电离辐射的细胞效应

电离辐射对细胞周期进程的影响EffectsofIrradiationonCell-Cycle细胞周期（CellCycle）组织的生长和维持依赖细胞复制（再生）某些细胞在成年人永不分裂增殖。ThereareaspecificsetofstepsinvolvedG1(G0)GapPhase1FunctionalcellSSynthesisDNAsynthesisG2Gapphase2RestMMitosisCellDivision细胞周期时间Cell-cycletimeorgenerationtime人类细胞增殖依赖细胞的分裂。从细胞分裂开始到下一次分裂开始的时间称为细胞周期时间(Cell-cycletime)。正常增殖的细胞其周期时间大多为10~20h。细胞周期调控Cellcycleregulation关于细胞周期的疑问（Questionofcellcycleregulation）如何保证细胞增殖过程中各事件的有序进行。G1---S---G2---M---G1.每个细胞周期必需复制一次，分裂前染色体必须分离。细胞周期检查点CellCycleCheckpoints细胞周期进程中向各个时相过渡的点。是生化途径从顺序和时间上、从细胞时相上调控细胞进程。DNA受损后检查点减慢细胞通过时相点的进程。分类（Classification）根据在细胞周期（cellcycle）中的时间顺序，可将checkpoint分为三类1、G1期(Restriction)Checkpoint2、G2Checkpoint3、MetaphaseCheckpoint（细胞分裂期，M期）调控内容（Regulatingthecontents）1、DNA损伤检查点(DNAdamagecheckpoint)负责查看DNA有无损伤；2、DNA复制检查点(DNAreplicationcheckpoint)负责DNA复制的进度；3、纺锤体组装检查点(spindleassemblycheckpoint)管理染色体的正确分配已否，因为染色体的分配主要依赖于纺锤体的作用。一、细胞周期的运行原理1、周期蛋白（Cyclin）和周期蛋白依赖性激酶（Cyclin-dependentkinases(Cdks)）:所有真核细胞周期运作均依赖于共同的核心驱动装置，即Cyclin--CDKs复合物，并且哺乳动物细胞周期的不同期有不同的Cyclin和CDKs表达，这些Cyclin和CDKs均有不同程度的同源性，称为周期蛋白家族和CDKs家族.周期性地活化蛋白激酶调控细胞周期进程周期蛋白依赖性激酶（Cdks）：引擎（engine）在细胞周期中恒定的表达（时间、时相）；激酶的活性在周期中是变动的；激酶活性变化由很多酶和蛋白质控制，其中cyclins是主要分子。举例：G1cyclins和CDKsG1cyclins是指G1期或G1／S交界处发挥作用、启动细胞周期和促进DNA合成的周期蛋白。目前已发现CyclinC、D、E等多种。CyclinC主要在果蝇及人的细胞中发现。CyclinE是人类细胞的G1cyclin，其mRNA和蛋白质水平在G1／S交界处急剧升高达峰值，进入S期后降解，CyclinE-CDK2复合物调节细胞周期进入S期，并在人类细胞的DNA合成启动中起重要作用。周期蛋白-周期蛋白依赖激酶复合物的抑制（Inhibitionofacyclin-Cdkcomplex）Theinhibitionofacyclin-CdkcomplexbyCdkinhibitorproteins(CKI)主要通过使cyclin-Cdkcomplex构型改变Cyclin-Cdkcomplex中Cyclin的解离和磷酸化激活位点Thr的去磷酸使CDK处于失活状态．因而，在细胞周期中使Cyclin水平下降与激活位点Thr去磷酸的有关因素都是CDK抑制调控的重要因素。二、几个参与细胞周期调控的重要基因已发现的三条相互联系的细胞周期调节系统：(1)Ras介导的MAPK信号转导系统；(2)CIP1／KIP1家族介导P53→P2lWAF1/CIP1→周期蛋白E／CDK2，周期蛋白D／CDK4→pRB途径：(3)INK4家族介导的P16INK4a→周期蛋白D／CDK4一pRB途径。1、pRB（nuclearphosphoprotein）pRB作为细胞周期和基因转录调控的枢纽，通过调整E2F等转录因子的功能在细胞增殖和分化的控制中发挥关键作用。在某一给定细胞中pRB水平相对恒定，而其磷酸化/去磷酸化状态则随着细胞周期的进展而变化：在G1早期，pRB主要以脱磷酸化的活性形式存在，pRB的磷酸化主要发生在G1中期，到S期和G2／M期则主要以高度磷酸化形式存在。在Cyclin－CDKcomplex与蛋白磷酸酶1的协同作用下，pRB的磷酸化／去磷酸化之间的动态平衡有效控制着G1限制点的“开启和关闭”，从而保证细胞周期的有序运行及细胞的正常增殖。G2→Mcheckpoints调节机制有丝分裂促进因子（mitosispromotingfactor,MPF）：CyclinB＋P34cdc2(cdc2基因编码的34000的磷蛋白，简称p34,具激酶活性）三、电离辐射影响细胞周期进程的机制电离辐射引起DNA损伤，激活DNAdamagecheckpoint，导致细胞周期阻滞。依细胞周期进程，至少可分为3checkpoints：G1/S(G1)checkpoint,intra-Sphasecheckpoint,andG2/Mcheckpoint.1、G2阻滞（G2arrest)机制：细胞由G2期进入M期受MPF调控CyclinB激酶P34cdc2←Thr161磷酸化、Thr14,Tyr15脱磷酸化↓激活IRCyclinB的mRNA和蛋白水平下调P34磷酸化发生变化MPF辐射引起细胞G2延迟的机理：DNA损伤后，经ATM或Rad3将信号传递至Chk1（检查点激酶基因），进而使cdc25Cser216磷酸化，促使cdc25C结合14－3－3（Rad24/Rad25表达产物），抑制cdc25C进入细胞核，阻止cdc2Tyr15脱磷酸化，导致G2期延迟。2、G1阻滞（G1arrest）(一)p53在辐射所致细胞周期G1期阻滞中的作用取决于细胞系的P53状态：只有表达野生P53的细胞，受照后才发生G1期阻滞。P53是作为转录因子，通过与其下游效应分子基因的靶序列结合从而激活这些基因转录的。再通过这些下游效应分子发挥调控G1期进程。目前已发现多种分子转录被p53调节，如MDM2，P21wAFl、Gadd45、Bax、IGFBP3，Fas等。﹡认为MDM2的正常功能是限制Gl期阻滞的时间，使DNA损伤修复后的细胞重新进入细胞周期。﹡在p53转录调控的效应分子中，Gadd45和P21是参与辐射所致细胞G1期阻滞的重要元件分子。三、ATM、P53与DAN损伤的识别3、S相延迟（Sphasedelay）与DNA合成速率下降有关IR对DNA合成的抑制呈现双相的剂量－效应关系：较低剂量范围内剂量－效应曲线斜率较大（辐射敏感），较高剂量，斜率变小（辐射抗性）与cyclinA及P53的表达有关4、S/M解偶联（uncouplin）S/M偶联：在正常情况下细胞周期中S期和M期之间存在协调关系，即细胞未完成有丝分裂前不会启动下一轮DNA合成。电离辐射后，处于细胞周期中G2期细胞既不能进入有丝分裂的M期，也不发生G2阻滞，而是返回S期，继续进行DNA复制，使细胞形成内含数倍DNA而不分裂的巨细胞（giantcell)。巨细胞巨细胞：IR引起某些细胞体积增大，成为巨细胞（giantcell);内载几套染色体而不分裂；细胞可以存活一定时间，具有功能活性，但最后凋亡；可能与P53及其下游分子P21调控基因表达有关。丢失某一检查点的后果：机体对外界刺激的一种保护性反应，目的在于保证基因组的遗传稳定性检查点功能丢失导致突变、基因重排，进而引起遗传不稳定（geneticinstability）---出生缺陷、各种疾病（eg.cancer)研究进程影响规律有利于设计合理的肿瘤治疗方案，提高化疗和放疗疗效电离辐射引起的细胞死亡Celldeathcausedbyionizingradiation一、细胞存活（cellsurvival）两大类细胞（Twotypeofcell）有增殖（reproductive）能力（或克隆形成能力）的细胞（clonogeniccell）。已分化的细胞（differentiatedcells）细胞存活与死亡的概念Theconceptofcellularsurvivalanddeath.对有增殖能力的细胞，保留其增殖能力，能无限产生子代的细胞为存活细胞（survivalcell）。凡失去增殖能力，不能产生大量子代的细胞，称为死细胞（deathcell）。克隆形成细胞死亡方式的分类1、增殖死亡（proliferativedeath)又名代谢死亡或延缓死亡是指受照细胞丧失了持续增殖的能力、在经过一个或几个有丝分裂周期后丧失代谢活动和细胞功能而死亡。通常测定增殖死亡采用体外细胞成集落培养法，即观察单个细胞在培养条件下经多次分裂后形成一个克隆的能力。如果细胞在一次或数次分裂后不能形成一个克隆，即计为死亡；能够生长成克隆者则计为存活。Figure4.1.ExamplesofpedigreesofEMT6mousecells.NORMALIRRADIATEDMitoticdeath2、间期死亡（Interphasedeath）或即时死亡（Immediatecelldeath）指受照射细胞未经分裂就死亡。照射剂量很大（100Gy以上）已分化的细胞（differentiatedcells）对那些不再增殖的已分化的细胞，则以其是否丧失特殊功能来衡量细胞是否存活，保留机能者为存活细胞，失去功能者为死亡细胞。可供选择的死亡方式程序性细胞死亡type1--凋亡（apoptosis）程序性细胞死亡type2--自噬（autophagy）病理性死亡-----坏死（necrosis）病理情况下，3种形式均可存在；生理情况下只有前两种程序性细胞死亡（PCD，programmedcelldeath）：在机体生理过程中，在一定信号的启动下，相关基因有序地表达，制约着对整体无用的或有害细胞的清除，因此，这种活动被命名为PCD。1、细胞凋亡（apoptosis）维持内环境稳定，由基因控制的细胞自主的有序死亡。细胞凋亡不是一件被动的过程，而是主动过程，它涉及一系列基因的激活、表达以及调控等的作用；它并不是病理条件下，自体损伤的一种现象，而是为更好地适应生存环境而主动争取的一种死亡过程。PhysiologicProgrammedCellDeathSexdifferentiationSelf-reactivelymphocytesIrradiationFingersGutTadpoleTailsproliferatingcellsCELL88:350,19972、自噬自(体吞)噬是胞质溶胶和细胞器被隔离到双层膜的小泡中，由此运送到溶酶体/空泡中降解，并使因此形成的大分子进行再循环的一个过程。3、细胞的坏死(necrosis)通常是由突然及严重的损伤所造成的细胞意外死亡，这类损伤包括电离辐射、严重的感染、剧烈的炎症、烧伤或其他形式的创伤以及化学损伤等：细胞凋亡与细胞坏死的比较细胞凋亡的形态学变化电离辐射诱导的死亡方式三者均可。MitoticdeathafterirradiationcanbebyanymolecularmechanismInterphasedeathafterirradiationisbyrapidapoptosisProminentinlymphocytes,spermatogonia,oligodendrocytes,salivaryglandOccursinmanytumor