子机制 一 氧化损伤学说 该理论认为 代谢过程中产生的活性氧基团或分子 ROS reactiveoxygenspecies 引发的氧化性损伤的积累 最终导致衰老 ROS主要有三种类型 O2 即超氧阴离子 OH 即羟自由基 H2O2 它们的高度活性引发脂类 蛋白质和核酸分子的氧化性损伤 从而导致细胞结构的损伤乃至破坏 清除ROS 就可以延长寿命 64 二 染色体端粒和衰老端粒是由简单的富含T和G的DNA片段的重复序列组成 人类端粒结构为染色体末端重复上千次的TTAGGG序列所组成 DNA聚合酶不能完成线性染色体末端DNA的复制 由于RNA引物的原因 DNA聚合酶一定会留下染色体末端的一段DNA 一段端粒 使其不被复制 那么真核细胞 染色体末端的端粒就会随着细胞分裂而缩短 这个缩短的端粒传给子细胞后 随着细胞的再次分裂进一步缩短 染色体末端端粒随着每次细胞分裂逐渐缩短 直到不能分裂走向衰老 人类种系细胞一生中维持分裂 不断增殖的原因是该细胞表达端粒酶 65 端粒酶以自身一段RNA为模板 通过逆转录酶 转录出一段端粒片段并使之连接于染色体的端粒末端 使端粒不缩短 维持完整 从而保持了细胞的永生化生长 在单细胞生物 多细胞生物的种系细胞中都显示出弱的端粒酶活性 而在人类正常组织的体细胞均无端粒酶活性 值得注意的是 在绝大多数恶性肿瘤细胞中显示明显的端粒酶活性 这可能是肿瘤细胞具有永生性生长的原因之一 66 一 名词解释 细胞凋亡 程序性细胞死亡 凋亡小体 细胞衰老 细胞坏死 Hayflick界限二 简答题 1 简述细胞凋亡的发生过程及其生物学意义 2 细胞凋亡的形态特征及其与坏死的区别是什么 作业题 黄色标出 67 1 名词解释 约占总分的20 2 10 2 单项选择题 约占总分的20 2 10 3 判断题 约占总分的10 1 10 4 填空题 约占总分的20 1 20 5 简答题 约占总分的20 5 4 6 综合题 约占总分的10 10 1 共计100分 细胞生物学试卷的基本结构为 68 外源性途径 内源性途径 返回 69 不同物种成纤维细胞体外培养情况比较来自胎儿可传代50次 与供体年龄来自中年人可传代20次有关 来自老年人可传代2 4次来自小鼠可传代14 28次 与供体物种来自乌龟可传代90 125次特性有关 返回 70 物种成纤维细胞传代数个体最长寿命 年 龟90 125175 水貂30 3410鸡15 3530小鼠14 283 5人胚胎40 60110出生至15岁20 4015岁以上10 30早老病患者2 1010 20 体外培养的人和动物细胞的寿命与其个体寿命的关系 返回 71