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细胞凋亡与疾病 Apoptosis and Disease

细胞凋亡与疾病 Apoptosis and Disease. 西安交通大学医学院生理学与病理生理学系 高广道. 1972 年 英国 Aberdeen 大学病理系 Kerr 教授 和 Wyllie 在研究中观察到一种不同于坏死的散在 细胞死亡方式， 联想到秋日落叶特征， 命名为

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细胞凋亡与疾病 Apoptosis and Disease

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  1. 细胞凋亡与疾病 • Apoptosis and Disease 西安交通大学医学院生理学与病理生理学系 高广道

  2. 1972年英国Aberdeen大学病理系 Kerr教授 和Wyllie在研究中观察到一种不同于坏死的散在 细胞死亡方式， 联想到秋日落叶特征， 命名为 “apoptosis”。 • §1. 概 述 • 一、细胞凋亡的概念 • 细胞凋亡（Apoptosis ）—— 在一些体内外因素 • 诱导下，细胞内的死亡程序被激活，而引发的有序 • 的细胞死亡。 • 又称为程序性细胞死亡（programmed cell death）； • 凋亡有其独特的形态学和生物化学改变。

  3. 二、细胞凋亡的主要特征 • （一）形态学改变 • 细胞表面微绒毛消失，与周围细胞脱离； • 胞质浓缩，内质网扩张与胞膜融合（空泡），向表面突起（出芽）； • 染色质浓聚在核膜边缘（核边集），核膜、核仁破碎，核染色质断裂为大小不等的片段； • 胞膜内陷分割包绕胞浆、细胞器和核物质，形成凋亡小体，被吞噬细胞吞噬。

  4. 正常细胞 凋亡小体 被吞噬细胞吞噬 凋亡（apoptosis) 坏 死（necrosis) 细胞凋亡与细胞坏死的比较

  5. 正常细胞 凋亡细胞及凋亡小体

  6. （二）生化改变 • 凋亡诱因 —→ 激活凋亡蛋白酶（Caspase） • —→ 激活内源性核酸内切酶—→ 裂解DNA，形成 • 180-200bp整数倍的寡核苷酸片段 —→ 电泳呈梯形 • 条带（ladder pattern)。 DNA fragmentation DNA patter

  7. 凋亡与坏死的差异比较

  8. 三、细胞凋亡的生物学意义 • 1. 维持内环境稳定，确保正常生长发育； • 2. 清除异常细胞，发挥积极的防御功能； • 3. 不足或过度可引发疾病。

  9. 凋亡诱因激活细胞信号分子 凋亡诱因激活细胞信号分子 凋亡诱因激活细胞信号分子 激活凋亡相关基因 激活凋亡相关基因 激活凋亡相关基因 形成凋亡小体 被吞噬细胞清除 形成凋亡小体 被吞噬细胞清除 形成凋亡小体 被吞噬细胞清除 凋亡蛋白酶活化 凋亡蛋白酶活化 凋亡蛋白酶活化 • §2. 细胞凋亡机制 细 胞 凋 亡 过 程

  10. 一、细胞凋亡相关因素 • （一）诱导性因素： • 1. 理化因素：射线、紫外线、抗癌药； • 2. 生物因素：细菌及病毒； • 3. 激素和生长因子水平失衡； • 4. 免疫因素：一些免疫分子诱导靶细胞凋亡。 • （二）抑制性因素: • 1. 某些细胞因子(IL-2、神经生长因子)； • 2. 某些激素（ACTH、睾丸酮、雌激素）； • 3. 其他：Zn2+、病毒（EB）、苯巴比妥等。

  11. 二、细胞凋亡的信号转导 • 可分为：① 死亡因子及其受体介导的凋亡； • ② 线粒体损伤启动的细胞凋亡。 • (一) 死亡因子及其受体介导的细胞凋亡 • 1.死亡因子及其受体 • 死亡因子（death factor）：TNF、FasL、TNF-相关凋亡诱导性配体。 • 死亡受体（death receptor, DR）：Fas、TNFR • 为跨膜蛋白，胞外C端是配体结合区，胞浆N端含死亡结构域（death domain, DD）。

  12. 2.信号转导 • 死亡因子（TNF、FasL） • 与受体结合 • 受体三聚体 • 与接头蛋白结合 • 激活Caspase8 引发级联反应 • 细胞凋亡

  13. (二) 线粒体损伤启动的细胞凋亡 • 1. 线粒体膜通透性转换： • 凋亡因子 ─→ 线粒体跨膜电位↓、电子传递脱耦 • 联 ─→ PTP开放─→ 膜通透性↑，线粒体释出AIF • 、CytC、Apaf ─→凋亡。 • AIF （细胞凋亡诱导因子）─→可快速激活核酸 • 内切酶，并增强Caspase3活性； • 细胞色素C ( CytC ) 与Apaf（凋亡蛋白酶激活因 • 子）相互作用─→激活Caspases9 ─→激活Caspases • 3，6。

  14. 2. 活性氧及胞内Ca2+改变： • 线粒体损伤 ─→ 氧化应激 ─→ 胞内活性氧↑及 [Ca2+]i↑─→ • ① 损伤DNA由野生型p53基因介导凋亡； • ② 损伤膜结构─→脂质过氧化反应； • ③ ATP↓使钙泵失灵促进[Ca2+]i↑─→激活核酸内切酶或PKC等途径，介导凋亡。

  15. 三、凋亡相关基因 • 凋亡相关基因指可诱导或阻止细胞凋亡的基因。 • 抑制凋亡基因：Bcl-2（属于Bcl-2家族）； • 促进凋亡基因：Bax，Bid，P53 ； • 对凋亡双向调控基因：C-myc，Bclx。

  16. （一） B细胞淋巴瘤/白血病-2家族 • （ B cell lymphoma/leukemia-2 ， Bcl-2家族） • 含1个或多个BH（homologous domain）结构域， • 分为3个亚家族： • 1. Bcl-2亚家族： • Bcl-2、Bcl-xl、 Bcl-w等（抑制凋亡）； • 2. Bax亚家族： • Bax、Bak、Bok等（促进凋亡）； • 3. BH3亚家族： • Bad、Bid Bik、Blk、Hrk等（促进凋亡）。

  17. Bcl-2抑制凋亡的作用机制： • （1）调节PTP活性 ─→降低线粒体膜通透性，阻止Cyt-C释放，可与Apaf-1直接结合而阻止Caspase-9的激活； • （2）与凋亡促进蛋白Bax形成异二聚体，抑制Bax的促凋亡作用； • （3）减少内质网Ca2+释放，限制核内 [Ca2+] 持续↑； • （4）抑制Caspase的活化。

  18. （二）野生型P53基因（ “分子警察” ） • P53维持细胞基因的完整性、DNA损伤的修复和细胞周期的正常运转。 • P53基因 • 抑制Bc1-2 • 促进Bax基因表达 • 细胞凋亡

  19. （三）C-myc和Bcl-X • 双向调控凋亡，取决于刺激种类和生长环境； • C-myc基因表达，若无足够的生长因子刺激 ─→ • 细胞凋亡； • Bcl-X基因可翻译出2种蛋白 • Bcl-Xl（抑制凋亡）； • 而Bcl-Xs（促凋亡）。

  20. 四、细胞凋亡的执行酶 • （一）Caspase蛋白家族 • （Cysteine-containing aspartate-specific proteinase） • 结构含半胱氨酸，可在天冬氨酸（Asp）残基后 • 切断肽链的蛋白酶家族，其相应基因用 CASP表示。 • 1、酶原结构： • 含N末端结构域、20Kd大亚基和10Kd小亚基。

  21. 2、酶原活化： Caspase酶原 水解 N-端前肽 亚基之间切断 大、小亚基分离 组成活性四聚体

  22. 3、Caspase的分类： • （1）凋亡启动酶：Caspase 2、8、9、10 • 前体部分含与其它接头蛋白结合的特异区，分别与凋亡启动酶、死亡受体的死亡区结合。 • （2）凋亡效应酶：Caspase 3，6，7 • 前体部分小不含蛋白结合区，分解细胞蛋白（凋亡执行器）。 • （3）ICE（IL-1β converting enzyme）亚类 Caspase 蛋白酶： Caspase1、4、5、11、12、13、14。 • 参与凋亡但不起主要作用,主要参与白介素前体的活化。

  23. 4. 功 能 • 凋亡信号激活Caspase酶原级联反应，是细胞凋 • 亡的共同通路。 • FasL与靶细胞Fas受体结合 ─→激活Caspase8酶 • 原 ─→Caspase3,6,7 ─→级联放大。 • 不同Caspase介导不同的凋亡信号通路： • Caspase8 ─→ 死亡受体相关的凋亡； • Caspase9 ─→ 细胞毒因子诱导的凋亡。

  24. (1) 灭活凋亡抑制蛋白： • 正常细胞中，CAD （Caspase激活的DNA酶）与ICAD （Caspase激活的DNA酶抑制物）结合而无活性。 • Caspase裂解ICAD使CAD游离而活化─→分解 DNA使其片段化。

  25. (2) 水解细胞核膜 • Caspase水解核纤层蛋白 ─→核膜板层结构崩 • 解，染色质浓缩形成凋亡小体； • (3) 分解细胞骨架蛋白，使细胞解体； • (4) 解离与DNA修复、复制、交联及mRNA剪切等 • 有关蛋白的调节区和催化区─→细胞增殖受阻 。

  26. （二）内源性核酸内切酶 • Ca2+/Mg2+依赖性核酸内切酶，Zn2+抑制其活性。 • 其引起DNA断裂（缺口发生于核小体连接区）。 • （三）谷氨酰胺转移酶 • 催化谷氨酸和赖氨酸之间的交联，促进蛋白聚合 ─→ 保持凋亡小体的完整性。

  27. 凋亡亢进 凋亡抑制 • §3.细胞凋亡失调与疾病的关系 • 细胞增殖与死亡的动态平衡 ─→ 维持机体的生 • 长与稳态。 • ①与细胞凋亡受抑制相关疾病 • 恶性肿瘤、自身免疫性疾病等； • ②与细胞凋亡增多相关疾病 • 艾滋病、神经元退行性疾病、早衰、心衰等； • ③与细胞凋亡不足和过度并存相关疾病 • 动脉粥样硬化等。

  28. 一、肿瘤 • 增殖过度而分化不足、凋亡受抑─→发生肿瘤。 • 突变型P53↑、野生型P53缺失使肿瘤发生率↑ • （肺癌发生率上升50～80%）； • bcl-2基因的高表达与肿瘤的恶化程度与预后密切 • 相关（前列腺癌、结肠癌等）； • 肿瘤细胞Fas低表达，降低肿瘤细胞凋亡； • 肿瘤细胞分泌FasL─→淋巴细胞凋亡─→肿瘤细 • 胞逃脱免疫攻击。

  29. 二、自身免疫性疾病 • 发育中──→清除针对自身抗原的免疫细胞。 • T细胞（CD4+、CD8+）发育中的阳性选择─→产生能识别自身MHC分子的T细胞（成熟T细胞识别抗原时显示MHC约束性）。 • T细胞（CD4+、CD8+）发育中的阴性选择─→清除自身反应性T细胞克隆 。 自身组织损伤 临床症状 自身抗体 致敏T淋巴细胞 含自身抗原细胞 凋亡

  30. 凋亡是其主要发生机制 • （1）艾滋病 • (acquired immunodeficiency syndrome, AIDS) • （2）自身免疫病 (autoimmune disease) • 多发性硬化症、胰岛素依赖型糖尿病

  31. 新生儿窦房结 大量P细胞和 少量胶原 成人窦房结 少量P细胞、过渡细胞 和大量胶原 P细胞凋亡 • 三、心血管疾病 • 1. 心脏传导障碍与心律失常 （1）发育中P细胞凋亡↓，残存P细胞能产生自主心律（某些心律失常患者随着年龄增长，心律失常可自行消退，与延迟凋亡有关）； （2）发育中P细胞过度凋亡 ─→不稳定电活动，心源性猝死。

  32. 2. 心力衰竭 • 内毒素、过度负荷、缺血缺氧等 ─→ 心肌细胞、心肌成纤维细胞高表达TNF-α─→心肌细胞 • 凋亡 ↑─→ 心功能↓，心力衰竭。 • 3. 心肌缺血-再灌注损伤 • 缺血、氧自由基、Ca2+超载等均为凋亡诱因 • ①缺血早期以凋亡为主，晚期以坏死为主； • ②轻度缺血以细胞凋亡为主，重度以坏死为主； • ③缺血-再灌注的一定时间内，发生的凋亡比单纯缺血坏死更严重； • ④细胞凋亡有可能通过干预加以挽救 。

  33. 缺血性心脏病 (ischemic heart disease) 、 • 心力衰竭 (heart failure) 、 • 心律失常 (arrhythmia) 、 • 心肌病 (cardiomyopathy) 、 • 动脉粥样硬化（artherosclerosis）、 • 高血压（hypertension）等心血管疾病 • ——其发生均与凋亡密切相关。

  34. 四、神经元退行性疾病 • 阿尔茨海默病 (Alzheimer’s disease,早老性痴呆) • 帕金森病、 • 肌萎缩性侧索硬化症、 • 脊肌肉萎缩、 • 小脑退行性病、 • 遗传性视网膜退行性变 • 凋亡在神经元退行性疾病发生机制中起重要作用。

  35. 五.细胞凋亡不足与过度并存性疾病 • 动脉粥样硬化（atherosclerosis，AS） • 动脉内膜和内膜下脂质沉着，中层平滑肌细胞向内 • 膜移行增殖，内膜增厚形成粥样病灶或纤维脂质斑块。 • AS发生中：血管内皮细胞凋亡↑（为34.0%远高于 • 对照组8.0%）；血管平滑肌细胞增殖↑↑、凋亡↑（为 • 29%远高于对照组0.06%，增殖占优势）。

  36. §4.细胞凋亡在疾病防治中的意义 • 通过调控（抑制或促进）细胞凋亡，防治疾病。 • 1、合理利用凋亡诱导因素 • （1）诱导凋亡（射线、高温），治疗肿瘤。 • （2）抑制凋亡（生长因子、激素），治疗退行性病变 • 2、干预凋亡信号转导来调控凋亡，治疗疾病 • （1）阿霉素刺激肿瘤细胞表达Fas/FasL使细胞相互交联，促进肿瘤细胞凋亡； • （2）磷酸鞘氨醇（SPP）具有转递增殖信号拮抗凋亡作用，防止神经元凋亡。

  37. 3、调节凋亡相关基因来影响凋亡 • 导入野生型P53基因诱导肿瘤细胞凋亡，抑制或封闭Bcl-2表达─→提高肿瘤细胞对抗癌药物敏感性。 • 4、控制凋亡相关酶来影响凋亡 • 调控caspase、核酸内切酶活性─→影响细胞凋亡。 • 5、防止线粒体跨膜电位的下降，抑制凋亡 • 环孢菌素A能稳定线粒体膜电位─→抑制凋亡。

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