细胞凋亡与疾病 apoptosis and disease

1

Apoptosis and Disease

细胞凋亡与疾病细胞凋亡与疾病 Apoptosis and DiseaseApoptosis and Disease

西安交通大学医学院生理学与病理生理学系西安交通大学医学院生理学与病理生理学系高广道高广道

2


§1. §1. 概述概述一、细胞凋亡的概念一、细胞凋亡的概念细胞凋亡（ Apoptosis ）—— 在一些体内外因素诱导下，细胞内的死亡程序被激活死亡程序被激活，，而引发的有序的细胞死亡。又称为程序性细胞死亡（ programmed cell death ）；凋亡有其独特的形态学和生物化学改变。

1972 年英国 Aberdeen 大学病理系 Kerr 教授和 Wyllie 在研究中观察到一种不同于坏死的散在细胞死亡方式，联想到秋日落叶特征，命名为 “apoptosis” 。

3


二、细胞凋亡的主要特征二、细胞凋亡的主要特征（一）形态学改变细胞表面微绒毛消失，与周围细胞脱离；胞质浓缩，内质网扩张与胞膜融合（空泡），向表

面突起（出芽）；染色质浓聚在核膜边缘（核边集），核膜、核仁破

碎，核染色质断裂为大小不等的片段；胞膜内陷分割包绕胞浆、细胞器和核物质，形成凋

亡小体，被吞噬细胞吞噬。

4


正常细胞

凋亡小体

被吞噬细胞吞噬

坏死（ necrosis) 凋亡（ apoptosis)

细胞凋亡与细胞坏死的比较

5


正常细胞凋亡细胞及凋亡小体

6


（二）生化改变凋亡诱因 —→ 激活凋亡蛋白酶（ Caspase ） —→ 激活内源性核酸内切酶 —→ 裂解 DNA ，形成180-200bp 整数倍的寡核苷酸片段 —→ 电泳呈梯形条带（ ladder pattern) 。

DNA fragmentation DNA patter

7


细胞坏死细胞凋亡

性质病理性，非特异性生理性或病理性，特异性

诱导因素强烈刺激，随机、成片发生较弱刺激，非随机、散在发生

形态变化细胞肿胀、胞浆、核染色质等结构全面破坏、崩解

细胞皱缩、核固缩，染色质边集，胞膜和细胞器相对完整

凋亡小体无由膜包绕分割细胞形成

炎症反应溶酶体破裂，局部炎症反应细胞内含物不外溢，无局部炎症反应

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，内源性核酸内切酶活化

DNA电泳弥散性降解，片段长短不一核酸内切酶水解 DNA呈片段化（ 18

0-

200bp倍数片段），呈梯形电泳带

基因调控无有凋亡相关基因参与

凋亡与坏死的差异比较凋亡与坏死的差异比较

8


三、细胞凋亡的生物学意义三、细胞凋亡的生物学意义 1. 维持内环境稳定，确保正常生长发育； 2. 清除异常细胞，发挥积极的防御功能； 3. 不足或过度可引发疾病。

9


凋亡诱因激活细胞信号分子凋亡诱因激活细胞信号分子

激活凋亡相关基因激活凋亡相关基因

凋亡蛋白酶活化凋亡蛋白酶活化形成凋亡小体形成凋亡小体被吞噬细胞清除被吞噬细胞清除

§2. §2. 细胞凋亡机制细胞凋亡机制

细胞凋亡过程细胞凋亡过程







10


一、细胞凋亡相关因素一、细胞凋亡相关因素（一）诱导性因素诱导性因素： 1. 理化因素：射线、紫外线、抗癌药； 2. 生物因素：细菌及病毒； 3. 激素和生长因子水平失衡； 4. 免疫因素：一些免疫分子诱导靶细胞凋亡。（二）抑制性因素抑制性因素 :

1. 某些细胞因子 (IL-2 、神经生长因子 ) ； 2. 某些激素（ ACTH 、睾丸酮、雌激素）； 3. 其他： Zn2+ 、病毒（ EB ）、苯巴比妥等。

11


二、细胞凋亡的信号转导二、细胞凋亡的信号转导可分为：① 死亡因子及其受体介导的凋亡； ② 线粒体损伤启动的细胞凋亡。(一 ) 死亡因子及其受体介导的细胞凋亡 1.死亡因子及其受体死亡因子死亡因子（ death factor ）： TNF 、 FasL 、 TNF-

相关凋亡诱导性配体。死亡受体死亡受体（ death receptor, DR ）： Fas 、 TNF

R 为跨膜蛋白，胞外 C端是配体结合区，胞浆

N端含死亡结构域（ death domain, DD ）。

12


2. 信号转导死亡因子（ TNF 、 FasL ）与受体结合

受体三聚体与接头蛋白结合

激活 Caspase8 引发级联反应

细胞凋亡

13


(二 ) 线粒体损伤启动的细胞凋亡 1. 线粒体膜通透性转换：凋亡因子 ─→ 线粒体跨膜电位↓、电子传递脱耦联 ─→ PTP开放─→ 膜通透性↑，线粒体释出 AIF、 CytC 、 Apaf ─→ 凋亡。 AIF （细胞凋亡诱导因子）─→可快速激活核酸内切酶，并增强 Caspase3 活性；细胞色素 C ( CytC ) 与 Apaf （凋亡蛋白酶激活

因子）相互作用─→激活 Caspases9 ─→ 激活 Caspases3 ， 6 。

14


2. 活性氧及胞内 Ca2+ 改变：线粒体损伤 ─→ 氧化应激 ─→ 胞内活性氧↑活性氧↑及

[Ca[Ca2+2+]]ii↑↑─→

① 损伤 DNA由野生型 p53基因介导凋亡； ② 损伤膜结构─→脂质过氧化反应；

③ ATP↓使钙泵失灵促进 [Ca2+]i↑─→ 激活核酸内切酶或 PKC 等途径，介导凋亡。

15


16


三、凋亡相关基因三、凋亡相关基因凋亡相关基因指可诱导或阻止细胞凋亡的基因。抑制凋亡基因： Bcl-2 （属于 Bcl-2家族）；促进凋亡基因： Bax ， Bid ， P53 ；对凋亡双向调控基因： C-myc ， Bclx 。

17


（一） B 细胞淋巴瘤 / 白血病 -2家族（ B cell lymphoma/leukemia-2 ， Bcl-2Bcl-2家族家族）含 1个或多个 BH （ homologous domain ）结构域，

分为 3个亚家族： 1. Bcl-2亚家族： Bcl-2 、 Bcl-xl 、 Bcl-w 等（抑制凋亡）； 2. Bax亚家族： Bax 、 Bak 、 Bok 等（促进凋亡）； 3. BH3亚家族： Bad 、 Bid Bik 、 Blk 、 Hrk 等（促进凋

亡）。

18


Bcl-2 抑制凋亡的作用机制：（ 1 ）调节 PTP 活性 ─→降低线粒体膜通透性，阻止 Cyt-C释放，可与 Apaf-1直接结合而阻止 Caspase-9 的激活；

（ 2 ）与凋亡促进蛋白 Bax 形成异二聚体，抑制 Bax 的促凋亡作用；

（ 3 ）减少内质网 Ca2+释放，限制核内 [Ca2+] 持续↑；

（ 4 ）抑制 Caspase 的活化。

19


（二）野生型 P53基因（ “分子警察” ） P53 维持细胞基因的完整性、 DNA损伤的修复和

细胞周期的正常运转。

P53基因

抑制 Bc1-2 促进 Bax基因表达

细胞凋亡

20


（三） C-myc 和 Bcl-X

双向调控凋亡，取决于刺激种类和生长环境； C-myc基因表达，若无足够的生长因子刺激 ─→

细胞凋亡； Bcl-X基因可翻译出 2 种蛋白 Bcl-Xl （抑制凋亡）；而 Bcl-Xs （促凋亡）。

21


四、细胞凋亡的执行酶四、细胞凋亡的执行酶（一） Caspase 蛋白家族（ Cysteine-containing aspartate-specific proteinase ）

结构含半胱氨酸，可在天冬氨酸（ Asp ）残基后切断肽链的蛋白酶家族，其相应基因用 CASP 表示。 1 、酶原结构：含 N末端结构域、 20Kd 大亚基和 10Kd 小亚基。

22


2 、酶原活化：

Caspase 酶原

水解 N-端前肽

亚基之间切断

大、小亚基分离组成活性四聚体

23


3 、 Caspase 的分类：（ 1 ）凋亡启动酶： Caspase 2 、 8 、 9 、 10 前体部分含与其它接头蛋白结合的特异区，分别

与凋亡启动酶、死亡受体的死亡区结合。（ 2 ）凋亡效应酶： Caspase 3 ， 6 ， 7 前体部分小不含蛋白结合区，分解细胞蛋白（凋

亡执行器）。（ 3 ） ICE （ IL-1β converting enzyme ）亚类 Caspase

蛋白酶： Caspase1 、 4 、 5 、 11 、 12 、 13 、 14 。参与凋亡但不起主要作用 ,主要参与白介素前体的活化。

24


4. 功能凋亡信号激活 Caspase 酶原级联反应，是细胞凋亡的共同通路。 FasL 与靶细胞 Fas 受体结合 ─→激活 Caspase8 酶原 ─→ Caspase3,6,7 ─→级联放大。不同 Caspase 介导不同的凋亡信号通路： Caspase8 ─→ 死亡受体相关的凋亡； Caspase9 ─→ 细胞毒因子诱导的凋亡。

25


(1) 灭活凋亡抑制蛋白：正常细胞中， CAD （ Caspase 激活的 DNA 酶）与 I

CAD （ Caspase 激活的 DNA 酶抑制物）结合而无活性。 Caspase 裂解 ICAD使 CAD游离而活化─→分解 DNA使其片段化。

26


(2) 水解细胞核膜 Caspase 水解核纤层蛋白 ─→核膜板层结构崩解，染色质浓缩形成凋亡小体；

(3) 分解细胞骨架蛋白，使细胞解体；

(4) 解离与 DNA修复、复制、交联及 mRNA剪切等

有关蛋白的调节区和催化区─→细胞增殖受阻。

27


（二）内源性核酸内切酶 Ca2+/Mg2+依赖性核酸内切酶， Zn2+ 抑制其活性。其引起 DNA 断裂（缺口发生于核小体连接区）。

（三）谷氨酰胺转移酶催化谷氨酸和赖氨酸之间的交联，促进蛋白聚合 ─→ 保持凋亡小体的完整性。

28


§3.§3.细胞凋亡失调与疾病的关系细胞凋亡失调与疾病的关系细胞增殖与死亡的动态平衡 ─→ 维持机体的生长与稳态。

① 与细胞凋亡受抑制相关疾病恶性肿瘤、自身免疫性疾病等； ② 与细胞凋亡增多相关疾病艾滋病、神经元退行性疾病、早衰、心衰等； ③与细胞凋亡不足和过度并存相关疾病动脉粥样硬化等。

凋亡亢进凋亡抑制

29


一、肿瘤增殖过度而分化不足、凋亡受抑─→发生肿瘤。突变型 P53↑ 、野生型 P53缺失使肿瘤发生率↑（肺癌发生率上升 50～ 80% ）； bcl-2基因的高表达与肿瘤的恶化程度与预后密切相关（前列腺癌、结肠癌等）；肿瘤细胞 Fas低表达，降低肿瘤细胞凋亡；肿瘤细胞分泌 FasL─→淋巴细胞凋亡─→肿瘤

细胞逃脱免疫攻击。

30


二、自身免疫性疾病

发育中──→清除针对自身抗原的免疫细胞。 T 细胞（ CD4+ 、 CD8+ ）发育中的阳性选择─

→产生能识别自身MHC 分子的 T 细胞（成熟 T 细胞识别抗原时显示MHC约束性）。

T 细胞（ CD4+ 、 CD8+ ）发育中的阴性选择─→清除自身反应性 T 细胞克隆。

自身抗体致敏T淋巴细胞

含自身抗原细胞自身组织损伤临床症状

凋亡凋亡

31


凋亡是其主要发生机制（ 1 ）艾滋病 (acquired immunodeficiency syndrome, AIDS)

（ 2 ）自身免疫病 (autoimmune disease)

多发性硬化症、胰岛素依赖型糖尿病

32


三、心血管疾病 1. 心脏传导障碍与心律失常

（ 1）发育中 P 细胞凋亡↓，残存 P 细胞能产生自主心律（某些心律失常患者随着年龄增长，心律失常可自行消退，与延迟凋亡有关）；（ 2 ）发育中 P 细胞过度凋亡 ─→不稳定电活动，心源性猝死。

新生儿窦房结大量P细胞和少量胶原

成人窦房结少量P细胞、过渡细胞和大量胶原

P细胞凋亡

33


2. 心力衰竭内毒素、过度负荷、缺血缺氧等 ─→ 心肌细胞、心肌成纤维细胞高表达 TNF-α─→心肌细胞

凋亡 ↑ ─→ 心功能↓，心力衰竭。 3. 心肌缺血 -再灌注损伤缺血、氧自由基、 Ca2+超载等均为凋亡诱因 ①缺血早期以凋亡为主，晚期以坏死为主； ②轻度缺血以细胞凋亡为主，重度以坏死为主； ③缺血 -再灌注的一定时间内，发生的凋亡比单纯缺血坏死更严重；

④细胞凋亡有可能通过干预加以挽救。

34


缺血性心脏病 (ischemic heart disease) 、心力衰竭 (heart failure) 、心律失常 (arrhythmia) 、心肌病 (cardiomyopathy) 、动脉粥样硬化（ artherosclerosis ）、高血压（ hypertension ）等心血管疾病 —— 其发生均与凋亡密切相关。

35


四、神经元退行性疾病阿尔茨海默病 (Alzheimer’s disease,早老性痴呆 ) 帕金森病、肌萎缩性侧索硬化症、脊肌肉萎缩、小脑退行性病、遗传性视网膜退行性变凋亡在神经元退行性疾病发生机制中起重要作用。

36


五 .细胞凋亡不足与过度并存性疾病动脉粥样硬化（ atherosclerosis ， AS ）动脉内膜和内膜下脂质沉着，中层平滑肌细胞向内膜移行增殖，内膜增厚形成粥样病灶或纤维脂质斑块。 AS 发生中：血管内皮细胞凋亡↑（为 34.0%远高于对照组 8.0% ）；血管平滑肌细胞增殖↑↑、凋亡↑（为29%远高于对照组 0.06% ，增殖占优势）。

37


§4.§4. 细胞凋亡在疾病防治中的意义细胞凋亡在疾病防治中的意义通过调控（抑制或促进）细胞凋亡，防治疾病。 1、合理利用凋亡诱导因素（ 1）诱导凋亡（射线、高温），治疗肿瘤。（ 2）抑制凋亡（生长因子、激素），治疗退行性病变 2、干预凋亡信号转导来调控凋亡，治疗疾病（ 1）阿霉素刺激肿瘤细胞表达 Fas/FasL使细胞相互

交联，促进肿瘤细胞凋亡；（ 2）磷酸鞘氨醇（ SPP）具有转递增殖信号拮抗凋

亡作用，防止神经元凋亡。

38


3、调节凋亡相关基因来影响凋亡导入野生型P53 基因诱导肿瘤细胞凋亡，抑制或封闭Bcl-2表达─→提高肿瘤细胞对抗癌药物敏感性。

4、控制凋亡相关酶来影响凋亡调控 caspase 、核酸内切酶活性─→影响细胞凋亡。

5、防止线粒体跨膜电位的下降，抑制凋亡环孢菌素 A 能稳定线粒体膜电位─→抑制凋亡。

细胞凋亡与疾病 apoptosis and disease

Documents