1、细胞调亡专题讲座细胞调亡专题讲座生物体内环境的稳定，不但依赖细胞增殖和分化，生物体内环境的稳定，不但依赖细胞增殖和分化，也依赖于细胞的凋亡。细胞凋亡（也依赖于细胞的凋亡。细胞凋亡（apoptosisapoptosis）又又称编程性死亡称编程性死亡(PCD;(PCD;Programmed Cell DeathProgrammed Cell Death)，是生物界重要的生命现象之一。是生物界重要的生命现象之一。细胞凋亡是近年来生物学及医学研究的一个热点。细胞凋亡是近年来生物学及医学研究的一个热点。凋亡不仅是一种特殊的细胞死亡类型凋亡不仅是一种特殊的细胞死亡类型 ，它还具有，它还具有重要的生物学意义
2、及复杂的分子生物学机制重要的生物学意义及复杂的分子生物学机制。对对凋亡的研究不仅有助于对疾病过程中细胞死亡及凋亡的研究不仅有助于对疾病过程中细胞死亡及其机制的深入阐明，而且将导致疾病新疗法的问其机制的深入阐明，而且将导致疾病新疗法的问世。世。NATURE REVIEWS|MOLECULAR CELL BIOLOGY MOLECULAR CELL BIOLOGY VOLUME 2|JULY 2001|545VOGT,C.Untersuchungen uber die Entwicklungsgeschichte derGeburtshelferkroete(Alytes obstetrician
3、s).Solothurn,Switzerland:Jent&Gassman,1842.Flemming,W.ber die bildung von richtungsfiguren insugethiereiern beim untergang graafscher follikel.Arch.Anat.Physiol.221244(1885).Terre,L.Contribution ltude de lhistolyse et de lhistognse du tissu musculaire chez labeille.C.R.Soc.Biol.(IIe Srie)51,896898(1
4、889).Kerr,J.F.R.,Wyllie,A.H.&Currie,A.R.Apoptosis:abasic biological phenomenon with wide-rangingimplications in tissue kinetics.Br.J.Cancer 26,239257(1972).凋亡一词是凋亡一词是19721972年由澳大利亚组织病理学家年由澳大利亚组织病理学家John KerrJohn Kerr首首先提出的，本意是花瓣或树叶从花或树上掉落或凋落先提出的，本意是花瓣或树叶从花或树上掉落或凋落(dropping off,falling offdropping of
5、f,falling off)。19651965年年KerrKerr等结扎大鼠等结扎大鼠门脉左支，数小时内大鼠肝左叶开始出现片状坏死，但周门脉左支，数小时内大鼠肝左叶开始出现片状坏死，但周边部分仍然由肝动脉供血而存活，几周后存活的细胞开始边部分仍然由肝动脉供血而存活，几周后存活的细胞开始变小，变圆，皱缩，细胞膜将胞浆及断裂的染色质分割包变小，变圆，皱缩，细胞膜将胞浆及断裂的染色质分割包围成致密的颗粒，以后被周围存活的细胞吞噬分解，在细围成致密的颗粒，以后被周围存活的细胞吞噬分解，在细胞死亡过程中始终保持细胞膜的完整性直到被吞噬消化为胞死亡过程中始终保持细胞膜的完整性直到被吞噬消化为止，而且并未在
6、局部发现炎细胞浸润。终于在止，而且并未在局部发现炎细胞浸润。终于在19721972年将这年将这种种 细胞死亡现象归为一种崭新的细胞死亡类型即凋亡。细胞死亡现象归为一种崭新的细胞死亡类型即凋亡。细胞凋亡细胞凋亡:细胞凋亡细胞凋亡(Apoptosis)(Apoptosis)是指细胞基因调控是指细胞基因调控的一种自主性的自杀现象。或者说细胞的一种自主性的自杀现象。或者说细胞凋亡是在一定的生理或病理条件下，遵凋亡是在一定的生理或病理条件下，遵循自身的程序，自我结束生命的死亡方循自身的程序，自我结束生命的死亡方式。由于这种死亡方式。由于这种死亡方 式是由基因调控的式是由基因调控的死亡过程，因此又称之为程
7、序性细胞死死亡过程，因此又称之为程序性细胞死亡亡(Programmed Cell Death)(Programmed Cell Death)。3:细胞凋亡与细胞坏死的区别细胞凋亡与细胞坏死的区别胞胞坏坏死死的的区区别别J Mol Med(1999)77:824833细胞坏死细胞坏死:胞膜通透性增加，胞膜通透性增加，细胞外形发生不规变化；细胞外形发生不规变化；内质网扩张；核染色质不规则位移；线粒体及胞核肿胀；内质网扩张；核染色质不规则位移；线粒体及胞核肿胀；溶酶体破坏；胞膜破裂胞浆外溢；溶酶体破坏；胞膜破裂胞浆外溢；被巨噬细胞吞噬。被巨噬细胞吞噬。细胞坏死引起周围炎症反应细胞坏死引起周围炎症反应
8、。凋亡细胞形态变化凋亡细胞形态变化：细胞变圆，与邻周细胞脱离；胞细胞变圆，与邻周细胞脱离；胞膜表面微绒毛减少或者消失；核质固缩膜表面微绒毛减少或者消失；核质固缩(CondensationCondensation)，边移边移(MarginationMargination)；胞浆坚实胞浆坚实(CompactnessCompactness)；细胞器细胞器集中集中(SqueezeSqueeze)；胞膜芽生胞膜芽生(BudBud)；凋亡小体凋亡小体 (Apoptotic-bodyApoptotic-body)形成，最后被巨噬细胞或者邻近吞噬形成，最后被巨噬细胞或者邻近吞噬细胞吞噬，或排入体腔例如腺腔及细
9、胞吞噬，或排入体腔例如腺腔及 血管腔等。这种死血管腔等。这种死亡过程中，不亡过程中，不发生溶酶体，线粒体及胞膜的破裂，没有发生溶酶体，线粒体及胞膜的破裂，没有内涵物的外泄，故不引起炎症反应及周围组织的次级损内涵物的外泄，故不引起炎症反应及周围组织的次级损伤。伤。二二:细胞凋亡的特细胞凋亡的特征征1:形态学特征形态学特征 的的特特征征凋亡细胞形态变化为：凋亡细胞形态变化为：细胞变圆与邻周细胞脱离；胞膜表面微绒毛减少或者消失；细胞变圆与邻周细胞脱离；胞膜表面微绒毛减少或者消失；核质固缩核质固缩(Condensation)(Condensation)，边移边移(MarginationMarginat
10、ion)；胞浆坚胞浆坚实实(Compactness)(Compactness)；细胞器集中细胞器集中(Squeeze)(Squeeze)；胞膜芽生胞膜芽生(Bud)(Bud)；凋亡小体凋亡小体 (Apoptotic-body)(Apoptotic-body)形成，最后被巨噬细形成，最后被巨噬细胞或者邻近吞噬细胞吞噬，或排入体腔例如腺腔及胞或者邻近吞噬细胞吞噬，或排入体腔例如腺腔及 血管血管腔等。这种死亡过程中，不发生溶酶体，线粒体及胞膜的腔等。这种死亡过程中，不发生溶酶体，线粒体及胞膜的破裂，没有内涵物的外泄，故不引起炎症反应及周围组织破裂，没有内涵物的外泄，故不引起炎症反应及周围组织的次级损
11、伤。的次级损伤。J Clin Pathol:Mol Pathol 2000;53:5563J Clin Pathol:Mol Pathol 2000;53:5563J Clin Pathol:Mol Pathol 2000;53:5563J Clin Pathol:Mol Pathol 2000;53:5563（1 1）钙离子和蛋白激酶改变：细胞内）钙离子和蛋白激酶改变：细胞内CaCa2+2+的堆积和重的堆积和重 新分布，细胞核内新分布，细胞核内CaCa2+2+的增多，的增多，激活核酸内切酶激活核酸内切酶 的活性，蛋白激酶的活性，蛋白激酶C C在不同细胞类别和不同周期在不同细胞类别和不同周期活
12、活 性表现不一。性表现不一。（2 2）核酸内切酶激活把）核酸内切酶激活把DNADNA内切成内切成180180碱基对倍数的核碱基对倍数的核 苷酸片段，呈梯状电泳现象。苷酸片段，呈梯状电泳现象。（3 3）组织谷氨酰胺转移酶的积累并激活。）组织谷氨酰胺转移酶的积累并激活。（4 4）细胞骨架如肌动蛋白的变化。）细胞骨架如肌动蛋白的变化。（5 5）细胞表面糖链、植物血凝素与玻连蛋白受体增加）细胞表面糖链、植物血凝素与玻连蛋白受体增加 ，磷脂酰丝氨酸的外露改变细胞表面的生化特性。，磷脂酰丝氨酸的外露改变细胞表面的生化特性。NATURE REVIEWS|MOLECULAR CELL BIOLOGY MOLE
13、CULAR CELL BIOLOGY VOLUME 1|NOVEMBER 2000|125J Clin Pathol:Mol Pathol 2000;53:5563(1)(1)信号传递信号传递包括环境因素和体内因素包括环境因素和体内因素 通过受体介导通过受体介导 称为死亡受体（称为死亡受体（death receptorsdeath receptors,DR,DR），），配体（配体（death death ligandsligands ）结合激活死亡蛋白酶系（结合激活死亡蛋白酶系（death death caspasecaspase）死亡受体有肿瘤坏死因子受体基因家族，死亡受体有肿瘤坏死因子受体
14、基因家族，CD95CD95（FasFas或或ApolApol）和）和DRDR（或（或APOAPO）系列系列 肿瘤坏死因子受体基肿瘤坏死因子受体基因家族，因家族，CD95CD95（FasFas或或ApolApol）和）和DRDR（或（或APOAPO）。）。死亡区域（死亡区域（death domaindeath domain），），参与激发蛋白酶系列和细胞参与激发蛋白酶系列和细胞产生凋亡调节机制。产生凋亡调节机制。传传递递l l-2 2对对线线粒粒体体功功能能的的调调控控三：凋亡的分子机制三：凋亡的分子机制1 1：细胞凋亡的触发因子：细胞凋亡的触发因子 物理因素物理因素 ：射线，紫外线，加热等。射
15、线，紫外线，加热等。糖皮质激素；糖皮质激素；细胞毒药物：放射菌素，氨甲喋呤，顺铂，细胞毒药物：放射菌素，氨甲喋呤，顺铂，阿糖胞苷等。阿糖胞苷等。受体：受体：APO-1/FASAPO-1/FAS抗体的受体，抗体的受体，TCR-CDTCR-CD3 3特异抗体特异抗体 的受体；的受体；引起引起cAMPcAMP水平升高的化合物：水平升高的化合物：cAMPcAMP及其衍生物，及其衍生物，霍乱毒素，茶碱霍乱毒素，茶碱 细胞因子细胞因子TNF-TNF-及及TGF-TGF-等。等。细胞凋亡的负性触细胞凋亡的负性触 发因子主要是一些生长因子包括发因子主要是一些生长因子包括NGFNGF，CSF(G-CSFCSF(
16、G-CSF，GM-CSF)GM-CSF)，IL(IL-2 IL(IL-2，IL-3IL-3，IL-4IL-4，IL-6)IL-6)等。等。1 1：细细胞胞凋凋亡亡的的触触发发因因子子Bcl-2有有44同源并参与调节细胞死亡的蛋白质同源并参与调节细胞死亡的蛋白质Bcl-X。Bcl-X分分2种：种：Bcl-XL，Bcl-XS。Bcl-XL蛋白可抑制细胞凋亡，其功能相似于蛋白可抑制细胞凋亡，其功能相似于Bcl-2蛋白而较弱。蛋白而较弱。Bcl-Xs的作用与的作用与Bcl-2、Bcl-XL相反。相反。Bcl-Xs可能是作为可能是作为Bcl-2的结构抑制子，通过对其下游的细胞凋的结构抑制子，通过对其下游
17、的细胞凋亡调节子的作用而抑制亡调节子的作用而抑制Bcl-2的功能。的功能。Bax蛋白，与蛋白，与Bcl-2有有21同源性。同源性。Bax蛋白有对抗蛋白有对抗Bcl-2蛋白抑蛋白抑制凋亡的作用。制凋亡的作用。Bcl-2/Bax两蛋白之间的比例是决定对细胞凋亡两蛋白之间的比例是决定对细胞凋亡抑制作用强弱的关键因素，抑制作用强弱的关键因素，Bcl-2Bax，细胞趋于存活；细胞趋于存活；BaxBcl-2，细胞趋于凋亡。因此认为细胞趋于凋亡。因此认为Bax是极重要的促细胞凋亡基是极重要的促细胞凋亡基因之一。因之一。Bak是新近发现的基因，对是新近发现的基因，对Bcl-2有抑制作用，类似有抑制作用，类似B
18、ak/Bcl-Xs。Bak蛋白对蛋白对Bcl-2的抑制作用可能是通过其它蛋白质信号传递途的抑制作用可能是通过其它蛋白质信号传递途径中介。径中介。Bak蛋白与蛋白与Bcl-XL或或E1B19K蛋白形成异源二聚体。蛋白形成异源二聚体。P53 P53肿瘤抑制基因正常时分为野生型与突变型两种，野生型肿瘤抑制基因正常时分为野生型与突变型两种，野生型P53诱导细胞凋亡，突变型诱导细胞凋亡，突变型P53抑制细胞凋亡。抑制细胞凋亡。P53是一种核内的磷是一种核内的磷酸蛋白，抑制细胞周期进程。酸蛋白，抑制细胞周期进程。AJP November 2000,Vol.157,No.5GENES&DEVELOPMENT
19、 13:18991911 1999C-Myc C-Myc原癌基因既有刺激细胞增生，亦有刺激细胞发生凋亡的作用。原癌基因既有刺激细胞增生，亦有刺激细胞发生凋亡的作用。Myc蛋白与蛋白与Max蛋白形成二聚体作为转录调节因子，激活介导细胞蛋白形成二聚体作为转录调节因子，激活介导细胞增殖的基因和诱导凋亡的基因。细胞在增殖的基因和诱导凋亡的基因。细胞在C-Myc基因作用下出现哪种基因作用下出现哪种结果，取决于细胞接受的外来信号。结果，取决于细胞接受的外来信号。C-Myc基因的作用机制尚不清基因的作用机制尚不清楚。目前认为，楚。目前认为，C-Myc可能直接参与启动凋亡，当可能直接参与启动凋亡，当Myc诱导
20、细胞凋诱导细胞凋亡时，细胞并不需要进入增殖周期状态。亡时，细胞并不需要进入增殖周期状态。ICE(interleukin-1-converting enzyme，白介素白介素1转换酶转换酶)基因家族基因家族 该家族成员有该家族成员有Ced-3、ICE、Nedd-2/ICH-1、CPP32、TX等。等。ICE基因家族编码蛋白酶在凋亡中发挥重要作用的蛋白酶，其作用基因家族编码蛋白酶在凋亡中发挥重要作用的蛋白酶，其作用底物有底物有PARPpoly(ADP-ribose)polymerase，多聚多聚ADP核糖聚合酶核糖聚合酶，U1-70kD、DNA-PK(DNA蛋白激酶蛋白激酶)、HH1(H1组蛋白组
21、蛋白)、Lamins(层层粘蛋白粘蛋白)、Fodrin(骨架蛋白骨架蛋白)、actins(肌动蛋白肌动蛋白)、PKC-(蛋白激酶蛋白激酶C-)等。等。TXICECPP32死亡底物死亡底物PARP早期凋亡事件。早期凋亡事件。TXICECPP32死亡底物死亡底物PARP早期凋亡事件。早期凋亡事件。Bax是是一个可溶性蛋白分子，主要位于细胞浆中，但当凋亡发生时，一个可溶性蛋白分子，主要位于细胞浆中，但当凋亡发生时，它从胞浆移到线粒体并与线粒体膜相结合。位于线粒体的它从胞浆移到线粒体并与线粒体膜相结合。位于线粒体的Bcl-2确确能与能与Bax相互作用，而后者也必须在线粒上发挥其诱导凋亡的作相互作用，而
22、后者也必须在线粒上发挥其诱导凋亡的作用。用。3:caspases3:caspases蛋白酶蛋白酶:凋亡是一种进化过程中保留下来的细胞自杀，发生的机制是蛋白凋亡是一种进化过程中保留下来的细胞自杀，发生的机制是蛋白溶解系统活化，涉及一组半胱氨酸蛋白酶家族，称为溶解系统活化，涉及一组半胱氨酸蛋白酶家族，称为caspasescaspases。CaspaseCaspase可译为胱冬肽酶家族，是一组与线虫可译为胱冬肽酶家族，是一组与线虫CED-3CED-3同源的调控哺同源的调控哺乳动物细胞凋亡的蛋白酶家族。乳动物细胞凋亡的蛋白酶家族。蛋白酶前体可在天冬氨酸位点上被切断成蛋白酶前体可在天冬氨酸位点上被切断成
23、3 3部份，部份，H H2 2N-N-端是抑制区端是抑制区域被移去，另一端域被移去，另一端COOH-COOH-端断裂成端断裂成1 1大大1 1小亚单位称为死亡区域，小亚单位称为死亡区域，2 2大大2 2小亚单位结合成活化酶，可以作用下游效应小亚单位结合成活化酶，可以作用下游效应caspasescaspases，这种级联这种级联反应称为反应称为caspasescaspases cascade cascade。这种连锁反应的进行有赖于这种连锁反应的进行有赖于caspasescaspases的调节蛋白、辅助因子、反馈关系和阈限等控制。如凋亡外界信号的调节蛋白、辅助因子、反馈关系和阈限等控制。如凋亡外
24、界信号只作用于只作用于caspasescaspases前体（前体（procaspasesprocaspases），），前体可活化蛋白酶激发前体可活化蛋白酶激发因子（因子（initiator of initiator of caspasescaspases），），激发因子可以活化蛋白酶效应激发因子可以活化蛋白酶效应因子（因子（effectoreffector of of caspasescaspases），），然后作用于底物蛋白，如核层蛋然后作用于底物蛋白，如核层蛋白（白（lamininelaminine），），PARPPARP（poly-ADP-poly-ADP-ribosribos poly
25、merase polymerase），DNADNA碎裂碎裂因子（因子（DFF-45DFF-45）和）和gelsolingelsolin等，蛋白分解引起凋亡。体内合成时均等，蛋白分解引起凋亡。体内合成时均以酶原（相对分子质量以酶原（相对分子质量30 00030 00050 00050 000）形式存在，包括）形式存在，包括3 3个功能个功能区区:N:N端区、大亚单位（约端区、大亚单位（约20 00020 000）、小亚单位（约）、小亚单位（约10 00010 000）；被激）；被激活的过程相似，即通过功能区间特异位点的蛋白酶解，继而以大小活的过程相似，即通过功能区间特异位点的蛋白酶解，继而以大小
26、亚单位形式形成异源二聚体。亚单位形式形成异源二聚体。3:3:c ca as sp pa aCHEMBIOCHEM 2001,2,20 29Progress in Neurobiology 62(2000)215249CHEMBIOCHEM 2001,2,20 29J.Clin.Invest.109:437442(2002).DOI:10.1172/JCI200215077.NATURE REVIEWS|CANCER VOLUME 2|APRIL 2002|277J.Clin.Invest.109:437442(2002).DOI:10.1172/JCI200215077.NATURE REVI
27、EWS|MOLECULAR CELL BIOLOGY MOLECULAR CELL BIOLOGY VOLUME 3|FEBRUARY 2002|115DRUG DEVELOPMENT RESEARCH 52:505507(2001)Biochemical and Biophysical Research Communications 279,307312(2000)Progress in Neurobiology 62(2000)215249Nature Immunology 3,221-227(2002)Cell,Vol.108,153164,January 25,2002,Copyrig
28、ht.2002 by Cell PressNATURE CELL BIOLOGY VOL 4 JUNE 2002Progress in Neurobiology 62(2000)215249Genes transactivated by p53aGene Mechanism(s)of Actionbax Promotes mitochondrial permeability transition;promotes apoptosisIGF-BP-3 Inhibits cellular mitogenic response;promotes apoptosisp21WAF1/Cip1 Binds
29、 to cyclin-cdk complexes;inhibits cell cycle progressionGADD45 Binds to PCNA;inhibits cell cycle progression;facilitates DNA repairmdm2 Facilitates proteolytic degradation of p53;inhibits p53 transcriptional activity;faclitates p53 transport from nucleus to cytoplasmCell,Vol.108,153164,January 25,2002,Copyright.2002 by Cell PressCell,Vol.108,153164,January 25,2002,Copyright.2002 by Cell Press
