细胞凋亡与免疫

细胞凋亡与免疫1引言☆细胞凋亡是一种普遍存在的生物学过程，它与细胞增殖、细胞分化都是最重要的生命现象，正是由于细胞增殖、细胞分化、细胞调亡的相互联系、相互制约的关系，才保证了生物体的正常发育。☆正常凋亡过程受阻或某种原因所致不正常的细胞凋亡，都会使机体出现病症。因此对细胞凋亡的研究有助于某些疾病的阐明与治疗。☆细胞凋亡的研究是近年来生命科学中发展起来的热点课题。早期基于形态学和生物化学，近期则是基于分子生物学技术从基因调控、信号转导等方面研究。2主要内容细胞凋亡概述（基本概念、意义、生物学特征、调节、信号传递等）细胞凋亡与免疫生理细胞凋亡与免疫病理细胞凋亡的检测方法细胞凋亡研究相关展望3一细胞凋亡概述1.基本概念及生物学意义：凋亡（apoptosis）一词于1972年Kerr（英国阿伯丁大学病理学教授）引入，是一个希腊语合成词,原意指花瓣或树叶的自然脱落（Apo脱落＋ptosis飘零=Apoptosis）。基本概念：细胞凋亡是一个“形态学”概念，是对细胞超微结构观察的基础上得出的特指一种由基因控制、形态学特征与坏死截然不同的自主性细胞死亡方式。1972年，Kerr,Wylle和Curry在许多正常组织中观察到一种与经典的细胞坏死形态特征不同的现象：细胞收缩、细胞碎片、散在不完整细胞等，据此，他们首次提出apoptosis一词。国内常译为细胞凋亡、细胞凋落、细胞凋谢、细胞衰亡等，多数学者倾向于“细胞凋亡”。强调这一过程是一种自然的生理学过程。细胞凋亡与细胞程序性死亡细胞程序性死亡（programmedcelldeath，PCD）PCD最初是1956年发育生物学中提出的概念，是个功能性概念，一般指生理性细胞死亡。描述在一个多细胞生物体中某些细胞死亡是个体发育中的一个预定的，并受到严格程序控制的正常组成部分。细胞凋亡和程序性死亡具有非常密切地关系。大多数情况下程序性细胞死亡是以凋亡的方式进行，但并不是所有的程序性死亡都采取凋亡的方式。6如烟草蛾节间肌肉细胞、哺乳动物某些神经元和红细胞，它们的程序性死亡是以非凋亡的方式进行。有时由外源性理化因子刺激诱发的细胞死亡，形态上似凋亡，但并不是由细胞内原装程序所引发，也不能称为程序性细胞死亡（如放疗后肿瘤组织坏死等）。因此细胞凋亡只是程序性死亡的特殊方式。细胞凋亡与细胞程序性死亡细胞凋亡的生物学意义：近年来对细胞凋亡的研究日渐重视，现代研究结果表明：细胞凋亡不仅是认识细胞死亡过程的基础，而且在胚胎发育、造血、免疫、乃至肿瘤形成中都有极为重要的作用。81.确保正常的生长发育(development)：清除无用、多余的细胞。2.维持内环境稳定(maintenanceofhomeostasis)：清除受损、突变或衰老的细胞。3.发挥积极的防御功能(defensereaction)：清除病毒感染细胞等对机体有害的细胞。Sculptingthedigitsinthedevelopingmousepawbyapoptosis.Tissueremodeling.Theresorptionofthetadpoletailatthetimeofitsmetamorphosisintoafrogoccursbyapoptosis.Eliminationoftransitoryorgansandtissues.细胞凋亡参与皮肤更新2.细胞凋亡的生物学特征形态学变化生物化学变化胞内Ca++浓度增高DNA片段化大分子的合成(凋亡相关蛋白质及RNA合成）tTG（组织转谷氨酰胺酶）的积累并达到较高的水平。一种依赖钙离子的酶，当凋亡起始时，Ca++浓度上升，从而使tTG活化。其作用是保持凋亡小体的完整性，防止有害物质的逸出。14MorphologicalChanges(细胞生物学详讲)第一阶段：胞体缩小与周围细胞失去联系，细胞器变致密，核体积缩小，核仁消失，染色质浓集于核膜内表面下，形成新月形致密小块。第二阶段：染色体断裂，核膜与细胞膜均内陷，包裹胞内成分(胞浆、细胞器、碎裂的染色质及核膜)形成“泡”样结构，此为“凋亡小体”。最后，整个细胞均裂解成这种“小体”。第三阶段：凋亡小体被邻近的巨噬、上皮细胞等识别、吞噬、消化。上述三个阶段维持时间很短，通常在几分钟、十几分钟内即可完成。15细胞凋亡时的形态学变化16细胞凋亡与细胞坏死特征细胞凋亡细胞坏死诱导因素生理及弱刺激强烈刺激受累范围单个细胞丢失成群细胞死亡膜完整性保持到晚期早期即丧失细胞体积减少、固缩增大肿胀染色质凝聚成半月形稀疏成网状细胞器无明显变化肿涨破坏溶酶体保持完整破坏外溢细胞形状形成凋亡小体破裂成碎片基因组DNA有控降解随机降解大分子合成一般需要不需要基因调控有无后果不引起炎症反应引起炎症反应意义生理死亡方式病理死亡方式171819DNA'ladderDNAfragmentationchromatinDNAcorehistonenucleosome180bpendonucleolytic203.细胞凋亡的诱导和抑制因素物理性因子，包括射线（紫外线，射线等），较温和的温度刺激（如热激，冷激）等；化学及生物因子：包括活性氧基团和分子，激素，细胞生长因子，肿瘤坏死因子（TNF）等。DNA和蛋白质合成的抑制剂等。214.免疫相关的凋亡信号转导接受凋亡信号凋亡调控分子间的相互作用蛋白水解酶（caspases）的活化凋亡的级联反应22免疫相关的凋亡信号途径死亡受体介导的信号途径线粒体途径颗粒酶B途径(CTL特有)23死亡受体通路、线粒体通路24其中膜受体和线粒体途径均通过激活含半胱氨酸的天冬氨酸酶（Caspase）剪切胞内底物（Caspase不可逆有限水解底物的级联放大反应过程），导致凋亡特有的生化和形态学改变。细胞凋亡涉及的共同通路25Caspase：含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白酶，水解底物天冬氨酸C端肽键，因此又称之为Caspases(取英文CysteineC，asparticacid，Asp，proteases的词头)细胞凋亡涉及的共同通路2627Caspase家族的结构与分类ICE亚类Caspase蛋白酶：ICE是单核细胞来源的参与成熟的一种蛋白酶，参与凋亡但不起主要作用；Caspase1，Caspase4，Caspase5，Caspase11Caspase12，Caspase13，Caspase14。凋亡启动亚类Caspase蛋白酶（上游Caspase）：Caspase8，Caspase2，Caspase9，Caspase10。凋亡效应亚类Caspase蛋白酶（下游Caspase）：Caspase3，Caspase6，Caspase728Caspase家族的特点：以酶原的形式存在，需要活化：同源活化和异源活化,活化后形成四聚体的蛋白水解酶，发挥生物学作用C端同源区存在半胱氨酸激活位点29Caspase活化机制：Caspase的活化是有顺序的多步水解的过程，虽然分子各异，但是它们活化的过程相似。首先在caspase前体的N-端前肽和大亚基之间的特定位点被水解去除N-端前肽，然后再在大小亚基之间切割释放大小亚基，并进而形成两两组成的有活性的四聚体,3031凋亡细胞的特征性表现：包括DNA裂解为200bp左右的片段，染色质浓缩，细胞膜活化，细胞皱缩，最后形成由细胞膜包裹的凋亡小体，然后，这些凋亡小体被其他细胞所吞噬。破坏细胞抗凋亡因素破坏细胞结构影响核酸的结构与功能Caspase的效应机制32破坏细胞抗凋亡因素正常活细胞内核酸酶处于无活性状态。这是由于核酸酶和抑制物结合在一起（如抑制物被破坏，核酸酶即可激活，引起DNA片段化）。现知caspase可以剪切裂解这种抑制物而激活核酸酶，因而把这种酶称为Caspase激活的脱氧核糖核酸酶（caspase-activateddeoxyribonuleaseCAD），而把它的抑制物称为ICAD。有意义的是CAD只在ICAD存在时才能合成并显示活性，因而ICAD对CAD的活化与抑制是必需的。33破坏细胞结构Caspase可直接破坏细胞结构：如裂解核纤层核纤层（Lamin）是由核纤层蛋白通过聚合作用而连成头尾相接的多聚体，由此形成核膜的骨架结构，使染色质（chromatin）得以形成并进行正常的排列。在细胞发生凋亡时，核纤层蛋白作为底物被Caspase裂解，从而使核纤层蛋白崩解，导致细胞染色质的固缩。34影响核酸的结构与功能Caspase可作用于多种与DNA、RNA功能有关的蛋白：如灭活或下调与DNA修复有关的酶、mRNA剪切蛋白和DNA交联蛋白。由于DNA的作用，这些蛋白功能被抑制，使细胞的增殖与复制受阻并发生凋亡。354.1死亡受体的信号转导(1).参与死亡受体信号转导的接头蛋白：（死亡结构域蛋白deathdomainprotein）TRADD：TNF受体相关死亡结构域蛋白TNF+TNFRI（死亡结构域）+TRADD细胞凋亡FADD：Fas相关死亡结构域蛋白FasL+Fas（死亡结构域）+FADD细胞凋亡RIP：受体相互作用蛋白CRADD：含有死亡结构域的caspase和RIP接头蛋白MADD：活化MAP激酶的死亡结构域蛋白36(2).死亡受体通路受体多聚化和构像改变死亡受体/配体/FADD/Caspase8或10+FADDFASL+FAS凋亡诱导复合物（DISC）胞质中游离的caspase8聚集到这个复合物上细胞有足够caspase8细胞caspase8浓度不够死亡受体活化，细胞凋亡切割BidtBid从胞质到线粒体CtyC释放线粒体途径37FasL//Fas38(3).死亡受体途径的调控机制FLIP[FADD-like-IL-1β-converting-enzyme(FLICE)inhibitoryprotein]近年发现的含DED的凋亡抑制蛋白广泛存在于真核生物、哺乳动物细胞和病毒中包括：病毒基因编码的FLIP(v-FLIP)细胞FLIP(c-FLIP):c-FLIPS或c-FLIPL功能：抑制Caspase8结合到DISC上，从而抑制起始Caspase激活。394.2线粒体途径(1).基本环节：释放caspase活化因子细胞色素C：细胞色素C+Apaf-1+caspase9凋亡体AIF（凋亡诱导因子）Caspase3Apaf-1：凋亡蛋白酶活化因子40(2).线粒体通路41(3).线粒体通路的调控机制Bcl-2家族（Bcelllymphoma/leukemia-2）因该家族成员可通过改变外膜通透性而调控线粒体活化，故该途径也称为Bcl-2介导的线粒体途径。Bcl-2家族已发现15个成员，所有Bcl-2家族成员均含有1个或多个BH结构域。42根据结构和功能分为两类：抗凋亡/促增殖成员：包括Bcl-2、Bcl-xl等。机制：可阻止线粒体外膜通透化，从而阻止细胞色素C的释放，抑制细胞凋亡。促凋亡成员：包括Bid、Bim、Bad等“BH3only”蛋白质和Bax、Bak、Bok等“多BH”蛋白质机制：影响APAF1的功能影响线粒体的结构与功能434445IAP（inhibitorofapoptosis，细胞凋亡抑制因子）IAP超家族的成员较多，共同的特征是含有一个或多个７０个氨基酸的重复序列（BIR），类似于zinc指状的结构。BIR功能域和之间的连接区域介导对caspase的抑制作用，而环指状结构则具有泛素化蛋白连接酶的作用，介导caspase-３和-７的泛素化降解作用。46(3)Smac/Dablo在细胞凋亡过程中它可以从线粒体释放进入细胞质。成熟的Smac蛋白产生一个新的N基端,这个N基端的前面4个氨基酸可以与lAP的BIR结构域结合。Smac的功能就是拮抗活化胱解酶9与lAP的结合。Smac与BIR2的结合可以中和XlAP对胱解酶9的抑制，促进凋亡。48(4)AIF(apoptosis-inducingfactor)EndoG两者均由线粒体释放，可以非Caspa