细胞增殖和凋亡异常与疾病细胞增殖和凋亡异常与疾病Abnormal Cell Proliferation, Apoptosis and Related Abnormal Cell Proliferation, Apoptosis and Related

of Diseaseof Disease

裸鼠的结肠癌病理模型复制

胃癌手术后肿瘤细胞转移患者

（患者处于恶液质状态）

瘤细胞为什么会发生？

Evan, GI and Vousden, K. (2001) Nature 411:342

The Cancer Problem

Abnormal Apoptosis and DiseasesAbnormal Apoptosis and Diseases

Abnormal Proliferation and DiseasesAbnormal Proliferation and Diseases

细胞增殖异常与疾病一、细胞周期及其调控

细胞周期概念（ Concept and phases of Cell cycle ） 【 Cell Proliferation 】

细胞分裂和再生的过程，细胞通过分裂进行增殖，把遗传信息传给子代，保持物种的延续和数量增多。 ■ 细胞增殖↓、分化不良（过度）

组织器官发育不全

■ 细胞增殖↑、分化不全 肿瘤发生

What is cell proliferation?Cell proliferation is a process of cell division and regeneration, which results in an increase in the cell number with exact passages of genetic information to their daughter cells.

2001 Nobel Prize

Leland H. Hartwell 1970s“Checkpoint”Yeast genetics~100 CDC genesStart gene

Tim Hunt 1980sCyclinsSea Urchins

Paul M. Nurse1970sCDKsyeast

【细胞增殖过程 】

细胞生长细胞生长

DNADNA 复制复制

细胞分裂细胞分裂

细胞

周期

细胞周期分期（ By stages ） G1→S→G2→M

【 【 Cell cycleCell cycle 】】 Cell cycle is defined as a period from the end of one division to the Cell cycle is defined as a period from the end of one division to the

end of next division of a proliferative cell.end of next division of a proliferative cell.

G1 期： DNA 合成前期 （ RNA 和蛋白质合成）

S 期： DNA 合成期 (DNA 复制、组蛋白和非组蛋白 )

G2 期： DNA 合成后期 / 分裂前期（微丝、微管蛋白，成熟因子等合成）

M phase M 期：有丝分裂期

Interphase

Cell cycle phase

Interphase

Prophase Prometaphase Metaphase

Anaphase Telophase

Cytokinesis

Mitosis

Phases of the cell cycle

DNA Cell Cycle Analysis

单向性 : G1S G2 M

阶段性 : 各期细胞形态和代谢特点有明显差异。

检查点：决定细胞增殖分化趋向。

细胞微环境：细胞外信号、条件等影响细胞周期。

细胞（增殖）周期特点细胞（增殖）周期特点

细 胞 周 期 的 控 制细 胞 周 期 的 控 制 （（ Regulation of the cell Regulation of the cell cyclecycle ））

1. 1. 细胞周期自身控制（细胞周期自身控制（ Regulation of intracellular Regulation of intracellular

signalssignals ））细胞周期调控机制的核心是一组周期素依赖性蛋白激酶细胞周期调控机制的核心是一组周期素依赖性蛋白激酶

（（ Cyclin dependent kinaseCyclin dependent kinase, CDKs, CDKs ））Key spotKey spot ：： CyclinCyclin 、 CDKsCDKs 、 、 CDICDI 、、 Checkpoint of cell cycleCheckpoint of cell cycle 。。

Regulation of the cell cycleRegulation of the cell cycle

Regulation of the cell cycle by Regulation of the cell cycle by

intracellular signalsintracellular signals

Regulation of the cell cycle by Regulation of the cell cycle by

extracellular signalsextracellular signals

Cell Cycle Regulation

• Cyclins

• Cyclin Dependent Kinases (CDKs)

• Cyclin Dependent Kinases Inhibitors (CDKIS)

（二）细胞周期的调控1. 细胞自身的调控

(1) 周期素（ cyclin ）是一个调节亚基，需与催化亚基 CDK 形成复合物，激活

相应的 CDK 和加强对底物的作用，驱动细胞周期前行。

(2) 细胞周期素依赖性激酶（ CDK ）一组丝氨酸 / 苏氨酸蛋白激酶 需与 cyclin 形成复合物行使其催化亚基的功能 含有磷酸化活化调控部位 活性受上游的 CDK 活化激酶的影响 CDI 可抑制其活性 泛素降解 CDK

CDKCDKPSTAIRE

cyclincyclin

CDKCDK

Cyclin/CDKCyclin/CDK

CombineCombine

Cyclin box 结构与功能

100aa100aa 组成组成 cyclin boxcyclin box

CyclinCyclin -COOH-COOHHH22N-N-

催化亚基催化亚基

调节亚基调节亚基

Cyclin/CDK/CDICyclin/CDK/CDIClassification Classification

Cyclin B1Cyclin B1 、、 Cyclin ACyclin A 、、 Cyclin Cyclin EE 、、 Cyclin DCyclin D

11,D,D22,D,D33, , FF,,G,H,TG,H,T 。 。

Cdks

cyclins自 1983 年首次发现周期蛋白后，许多科学家纷纷开展周期蛋白研究，短短 10 年就从各种生物中克隆分离了数十种周期蛋白，如酵母的 Cln1 、 Cln2 、 Cln3、 Clb1-Clb6 ，高等动物的周期蛋白 A1-2、 B1-3、 C、 D1-3、 E1-2、 F 、 G 、 H 等等。各种周期蛋白均含有 100 个左右的保守氨基酸序列，称为周期蛋白框，它可介导周期蛋白与 CDK 结合。 M 期周期蛋白 (A2,B1) 分子的 N 端含有破坏框。 G1

期周期蛋白分子的 C 端含有一个 PEST 序列。

部分周期蛋白分子结构特征 图中除 Cln3 外，均为人的周期蛋白分子，所有这些分子均含有一个周期蛋白框。

细胞周期蛋白的破坏框与降解途径G1 周期蛋白也通过类似的途径降解，但其 N 端没有破坏框， C 端有一段 PEST 序列与其降解有关。

PEST

短寿命蛋白 C- 末端都有一个 ( 或一个以上 ) 富含Pro(P), Glu(E), Ser(S) 和 Thr(T) 的序列 ( 脯氨酸（ P ），谷氨酸（ E ），丝氨酸（ S ），及苏氨酸（ T ）残基 ) 的 40 个 aa 残基组成的结构域，简称PEST 序列，它可以影响到某些蛋白的稳定性 。 PEST 样序列中 3 个赖氨酰残基可能是其泛素化结合位点，将 3 个赖氨酰残基都进行突变， ste3p 的泛素化和胞吞会严重受损。

Cyclin-CDK 复合物及其相关蛋白 Cyclins Cyclins 相关相关 CDKs CDKs 细胞周期作用 相关蛋白 底物 降解细胞周期作用 相关蛋白 底物 降解 A CDK1A CDK1 ，， CDK2 S+G2, M p107+E2FCDK2 S+G2, M p107+E2F ，， p21p21 ，， PCNA Rb ubiquitinPCNA Rb ubiquitin

B(B1,B2) CDK1(cdc2) G2, M p21,PCNA Rb ubiquitinB(B1,B2) CDK1(cdc2) G2, M p21,PCNA Rb ubiquitin

C CDK8 G1 - - PESTC CDK8 G1 - - PEST

D(D1-3) CDK4(2,5,6) G1 Rb,p21,p27,p15,p16,PCNA Rb PESTD(D1-3) CDK4(2,5,6) G1 Rb,p21,p27,p15,p16,PCNA Rb PEST

E CDK2 G1+G1, S p107+E2F ,p21,PCNA Rb PESTE CDK2 G1+G1, S p107+E2F ,p21,PCNA Rb PEST

F - S - - - F - S - - -

G - G1 - - - G - G1 - - -

H CDK7 G1,S,G2, M - CDK1,4,6 -H CDK7 G1,S,G2, M - CDK1,4,6 -

Cyclin

周期变化图

低磷酸化低磷酸化 RbRb 与与 E2FE2F 结合，抑制其介导的激活作用，阻止结合，抑制其介导的激活作用，阻止G1G1 到到 SS 期的转变；期的转变；高磷酸化高磷酸化 RbRb 不能与不能与 E2FE2F 结合，不能抑制其功能。结合，不能抑制其功能。

▲ pRbpRb 蛋白：人成视网膜细胞瘤基因蛋白：人成视网膜细胞瘤基因肿瘤抑制基因肿瘤抑制基因 , , 作用于作用于 G1G1 期，阻止期，阻止 G1G1 到到 SS 期的转化。 期的转化。 RbRb 蛋白在蛋白在 G1G1 期呈低磷酸化状态，在晚期呈低磷酸化状态，在晚 G1G1 期，期， SS 、、 G2G2 、、MM 期则高磷酸化；期则高磷酸化；

RbRb 磷酸化时，磷酸化时， E2FE2F 被释放，启动多种对细胞周期的进行很重要的被释放，启动多种对细胞周期的进行很重要的基因转录，包括二氢叶酸还原酶、胸苷激酶、基因转录，包括二氢叶酸还原酶、胸苷激酶、 DNADNA 多酶多酶 αα 、胸苷酸、胸苷酸合酶（合酶（ thymidylate synthasethymidylate synthase ）、）、 b-mybb-myb 、、 CDK1CDK1 及及 c-mycc-myc 等等基因。基因。

CyclinsKinase

complex

Vertebrate Yeast

Cyclin CDK Cyclin CDK

G1-CDK Cyclin D* CDK4 、 6 Cln 3 CDK1(CDC28)

G1/S-CDK Cyclin E CDK2 Cln 1 、 2 CDK1(CDC28)

S-CDK Cyclin A CDK2 Clb 5 、 6 CDK1(CDC28)

M-CDK Cyclin B CDK1(CDC2)

Clb 1-4 CDK1(CDC28)

【【 CDKCDK11 活化启动活化启动 cell cell cyclecycle 】】

CDKCDK11 活化活化

CyclinCyclin 与与 CDKCDK11 结合、磷酸结合、磷酸化化

CAKCAK 对对 CDKCDK11 活化部位的磷酸活化部位的磷酸化化

Cell cycleCell cycle

●●CDKs 家族

CDKs 是一组丝氨酸 / 苏氨酸蛋白激酶。称为CDK1~9 。。

Thr14 、 Tyr15 抑制部位去磷酸化

CDK 活化激酶（ CDK activation kinase,CAK ）

【【 CDKsCDKs 活 化 部 位 与 抑 制 部活 化 部 位 与 抑 制 部位位】】CAKCAK 对对 CDK1CDK1 活化部位磷酸化活化，同时伴有抑制部位磷酸化活化活化部位磷酸化活化，同时伴有抑制部位磷酸化活化。。

▲活化部位（ CDK1Thr161 ）磷酸化

▲ 抑制部位（ CDK1Thr14 、 Tyr15 ）去磷酸化依赖 P80cdc25 酶作用

▲CDK2 与 cyclin E 和 A 结合后 识别染色体 ARS 促进 S 期

▲CDK1 与 cyclin B1 结合 (Maturation promoting factor,MPF) 启动 M 期

▲CDK2 与 cyclin A 结合 启动 G2 期 磷酸酶 P80cdc25

【 CDK 活化与调控细胞周期】

▲ CDK2 与 cyclin E 结合， CDK4 、 CDK6 与 cyclin D1 、 D2 、 D3 结合

pRb 磷酸化 游离 E2F 释放↑ 启动 G1 期

DNA 合成 启动 S 期

【抑制途径】

▲ CDIs 通过直接结合 CDK-cyclin 复

合物的磷酸化活化部位，抑制 CDK

的激酶活性。

▲ P16INK4a 通过结合 CDK4 单体，

阻断它与 cyclins 的结合。

(3) CDICDI ：复合物：复合物

CDICDI 可特异性抑制可特异性抑制 CDKCDK 的活性。的活性。

▲Ink4Ink4 ：： P16P16INK4aINK4a 、、 P15P15INK4bINK4b 、、 P18P18INK4cINK4c 和和 P19P19INK4d INK4d

CDKCDK44 、、 CDKCDK66

▲Cip/KipCip/Kip ：： p21p21kiplkipl 、、 P27P27Kip1Kip1 和和 P57P57Kip2Kip2 CDKCDK22

■■ 癌基因与抑癌基因

1.Ink: p16ink4a 在 S 期达到高峰，是 G1/S 限制点负调控机制的重要组成部分。2.P21kip1 作用较强，作用谱较广泛。主要调控细胞周期确保遗传物质精确地传递给下一代，以消除DNA 损伤而引发的肿瘤。3.P27kip1 为停止细胞分裂所必需，在休止细胞内高表达，在增殖细胞内低表达。与 G1 后期的cyclinE/CDK2 复合物结合，抑制其磷酸化。

CDI

Cyclins 降解主要是泛素 - 蛋白酶体进行泛素化降解

泛素

蛋白质 降解的蛋白质

SUMO

(4) 泛素依赖的蛋白溶解系统CDC34 途径：

水解 CDI ，促使细胞从 G1 期转换到 S 期；

后期促进复合体 (APC) 途径：

通过水解有丝分裂后期的抑制因子 ,和有丝分裂 cyclin

结合并将其水解，从而促使细胞有丝分裂中期向后期转变，并由此结束分裂期。

保证细胞周期中保证细胞周期中 DNADNA 复制和染色体分配质量的检查机制，为负复制和染色体分配质量的检查机制，为负反馈调节机制反馈调节机制

（（ 55 ）细胞周期检查点）细胞周期检查点

DNA DNA 损伤检查点损伤检查点 G1/SG1/S 交界处检查，交界处检查， DNADNA 损伤则停在损伤则停在G1G1 期，以进行修复后复制期，以进行修复后复制

DNADNA 复制检查点复制检查点 S/G2S/G2 交界处检查，负责检查交界处检查，负责检查 DNADNA 复复制进度制进度

纺锤体组装检查点纺锤体组装检查点 G2/MG2/M 交界处检查，检查有功能的纺交界处检查，检查有功能的纺锤体形成，管理染色体的正确分配锤体形成，管理染色体的正确分配

对细胞周期前一事件作出反应，保证细胞增殖按质完成对细胞周期前一事件作出反应，保证细胞增殖按质完成

检查点工作方式探测器：检测上一期进展的质量问题；

传感器：将探测器所检获的“质量问题”信号下传

效应器：由效应器去中断细胞周期进程并开动修复机制

CDK既是细胞周期转折的主要调节因子，也是细胞周期

检查点的效应器。

Cell cycle checkpointsCell cycle checkpoints

■ ■ 抑制信号（抑制信号（ TGF-βTGF-β ）） 可以下调可以下调 cyclincyclin 和和 CDKCDK44 的的表达和促进表达和促进 P21P21waflwafl 、、 P27P27kiplkipl 和和P15P15ink4bink4b 等等 CDICDI 产生 ，使细 胞产生 ，使细 胞阻滞在阻滞在 GG11 期。期。

2. 2. 细胞外信号的调控细胞外信号的调控GG11 期存在一个“限定点，它决定细胞是否进入周期。期存在一个“限定点，它决定细胞是否进入周期。

这“限定点”主要受细胞外信号的调控。这“限定点”主要受细胞外信号的调控。

（ EGF 、 IGF 、 IL ）

■■刺激信号（生长因子 ）刺激信号（生长因子 ）

pRb

E2F

磷酸化磷酸化 ■■ 细胞生长条件不具备细胞生长条件不具备 能使能使 P16P16INK4aINK4a 和和 P15P15INK4bINK4b 增加，增加，并均 能 抑 制并均 能 抑 制 Cyclin D-CDKCyclin D-CDK4/64/6 复复

合物的功能，细胞阻滞合物的功能，细胞阻滞 GG11 期。期。

▲P53P53 ： ① 磷 酸 化： ① 磷 酸 化 P53P53 上 调 上 调 p21Ciplp21Cipl 基因的转录，基因的转录， P21CiplP21Cipl 能与能与多种 多种 CDK-cyclinCDK-cyclin 复合物结合，抑制复合物结合，抑制CDKsCDKs 的激活，阻滞的激活，阻滞 G1/SG1/S 的过渡，的过渡，为为 DNADNA 修复提供足够时间；②与修复提供足够时间；②与TATATATA 结 合 蛋 白 结 合 ， 抑 制结 合 蛋 白 结 合 ， 抑 制 c-c-

JunJun 、、 PCNAPCNA 等基因转录，抑制细胞等基因转录，抑制细胞增殖；③与复制因子增殖；③与复制因子 AA 相互作用，抑相互作用，抑制制 DNADNA 复制。复制。

Check mechanismCheck mechanism

G1 phase S phase

CDK

Growth Signal

cyclin/

DNA damage, other insults

p53

p21

▲ Cdc25 ：负责 G2 期处检查。

MPF( 成熟促进因子 )

► 细胞周期异常与疾病（ Abnormal cell cycle & diseases ）细胞过度增殖或不足的本质是细胞周期调控异常。

【 Deregulation of cell cycle 】

■ 细胞周期的驱动失控（ Cyclin 、 CDK 和 CDI 表达异常）

■ 监控（检查）机制受损（ The impairment of checkpoint system ）

细胞增殖分化异常与相关疾病 增殖异常 分化异常 增殖分化异常

再生障碍性贫血 肥胖症 恶性肿瘤

白癜风 遗传性血红蛋白病 银屑病

前列腺肥大 肌营养不良 畸胎瘤

动脉粥样硬化 先天畸形

家族性红细胞增多症 X-连锁 - 球蛋白缺乏症

高 IgM血症

恶性肿瘤恶性肿瘤细胞增殖异常机制细胞增殖异常机制

1 ．细胞周期驱动机制失控 ■Cyclins 的过表达（ Over expression of cyclins ） 肿瘤的发生与 cyclin （ D 、 E ）过量表达有关。

【 Cyclin D1 （ Bcl-1 ）过表达原因】（原癌基因）

▲基因扩增（ Cyclin D1 过表达的主要机制）

乳腺癌、胃癌、食道癌存在 Cyclin D1 基因扩增过度。▲染色体倒位（ Chromosome inversion ）

Cyclin D1 基因倒位于甲状旁腺启动子控制下 Cyclin D1 蛋白合成↑ ▲染色体易位（ Chromosome translocation) 甲状旁腺腺癌

Bcl-1 t(11:14) (q13:q32)易位

Cyclin D1 受 Ig 重链基因增强子影响

Cyclin D1 表达↑

（ p15:q13 ）

■■ CDK CDK 表达异常表达异常

主要见于主要见于 CDKCDK44 、、 CDKCDK66 过表达。过表达。

CDKCDK44↑+ cyclin D↑+ cyclin D 结合↑ 结合↑ CDKCDK44/cyclin D↑ CDKs/cyclin D↑ CDKs 表达↑ 表达↑

pRb pRbpRb pRb 磷酸化↑ 细胞增殖过度磷酸化↑ 细胞增殖过度

E2F ↑ GE2F ↑ G11/S/S 过渡加速过渡加速

【【 Cyclin DCyclin D 过表达致肿瘤机制过表达致肿瘤机制】】

Cyclin DCyclin D 过表达 过表达 + + 生长因子生长因子

CDKsCDKs 瀑布效应↑ 细胞增殖过度 易发生细胞癌变 瀑布效应↑ 细胞增殖过度 易发生细胞癌变

▲▲基因突变基因突变Cyclin DCyclin D1 1 TT286286 突变 突变 Cyclin DCyclin D11 泛素化受阻 泛素化受阻 Cyclin Cyclin

DD11↑↑

可能

■ CDI 表达不足和突变

肿瘤细胞中常出现 CDI （肿瘤抑制基因）表达不足或突变。

▲ InK4 失活

【 p16 InK4 基因失活原因】

突变或缺失、染色体易位、 p16 InK4 高度甲基化。 【 Mechanism 】

p16 InK4 基因表达↓ CDK4 与 cyclin D 结合↑

细胞周期处在“易于”被启动状态

易发生细胞癌变 可能

正常正常

【 Mechanism 】

p53 基因突变 P21cip1 转录↓ DNA 受损细胞增殖↑

▲ ▲ Kip/Cip 含量减少（（ Deficient expression of Kip/CipDeficient expression of Kip/Cip ））

P21cipl 功能 cyclins/CDKs 活性↓ 细胞周期速度↓

增殖细胞核抗原（ PCNA ） 阻滞 DNA 复制

2. 细胞周期监控机制受损 (Impairment of checkpoint

system)

主要原因： G1/S 、 G2/M检查点异常

失察结果：探测 DNA 损伤功能降低 （如发现不了 DNA 损伤，会导致基因缺失、易位、染色体重排等）

▲P53P53 突变或丢失 易发生细胞癌变突变或丢失 易发生细胞癌变

致变剂致变剂

检测点检查功能↓ 遗传不稳定性 复制忠实性↓检测点检查功能↓ 遗传不稳定性 复制忠实性↓

■ ■GG11/S/S 交界处失察 交界处失察

▲ P53 P53 进入进入 SS 期期

DNADNA 损伤 修复成功损伤 修复成功

GG11/S/S检查 停顿检查 停顿 GG11 期 损伤期 损伤 DNADNA修复修复

修复失败修复失败

细胞凋亡 下调细胞凋亡 下调 bcl-2bcl-2 表达、激活表达、激活 bax bax 基因 基因 P53P53

表 人类肿瘤 p53 基因突变热点和频率肿瘤型 突变频率（ % ） 突变热点 肿瘤型 突变频率（ % ） 突变热点肺癌 56 157 ， 248 ， 273 前列腺癌 30 不确定结肠癌 50 175 ， 245 ， 248 ， 273 肝细胞癌 45 249

食道癌 45 不确定 胶质癌 25 175 、 248

卵巢癌 44 273 乳腺癌 22 175 、 248 、 273

胰腺癌 44 273 子宫内膜癌 22 248

皮肤癌 44 248 、 278 甲状腺癌 13 248 、 273

胃癌 41 不确定 白血病 12 175 、 248

头颈鳞癌 37 248 宫颈癌 7 273

膀胱癌 34 280 软组织肉瘤 31 不确定

■ G2/M 交界处失察

G2/M交界处

DNA双链断裂

激活 DNA 损伤检查点 阻止细胞进入M 期

诱导修复基因转录

完成断裂的 DNA修复

▲失去 G2/M检查点的阻滞作用 染色体发生重排、丢失

原发性血小板增多症（ PT ）

■临床症状：以巨核细胞增殖为主的骨髓增生性疾病。伴有血 小板持续增多和血小板功能异常，有反复自发性 出血及血栓形成。

■病因与机制： X 染色体遗传、 TGF-减少、辅助细胞缺等。

良性前列腺增生 ■病因与机制：细胞凋亡出现下降，增殖不变，导致良性前列腺增生。

银屑病

■病因与机制：表皮生长因子受体的增加和受体的减少是引起表皮细胞增长过快的原因。

细胞增殖缺陷如糖尿病性肾病、神经退行性疾病（阿尔茨海默病和帕金森病）和再生障碍性贫血。

糖尿病性肾病： p27 增高 TGF-β1 及受体表达增多 pRB处于低磷酸化状态

肾小管上皮细胞，系膜细胞或血管内皮细胞增生受抑制

由于体内外生理或病理因素触发细胞内预存的死亡程序而由于体内外生理或病理因素触发细胞内预存的死亡程序而

导致的细胞主动死亡过程。导致的细胞主动死亡过程。

【【 Concept of Concept of apoptosisapoptosis 】】

【【凋亡的生理学意义凋亡的生理学意义】】

■■参与发育、生长。参与发育、生长。

■■维持内环境稳定。维持内环境稳定。

■■参与防御反应。参与防御反应。

►► 细胞死亡的模式细胞死亡的模式

■■ Necrosis = Necrosis = 细胞意外性死细胞意外性死亡亡

■■ Apoptosis = Apoptosis = 细胞自发性死细胞自发性死亡亡

坏死 凋亡

《《细胞凋亡与疾病细胞凋亡与疾病》》 Apoptosis and Related Apoptosis and Related DiseasesDiseases

细胞凋亡与细胞坏死的比较坏 死 凋 亡

1.性 质 病理性，非特异性 生理性 / 病理性，特异性2.诱 因 强烈刺激，随机发生 较弱刺激，非随机发生3.基因调控 无 有

4.生化特点 被动过程 , 无新蛋白合成 , 不耗能 主动过程 , 有新蛋白合成 , 耗能

5.形态改变细胞肿胀

结构溶解，破坏细胞皱缩，核固缩

胞膜 / 细胞器相对完整

6.凋亡小体 无 有

7.DNA变化弥散性降解

电泳呈均一片状片段化（ 180-200bp）电泳呈“梯”状条带

8.溶酶体改变 破裂 相对完整

9.炎症反应 局部炎症反应 局部无炎症反应

凋亡相关基因激活凋亡相关基因激活

DNaseDNase 激活、激活、 CaspasesCaspases 激激活活

巨噬细胞吞噬分解凋亡细胞巨噬细胞吞噬分解凋亡细胞悉尼 ·布雷诺尔

罗伯特 ·霍维茨

约翰 · 苏尔斯顿

2002年诺贝尔生理与医学奖获得者

►► 细胞凋亡大致过程细胞凋亡大致过程 ((The process of apoptosis))

++

cAMPcAMP 、、 CaCa2+2+ 、、神经酰神经酰胺胺

死亡信号死亡信号

凋亡诱导因素凋亡诱导因素 受体受体凋亡信号转导

凋亡基因激活

凋亡的执行

凋亡细胞清除

一、细胞凋亡的过程与调控一、细胞凋亡的过程与调控（（ Process & regulation of cell apoptosis ））

■■凋亡细胞（实体细胞）与周围细胞脱接触

■ 胞膜空泡化（ Blebbing ）

■ 细胞固缩（ Condensation ）、核固缩和发芽

■凋亡小体（ Apoptotic body ）

凋亡细胞 (扫描电镜 ) 凋亡细胞 (透射电镜 )

APL急性早幼粒白血病

Apoptosis

1. 1. 形态学改变

（（ The morphologic characteristics of apoptosis ））

►►凋亡时细胞的主要变化凋亡时细胞的主要变化（（ Features of apoptosis cellsFeatures of apoptosis cells ））

Morphological features of Morphological features of apoptosisapoptosis

Membrane blebbing

■内源性核酸内切酶激活Ca2+/Mg2+ 增加核酸内切酶活性

Zn2+ 抑制核酸内切酶活性

■DNA片段化（ DNA ladding pattern ） 激活核酸内切酶

核小体连接区发生 DNA 降解，

寡核小体片段（ 160 ～ 200bp 的倍数）■钙超载（ Calcium

overload ）Ca2+载体 A23187 B淋巴细胞内 [Ca2+] ↑ 诱导 B细胞凋亡

（ Ca2+ 在细胞凋亡中充当凋亡信号传递的角色）

2. 2. 生化生化改变改变（（ The biochemical characteristics of apoptosisThe biochemical characteristics of apoptosis ））

■ 细胞膜磷脂酰丝氨酸外翻

（ caspase 激活、 PKC 活化、蛋白合成等）

►►The mainly induced factors of apoptosisThe mainly induced factors of apoptosis

TableTable ：： Influence of factors of apoptosisInfluence of factors of apoptosis

诱导性因素（诱导性因素（ InducersInducers ） 抑制性因素（） 抑制性因素（ InhibitorsInhibitors ））

理化因素 射线、高温、强酸、 细胞因子 理化因素 射线、高温、强酸、 细胞因子 IL-2IL-2 、、 NGFNGF 等等

强碱、应激、抗癌药 激素 强碱、应激、抗癌药 激素 ACTHACTH 、睾丸酮、雌激素、睾丸酮、雌激素

激素和因子 糖皮质激素、激素和因子 糖皮质激素、 TNF TNF 其它 其它 ZnZn2+2+ 、苯巴比妥、半胱氨、苯巴比妥、半胱氨

免疫性因素 免疫性因素 CTLCTL 分泌的粒酶 酸蛋白酶抑制剂、分泌的粒酶 酸蛋白酶抑制剂、 EBVEBV 、、

病原体因素 病原体因素 HIVHIV 、、 HCV HCV 牛痘、牛痘、病毒、中性氨基病毒、中性氨基酸酸

1. Concept, Classification, Construction of Caspases

■ 概念 ( 含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶 )

Caspase (cysteine-containing aspartate-specific protease)

Caspase属于半胱氨酸蛋白酶家族， 14 个成员 (Caspase 1-14) 。

► 细胞凋亡的信号传导（ Caspases 依赖的 pathway ）

■ Caspase 信号通路分类 上游（ Caspase-8 , -9, -10 ）

下游（ Caspase -2, -3, -6, -7 ）（共同通路）

▲ Caspase

（ Ced-3亚家族）

死亡受体通路

线粒体途径

大小亚基结合（二聚体）

caspase 活化（四聚体）

■ 结构特点

Pro-caspase ： NH2 末端结构域、 20KD亚基、 10KD亚基 剪切

Death receptor signaling

2 ．死亡受体通路（ Extrinsic or cytoplasmic pathway ）■死亡受体 TNFR 、 Fas 、 DR3 、 DR4 、 DR5 等

是一类通过与相应配体结合，传递细胞凋亡信号的细胞膜蛋白。

■ 通路（ pathway ）

FADDFADD

Pro-caspase-8Pro-caspase-8

Caspase-8Caspase-8

Caspase-3Caspase-3Pro-caspase-3Pro-caspase-3

细胞凋亡

生长因子、信号、 Fas抗体

FAS

FADDFADD （（ Fas-associated death domainFas-associated death domain ）； ）； DDDD （（ death death domaindomain ）；）； DED DED （（ death effector domaindeath effector domain ）。）。

DEDDED DEDDEDDDDD

c-FLIP: cellular Fas-associated death domain-like IL-1 beta-converting enzyme inhibitory protein

膜通透性↑、线粒体肿膜通透性↑、线粒体肿胀、△胀、△ m↓m↓

Apaf-1Apaf-1 活化活化Cyt.cCyt.c

3 ．线粒体途径（ Intrinsic or mitochondrial pathway ）

CaCa2+2+

NONO

缺血缺血缺氧缺氧活性活性氧氧

MPTMPT 开开放放

Cyt.cCyt.c

++

Pro-caspase-9Pro-caspase-9Caspase-9Caspase-9

ATPATP

Apaf-1Apaf-1++

Apaf-1Apaf-1 活化活化Cyt.cCyt.c

CARDCARD

apoptosomeapoptosome AIFAIF

caspase-independent apoptosis

Pro-Caspase-3Pro-Caspase-3 凋凋亡亡Caspase-3Caspase-3

Intrinsic or mitochondrial pathway

Pro-caspase-2Pro-caspase-2caspase-2caspase-2

Pro-caspase-6Pro-caspase-6 Caspase-6Caspase-6

Pro-caspase-7Pro-caspase-7 caspase-7caspase-7

Pro-caspase-9

ICAD ICAD （抑制性 （抑制性 CADCAD ））CADCAD （ （ caspasecaspase 活化活化 DNADNA 酶）酶）

CDACDA 进入细胞核内降解进入细胞核内降解 DNADNA 细胞凋亡细胞凋亡

剪切细胞内结构蛋白

caspase-9

4 ． Activation of caspase-3 （ 共 同 通 路 ） (Effector caspase)

Caspase-3Caspase-3

Pro-caspase-3Pro-caspase-3

► 细胞凋亡的发生机制（ Mechanism of apoptosis ）

1 ．氧化损伤（ Oxidation damage ）

氧自由基破坏了机体正常的氧化 /还原动态平衡，造成生物大

分子的氧化损伤，形成严重的氧化应激状态。

【 Mechanism 】

激活 p53 基因、消耗 ATP 、生物膜脂质过氧化、激活核酸内

切酶 ,启动细胞凋亡。

各种氧化剂、缺氧等直接通过氧化损伤诱导细胞凋亡。

2 ．钙超载（ Calcium overload ）

3 ．线粒体损伤（ Mitochondria damage ）

TNF-αTNF-α 、抗、抗 CDCD33 抗体、抗体、 TCDDTCDD 等等

胞浆胞浆 [Ca[Ca2+2+] ↑] ↑

■ 激活 Ca2+/Mg2+ 依赖的核酸内切酶，降解 DNA链；

■ 激活谷氨酰胺转移酶，促使细胞骨架分子之间发生广泛交联，有利

于凋亡小体形成；

■ 激活核转录因子，加速细胞凋亡相关基因的转录；

■ 在 ATP参与下，暴露出核小体之间的连接区，有利于 DNA内切酶切

割 DNA 。

钙超载引起凋亡机制

细胞凋亡

►► 细胞凋亡的调控机制

表 细胞凋亡的调控基因

功能 基因功能 基因

抑制凋亡基因 抑制凋亡基因 Bcl-2 Bcl-XBcl-2 Bcl-XLL 、、 A1/Bfl-1A1/Bfl-1 、、 Bcl-wBcl-w 、、 Bcl-GBcl-G 和和 Mcl-1Mcl-1

等等

促凋亡基因 促凋亡基因 P53P53 、、 BaxBax 、、 BadBad 、、 BakBak 、、 BidBid 、、 BimBim 、、 BikBik 、、 BokBok 、 、

Bcl-BBcl-B 、、 Bcl-Bcl-

XsXs 、、 KrkKrk 、、 MtdMtd 、、 Nip3Nip3 、、 NixNix 、、 NoxaNoxa 等等

双向调控基因 双向调控基因 c-mycc-myc 、、 BelxBelx

【【调控基因调控基因】】

（ Regulated mechanism of apoptosiRegulated mechanism of apoptosiss ））

Bcl-2

■ Bcl-2 （ Bcl-XL ）能够抑制线粒体 MPT开放， Cyt.c 、 AIF 释放↓■ Bcl-2也能特异地结合细胞色素 C■ Bcl-2 能够结合和灭活 Apaf-1 ，阻断对 caspase-9 活化

Caspase 抑制剂

11 ．． Bcl-2Bcl-2 基因家族（基因家族（ Bcl-2 Family & regulating Bcl-2 Family & regulating functionsfunctions ））

CARDCARD

MPT开放

膜通透性↑、线粒体肿膜通透性↑、线粒体肿胀、△胀、△ m↓m↓

Cyt.cCyt.c

ATPATP

Apaf-1Apaf-1++

Apaf-1Apaf-1 活化活化Cyt.cCyt.c

Apaf-1Apaf-1 活化活化Cyt.cCyt.c

+

Pro-caspase-9Pro-caspase-9

apoptosomeapoptosome AIFAIF

Caspase-9Caspase-9

Pro-Caspase-3Pro-Caspase-3 Caspase-3Caspase-3 凋凋亡亡

caspase-independent apoptosis

Bcl-2 family

【促凋亡机制】

■ P53 通过与 Bcl-2 基因相互作用，下调 Bcl-2 的表达。

■ P53诱导细胞凋亡的靶蛋白表达（线粒体和死亡受体介导）。

■ P53诱导线粒体内凋亡的相关蛋白（ Bax 、 NOXA 、 PUM

A ）表

达，并触发细胞色素 C 释放和 caspase 活化。

■ P53诱导死亡受体 Fas表达。

■ P53 能使死亡受体再定位于细胞膜上。

22 ．． pp5353 基因（抑癌基因）基因（抑癌基因） As a transcription factor, p53 regulates downstream genes As a transcription factor, p53 regulates downstream genes important in cell cycle arrest, DNA repair, and apoptosis. After important in cell cycle arrest, DNA repair, and apoptosis. After DNA damage, p53 holds the cell at a checkpoint until the damage DNA damage, p53 holds the cell at a checkpoint until the damage is repaired. If the damage is irreversible, apoptosis is triggered.is repaired. If the damage is irreversible, apoptosis is triggered.

表： 与细胞凋亡异常相关的疾病 凋亡不足 凋亡过度凋亡不足 凋亡过度

肿瘤 肝癌、恶性血液肿瘤、乳腺癌 发育异常 气管肿瘤 肝癌、恶性血液肿瘤、乳腺癌 发育异常 气管 --食管瘘、房（室）间隙缺食管瘘、房（室）间隙缺

、膀胱癌、肺癌、胶质瘤、前 损、唇（腭）裂、短肢畸形、、膀胱癌、肺癌、胶质瘤、前 损、唇（腭）裂、短肢畸形、

列腺癌等 尿道下裂以及多囊肾等列腺癌等 尿道下裂以及多囊肾等

发育异常 先天性消化道、胆道、肛门狭 发育异常 先天性消化道、胆道、肛门狭 CNS AlsheimerCNS Alsheimer 病、病、 Parkinson Parkinson 病、病、

窄或闭锁、动脉导管未闭、两 肌萎缩性侧索硬化症、色素性窄或闭锁、动脉导管未闭、两 肌萎缩性侧索硬化症、色素性

性畸形、甲状舌骨囊肿等 视网膜病，脊肌肉萎缩、早老性畸形、甲状舌骨囊肿等 视网膜病，脊肌肉萎缩、早老

免疫系统 系统性红斑狼疮、糖尿病、类 性痴呆免疫系统 系统性红斑狼疮、糖尿病、类 性痴呆

风湿性关节炎、桥本甲状腺炎 免疫系统 免疫缺陷病、风湿性关节炎、桥本甲状腺炎 免疫系统 免疫缺陷病、 AIDS AIDS

、多发性的硬化症等 、多发性的硬化症等

三、细胞凋亡异常和疾病（ Diseases associated to apoptosis deregulation ）

■■ bcl-2bcl-2 基因过表达基因过表达

85%85% 滤泡状和滤泡状和 20%20% 弥漫性弥漫性 BB 细胞淋巴瘤 染色体细胞淋巴瘤 染色体 tt （（ 14;1814;18 ））易位 易位

bcl-2bcl-2 基因受到基因受到 IgIg 基因增强子控制基因增强子控制

肿瘤发生 细胞凋亡速率↓ 肿瘤发生 细胞凋亡速率↓ bcl-2bcl-2 基因高表达 基因高表达

（（乳腺癌、肝癌、膀胱癌、肺癌、胶质瘤等也存在乳腺癌、肝癌、膀胱癌、肺癌、胶质瘤等也存在 Bcl-2Bcl-2 高水平表高水平表达）达）

存在存在

■■ pp5353 基因缺失或突变基因缺失或突变

调节调节 P53P53 的稳定性、细胞内定位或（和）活性发生异常的稳定性、细胞内定位或（和）活性发生异常

pp5353表达或功能存在缺陷 细胞凋亡速率↓ 肿瘤发生 表达或功能存在缺陷 细胞凋亡速率↓ 肿瘤发生

（（ 50%50% 以上恶性肿瘤中存在以上恶性肿瘤中存在 P53P53 异常）异常）

►► 细胞凋亡不足细胞凋亡不足（（ Apoptosis inhibitionApoptosis inhibition ））1. 1. 肿瘤肿瘤（（ TumorTumor ））

细胞凋亡抑制除了参与肿瘤的发病过程，也涉及癌细胞的转移发生。

■ 异常融合蛋白

慢性髓细胞性白血病（ CML ） 染色体易位 t (9 ； 22)( Ph染色体 )

Bcr-abl融合基因

NF-B活化、细胞凋亡速率↓ 表达和产生 p210 Bcr-abl 蛋白质

CML髓系祖细胞的克隆扩增 肿瘤发生

存在

■病毒的癌基因

HBV编码的 HBX 是 Caspase-3 的强效抑制物，与肝癌发生密切相关。

2 ．自身免疫病（ Autoimmune diseases ）

针对自身抗原的免疫细胞未被及时清除，机体产生了针对自

身抗原的体液免疫和细胞免疫，导致器官组织损伤。

T 细胞在胸腺发育过程中的正负选择 ------ 胸腺负选择机制失调

正选择：与非已抗原 -MHC抗原结合的 TCR 的单阳性细胞保留存活，进入外周 T 细胞库

负选择：与自身抗原 -MHC抗原结合的 TCR 的双阳性细胞通过细胞凋亡被清除

负选择失调→多发性硬化症、胰岛素依赖性糖尿病、慢性甲状腺炎

二、二、细胞凋亡过度细胞凋亡过度（（ Apoptosis excessApoptosis excess ））

1. 1. 心血管疾病（（ 11 ）心肌缺血与缺血）心肌缺血与缺血 -- 再灌注损伤再灌注损伤 ■ ■ 特点特点

▲缺血早期以凋亡为主，晚期以细胞的坏死为主。缺血早期以凋亡为主，晚期以细胞的坏死为主。

▲在梗死灶的中心以坏死为主，梗死灶周边以凋亡为主；在梗死灶的中心以坏死为主，梗死灶周边以凋亡为主；

▲轻度缺血以凋亡为主，重度缺血以坏死为主；轻度缺血以凋亡为主，重度缺血以坏死为主；

■ ■ 机制机制

▲氧化应激、氧化应激、▲ FasRFasR 通路、通路、▲ p53p53 基因的转录增加。基因的转录增加。

（ 2 ）心力衰竭

氧化应激 /压力、容量负荷↑ /神经 -内分泌失调

/TNF/缺血 /缺氧→心肌细胞凋亡

2.神经元退行性疾病

•阿尔茨海默氏病 (Alzheimer’s disease, AD)

β-淀粉样蛋白 /钙超载 /氧化应激 /NGF↓→神经元凋

亡

•帕金森氏症 (Parkinson’s disease)

•多发性硬化症

3. 病毒感染AIDS

• Gp120 糖蛋白 -CD4 结合→ CD4+ 细胞凋

亡• Fas基因表达↑

•HIV - 感染→ CD4+ 细胞→合胞体形成

• T 细胞激活→ AICD

• 巨噬细胞→ TNF分泌↑

•HIV - 感染→ tat蛋白表达→ CD4+ 细胞

产生氧自由基

三、细胞凋亡不足与过度并存动脉粥样硬化

氧化型 LDL↑

血小板激活AgⅡ

高血压

内皮细胞凋亡↑

平滑肌细胞增殖

平滑肌细胞凋亡

细胞凋亡与疾病防治

1. 合理利用凋亡因素低剂量照射→急性 T 细胞性白血病

TNF-α→ 白血病细胞株 U937

高温 (43℃)→ 肿瘤

NGF→老年性痴呆

撤除雄激素→前列腺癌

2.干预凋亡信号转导

阿霉素→ Fas/FasL表达↑→肿瘤细胞凋亡

环孢霉素 A → 调节和抑制线粒体介导的凋亡

3. 调节凋亡相关基因基因转移

wtP53→P53 基因突变肿瘤细胞基因封闭

反义寡核苷酸→ bcl-2表达

四、控制凋亡相关酶的活性

核酸内切酶和 caspases

Ca 2+载体 /阻断剂→核酸内切酶活性↑ /↓

Zn 2+↑→caspases 活性↓

Thanks!Thanks!