细胞凋亡课件.ppt

1、果蝇3天家猫1012狗1215 秀丽广杆线虫 (Caenorhabditis elegans)这种长不过1毫米的小生物有几个和人类关系密切的亲戚：蛔虫和蛲虫就是其中最大名鼎鼎的两个。悉尼悉尼布雷诺尔布雷诺尔(1)线虫的生命周期很短，它从生到死的全过程只有3天半，这就使得不间断的观察并追踪每个细胞的演变成为可能。(2)雌雄同体成虫成熟后含有959个体细胞和2000个生殖细胞(最常见)雄性成虫则只有1031个体细胞和1000个生殖细胞(较少见)(3)再者个数量继续增长的时期，细胞最多时达到1090（雌雄同体，若是雄虫则为1179）。然而，我们前面已经提到，完全成熟的成虫只有959个细胞，那么，多出

2、的131个细胞又到哪里去了？第八章 细胞增殖和凋亡异常与疾病Cell proliferation,Apoptosis,And The Related Diseases第一节细胞凋亡与疾病APOPTOSIS AND DISEASEapoptosis一、细胞凋亡的概一、细胞凋亡的概述述细胞凋亡细胞凋亡(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：细胞坏死（Necrosis），程序性细胞死亡（Programmed cell death）197019751980198519901995200020050200040006000800

3、01000012000Thirty years on apoptosispublications THE 2002 NOBEL PRIZE WINNER2002年年10月月7日英国人悉尼日英国人悉尼布雷诺尔、美国人罗伯特布雷诺尔、美国人罗伯特霍霍维茨和英国人约翰维茨和英国人约翰苏尔斯顿，因在细胞程序性死亡方面的苏尔斯顿，因在细胞程序性死亡方面的研究获诺贝尔诺贝尔生理与医学奖。研究获诺贝尔诺贝尔生理与医学奖。THE NOBEL DIPlOMASydney Brenner receiving his Nobel Prize from His Majesty the King at the Stoc

4、kholm Concert Hall.Photo:Hans Mehlin,Nobel e-Museum是细胞受到急性强力伤害时立即出现的反应早期表现为细胞膜破坏，线粒体肿胀溶酶体破裂,细胞内容物流出,引起炎症（一）细胞坏死(necrosis)概念：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。（二）细胞凋亡(apoptosis)例如蝌蚪尾的消失脊椎动物的神经系统的发育发育过程中手和足的成形过程 细胞凋亡（科普诗）（科普诗）似秋叶的凋零，似秋叶的凋零，告别生命之辉煌；告别生命之辉煌；那难以计数的攻击、诱导，那难以计数的攻击、诱导，轻启着道道程序，轻启着道道程序，逼细胞步步走向生命的末

5、端；逼细胞步步走向生命的末端；啊，活性氧处处肆虐，啊，活性氧处处肆虐，钙波涛惊石裂岸，钙波涛惊石裂岸，线粒体把生命之光一点一点拧淡线粒体把生命之光一点一点拧淡;危难中的细胞啊，危难中的细胞啊，你沉稳不乱，你沉稳不乱，DNA片片切割，片片切割，化云梯直通天堂；化云梯直通天堂；细胞体分团相聚，细胞体分团相聚，把生命的凝重浓集在小体上；把生命的凝重浓集在小体上；分别了朝夕相处的伙伴，分别了朝夕相处的伙伴，再见了快乐美好的时光；再见了快乐美好的时光；这一切的一切又融入临近的胞体，这一切的一切又融入临近的胞体，腾出的空间再写生命的篇章。腾出的空间再写生命的篇章。细胞凋亡与细胞坏死的比较(一)坏 死凋 亡

6、1.性 质病理性，非特异性生理性/病理性，特异性2.诱 因强烈刺激，随机发生较弱刺激，非随机发生3.基因调控无有4.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细胞凋亡与细胞坏死的比较(二)坏 死凋 亡5.形态改变细胞肿胀结构溶解，破坏细胞皱缩，核固缩胞膜/细胞器相对完整6.凋亡小体无有7.DNA变化弥散性降解电泳呈均一片状片段化（180-200bp）电泳呈“梯”状条带8.溶酶体改变破裂相对完整9.炎症反应局部炎症反应局部无炎症反应坏死是一件细胞谋杀案的话，那坏死是一件细胞谋杀案的话，那凋亡凋亡就是一桩自杀案。就是一桩自杀案。生理性细胞凋亡的作用1.确保正常发育、生长在器官、组

7、织的形成、成熟中发挥作用(细胞团 具备复杂结构的组织器官)多余细胞的清除生理性细胞凋亡的作用2.维持内环境的稳定清除受损、衰老和突变的细胞(针对自身抗原T细胞的清除、子宫内膜周期性剥脱)3.发挥积极的防御作用病毒DNA（一）细胞凋亡的过程 cAMPCa2+神经酰胺凋亡诱因凋亡信号转导凋亡基因激活细胞凋亡凋亡细胞清除受体受体死亡信号DNase活化 Caspases活化 DNA片断 凋亡小体形成巨噬细胞吞噬、分解（二）凋亡时细胞的主要变化1.细胞凋亡的形态学改变微绒毛消失 脱水 空泡化(blebbing)固缩(condensation)出芽(budding)染色质边集(margination)凋亡

8、小体(apoptosis body)凋亡细胞形态学改变生化特徵：生化特徵：胞漿內Ca2 濃度升高。細胞內活性氧增多。質膜通透性變大。DNA內切酶活性被激活升高，雙鏈DNA在核小體之間切斷形成185bp為基數的有序片段。型 谷 氨 酰 胺 轉 移 酶 和 需 鈣 蛋 白 酶（Calpain）活性升高。DNA的片段化 蛋白质的降解2.细胞凋亡的生化改变典型凋亡细胞典型凋亡细胞DNADNA琼脂糖凝胶电泳呈现梯状条带琼脂糖凝胶电泳呈现梯状条带DNA片断化Ca 2+/Mg 2+核酸内切酶激活Zn2+caspase激活灭活凋亡抑制物水解活性蛋白水解结构蛋白凋亡小体形成凋亡小体形成谷氨酰胺转移酶谷氨酰胺转移

9、酶二、二、细胞凋亡的调控细胞凋亡的调控（一）凋亡信号细胞凋亡相关因素诱导性因素激素和生长因子失衡理化因素免疫性因素微生物学因素大量糖皮质激素淋巴细胞凋亡射线/高温/强酸/强碱/乙醇/抗癌药物CTL分泌粒酶HIVCD4+细胞凋亡抑制性因素细胞因子(IL-2/NGF)激素(ACTH/睾丸酮/雌激素)金属阳离子(Zn2+)药物(苯巴比妥/半胱氨酸酶抑制剂)病毒EB病毒/牛痘病毒细胞凋亡相关因素美国科学杂志月球列为20世纪十大科学错误之一“反应停”事件Thalidomide/沙立度胺/反应停 2001年诺贝尔化学奖奖金的一半授予美国科学家威廉诺尔斯与日本科学家野依良治，以表彰他们在“手性催化氢化反应”

10、领域所作出的贡献；奖金另一半授予美国科学家巴里夏普莱斯，以表彰他在“手性催化氧化反应”领域所取得的成就。威廉诺尔斯野依良治巴里夏普莱斯（二）细胞凋亡信号的转导外源性途径内源性途径1.死亡受体介导的凋亡通路死亡受体介导的凋亡通路Hengartner,M.O.2000.Nature.407:770.Green,D.andKroemer,G.1998.Trends Cell Biol.8:267.Mitochondrial PathwayDeath Receptor PathwayFasLCaspase 3DDDDFas/Apo1/CD95FADDProcaspase 8Caspase 8BIDox

11、idants ceramideothersBcl-2DCytochrome cdATPProcaspase 9Apaf-1dATPApaf-1Caspase 9Procaspase 3apoptosomeDNA damageCellular targets2.2.线粒体介导的凋亡通路线粒体介导的凋亡通路(1)线粒体膜通透性转换(permeability transition,PT):(2)活性氧的作用:(3)细胞内Ca2+、pH改变:线粒体内、外膜之间的通透性转换孔线粒体内、外膜之间的通透性转换孔(permeability transition pore,PTP)(permeability t

12、ransition pore,PTP)开放；正常，绝大多数关闭开放；正常，绝大多数关闭三、线粒体损伤 超微结构基本正常，功能明显：线粒体内膜通透性 跨膜电位（m）能量合成明显 Ca2Ca2NONOIschemiaIschemiaHypoxiaHypoxiaReactive oxygenReactive oxygen Bcl-2Bcl-2线粒体线粒体PTPPTP开放开放 Apaf Cty.CApaf Cty.C 电子漏电子漏Pro-caspase-9Pro-caspase-9 Caspase-9Caspase-9Pro-caspase-3Pro-caspase-3 Caspase-3Caspas

13、e-3AIF AIF 蛋白质蛋白质水解水解CellapoptosisCellapoptosisEndogenous nuclease DNAEndogenous nuclease DNA断裂断裂 线粒体线粒体 m PTP开放开放 Apaf+Cyt.C AIFCaspase抑制剂Caspase 9活化Caspase-3活化蛋白质水解核酸内切酶激活DNA断裂Bcl-2apoptosis？Ca2+氧化损伤氧化损伤钙稳态失衡钙稳态失衡线粒体损伤线粒体损伤恶性网络假说恶性网络假说(deleterious network hypothesis)细胞凋亡 m AIF，ApafPTP open（三）细胞凋亡的

14、执行1.caspases是一组对底物天冬氨酸部位有特异水解是一组对底物天冬氨酸部位有特异水解作用，其活性中心富含半胱氨酸的蛋白酶作用，其活性中心富含半胱氨酸的蛋白酶（cysteine-containing aspartate-spicificcysteine-containing aspartate-spicific proteaseprotease）至少有）至少有1313个成员个成员“c”c”代表半胱氨酸蛋白酶代表半胱氨酸蛋白酶 aspaseaspase特异切割底物的天冬氨酸后肽键特异切割底物的天冬氨酸后肽键的能力的能力Ced-3（C.elegans Death Gene)ICE (Inte

15、rleukin-1 converting enzyme,Caspase 1)鼠的白细胞介素-1转换酶同源性(Ced-3/ICE)Ced-9=Bcl-2 Bcl-2 is the mammalian homologue of CED-9,which is a negative regulator of CED-3.Bcl-2 and related family members,such as Bcl-xL,inhibit cell death induced by many stimuli.inhibit apoptosisCaspaseCaspase 特点特点(1)它是一种半胱氨酸蛋白酶,半

16、胱氨酸残基是其催化活性所必需的;(2)Caspase 在催化水解底物时,总是在天冬氨酸(Asp)残基的C 端裂解底物,即Asp-x 肽键断裂;(3)Caspase 酶原的活性很低,需要切除氨基端的一段序列才能被激活;(4)活化的Caspase 能够特异地水解一套蛋白底物,从而导致细胞凋亡;(5)正常情况下,细胞内Caspase与其抑制剂总是共存的,以免Caspase 酶原被意外激活,对正常细胞造成损伤。3.3.其他其他 谷氨酰胺转移酶，酰基转谷氨酰胺转移酶，酰基转移，共价键，骨架蛋白分子间交移，共价键，骨架蛋白分子间交联，凋亡小体形成联，凋亡小体形成凋亡相关基因1.Bcl-2(B cell l

17、ymphoma/leukemia-2)主要分布于线粒体内膜、细胞膜内表面、核膜及部分内质网中。广泛存在于造血细胞、上皮细胞、淋巴细胞、神经细胞及多种瘤细胞BCL-2家族成员家族成员基因产物功 能BCL-2凋亡抑制剂，可和 Bax 及 Bak 结合BCL-x其 L 型抑制凋亡，S 型促进凋亡，与 Bax 及 Bak 结合BCL-w凋亡抑制剂Bax凋亡促进剂，可与 BCL-2，BCL-XL，EIB19K 结合Bak凋亡促进剂，亦可作抑制剂，可与BCL-2，BCL-X和E1B19K结合MCL-1凋亡抑制剂Bad凋亡促进剂，与 BCL-2 和 BCL-XL结合Ced-9线虫中的凋亡抑制剂，BCL-2

18、同源物E1B19K腺病毒凋亡抑制剂，与 Bax 和 Bak 结合 Bcl-2抑制细胞凋亡抗氧化促凋亡蛋白释放(细胞色素C、AIF)促凋亡蛋白Bax/Bak的细胞毒作用凋亡蛋白酶(caspases)激活维持细胞钙稳态凋亡相关基因2.P53 野生型P53(wtP53)诱导凋亡，突变后抑制凋亡 wtP53在G1期发挥卡点功能有缺陷DNACIP表达启动修复失败启动凋亡 CIP-CIP-c cyclin dependent kinase yclin dependent kinase i interacting nteracting p protein-1rotein-1 P53=molecular po

19、liceP53=molecular policemanman?凋亡相关基因3.c-myc,bcl-x 促进增殖 c-myc(转录调节因子)诱导凋亡 Bcl-XL 抑制凋亡 Bcl-x Bcl-Xs 促进凋亡凋亡相关基因GF第四节第四节 细胞凋亡与疾病细胞凋亡与疾病一、细胞凋亡不足1.肿瘤 抑制凋亡基因过度表达 Bcl-2基因表达(前列腺癌、结肠癌)促凋亡基因突变或缺失 wtP53基因突变(小细胞肺癌、非小细胞 肺癌)2.自身免疫病胸腺负选择机制失调 T细胞在胸腺发育过程中的正负选择 正选择：与非已抗原-MHC抗原结合的TCR的单阳性细胞保留存活，进入外周T细胞库 负选择：与自身抗原-MHC抗原

20、结合的TCR的双阳性细胞通过细胞凋亡被清除 负选择失调多发性硬化症、胰岛素依赖性糖尿病、慢性甲状腺炎细胞凋亡不足二、细胞凋亡过度1.心血管疾病心肌缺血-再灌注损伤 缺血早期-凋亡为主 梗死灶周边-凋亡为主 轻度缺血-凋亡为主 发生缺血-再灌注损伤较单纯缺血凋亡严重心力衰竭 氧化应激/压力、容量负荷/神经-内分泌失调 /TNF/缺血/缺氧心肌细胞凋亡机制氧化应激：SOD可减轻受体Fas上调：FasL反应P53激活:卡点作用2.神经元退行性疾病阿尔茨海默氏病(Alzheimers disease,AD)-淀粉样蛋白/钙超载/氧化应激/NGF神经元凋亡帕金森氏症(Parkinsons disease

21、)多发性硬化症细胞凋亡过度3.病毒感染 AIDS细胞凋亡过度 Gp120糖蛋白-CD4结合 CD4+细胞凋亡 Fas基因表达HIV-感染 CD4+细胞合胞体形成 T细胞激活AICD 巨噬细胞TNF分泌HIV-感染tat蛋白表达 CD4+细胞 产生氧自由基三、细胞凋亡不足与过度并存 动脉粥样硬化氧化型LDL血小板激活Ag高血压内皮细胞凋亡平滑肌细胞增殖平滑肌细胞凋亡2 2，神经元退行性疾病：，神经元退行性疾病：Alzheimer disease,Alzheimer disease,PrakinsonPrakinson disease.disease.Alzheimers Disease Sign

22、s may include:Memory loss,especially about recent events Confusion about time and place Poor judgement Trouble learning new information Changes in being able to do such things as drive,handle money,take medicine,cook,dress,and bathe我国老年性痴呆的现状：“一高三低”患病率高：589万（世界的1/4）就诊率低、诊断率低、治疗率低Alzheimer disease,AD

23、 神经元丧失；海马及基底核的胆神经元丧失；海马及基底核的胆碱能神经元丧失达碱能神经元丧失达30%50%30%50%，累及大脑皮层累及大脑皮层AD机制：致病因素（如氧自由基）作机制：致病因素（如氧自由基）作用于神经元，用于神经元，Ca2+内流内流，激活有关，激活有关基因，促使神经元内基因，促使神经元内-淀粉样蛋白含淀粉样蛋白含量量从而导致凋亡从而导致凋亡 阿尔茨海默病阿尔茨海默病(Alzheimer disease,AD)：氧自由基氧自由基-淀粉样蛋白沉积淀粉样蛋白沉积神经元凋亡神经元凋亡Vit E CaCa2+2+内流内流尼莫地平3 3 病毒感染病毒感染 HIVHIV引起引起AIDSAIDS：

24、CD CD 4 4+细胞被选择细胞被选择性破坏性破坏合胞体合胞体AICD效靶效应（效靶效应（慢性感染）HIVApoptosis bodySignal substance细胞水平CD4+CD4+HIV引起CD4+细胞凋亡HIV引起CD4+细胞凋亡Rgp120-Fas-RTNFM ROStat受体、分子水平受体、分子水平Host cellCD4+cell4.4.细胞细胞凋亡凋亡不足与过度并存不足与过度并存:动脉粥样硬化动脉粥样硬化 内皮细胞内皮细胞凋亡凋亡过度过度 平滑肌细胞平滑肌细胞凋亡凋亡不足不足细胞凋亡不足与过度并存内皮凋亡内皮凋亡平滑肌凋亡不足平滑肌凋亡不足（增殖（增殖凋亡凋亡）oxLDL

25、 activated plt Ag II hypertension内皮屏障内皮屏障动脉粥样硬化动脉粥样硬化(atherosclerosis,AS)：第五节第五节 细胞凋亡与疾病防治细胞凋亡与疾病防治一、合理利用凋亡因素 低剂量照射急性T细胞性白血病 TNF-白血病细胞株U937 高温(43)肿瘤 NGF老年性痴呆 撤除雄激素前列腺癌二、干预凋亡信号转导 阿霉素Fas/FasL表达肿瘤细胞凋亡 SPP用于凋亡过度疾病(AIDS、老年性痴呆)三、调节凋亡相关基因 基因转移 wtP53P53基因突变肿瘤细胞 基因封闭 反义寡核苷酸bcl-2表达四、控制凋亡相关酶的活性 核酸内切酶和caspases Ca 2+载体/阻断剂核酸内切酶活性/Zn 2+caspases活性 五、防止线粒体跨膜电位的下降 环胞霉素 A N-methyl-Val-Cyclosporin本章小结1.掌握细胞凋亡的概念2.掌握细胞凋亡的病理生理意义3.掌握细胞凋亡的主要变化、细胞凋亡 的调控4.掌握细胞凋亡的发生机制。5.了解细胞凋亡的大致过程，了解凋亡不足、过度或并存的疾病，了解凋亡在疾病防治中的意义。