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细胞凋亡与疾病

细胞凋亡与疾病. 病理生理教研室 王生兰. 悉尼 - 布雷内. 罗伯特 - 霍维茨. 约翰 - 苏尔斯顿. 2002 年诺贝尔生理学或医学奖分别授予了英国科学家悉尼 · 布雷内 (Sydney Brenner) 、美国科学家罗伯特 · 霍维茨 (H.Robert Horvitz) 和英国科学家约翰 · 苏尔斯顿 (John E.Sulston) ，以表彰他们发现了在器官发育和 “ 程序性细胞死亡 ” 过程中的基因规则。. 内 容. 细胞凋亡概述 细胞凋亡的形态学和生物化学特征 细胞凋亡的分子调控机理 细胞凋亡的发生机制 细胞凋亡与疾病.

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细胞凋亡与疾病

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Presentation Transcript

  1. 细胞凋亡与疾病 病理生理教研室 王生兰

  2. 悉尼-布雷内 罗伯特-霍维茨 约翰-苏尔斯顿 2002年诺贝尔生理学或医学奖分别授予了英国科学家悉尼·布雷内(Sydney Brenner)、美国科学家罗伯特·霍维茨(H.Robert Horvitz)和英国科学家约翰·苏尔斯顿(John E.Sulston)，以表彰他们发现了在器官发育和“程序性细胞死亡”过程中的基因规则。

  3. 内 容 • 细胞凋亡概述 • 细胞凋亡的形态学和生物化学特征 • 细胞凋亡的分子调控机理 • 细胞凋亡的发生机制 • 细胞凋亡与疾病

  4. 细胞凋亡(Apoptosis) • 早在1972年Kerr等已发现从细胞形态、超微结构和生化变化等方面来分析，细胞有二种死亡形式,一种是早被熟知的细胞坏死（Necrosis），另一种是新提出的程序性细胞死亡（Programmed cell death, PCD）学说。现在普遍称之为细胞凋亡（Apoptosis） • 细胞凋亡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。 • 是一个由基因调控的细胞主动结束生命的过程。

  5. 100% Apoptosis: induced by BL-106 (5mM) that binds to bcl-2. Nuclear stained with Hoechest33258

  6. 细胞凋亡与细胞坏死的区别 坏死 凋亡 ——————————————————— ——————————————————— 1.性质 病理性，非特异性 生理性或病理性，特异性 2.诱导因素 强烈刺激，随机发生 较弱刺激，非随机发生 3.生化特点 被动过程，无新蛋白合成，不耗能 主动过程，有新蛋白合成，耗能 4.形态变化 细胞结构全面溶解、破坏、细胞肿胀 胞膜及细胞器相对完整细胞皱缩，核固缩 5.炎症反应 溶酶体破裂，局部炎症反应 溶酶体相对完整，局部无炎症反应 6.DNA电泳 弥散性降解，电泳呈均一DNA片状 DNA片段化（180-200bp），电泳呈“梯”状条带 7.凋亡小体 无 有 8.基因调控 无 有 ———————————————————

  7. 细胞凋亡的生理意义 • 确保正常发育、生长 • 维持内环境稳定 • 发挥积极的防御功能 蝌蚪尾的消失 脊椎动物的神经系统的发 发育过程中手和足的成形过程

  8. 凋亡过程 凋 亡 相 关 基 因 激 活 Dnase 激 活 Caspases 激活 巨噬细胞 吞噬分解 凋亡细胞 凋 亡 诱 导 因 素 cAMP Ca2+ 神 经 酰 胺 死 亡 信 号 受 体

  9. 凋亡过程可分为三个阶段: • 诱导期:细胞凋亡相关因素的作用和细胞信号转导; • 效应期:相关基因接受死亡信号后按预定程序启动合成执行凋亡所需的各种酶类及相关物质,并引起核酸内切酶和caspase家族的级联反应; • 降解期:底物降解,包括核酸内切酶彻底破坏细胞生命活动所必须的全部基因, caspase导致细胞结构的全面解体,完成细胞凋亡。

  10. 内 容 • 细胞凋亡概述 • 细胞凋亡的形态学和生物化学特征 • 细胞凋亡的分子调控机理 • 细胞凋亡的发生机制 • 细胞凋亡与疾病

  11. 形态学特征 ■凋亡细胞（实体细胞）与周围细胞脱接触 ■胞膜空泡化（Blebbing） ■细胞固缩（Condensation）、核固缩和出芽(Budding)、染色体边集（Margination） ■凋亡小体（Apoptotic body）

  12. 生物化学特征 • 胞浆内Ca2+浓度升高。 • 细胞内活性氧增多。 • 质膜通透性变大。 • DNA内切酶活性被激活升高，双链DNA在核小体之间切断形成180~200bp为基数的有序片段。 • Ⅱ型谷氨酰胺转移酶和需钙蛋白酶（Calpain）活性升高。 • 细胞膜磷脂酰丝氨酸外翻 典型凋亡细胞DNA琼脂糖凝胶电泳呈现梯状条带

  13. 内 容 • 细胞凋亡概述 • 细胞凋亡的形态学和生物化学特征 • 细胞凋亡的分子调控机理 • 细胞凋亡的发生机制 • 细胞凋亡与疾病

  14. （一）凋亡信号 • 生理性凋亡信号 促进细胞凋亡：生物及化学毒物、病毒感染、射线、应激和化疗药等。 抑制细胞凋亡：化学促癌物、某些病毒（EB病毒，人类乳头状瘤病毒） （1）某些激素和细胞因子的直接作用：强烈应激→GC→淋巴细胞凋亡 （2）某些激素和细胞因子的间接作用：睾丸酮对前列腺上皮细胞；ACTH对肾上腺皮质细胞。 • 病理性凋亡信号

  15. 病理性信号可经以下环节诱导凋亡 • 氧化应激作用 • 死亡受体的激活 • 线粒体结构和功能的改变 • 其他：钙离子的作用

  16. （二）细胞凋亡过程中的信号转导 • Fas/CD95信号转导途径 • 2. TNFR-1 信号转导途径

  17. 受体TPK Ras Grb2 Sos GDP P GTP Raf (extracellular signal regulated kinase，ERK) MEK ERK 靶蛋白 磷酸化 靶基因 转录 3. 酪氨酸蛋白激酶信号系统 （负调控作用） 生长因子 Tyrosine protein kinase-mediated signal transduction pathway

  18. α2受体 M受体 受体 Gs Gi ＋ － 腺苷酸环化酶 cAMP PKA 靶蛋白 磷酸化 靶基因 转录 4. cAMP/PKA信号系统 Adenylyl cyclase signal transduction pathway

  19. α1受体 AngII受体 Gq PIP2 PLCβ IP3 DAG Ca2＋ PKC 靶基因 转录 5.胞内Ca2+信号系统 靶蛋白 磷酸化 Phospholipase C signal transduction pathway

  20. GH receptor JAK JAK STAT STAT P P STAT STAT Target gene 6. JAK-STAT通路 （STAT1可激活细胞周期依赖性激酶的抑制分子p21的转录,而且STAT1是某些细胞发生凋亡所必须；STAT3则可能对促进凋亡的Bax分子表达有诱导作用） GH Growth hormone receptor signaling through the JAK/STAT pathway

  21. 7. 神经酰胺信号系统 神经鞘磷脂　 神经酰胺 细胞凋亡 电离辐射、TNF-α、Fas抗原、糖皮质激素均可通过神经酰胺信号系统诱导细胞凋亡。 8.TRAIL介导的凋亡信号通路 肿瘤坏死因子相关的凋亡诱导配体（TNF relatedapoptosis inducing ligand, TRAIL）, TRAIL诱导的凋亡与TNF相似,它与相应的受体结合后可激活NF-κＢ、JNK通路和Caspases级联。但目前对TRAIL受体诱导的凋亡机制仍有许多争议。 SM酶

  22. ceramide others oxidants Mitochondrial Pathway Death Receptor Pathway FasL Fas/Apo1 /CD95 DNA damage D D Bcl-2 D D D FADD Procaspase 8 Apaf -1 BID Procaspase 9 Procaspase 3 Cytochrome c Caspase 8 Apaf -1 dATP dATP Caspase 3 Caspase 9 Cellular targets apoptosome Hengartner, M.O. 2000. Nature. 407:770. Green, D. and Kroemer, G. 1998. Trends Cell Biol.8:267. （三）细胞凋亡的途径

  23. （四）细胞凋亡的执行 • Caspase家族 • 凋亡的执行者 • 特点：前体形式存在, 级联反应 • 作用： • 灭活凋亡抑制物 • 水解蛋白质结构，形成凋亡小体 • 水解凋亡相关活性蛋白 • 瓦解核结构成碎片

  24. 细胞凋亡异常 1、Caspases 概念Caspase属于半胱氨酸蛋白酶家族，14个成员(Caspase 1-14)。Caspase活性位点是半胱氨酸，裂解靶蛋白位点是天冬氨酸残基后的肽键，因此称为Cysteine aspartic acic specific protease，即Caspase Caspase信号通路分类 死亡受体通路 线粒体途径 上游（Caspase-8 , -9, -10） 下游（Caspase -2, -3,-6,-7）（共同通路） ▲Caspase （Ced-3亚家族） 结构特点 Pro-caspase： NH2末端结构域、 20KD亚基、 10KD亚基 剪切 大小亚基结合（二聚体） caspase活化（四聚体）

  25. Caspase 如何杀死细胞？ • 使抑制凋亡因子失活，如CAD/ICAD Bcl-2 • 破坏细胞结构，如Lamina • 将调节区与催化区分离，使蛋白失活，如Gelsolin • 分解核结构成碎片

  26. （四）细胞凋亡的执行 • 内源性核酸内切酶 作用：切割染色质DNA 特点：Ca2+Mg2+依赖Zn2+抑制 • 其他：钙离子

  27. （五）细胞凋亡的基因调控 凋亡相关基因: 抑制凋亡的基因：EIB 、IAP、 Bcl-2 促进凋亡的基因：Fas 、Bax 、ICE 、P53 双向调控基因： c-myc 、Bclx • Bcl-2家族 抗凋亡成员：Bcl-2和Bcl-XL 促凋亡成员：Bax和Bak BH3-only死亡蛋白

  28. （五）细胞凋亡的基因调控 Bcl-2 B淋巴细胞瘤/白血病2（B cell lymphoma/leukenia-2） 分布：造血细胞，上皮细胞，淋巴细胞，多种瘤细胞 （线粒体内膜、细胞膜内表面、内质网和核膜等处） Bcl-2抗凋亡的机制： ⑴直接抗氧化 ⑵抑制线粒体释放促凋亡的蛋白质 ⑶抑制促凋亡调节蛋白Bax、Bak的细胞毒作用 ⑷抑制凋亡蛋白酶的激活 ⑸维持细胞钙稳态

  29. （五）细胞凋亡的基因调控 • P53 诱导凋亡的基因 P53 “ 分子警察”(molecular policeman) • 其他双向调节基因 c-myc

  30. （六）吞噬细胞对凋亡细胞的识别与吞噬 • 吞噬细胞凝集素的作用 • 血小板反应蛋白介导吞噬 • 磷脂酰丝氨酸的作用

  31. 细胞凋亡发生的时间过程

  32. 内 容 • 细胞凋亡概述 • 细胞凋亡的形态学和生物化学特征 • 细胞凋亡的分子调控机理 • 细胞凋亡的发生机制 • 细胞凋亡与疾病

  33. 细胞凋亡发生机制 （一）氧化损伤 （二）钙稳态失衡 ( 三 ) 线粒体损伤

  34. (一) 氧化损伤 氧自由基→ DNA损伤→ p53激活→ 细胞凋亡 氧自由基→ DNA损伤→ 多聚ADP核酸合成酶活化 → → NAD耗竭 ATP消耗 细胞凋亡 细胞膜过氧化损伤 → Ca2+内流↑ →细胞凋亡 氧自由基→ → → 细胞凋亡 过氧羟基24碳四烯酸 核酸内切酶激活（Ca2+/Mg2+） → 氧化应激→ 细胞凋亡 通透性↑膜电位改变 → 细胞凋亡 氧自由基→ 线粒体膜损伤→ 氧化应激→ NF-κB,AP-1活化→ 凋亡相关基因表达 →细胞凋亡

  35. （二）钙稳态失衡 1.激活核酸内切酶→ 降解DNA链 酰基转移 →蛋白交联 →形成凋亡小体 2.激活谷氨酰氨转移酶→ 3.激活核转录因子→ 凋亡相关蛋白表达 →凋亡 ATP 4.Ca2+→ DNA舒展→ 核小体间酶切点暴露 →DNA内切酶切割DNA

  36. (三) 线粒体损伤 Ca2+ NO 缺血 缺氧 活性氧 MPT开放 + Apaf-1 Cyt.c Cyt.c Cyt.c ATP 膜通透性↑、线粒体肿胀、△m↓ AIF apoptosome Apaf-1活化 Apaf-1活化 CARD caspase-independent apoptosis + Pro-caspase-9 凋亡 Caspase-9 Pro-Caspase-3 Caspase-3 细胞凋亡异常

  37. 内 容 • 细胞凋亡概述 • 细胞凋亡的形态学和生物化学特征 • 细胞凋亡的分子调控机理 • 细胞凋亡的发生机制 • 细胞凋亡与疾病

  38. 细胞凋亡与疾病发生机制的新认识 该“死”的细胞（如肿瘤细胞、自身反应性免疫细胞）未死，是造成肿瘤、自身免疫性疾病的主要发病机制之一。

  39. 细胞凋亡与疾病发生机制的新认识 不该“死”的细胞（如神经元、心肌细胞）死了，这与老年性痴呆、心肌缺血/再灌注损伤等发病有关。

  40. 凋亡与疾病 • 细胞凋亡不足： • 肿瘤，自身免疫病 • 细胞凋亡过度： • 心肌缺血，心力衰竭，神经元退行性疾病，病毒感染

  41. 与细胞凋亡有关的疾病

  42. 细胞凋亡与肿瘤 • 细胞凋亡与肿瘤发生 • 凋亡抑制(Bcl-2、P53) • 2. 细胞凋亡与肿瘤发展 • 细胞增殖和凋 • 亡比例失衡 • 3. 细胞凋亡与肿瘤转移 • 环境变化凋亡减少 NATURE CELL BIOLOGY VOL 4 JUNE 2002

  43. HIV与T细胞凋亡 • 对HIV感染T细胞的影响： • 多个细胞胞膜融合形成合胞体 • 病毒持续出胞和HIV 蛋白对细胞膜的损伤 • 病毒复制形成的线状RNA对细胞有毒性作用 • 4. HIV打破Bcl-2家族中抗凋亡、促凋亡因素的平衡 • HIV蛋白可增加Fas和FasL的表达 • 6. HIV蛋白酶可使Bcl-2失活，同时激活Caspase-8

  44. 对旁观者细胞的影响： • T细胞激活-激活诱导的细胞死亡（ activation-induced cell death, AICD ） • Gp120糖蛋白诱导细胞凋亡 • Tat蛋白进入旁观者细胞-诱导氧自由基产生-Fas表达增强-细胞凋亡 • 4. 细胞因子的作用-TNF

  45. 细胞凋亡与心肌缺血及缺血-再灌注损伤 特点: 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； 轻度缺血以凋亡为主，重度缺血以坏死为主； 机制: 氧化应激、FasR通路、p53基因的转录增加。

  46. 细胞凋亡在疾病防治中的意义 • 可以通过不同的手段在不同的阶段进行干预而治疗疾病 • 合理利用凋亡相关因素 • 干预凋亡信号转导 • 调节凋亡相关基因 • 控制凋亡相关酶学机制

  47. 细胞凋亡—生命的选择

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