第八章 细胞增殖和凋亡异常与疾病.ppt

　　? 果蝇??? 3天??

　　家猫???? 10—12

　　狗?????12 —15?

　　秀丽广杆线虫 (Caenorhabditis elegans) 这种长不过1毫米的小生物有几个和人类关系密切的亲戚：蛔虫和蛲虫就是其中最大名鼎鼎的两个。

　　悉尼·布雷诺尔

　　(1)线虫的生命周期很短，它从生到死的全过程只有3天半，这就使得不间断的观察并追踪每个细胞的演变成为可能。 (2)雌雄同体成虫成熟后含有959个体细胞和2000个生殖细胞(最常见) 雄性成虫则只有1031个体细胞和1000个生殖细胞(较少见) (3)再者个数量继续增长的时期，细胞最多时达到1090(雌雄同体，若是雄虫则为1179)。然而，我们前面已经提到，完全成熟的成虫只有959个细胞，那么，多出的131个细胞又到哪里去了?

　　第八章 细胞增殖和凋亡异常与疾病 Cell proliferation, Apoptosis, And The Related Diseases

　　第一节

　　细胞凋亡与疾病

　　APOPTOSIS AND DISEASE

　　apoptosis

　　一、细胞凋亡的概述

　　细胞凋亡(Apoptosis) 早在1972年Kerr等已发现从细胞形态、超微结构和生化变化等方面来分析，细胞有二种死亡形式： 细胞坏死(Necrosis)， 程序性细胞死亡(Programmed cell death)

　　THE 2002 NOBEL PRIZE WINNER

　　2002年10月7日英国人悉尼·布雷诺尔、美国人罗伯特·霍维茨和英国人约翰·苏尔斯顿，因在细胞程序性死亡方面的研究获诺贝尔诺贝尔生理与医学奖。

　　(Gp:) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

　　(Gp:) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????

　　THE NOBEL DIPlOMA

　　Sydney Brenner receiving his Nobel Prize from His Majesty the King at the Stockholm Concert Hall.Photo: Hans Mehlin, Nobel e-Museum

　　是细胞受到急性强力伤害时立即出现的反应 早期表现为细胞膜破坏，线粒体肿胀 溶酶体破裂,细胞内容物流出, 引起炎症

　　(一)细胞坏死(necrosis)

　　概念： 由体内外因素触发细胞内预存的死亡程序而导致的细胞死亡过程。

　　(二)细胞凋亡(apoptosis)

　　例如 蝌蚪尾的消失 脊椎动物的神经系统的发育 发育过程中手和足的成形过程

　　细胞凋亡(科普诗)

　　似秋叶的凋零， 告别生命之辉煌; 那难以计数的攻击、诱导， 轻启着道道程序， 逼细胞步步走向生命的末端; 啊，活性氧处处肆虐， 钙波涛惊石裂岸， 线粒体把生命之光一点一点拧淡;

　　危难中的细胞啊， 你沉稳不乱， DNA片片切割， 化云梯直通天堂; 细胞体分团相聚， 把生命的凝重浓集在小体上; 分别了朝夕相处的伙伴， 再见了快乐美好的时光; 这一切的一切又融入临近的胞体， 腾出的空间再写生命的篇章。

　　细胞凋亡与细胞坏死的比较(一)

　　细胞凋亡与细胞坏死的比较(二)

　　坏死是一件细胞谋杀案的话，那凋亡就是一桩自杀案。

　　生理性细胞凋亡的作用

　　确保正常发育、生长 在器官、组织的形成、成熟中发挥作用 (细胞团 具备复杂结构的组织器官)

　　多余细胞的清除

　　生理性细胞凋亡的作用

　　维持内环境的稳定 清除受损、衰老和突变的细胞 (针对自身抗原T细胞的清除、子宫内膜周期性剥脱) 发挥积极的防御作用

　　病毒DNA

　　(一)细胞凋亡的过程

　　cAMP Ca2+ 神经酰胺

　　凋 亡 诱 因

　　凋 亡 信 号 转 导

　　凋 亡 基 因 激 活

　　细 胞 凋 亡

　　凋 亡 细 胞 清 除

　　受体

　　死 亡 信 号

　　DNase活化 Caspases活化 ↓ ∶ DNA片断 ↓ 凋亡小体形成

　　巨噬细胞 吞噬、分解

　　(二)凋亡时细胞的主要变化

　　1. 细胞凋亡的形态学改变 微绒毛消失 脱水 空泡化(blebbing) 固缩(condensation) 出芽(budding) 染色质边集(margination) 凋亡小体(apoptosis body)

　　凋亡细胞形态学改变

　　生化特徵：

　　①胞漿內Ca2 濃度升高。 ②細胞內活性氧增多。 ③質膜通透性變大。 ④DNA內切酶活性被激活升高，雙鏈DNA在核小體之間切斷形成~185bp為基數的有序片段。 ⑤Ⅱ型谷氨酰胺轉移酶和需鈣蛋白酶(Calpain)活性升高。

　　DNA的片段化 蛋白质的降解

　　2. 细胞凋亡的生化改变

　　典型凋亡细胞DNA琼脂糖凝胶电泳呈现梯状条带

　　DNA片断化

　　Ca 2+ /Mg 2+

　　核酸内切酶激活

　　①

　　Zn 2+

　　caspase激活

　　②

　　灭活凋亡抑制物

　　水解活性蛋白

　　水解结构蛋白

　　凋亡小体形成

　　谷氨酰胺转移酶

　　③

　　二、 细胞凋亡的调控

　　(一)凋亡信号

　　㈠细胞凋亡相关因素

　　诱导性因素

　　(Gp:) 激素和生长 因子失衡

　　(Gp:) 理化因素

　　(Gp:) 免疫性因素

　　(Gp:) 微生物学因素

　　大量糖皮质激素 ↓ 淋巴细胞凋亡 射线/高温/强酸/强碱 /乙醇/抗癌药物 CTL分泌粒酶 HIV→CD4+细胞凋亡

　　抑制性因素

　　细胞因子 (IL-2/NGF)

　　激素 (ACTH/睾丸酮/雌激素)

　　金属阳离子 (Zn2+ )

　　药物 (苯巴比妥/ 半胱氨酸酶抑制剂)

　　病毒 EB病毒/牛痘病毒

　　细胞凋亡相关因素

　　美国科学杂志《月球》列为20世纪十大科学错误之一“反应停”事件

　　Thalidomide/沙立度胺/反应停

　　2001年诺贝尔化学奖奖金的一半授予美国科学家威廉·诺尔斯与日本科学家野依良治，以表彰他们在“手性催化氢化反应”领域所作出的贡献;奖金另一半授予美国科学家巴里·夏普莱斯，以表彰他在“手性催化氧化反应”领域所取得的成就。

　　威廉·诺尔斯

　　野依良治

　　巴里·夏普莱斯

　　(二)细胞凋亡信号的转导

　　外源性途径 内源性途径

　　1.死亡受体介导的凋亡通路

　　(Gp:) Hengartner, M.O. 2000. Nature. 407:770. Green, D. and Kroemer, G. 1998. Trends Cell Biol. 8:267.

　　(Gp:) Mitochondrial Pathway

　　(Gp:) Death Receptor Pathway

　　(Gp:) FasL

　　(Gp:) Caspase 3

　　(Gp:) D

　　(Gp:) D

　　(Gp:) D

　　(Gp:) D

　　(Gp:) Fas/Apo1 /CD95

　　(Gp:) FADD

　　(Gp:) Procaspase 8

　　(Gp:) Caspase 8

　　(Gp:) BID

　　(Gp:) oxidants

　　(Gp:) ceramide

　　(Gp:) others

　　(Gp:) Bcl-2

　　(Gp:) D

　　(Gp:) Cytochrome c

　　(Gp:) dATP

　　(Gp:) Procaspase 9

　　(Gp:) Apaf -1

　　(Gp:) dATP

　　(Gp:) Apaf -1

　　(Gp:) Caspase 9

　　(Gp:) Procaspase 3

　　(Gp:) apoptosome

　　(Gp:) DNA damage

　　(Gp:) Cellular targets

　　2.线粒体介导的凋亡通路

　　(1)线粒体膜通透性转换(permeability transition, PT):

　　(2)活性氧的作用:

　　(3)细胞内Ca2+、pH改变:

　　线粒体内、外膜之间的通透性转换孔(permeability transition pore, PTP)开放;正常，绝大多数关闭

　　三、线粒体损伤

　　超微结构基本正常，功能明显↓： ①线粒体内膜通透性↑ ②跨膜电位(ΔΨm)↓ ③能量合成明显↓

　　Ca2 NO Ischemia Hypoxia Reactive oxygen

　　Bcl-2 线粒体PTP开放 Apaf Cty.C 电子漏

　　Pro-caspase-9 Caspase-9

　　Pro-caspase-3 Caspase-3

　　AIF 蛋白质水解

　　Cellapoptosis

　　Endogenous nuclease DNA断裂

　　线粒体Δ Ψm↓ PTP开放 Apaf+Cyt.C

　　AIF

　　Caspase 抑制剂

　　Caspase 9活化

　　Caspase-3活化

　　蛋白质水解

　　核酸内切酶激活

　　DNA断裂

　　Bcl-2

　　(Gp:)

　　(Gp:) apoptosis

　　(Gp:) ?

　　Ca2+

　　氧化损伤

　　钙稳态失衡

　　线粒体损伤

　　恶性网络假说(deleterious network hypothesis)

　　细胞凋亡

　　Δ Ψm↓

　　AIF，Apaf

　　PTP open

　　(三)细胞凋亡的执行

　　1. caspases

　　是一组对底物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(cysteine-containing aspartate-spicific protease)至少有13个成员 “c”代表半胱氨酸蛋白酶 aspase特异切割底物的天冬氨酸后肽键的能力

　　Ced-3 (C.elegans Death Gene)

　　ICE (Interleukin-1 β converting enzyme, Caspase 1)

　　鼠的白细胞介素-1β转换酶

　　同源性

　　(Ced-3/ ICE )

　　Ced-9= Bcl-2

　　Bcl-2 is the mammalian homologue of CED-9, which is a negative regulator of CED-3. Bcl-2 and related family members, such as Bcl-xL, inhibit cell death induced by many stimuli.

　　inhibit apoptosis

　　Caspase 特点 (1) 它是一种半胱氨酸蛋白酶,半胱氨酸残基是其催化活性所必需的; (2) Caspase 在催化水解底物时,总是在天冬氨酸(Asp) 残基的C 端裂解底物,即Asp-x 肽键断裂;

　　(3) Caspase 酶原的活性很低,需要切除氨基端的一段序列才能被激活; (4)活化的Caspase 能够特异地水解一套蛋白底物,从而导致细胞凋亡; (5) 正常情况下,细胞内Caspase与其抑制剂总是共存的,以免Caspase 酶原被意外激活,对正常细胞造成损伤。

　　3.其他 谷氨酰胺转移酶，酰基转移，共价键，骨架蛋白分子间交联，凋亡小体形成

　　㈢凋亡相关基因

　　Bcl-2 (B cell lymphoma/leukemia-2) 主要分布于线粒体内膜、细胞膜内表面 、核膜及部分内质网中。 广泛存在于造血细胞、上皮细胞、淋巴细胞、神经细胞及多种瘤细胞

　　BCL-2家族成员

　　(Gp:) 基因产物

　　(Gp:) 功

　　(Gp:)

　　(Gp:) 能

　　(Gp:) BCL-2

　　(Gp:) 凋亡抑制剂，可和

　　(Gp:) B

　　(Gp:) ax

　　(Gp:) 及

　　(Gp:) Bak

　　(Gp:) 结合

　　(Gp:) BCL-

　　(Gp:) x

　　(Gp:) 其

　　(Gp:) L

　　(Gp:) 型抑制凋亡，

　　(Gp:) S

　　(Gp:) 型促进凋亡，与

　　(Gp:) B

　　(Gp:) ax

　　(Gp:) 及

　　(Gp:) Bak

　　(Gp:) 结合

　　(Gp:) B

　　(Gp:) CL-w

　　(Gp:) 凋亡抑制剂

　　(Gp:) Bax

　　(Gp:) 凋亡促进剂，可与

　　(Gp:) BCL-2

　　(Gp:) ，

　　(Gp:) BCL-X

　　(Gp:) L

　　(Gp:) ，

　　(Gp:) EIB1

　　(Gp:) 9

　　(Gp:) K

　　(Gp:) 结合

　　(Gp:) B

　　(Gp:) ak

　　(Gp:) 凋亡促进剂，亦可作抑制剂，可与

　　(Gp:) BCL-2

　　(Gp:) ，

　　(Gp:) BCL-X

　　(Gp:) 和

　　(Gp:) E1B19K

　　(Gp:) 结合

　　(Gp:) MCL-1

　　(Gp:) 凋亡抑制剂

　　(Gp:) B

　　(Gp:) ad

　　(Gp:) 凋亡促进剂，与

　　(Gp:) B

　　(Gp:) CL-2

　　(Gp:) 和

　　(Gp:) BCL-X

　　(Gp:) L

　　(Gp:) 结合

　　(Gp:) Ced-9

　　(Gp:) 线虫中的凋亡抑制剂，

　　(Gp:) BCL-2

　　(Gp:) 同源物

　　(Gp:) E1B19K

　　(Gp:) 腺病毒凋亡抑制剂，与

　　(Gp:) Bax

　　(Gp:) 和

　　(Gp:) Bak

　　(Gp:) 结合

　　Bcl-2抑制细胞凋亡

　　抗氧化 ↓促凋亡蛋白释放(细胞色素C、AIF) ↓促凋亡蛋白Bax/Bak的细胞毒作用 ↓凋亡蛋白酶(caspases)激活 维持细胞钙稳态

　　凋亡相关基因

　　P53

　　野生型P53(wtP53)诱导凋亡，突变后抑制凋亡 wtP53在G1期发挥卡点功能→有缺陷DNA→CIP表达→启动修复→失败→启动凋亡 CIP-----cyclin dependent kinase –interacting protein-1 P53 = molecular policeman?

　　凋亡相关基因

　　c-myc, bcl-x

　　促进增殖 c-myc(转录调节因子) 诱导凋亡 Bcl-XL →抑制凋亡 Bcl-x Bcl-Xs →促进凋亡

　　凋亡相关基因

　　GF

　　第四节 细胞凋亡与疾病

　　一、细胞凋亡不足

　　肿瘤 ※抑制凋亡基因过度表达 Bcl-2基因表达↑(前列腺癌、结肠癌) ※促凋亡基因突变或缺失 wtP53基因突变(小细胞肺癌、非小细胞 肺癌)

　　自身免疫病—胸腺负选择机制失调

　　T细胞在胸腺发育过程中的正负选择 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

　　细胞凋亡不足

　　二、细胞凋亡过度

　　心血管疾病 心肌缺血-再灌注损伤 ①缺血早期-凋亡为主 ②梗死灶周边-凋亡为主 ③轻度缺血-凋亡为主 ④发生缺血-再灌注损伤较单纯缺血凋亡严重 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

　　机制 ①氧化应激：SOD可减轻 ②受体Fas上调：FasL反应 ③P53激活:卡点作用

　　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

　　细胞凋亡过度

　　病毒感染

　　AIDS

　　细胞凋亡过度

　　(Gp:) 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

　　(Gp:) 氧化型LDL↑

　　(Gp:) 血小板激活

　　(Gp:) AgⅡ

　　(Gp:) 高血压

　　(Gp:) 内皮细胞凋亡↑

　　(Gp:) 平滑肌细胞增殖

　　(Gp:) 平滑肌细胞凋亡

　　2，神经元退行性疾病： Alzheimer disease, Prakinson disease.

　　Alzheimer’s Disease Signs may include: ? Memory loss, especially about recent events ? Confusion about time and place ? Poor judgement ? Trouble learning new information ? Changes in being able to do such things as drive, handle money, take medicine, cook, dress, and bathe

　　我国老年性痴呆的现状： “一高三低”

　　患病率高：589万(世界的1/4)

　　就诊率低、诊断率低、治疗率低

　　Alzheimer disease, AD 神经元丧失;海马及基底核的胆碱能神经元丧失达30%~50%，累及大脑皮层

　　AD机制：致病因素(如氧自由基)作用于神经元，Ca2+内流↑，激活有关基因，促使神经元内β-淀粉样蛋白含量↑从而导致凋亡

　　阿尔茨海默病(Alzheimer disease, AD)：

　　氧自由基

　　β-淀粉样蛋白沉积

　　神经元凋亡

　　(Gp:) Vit E

　　Ca2+内流

　　(Gp:) 尼莫地平

　　3. 病毒感染 HIV引起AIDS：CD 4 +细胞被选择性破坏

　　合胞体

　　AICD

　　效靶效应(慢性感染)

　　HIV

　　Apoptosis body

　　Signal substance

　　细胞水平

　　CD4+

　　CD4+

　　HIV引起CD4+细胞凋亡

　　HIV引起CD4+细胞凋亡

　　R

　　gp120-

　　Fas-R?

　　TNF

　　M?

　　ROS

　　tat

　　受体、分子水平

　　Host cell

　　CD4+cell

　　4.细胞凋亡不足与过度并存:

　　动脉粥样硬化 内皮细胞凋亡过度 平滑肌细胞凋亡不足

　　细胞凋亡不足与过度并存

　　内皮凋亡↑ 平滑肌凋亡不足 (增殖↑>凋亡↑ )

　　oxLDL ↑ activated plt ↑ Ag II hypertension

　　内皮屏障↓

　　动脉粥样硬化 ( atherosclerosis, AS )：

　　第五节 细胞凋亡与疾病防治

　　一、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

　　二、干预凋亡信号转导

　　阿霉素→Fas/FasL表达↑→肿瘤细胞凋亡 SPP用于凋亡过度疾病(AIDS、老年性痴呆)

　　三、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↓

　　五、防止线粒体跨膜电位的下降

　　环胞霉素 A N-methyl-Val-Cyclosporin

　　本章小结

　　1. 掌握细胞凋亡的概念 2. 掌握细胞凋亡的病理生理意义 3. 掌握细胞凋亡的主要变化、细胞凋亡 的调控 4. 掌握细胞凋亡的发生机制。 5. 了解细胞凋亡的大致过程，了解凋亡不足、过度或并存的疾病，了解凋亡在疾病防治中的意义。