第九章细胞凋亡与疾病

1细胞凋亡与疾病蚌埠医学院病理生理学教研室2细胞凋亡调控障碍与疾病一、概述二、凋亡细胞的主要变化三、细胞凋亡的调控四、调控障碍的机理五、调控失常与疾病六、调控失常的防治3一、概述1.概念：是指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。细胞凋亡（apoptosis）是形态学概念程序性细胞死亡(programmedcelldeath,PCD)是功能性概念42.细胞凋亡与坏死的比较性质病理性生理性或病理性诱导因素强烈剌激较弱剌激生化特点被动过程主动过程形态变化细胞溶解、破坏细胞膜、细胞器相对完整DNA电泳均一DNA片状“梯”状条带凋亡小体无有细胞坏死细胞凋亡5细细胞凋亡与细胞坏死的比较63.生理意义㈠确保正常发育、生长清除多余的、失去功能价值的细胞㈡维持内环境稳定清除受损、突变或衰老的细胞㈢发挥积极的防御功能受病毒感染的细胞凋亡，整合的DNA随之破坏74.病理意义8二、凋亡细胞的主要变化1.形态学变化㈠脱离：表面的微绒毛消失，与周围细胞脱离接触。㈡空泡化和固缩：（blebbingandcondensation）胞浆脱水，胞膜迅速发生空泡化，细胞体积逐渐缩小，出现固缩。空泡化固缩9二、凋亡细胞的主要变化㈢出芽（buding）：内质网不断扩张并与胞膜融合，形成膜表面的芽状突起。㈣染色质边集(margination)：核质高度浓缩融合成团，染色质集中分布在核膜的边缘，呈新月形或马蹄形。出芽边集10二、凋亡细胞的主要变化㈤凋亡小体(apoptosisbody)：⑴什么是：胞膜皱缩内陷，分割包裹胞浆，形成的泡状小体，称凋亡小体。⑵主要成份：胞浆、碎裂的核物质和亚微结构。胞膜内陷凋亡小体形成11二、凋亡细胞的主要变化2.生化改变㈠DNA片段化DNA双链在核小体连接处断裂，形成180～200bp或其整倍数的片段，在琼脂糖凝胶电泳中呈现特征性的“梯”状构图或条带（ladderpattern）。12二、凋亡细胞的主要变化㈡内源性核酸内切酶激活⑴作用：切割DNA，彻底破坏细胞生命活动所必须的全部指令。⑵激活：Ⅰ.二价阳离子依赖性核酸内切酶Ca2+∕Mg2+增强活性Zn2+抑制活性Ⅱ.非二价金属阳离子依赖性核酸内切酶13㈢凋亡蛋白酶（caspase）激活⑴凋亡蛋白酶：是一组对底物天门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。caspase是cysteine-containingaspartate-specificprotease的缩写。⑵作用：使细胞结构全面解体二、凋亡细胞的主要变化14二、凋亡细胞的主要变化㈢凋亡蛋白酶（caspase）激活⑵组成：至少有13个成员CED-3／ICE启动子、效应子⑶作用：Ⅰ.灭活细胞凋亡的抑制物；Ⅱ.水解细胞的蛋白质结构；Ⅲ.水解凋亡相关活性蛋白。15三、细胞凋亡的调控1.细胞凋亡的过程凋亡诱导因素受体cAMPCa2+神经酰胺各种死亡信号凋亡相关基因激活DNaseCaspases激活巨噬细胞吞噬分解凋亡细胞信号转导基因激活凋亡执行细胞清除16三、细胞凋亡的调控2.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因素微生物因素糖皮质激素生长因子射线、高温、乙醇、抗癌药细胞毒T淋巴细胞HIV17三、细胞凋亡的调控2.细胞凋亡相关因素抑制性因素某些细胞因子某些激素某些二价金属离子某些药物、病毒等IL-2、NGF睾丸酮雌激素Zn2+18三、细胞凋亡的调控3.细胞凋亡的信号转导多样性偶联性同一性多途性特征19三、细胞凋亡的调控㈡主要细胞信号转导途径⑴Ca2+信号系统Ⅰ.影响Ca2+依赖的蛋白激酶和磷酸酶的活性，进而影响基因转录；Ⅱ.激活Ca2+∕Mg2+依赖性核酸内切酶；Ⅲ.调节谷氨酰胺酶的活性，促进凋亡小体形成。20三、细胞凋亡的调控㈡主要细胞信号转导途径⑵cAMP∕PKA信号系统β-受体Gsa腺苷酸环化酶（＋）钙调素cAMPPKA靶蛋白磷酸化细胞凋亡糖皮质激素Ca2+∕钙调素信号系统21三、细胞凋亡的调控㈡主要细胞信号转导途径⑶Fas蛋白∕Fas配体信号系统细胞凋亡Fas配体∕Fas蛋白鞘磷脂酶（＋）神经酰胺激活ICE降解组蛋白通过Ca2+信号转导22三、细胞凋亡的调控㈡主要细胞信号转导途径⑷神经酰胺信号系统神经鞘磷脂酶（＋）神经鞘磷脂神经酰胺细胞凋亡鞘氨醇1-磷酸鞘氨醇（SPP）抗细胞凋亡23三、细胞凋亡的调控㈡主要细胞信号转导途径⑸二酰甘油∕蛋白激酶C（PKC）信号系统配体-受体GqαPLCβ磷脂酰肌醇三磷酸（PIP2）二酰甘油（DG）PKC细胞凋亡24三、细胞凋亡的调控㈡主要细胞信号转导途径⑹酪氨酸蛋白激酶（PTK）信号系统Ras活化MAPKKK（Raf）MAPKK（MEK）MAPK（ERK）细胞分化生长因子细胞因子＋受体PTK25三、细胞凋亡的调控4.凋亡相关基因细胞凋亡抑制凋亡基因促进凋亡基因双向调控基因26三、细胞凋亡的调控4.凋亡相关基因㈠抑制细胞凋亡的基因⑴Bcl-2(B-细胞淋巴瘤／白血病-2)“长寿基因“B-celllymphoma/leukemia-2,Bcl-2Ⅰ.直接抗氧化；Ⅱ.抑制线粒体释放促凋亡的蛋白质；Ⅲ.抑制促凋亡调节蛋白Bax、Bak的细胞毒作用；Ⅳ.抑制凋亡蛋白酶（caspases）的激活；Ⅴ.维持细胞钙稳态。27三、细胞凋亡的调控㈠抑制细胞凋亡的基因⑵IAP在蛾细胞内首先发现⑶EIB在小鼠B细胞发现的⑷Mcl-1是Bcl-2的相关基因，功能与Bcl-2基因相同28三、细胞凋亡的调控㈡促进细胞凋亡的基因⑴wtP53（野生型P53）周期蛋白（Cyclin）依赖周期蛋白的蛋白激酶(cyclindependentkinase，CDK)CDK交互作用蛋白-1(CDK-interactingprotein-1，CIP)检查点(checkpoint)29野生型p53p53蛋白检查点功能DNA缺陷DNA无缺陷CIP表达阻止细胞进入细胞周期启动DNA修复机制修复失败启动凋亡修复成功p53分子警察（molecularpoliceman)的作用机制细胞进入正常周期30三、细胞凋亡的调控㈡促进细胞凋亡的基因⑵FasFasLFasFas抗体神经生长因子神经生长因子受体31三、细胞凋亡的调控⑶ced-3、ced-4“死亡基因”是从雌雄同体的低等蠕虫透明线虫中发现的ced-3ced-4细胞凋亡＋－不发生－＋不发生＋＋发生＋表示激活ced-9与ced-3和ced-4的功能相对抗的基因起“制动作用”32三、细胞凋亡的调控⑷BaxBax对抗Bcl-2⑸白介素-1-β转换酶基因家族(IL-1-βconvertingenzyme，ICE)33三、细胞凋亡的调控㈢双相调控基因⑴c-mycc-myc蛋白是双向转录调节因子何去何从？细胞接受的信号细胞所处的生长环境如生长因子⑵Bcl-x翻译出两种蛋白质：Bcl-XL抑制细胞凋亡Bcl-XS促进细胞凋亡34四、细胞凋亡的发生机制1.氧化损伤氧自由基p53Ca2+／Mg2+依赖性核酸内切酶Ca2+内流细胞膜脂质过氧化损伤NF-κBAP-1聚ADP核糖合成酶35四、细胞凋亡的发生机制2.钙稳态失衡钙稳态失衡Ca2+／Mg2+依赖性核酸内切酶核转录因子舒展DNA链36四、细胞凋亡的发生机制3.线粒体损伤线粒体ΔΨm↓PTP开放细胞色素C（Cyt.C）＋凋亡蛋白酶激活因子（Apaf）凋亡诱导因子（AIF）核酸内切酶（＋）DNA断裂细胞凋亡caspase-9酶原caspase-9氧自由基钙超载caspase-3酶原caspase-3蛋白质水解37氧化损伤钙稳态失衡线粒体损伤38恶性网络假说（deleteriousnetworkhypothesis）是指在细胞凋亡的发生上，氧化损伤、钙稳态失衡、线粒体损伤，既可单独启动，又可联合作用，而且三种机制常常互相联系、互为因果，以致各种机制都得到加强。39五、细胞凋亡调控失常与疾病1.细胞凋亡不足㈠肿瘤⑴发生Ⅰ.与细胞凋亡受抑制有关①p53基因缺失和突变如肺癌②Bcl-2基因过度表达，如前列腺癌、结肠癌、白血病③某些肿瘤对Fas诱导的凋亡抵抗40五、细胞凋亡调控失常与疾病Ⅱ.机理：①凋亡对细胞的选择假说前T细胞在胸腺内不发生凋亡，幼稚细胞堆积形成肿瘤。②细胞脆性增大学说老化的细胞或DNA错误复制的细胞，染色体不稳定（脆性增大），易发生癌变。41五、细胞凋亡调控失常与疾病⑵发展细胞增殖↑和∕或细胞凋亡↓⑶转移肿瘤细胞离开生存的微环境，移行到远处仍不凋亡。⑷治疗应用化疗、放疗、热疗等诱发癌细胞凋亡42五、细胞凋亡调控失常与疾病㈡自身免疫病是指因自身抗原受到自身抗体或致敏淋巴细胞的攻击，造成自身组织器官损伤引起的疾病。TCR双阳性细胞CD4＋CD8＋与自身抗原-MHC抗原结合TCR单阳性细胞CD4＋CD8－CD4－CD8＋与非己抗原-MHC抗原结合43CD4＋CD8＋TCR双阳性细胞CD4＋CD8－、CD4－CD8＋TCR单阳性细胞APC抗原提呈细胞自身抗原-MHC抗原负选择正选择胸腺基质细胞44五、细胞凋亡调控失常与疾病2.细胞凋亡过度㈠心血管疾病⑴心肌缺血与缺血-再灌注损伤Ⅰ.特点①缺血早期细胞凋亡为主，晚期坏死为主；②梗死灶外周细胞凋亡为主，中央坏死为主；③轻度缺血细胞凋亡为主，重度坏死为主；④再灌凋亡比同时间的缺血凋亡更严重。45五、细胞凋亡调控失常与疾病2.细胞凋亡过度㈠心血管疾病⑴心肌缺血与缺血-再灌注损伤Ⅱ.机理①氧自由基损伤；②缺血、缺氧使心肌细胞Fas上调；③缺氧增加p53基因的转录。46五、细胞凋亡调控失常与疾病㈠心血管疾病⑵心力衰竭与细胞凋亡有关Ⅰ.诱导因素缺血、缺氧、压力或容量负荷过重等Ⅱ.信号转导高水平TNF、衰竭心脏中有TNFR1Ⅲ.心衰病人心肌细胞凋亡指数增高＝凋亡的细胞核数∕100个细胞核Ⅳ.阻遏心肌细胞凋亡是防治心衰的新途径。47氧自由基五、细胞凋亡调控失常与疾病2.细胞凋亡过度㈡阿尔茨海默病（Alsheimerdisease，AD）神经元〔Ca2+〕↑β-淀粉样多肽基因β-淀粉样多肽↑神经细胞凋亡清除氧自基抑制〔Ca2+〕↑48五、细胞凋亡调控失常与疾病㈢人类免疫缺陷病毒感染⑴糖蛋白120(gp120)：感染HIV的宿主细胞膜表达糖蛋白gp120，CD4+淋巴细胞表面存在有gp120蛋白受体，当二者结合后即可触发CD4+淋巴细胞发生凋亡；gp120细胞凋亡CD4+淋巴细胞gp120受体宿主细胞（受感染）HIV49五、细胞凋亡调控失常与疾病⑵合胞体形成：HIV感染的CD4+淋巴细胞融合形成合胞体(syncytia)或多核巨细胞在融合过程中或融合后凋亡⑶Fas表达上调：HIV感染CD4+淋巴细胞Fas基因表达上调Fas↑CD4+淋巴细胞CD4+淋巴细胞HIVHIVHIVHIV50五、细胞凋亡调控失常与疾病⑷T细胞激活：又称激活诱导的细胞死亡。(activation-inducedcelldeath,AICD）HIV感染激活淋巴细胞共同信号转导通路生长因子↓凋亡增殖生长因子↑HIV激活51五、细胞凋亡调控失常与疾病⑸细胞因子：受HIV感染的巨噬细胞分泌肿瘤坏死因子增多，与TNF受体-1（死亡受体）结合而启动死亡程序，也可剌激CD4+淋巴细胞大量产生氧自由基，通过氧化应激而触发细胞凋亡。HIV巨噬细胞（受感染）启动死亡程序产生氧自由基TNFCD4+淋巴细胞（未受感染）TNFR152五、细胞凋亡调控失常与疾病⑹tat蛋白：受感染的细胞产生tat蛋白，它可自由透过细胞膜进入CD4+淋巴细胞，诱导CD4+淋巴细胞产生氧自由基，增强Fas抗原表达而提高对细胞凋亡的易感性。tat蛋白CD4+淋巴细胞（未受感染）HIV宿主细胞（受感染）产生氧自由基增强Fas抗原表达53五、细胞凋亡调控失常与疾病⑺CD4+淋巴细胞效应作用：受感染的CD4+淋巴细胞可作为效应细胞，未受HIV感染的CD4+淋巴细胞作为其靶细胞而被诱导产生凋亡。CD4+淋巴细胞（未受感染）效应细胞靶细胞CD4+淋巴细胞（受感染的）HIVCD4+淋巴细胞（受感染的）54五、细胞凋亡调控失常与疾病3.细胞凋亡不足合并凋亡过度动脉粥样硬化