第八章 细胞凋亡

中南大学病理生理学教研室贺智敏第八章细胞凋亡(apoptosis)二、发生机制三、凋亡与疾病一、概述apoptosis•Apoptosis(apo-ptosis)•PCD（programmedcelldeath）在体内外因素诱导下，由基因严格调控而发生的自主性细胞有序死亡，故又称程序性细胞死亡。(一)定义(1)细胞膜的变化：(2)细胞质的变化：(3)细胞核的变化：微绒毛、细胞突起消失；空泡化；出芽胞质浓缩；细胞器变化染色质边聚(二)凋亡时细胞的主要变化1.形态学改变(4)凋亡小体形成胞膜皱缩内陷，分割包裹胞质，内含DNA物质及细胞器，形成泡状小体称为凋亡小体（apoptosisbody）(5)吞噬(6)继发性坏死概述2.生化改变(1)凋亡启动因子(2)凋亡蛋白酶(3)内源性核酸内切酶与DNA片断化凋亡启动因子●细胞色素C(cytochromeC)（凋亡复合体）●凋亡诱导因子(apoptosisinducingfactor,AIF)●凋亡蛋白酶激活因子-1(apoptoticproteaseactiviationfactor,Apaf-1)凋亡复合体(三)细胞凋亡与坏死的区别★坏死凋亡诱导因素生化特点细胞形状形态变化染色质DNA电泳炎症反应基因调控潜伏期强烈刺激，随机发生被动过程，无新蛋白合成，不耗能破碎成碎片细胞结构全面溶解、破坏、细胞肿胀稀疏、松散、呈絮状弥散性降解，电泳呈均一DNA片状溶酶体破裂，局部炎症反应无无较弱刺激，非随机发生主动过程，有新蛋白合成，耗能形成凋亡小体胞膜及细胞器相对完整细胞皱缩，核固缩致密、固缩、边聚或中聚DNA片段化（180-200bp）电泳呈“梯”状条带溶酶体相对完整，局部无炎症反应有有(四)分期1.诱导期2.执行期3.消亡期凋亡诱导因素受体或直接作用死亡信号凋亡相关基因激活DNase激活Caspases激活巨噬细胞吞噬分解凋亡细胞或继发性坏死诱导期执行期消亡期图8－1细胞凋亡的分期二、发生机制三、凋亡与疾病一、概述apoptosis(一)细胞凋亡相关因素(二)主要的信号传导通路(三)凋亡相关基因(一)细胞凋亡相关因素1.诱导性因素激素和生长因子失衡理化因素：高温、强酸、强碱、抗癌药物免疫性因素微生物学因素：细菌、病毒凋亡程序的执行者2.抑制性因素细胞因子：IL-2，神经生长因子某些激素：ACTH、睾丸酮、雌激素某些二价金属阳离子、药物(二)主要信号传导通路★1.死亡受体通路★2.线粒体通路1.死亡受体通路凋亡诱导因素死亡受体/配体的表达、结合Caspase-8活化Caspase-3活化apoptosisBid活化线粒体通路活化2.线粒体通路时间主要发现参考文献1994年首次提出线粒体在细胞凋亡中是不可缺少的Newmeyer,etal.1996年线粒体中细胞色素C的释放引起细胞凋亡Liu,etal,[5]1997年证明Caspase-9在细胞色素C和dATP存在时与Apaf-1结合并被激活，再激活Caspase-3Li,etal.[6]1998年膜死亡受体通路通过Bid作用于线粒体信号通路Luo,etal.[24]1999年线粒体释放Caspase-2,9参与凋亡的发生线粒体SusinSA,etal.[8]释放AIF参与凋亡的发生SusinSA,etal.[9]2000年线粒体释放Smac/DIABLO参与凋亡发生Du,etal[10].Verhagen,etal[11]2001年线粒体释放核酸内切酶G引起“DNAladder”的产生Li,etal.[12]线粒体释放Smac样的丝氨酸蛋白水解酶HtrA2/Omi，后者通过抑制IAP促进细胞凋亡Suzuki,etal.[19]细胞凋亡线粒体信号通路研究中的重要发现凋亡诱导因素PTP开放线粒体中细胞色素C等释放Caspase-9活化Caspase-3活化apoptosis3.凋亡蛋白酶•Caspases:cysteine-containingaspartate-specificprotease（含半胱氨酸的天冬氨酸特异水解酶）是一组对底物的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。(1)定义及分类apoptosis概述①以无活性的形式存在。②在Pro-Caspases的N端均含有一段的前区域（Prodomain）。③活性形式均是由2个大亚基和2个小亚基组成的杂四聚体。一分子Pro-Caspase只能分裂产生1个大亚基和1个小亚基。④在大亚基的C端均含有QACXG（X=R.Q或G）的活性中心，其中半胱氨酸（C）是必需氨基酸，故Caspase是属于半胱氨酸蛋白酶类。(2)结构特征(3)caspase的作用底物①凋亡蛋白酶激活的DNA酶抑制物(ICAD)②核纤层（lamina）蛋白③细胞骨架蛋白：导致细胞解体，形成凋亡小体④其他的caspases⑤灭活细胞凋亡的抑制物使抑制凋亡因子失活，如CAD/ICAD破坏细胞结构，如Lamina将调节区与催化区分离，使蛋白失活，如Gelsolin4.内源性核酸内切酶与DNA片断化CAD激活方式DNA断裂与“梯状条带”(1)DNA断裂与“梯状条带”(2)典型凋亡细胞DNA琼脂糖凝胶电泳（呈现梯状条带）(三)细胞凋亡相关基因•抑制凋亡基因：Bcl-2，IAP•促进凋亡基因：wtP53，Bax•双向调控基因：c-myc，Bcl-xBcl-2----Bcelllymphoma/leukemia-2*Bcl-2——229aa构成（鼠236）分布在线粒体内膜,细胞内膜表面，内质网，核膜等处*Bcl-2和C.elegans中的ced-9有很高的同源性，具有促进细胞存活的功能*Bcl-2的功能是延长细胞的寿命，而不是刺激细胞的增殖1.BcL-2家族分子(1)Bcl-2家族分子结构一类呈抗凋亡作用，有BcL-2,BcL-w，BcL-XL、BFL-1、Brag-1、MCL-1，AI。另一类呈现促凋亡作用的，有Bax，Bak,Bok，BcL-Xs，Bad,Bid,Bik，Hrk，Bim等。BcL-2基因家族成员自身或彼此之间有形成二聚体或多聚体的能力，BcL-2家族的蛋白与蛋白相互作用调节着细胞的存活与凋亡。(2)BcL-2的同源基因和蛋白质(3)BcL-2抗凋亡机制①直接的抗氧化②抑制线粒体释放促凋亡的蛋白质③抑制促凋亡的Bax，Bak细胞毒作用④抑制Caspases激活⑤维持细胞钙稳态2.FasFas属肿瘤坏死因子受体（TNFR)家族成员，Fas配体（FasL)属TNF家族成员。Fas是跨膜蛋白，由胞外区(157aa)，穿膜区(17aa)及胞浆区(145aa)组成。Fas胞浆区一段60～70氨基酸序列与TNFR胞浆区高度同源，并介导细胞死亡，称之为死亡域(deathdomain，DD)。Fas较广泛地分布于多种类型的细胞。FasL与其受体Fas结合导致细胞凋亡。3.P53基因wtP53——修复受损的DNA，如修复失败则诱导细胞凋亡突变的P53失活的P53丧失监视DNA损伤的功能射线，毒素P53蛋白+细胞凋亡分子警察C-myc是一种原癌基因，是调控细胞周期的主要基因。编码的蛋白是DNA结合蛋白，调控基因转录。在GF充足时主要激活介导细胞增殖的基因；反之激活凋亡基因。4、C-myc基因5、IAP家族IAP家族是一组具有BIR（baculoviralIAPrepeat)结构域和抑制凋亡的蛋白。IAP家族蛋白的BIR结构域是IAP抑制凋亡的结构基础。在人类已确定有6种IAP相关蛋白。在酵母和哺乳动物细胞中，IAP家族蛋白能通过抑制caspase-3,7,9等的活性。6、其他基因Jun、fos、myb、asy、Rb等基因都与细胞凋亡的发生有关二、发生机制三、凋亡与疾病一、概述apoptosis(一）细胞凋亡的生理意义1.参与正常生长发育2.维持内环境稳定3.防御功能Normalfunctionsofapoptosis1(1)Deletingstructuresthatarenolongerrequirede.g.regressionofthetadpoletail(2)Sculpting(3)Adjustingcellnumbersindevelopingtissues,e.g.thenervoussystemNGFNGFNGFtargetcellsdevelopingneuronsNGFNGFNGFtargetcellsNormalfunctionsofapoptosis2(4)Tissuehomeostasis,e.g.liverregeneration/regression(7)Killingofpathogen-infectedcellsbycytotoxicTcells(6)Removingpotentiallyharmfulcellse.g.developingTandBlymphocyteswithself-reactiveantigenreceptors(5)Eliminatinginjured/damagedcells,e.g.cellswithdamagedDNACTL肿瘤细胞CTL正在诱导肿瘤细胞凋亡(二）细胞凋亡与疾病发生的关系细胞凋亡不足引起的疾病细胞凋亡增多引起的疾病1.癌症:1.AIDS病淋巴瘤乳腺癌前列腺癌等2.神经退行形病变:2.自身免疫疾病:老年性痴呆帕金森病等红斑狼疮风湿性关节炎3.再生障碍性贫血3.病毒感染4.缺血性损伤疱疹病毒腺病毒等心肌梗塞再灌注损伤脑卒中5.心衰肝衰1.细胞凋亡在肿瘤发生中的作用细胞增殖过快及凋亡过少均在肿瘤的发生中起了重要作用P53突变，Bcl-2的高表达在许多肿瘤中都存在CancerTypesChemicalsVirusesRadiationMutatep53GeneBladderBloodBrainBreastColonEsophagusLiverLungSpleenThyroidCarcinogensMutatep53肿瘤类型Bcl-2基因过度表达频率(%)结肠-直肠癌92咽癌85骨髓癌80乳腺癌70非何杰金淋巴瘤65-70胃癌60-70前列腺癌30-60神经母细胞瘤30-35肺癌(小细胞肺癌)20(80)Bcl-2基因在不同类型的肿瘤中过度表达的频率(%)2.细胞凋亡在缺血性心脏病及心衰发病机制中的作用CoagulativeNecrosisHeart-Gross神经性退行性病变自身免疫性疾病病毒感染创伤合并休克，肝衰，免疫排斥反应等等3.细胞凋亡在其它疾病发生中的作用CerebroNormalCerebroconHuntingtonDegeneracióndelnúcleocaudadoDegeneracióncerebelarCerebroconAlzheimerCerebroNormal神经性退行性病变自身免疫性疾病病毒感染创伤合并休克，肝衰，免疫排斥反应等等3.细胞凋亡在其它疾病发生中的作用