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疾病的细胞功能异常 (Cellular dysfunction in diseases)

浙江大学医学院 陈莹莹

病理生理学

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细胞增殖

细胞分化 细胞凋亡生

死

增殖

通过有丝分裂，达到细胞数量增加、组织和器官增大及个体生长

分化

通过细胞形态、结构和功能的特化，实现表型差异、组织和器官的功能及个体成熟

凋亡

体内外生理或病理因素激活细胞内死亡程序，导致细胞主动死亡

• 疾病的细胞机制：细胞“生”的过程和 / 或“死”的过程的失控– 细胞增殖异常

– 细胞分化异常

– 细胞凋亡异常

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第一节 细胞增殖异常 (Abnormal cell proliferation)

• 细胞增殖：细胞分裂和再生的过程– 细胞生长→ DNA 复制→细胞分裂

细胞周期

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一、细胞周期（ Cell cycle ）的概述– 定义：增殖细胞从一次有丝分裂结束到下一次有丝分裂的结束所

经历的时期和顺序变化

– 分期

G1 期 (first gap phase, DNA 合成前期 )

S 期（ synthetic phase, DNA 合成期）

M 期（ mitotic phase, 有丝分裂期）

G2 期（ second gap phase, DNA 合成后期）

Interphase

Prophase Prometaphase Metaphase

Telophase

Cytokinesis

Mitosis

Anaphase

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– 特点• 单向性： G1 → S → G2 → M

• 阶段性：细胞周期停滞 （ cell cycle arrest ）• 检查点（ check point ） ：细胞内存在的监控机制 ，只有通

过检查点的检查，细胞才能进入下一个时相• 微环境影响

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– 人体细胞的分类

• 周期性细胞（ Cycling cells ）：表皮细胞、骨髓干细胞、生殖细胞等

• G0 期细胞（ G0 cells ） ：肝细胞、肾细胞

• 终端分化细胞（ Terminally differentiated cells ）：神经细胞、心肌细胞

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二、细胞周期的调控（ Regulation of Cell Cycle ）• 自身调控（ Self-control ）

– 周期蛋白（ Cyclin ）– 周期素依赖性蛋白激酶（ Cyclin dependent kinase, CDK ） – 检查点（ check point ）

• 细胞外信号（ Extracellular signals ）

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1 、周期蛋白（ Cyclin ）– cyclin A 、 B1-2 、 C 、 D1-3 、 E 、 F 、 G1-2 、 H 、 I 、 K

、 T1-2

– 作用：活化 CDK ，使不同底物磷酸化而实现对细胞周期不同时相的推进和转换作用

– 结构：周期蛋白框（ cyclin box ）

PSTAIRE

cyclin

CDK

Cyclin/CDK

Combine

Cyclin box

Cyclin

Catalytic subnuit

Regulatory subunit

CDK

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– 周期蛋白的降解：通过泛素 - 蛋白酶体系统进行降解 • M 期周期蛋白：降解盒（ destruction box ）

• G1 期周期蛋白： PEST site

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Ubiquitin-activating enzyme E1 （泛素激活酶）Ubiquitin-conjugating enzyme E2 （泛素结合酶）Ubiquitin-protein ligase E3 （泛素连接酶）

– 降解第一步 : 泛素结合（ Ubiquitin Conjugation ）

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– 降解第二步 : 泛素化蛋白被蛋白酶体（ proteasome ）水解

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2 、周期素依赖性蛋白激酶（ Cyclin dependent kinase , CDK ） – 丝氨酸 / 苏氨酸蛋白激酶， CDK1~9

– 作用： CDK 与不同 cyclin 结合后活化，调控细胞周期

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– 主要底物 -- 视网膜母细胞瘤蛋白（ Retinoblastoma protein ， Rb)

• 抑癌蛋白 (tumor suppressor protein)

• Rb 家族包括 Rb protein 、 p107 和 p130 三种 • 调节细胞从 G1→S 期的转变： RB-E2F pathway

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• CDK 活性的调控(1) 周期蛋白(2) 磷酸化和去磷酸化的调节

CDK1 的激活需要 Thr14 和 Tyr15 去磷酸化和 Thr161 的磷酸化

Wee 1 激酶 Cdc25

CDK 活化激酶（ CDK-activating kinase, CAK ）

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(3) CDK 抑制因子（ cyclin dependent kinase inhibitor, CDI /CKI ） – INK4 （ inhibitors of kinase 4 ）家族

• 成员： p16INK4A, p15INK4B, p18INK4C, p19INK4D

• 主要抑制 CDK4 、 CDK6

– CIP (Cdk inhibitory protein) /KIP (kinase inhibitory protein) 家族 • 成员： p21Cip1, p27Kip1, and p57Kip2

• 主要抑制 CDK2

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• p21

– 一种广泛作用的 CDI

– 与 PCNA （ proliferating cell

nuclear antigen ）结合，直接抑制DNA 的合成

– 中介了在 p53 蛋白的细胞周期DNA 损伤检查点的调控

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（ 4 ）癌基因和抑癌基因（ Oncogen and Tumor suppressor gene ） – 癌基因： src， ras， sis， myc， myb

– 抑癌基因： Rb、 p53

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3 、细胞周期检查点（ Checkpoint ）– DNA 损伤检查点 (DNA damage checkpoint) ： G1/S 交界处 – DNA 复制检查点： S/G2 交界处– 纺锤体组装检查点 (Spindle assembly checkpoint): G2/M 交界处

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– G1/S 检测点检测主要通过肿瘤抑制蛋白 p53 分子完成

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– Cdc25 被认为是 G2/M 期检查点反应的主要效应子

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4 、细胞外信号对细胞周期的调控

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（ 1 ）增殖信号：大多数肽类生长因子– Ras/Raf/ERK 途径是必需的

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（ 2 ）抑制信号： TGF-β ，细胞的微环境

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– 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

三、细胞周期调控异常（ Dysregulation of cell cycle ）

细胞增殖异常与相关疾病

增殖过度 增殖分化异常

恶性肿瘤、前列腺肥大 糖尿病肾病

银屑病、原发性血小板增多症 神经退行性疾病

家族性红细胞增多症、类风湿关节炎 再生障碍性贫血

肝肺肾纤维化、肾小管间质性病变

动脉粥样硬化

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1 、恶性肿瘤 : 生物学特征是恶性增殖（ 1 ）周期蛋白异常• 与 cyclin （ D 、 E ）过量表达有密切的关系

– Cyclin D1 （ bcl-1 ） ： 295 个氨基酸，由染色体 11q13上的CCND1基因编码

Amplification ( 基因扩增 )

Translocation (染色体易位 )

如 t (11:14) (q13: q32)

Inversion (染色体倒位 )如 inv (11) (p15 ： q13)

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（ 2 ） CDK 增多 • CDK4 和 CDK6 过表达

（ 3 ） CDI 表达不足和突变• p16 蛋白失活

– p16 InK4 基因缺失

– p16 InK4 基因突变

– p16 InK4 基因 CpG 岛高度甲基化• p21 、 P27 蛋白失活

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（ 4 ）细胞周期监控机制受损• G1/S 交界处失察： p53突变或丢失• G2/M 交界处失察

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2 、银屑病

– 临床表现：皮肤出现大小不等、境界清楚的红斑鳞屑性斑块，上覆大量干燥的银白色鳞屑

– 原因：表皮细胞过度增生

– 机制：表皮生长因子受体的增加、 cAMP 水平下降

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3 、原发性血小板增多症（ primary throbocythemia ）– 临床特征：出血倾向及血栓形成– 机制：骨髓巨核细胞过度增殖，外周血血小板持续明显增多– 病因：与 X染色体遗传有关，血小板生成抑制因子 TGF-1减少

、血液微环境中辅助细胞的缺乏等。

第二节 细胞分化异常（ Abnormal Cell Differentiation）

一、细胞分化的概述 • 定义：指在细胞增殖时，子代细胞在形态、结构和生理功能上产生差

异的过程– 受精卵：全能性→多能性→单能性→成熟定型– 干细胞（ stem cell ）

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• 细胞分化的结果– 时间上的分化– 空间上的分化

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• 人体干细胞分类– 全能干细胞：胚胎干细胞– 多能干细胞：骨髓造血干细胞– 定向干细胞：精原细胞、红细胞系、白细胞系等

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• 细胞分化特点– 稳定性– 全能性– 选择性– 细胞分化条件的可逆性

Skin cells

Reprogram into ES like iPS cells

2007 年 11月，美国和日本科学家分别宣布独立发现将普通皮肤细胞诱导成为具备类似胚胎干细胞的功能，即为诱导多能干细胞（ induced pluripotent stem cells, iPS cells ）

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二、细胞分化机制

• “决定”先于分化 – 细胞决定（ determination ）是指细胞内某些基因永久地关闭，

而另一些基因顺序表达，具备向某一特定方向分化的能力• 细胞质在决定细胞差别中作用 • 细胞间相互作用• 微环境： niche （壁龛）

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三、细胞分化的调控

• 基因水平的调控 – 管家基因（ house keeping genes ）：是编码维持细胞基本生命

活动所必须的结构和功能蛋白的基因– 组织专一基因表达

• 转录和转录后水平调控– 转录水平调控：调节蛋白（转录因子）对专一基因的启动子和增强子进行调控

– 转录后水平调控：对 mRNA 前体的处理和加工• 翻译与翻译后水平调控• 细胞外因素调控

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四、细胞分化异常（ Abnormal Cell Differentiation ）

1 、肿瘤• 恶性肿瘤细胞分化的特点

– 低分化– 去分化（ dedifferentiation ）或反分化 (retrodifferentiation)

– 趋异性分化（ divergent differentiation ）：肿瘤细胞分化程度和分化方向的差异性

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• 恶性肿瘤细胞异常分化的机制– 细胞的增殖和分化脱耦联

– 基因表达时空上失调

• 特异性基因表达受到抑制

• 胚胎性基因重现表达

– 癌基因和抑癌基因的协同失衡

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2 、肺纤维化（ Pulmonary fibrosis ）• 肺间质纤维化• 肺血管损伤释放的纤维蛋白酶，促进成

肌纤维细胞向胶原细胞分化

3 、肥胖症（ Morbid obesity ）• 脂肪细胞体积增大，分化异常• 前脂肪细胞大量向脂肪细胞分化，导致脂肪细胞数量增加

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4 、畸胎瘤（ teratoma ）• 在胚胎不同时期，某些多能细胞脱落下来，分化发生异常• 具有内胚层、中胚层和外胚层三个胚层的异常分化组织

第三节 细胞凋亡异常一、细胞死亡形式1．细胞凋亡（ apoptosis ）

– 是指细胞在体内外因素的诱导下，在严格和复杂的信号网络调控下，发生的一种主动的有序的死亡

– 生理学意义：确保组织器官正常发育、生长；维持内环境稳定；发挥积极的防御功能

2．细胞坏死（ Necrosis ）– 细胞在严重损伤因素刺激时，所发生的一种被动的死亡– 特点：在此过程中无新蛋白合成、不耗能、 DNA 呈弥漫性降解

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二、细胞凋亡的特征性表现

– 细胞皱缩、核固缩、胞膜空泡化，形成凋亡小体– 核酸内切酶激活→ DNA 的片段化（ 180 ～ 200bp 的倍数）

三、细胞凋亡的过程凋亡信号的转导接受凋亡信号 凋亡的执行 凋亡细胞的清除

• 生理性凋亡信号：许多激素和细胞因子；生存信号的缺乏或不足

• 病理性凋亡信号：病毒感染、生物和化学毒素、射线、应激和化疗药等

三、细胞凋亡的过程凋亡信号的转导接受凋亡信号 凋亡的执行 凋亡细胞的清除

• 胞内 Ca2+ 信号系统• cAMP/ PKA 信号系统• Fas /FasL 信号系统• 神经酰胺信号系统• 二酰甘油／ PKC 信号系统• 酪氨酸蛋白激酶信号系统• 等等

三、细胞凋亡的过程凋亡信号的转导接受凋亡信号 凋亡的执行 凋亡细胞的清除

• Caspases

• 属于半胱氨酸蛋白酶家族， 14 个成员• 分为启动型 caspases (caspase-8 ， -

9 ， -10 ， -12) ，效应型 caspases

（ caspase-3 ， -6 ， -7 ）

• 核酸内切酶

外在途径 (Extrinsic pathway) 或死亡受体途径（ Death receptor pathway ）

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内在途径 (Intrinsic pathway) 或线粒体途径 (Mitochondrial pathway)

内质网应激途径 (Endoplasmic reticulum stress pathway)

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三、细胞凋亡的过程凋亡信号的转导接受凋亡信号 凋亡的执行 凋亡细胞的清除

• 凋亡后细胞产生凋亡小体，后者可以被邻近巨噬细胞识别，并将其吞噬后分解。

磷脂酰丝氨酸 (phosphatidylserine ， PS) 外翻

四、细胞凋亡的调控机制

功能 基因抑制凋亡基因 Bcl-2 Bcl-XL 、 A1/Bfl-1 、 Bcl-w 、 Bcl-G 和 Mcl-1

等促凋亡基因 P53 、 Bax 、 Bad 、 Bak 、 Bid 、 Bim 、 Bik 、 Bo

k 、 Bcl-B 、 Bcl-Xs 、 Krk 、 Mtd 、 Nip3 、 Nix 、Noxa 等

双向调控基因 c-myc 、 Bel-x

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1 、 Bcl-2 家族2 、 p53

五、细胞凋亡异常与疾病

（一）细胞凋亡不足

• 肿瘤– Bcl-2 基因高表达– p53 基因突变或缺失

• 自身免疫病– 未能将针对自身抗原的免疫细胞以细胞凋亡的方式有

效清除

（二）细胞凋亡过度• 心血管疾病

（ 1 ）心肌缺血与缺血 - 再灌注损伤– 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；– 轻度缺血以凋亡为主，重度缺血以坏死为主；– 缺血 - 再灌注损伤时发生的细胞凋亡单纯缺血更严重– 急性、严重的心肌缺血以心肌坏死为主，而慢性、轻度的心肌缺

血则发生细胞凋亡

（ 2 ）心力衰竭

（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