疾病的細胞機制—增殖、分化、凋亡和疾病

1、疾病的細胞機制增殖、分化、凋亡和疾病 (Cellular Mechanism of Diseases) 1122細胞增殖細胞分化細胞凋亡生死增殖通過有絲分裂，達到細胞數量增加、組織和器官增大及個體生長分化通過細胞形態(tài)、結構和功能的特化，實現表型差異、組織和器官的功能及個體成熟凋亡體內外生理或病理因素激活細胞內死亡程序，導致細胞主動死亡疾病的細胞機制：細胞“生”的過程和/或“死”的過程的失控細胞增殖異常與疾病細胞分化異常與疾病細胞凋亡異常與疾病細胞自噬異常與疾病（自學）33第一節(jié) 細胞增殖異常與疾病 (Abnormal Cell Proliferation and Diseases) 細胞增殖：

2、細胞分裂和再生的過程細胞生長DNA復制細胞分裂4細胞周期4一、細胞周期（Cell cycle）的概述定義：增殖細胞從一次有絲分裂結束到下一次有絲分裂的結束所經歷的時期和順序變化分期55G1期 (first gap phase, DNA合成前期 ) S期（synthetic phase, DNA合成期）M期（mitotic phase, 有絲分裂期）G2期（second gap phase, DNA合成后期）6Interphase Prophase Prometaphase Metaphase Telophase Cytokinesis MitosisAnaphase有絲分裂視頻：有絲分裂視頻：

3、特點單向性：G1 S G2 M階段性：細胞周期停滯 （cell cycle arrest）檢查點（check point） ：細胞內存在的監(jiān)控機制 ，只有通過檢查點的檢查，細胞才能進入下一個時相微環(huán)境影響77check point人體細胞的分類周期性細胞（Cycling cells）：表皮細胞、骨髓干細胞、生殖細胞等G0期細胞（G0 cells） ：肝細胞、腎細胞終端分化細胞（Terminally differentiated cells）：神經細胞、心肌細胞88二、細胞周期的調控（Regulation of Cell Cycle）自身調控（Self-control）周期蛋白（Cyclin）和

4、周期素依賴性蛋白激酶（Cyclin dependent kinase, CDK ） 檢查點（check point）細胞外信號（ Extracellular signals ）的調控991、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實現對細胞周期不同時相的推進和轉換作用結構：含周期蛋白框（cyclin box），引導區(qū)域1010PSTAIRE cyclinCDKCyclin/CDKCombineCyclin boxCyclin Catalytic subnuitRegulatory subuni

5、tCDK下游底物磷酸化1111周期蛋白的降解：通過泛素-蛋白酶體系統（Ubiquitin Proteasome System ）進行降解 M期周期蛋白：降解盒（destruction box）G1期周期蛋白：PEST site1212降解第一步:泛素結合（Ubiquitin Conjugation）1313Ubiquitin-activating enzyme E1（泛素激活酶）Ubiquitin-conjugating enzyme E2（泛素結合酶）Ubiquitin-protein ligase E3（泛素連接酶）降解第二步:泛素化蛋白被蛋白酶體（proteasome ）水解 1414泛

6、素-蛋白酶體系統視頻：2、周期素依賴性蛋白激酶（Cyclin dependent kinase , CDK ） 絲氨酸 / 蘇氨酸蛋白激酶，CDK19作用：CDK與不同cyclin結合后活化，調控細胞周期1515下游的蛋白質如Rb磷酸化 通過G1/S限制點而進入S期 組蛋白H1磷酸化導致染色體凝縮，核纖層蛋白磷酸化使核膜解體等 主要底物-視網膜母細胞瘤蛋白（Retinoblastoma protein，Rb)抑癌蛋白 (tumor suppressor protein)Rb家族包括Rb protein、p107和p130三種 調節(jié)細胞從G1S期的轉變：RB-E2F pathway1616171

7、7G1早期Rb并不一定以非磷酸化形式存在，也可以低磷酸化形式存在（pRb） CDK活性的調控(1)周期蛋白(2)磷酸化和去磷酸化的調節(jié)：只有當CDK分子中的活化部位被磷酸化，同時抑制部位被去磷酸化時，CDK才被激活 18CDK1的激活需要Thr161的磷酸化，以及Thr14和Tyr15去磷酸化Wee 1 激酶Cdc25CDK 活化激酶（CDK-activating kinase, CAK ）Thr 蘇氨酸Tyr 酪氨酸 (3) CDK 抑制因子（cyclin dependent kinase inhibitor, CDI /CKI） INK4（inhibitors of kinase 4）家族

8、 成員：p16 INK4A, p15 INK4B, p18 INK4C, p19 INK4D主要抑制 CDK4、CDK6 CIP (Cdk inhibitory protein) /KIP (kinase inhibitory protein)家族 成員：p21 Cip1, p27 Kip1, and p57 Kip2主要抑制 CDK219大多數 CDIs 是通過直接結合 CDK-cyclin 復合物的磷酸化活化部位，抑制 CDK 的激酶活性只有p16 INK4A是通過結合 CDK4 單體，阻斷它與 cyclins 的結合 p21一種廣泛作用的CDI與增殖細胞核抗原 （proliferatin

9、g cell nuclear antigen，PCNA ）結合，直接抑制DNA的合成中介了在p53蛋白的細胞周期DNA損傷檢查點的調控2020（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、p5321213、細胞周期檢查點（Checkpoint）DNA 損傷檢查點（DNA damage checkpoint）：G1/S交界處 DNA 復制檢查點：S/G2交界處紡錘體組裝檢查點 (Spindle assembly checkpoint): G2/M交界處 2222G1/S檢測點檢測主要通過

10、腫瘤抑制蛋白 p53 分子完成 2323G2/M檢測點檢測主要通過Cdc25 完成的 242525P53也參與G2/M DNA損傷的檢查 4、細胞外信號對細胞周期的調控通過限制點（restriction point，R點）起作用2626（1）增殖信號包括大多數的肽類生長因子通過啟動ras-MAPK通路，使 cyclin D 表達增加 2727（2）抑制信號轉化生長因子（TGF-）：通過p38 MAPK通路，下調 cyclin 和 CDK4；或通過促進p21和 p15等 CDI 產生不利于細胞生長的微環(huán)境 2828三、細胞周期調控異常（Dysregulation of cell cycle）細胞

11、周期的驅動失控（Cyclin、CDK和CDI表達異常）監(jiān)控（檢查）機制受損2929細胞增殖異常與相關疾病 增殖過度 增殖分化異常惡性腫瘤、前列腺肥大糖尿病腎病銀屑病、原發(fā)性血小板增多癥神經退行性疾病家族性紅細胞增多癥、類風濕關節(jié)炎再生障礙性貧血 肝肺腎纖維化、腎小管間質性病變動脈粥樣硬化1、惡性腫瘤:生物學特征是惡性增殖（1）周期蛋白異常與 cyclin（D、E）過量表達有密切的關系Cyclin D1（bcl-1） ： 295個氨基酸，由染色體11q13上的CCND1基因編碼3030Amplification (基因擴增)Translocation (染色體易位)如t (11:14) (q13

12、: q32)Inversion (染色體倒位)如 inv (11) (p15：q13)乳腺癌、胃癌、食道癌 甲狀旁腺瘤 B細胞淋巴瘤 （ 2 ） CDK 增多 CDK4 和 CDK6 過表達（ 3 ） CDI 表達不足和突變p16蛋白失活較為多見黑色素瘤、食管癌、肺癌、卵巢癌、乳腺癌、結直腸癌等都報道存在較高頻率的p16 InK4基因異常 原因：p16 InK4 基因缺失、突變、CpG 島高度甲基化p27蛋白失活與乳腺癌，前列腺癌，肺癌，胃癌，大腸癌和卵巢癌等有關 3131（4）細胞周期監(jiān)控機制受損G1/S 交界處失察： 50%的腫瘤發(fā)生與p53基因突變有關 G2/M 交界處失察 32322、

13、銀屑?。ㄋ追Q為牛皮癬）臨床表現：皮膚出現大小不等、境界清楚的紅斑鱗屑性斑塊，上覆大量干燥的銀白色鱗屑 原因：表皮細胞過度增生機制表皮生長因子受體（EGF ）的增加：正常皮膚表皮中EGFR只存在基底細胞層和基底上層，而銀屑病EGFR分布于皮膚的全層，導致角質形成細胞過度增殖 cAMP水平下降33333、原發(fā)性血小板增多癥（ primary throbocythemia）臨床特征：出血傾向及血栓形成機制：骨髓巨核細胞過度增殖，外周血血小板持續(xù)明顯增多（為正常的2-12倍），功能也不正常 病因：與X染色體遺傳有關，血小板生成抑制因子TGF-1減少、血液微環(huán)境中輔助細胞的缺乏等3434第二節(jié) 細胞分化

14、異常與疾?。ˋbnormal Cell Differentiation and Diseases）一、細胞分化的概述 定義：指在細胞增殖時，子代細胞在形態(tài)、結構和生理功能上產生差異的過程受精卵：全能性多能性單能性成熟定型干細胞（stem cell）3535細胞分化的結果時間上的分化空間上的分化3636人體干細胞分類全能干細胞：胚胎干細胞多能干細胞：骨髓造血干細胞定向干細胞：精原細胞、紅細胞系、白細胞系等3737細胞分化特點穩(wěn)定性：分化一旦確立，分化狀態(tài)穩(wěn)定 全能性：子代細胞保留受精卵的全部信息 選擇性：基因選擇性表達，出現不同的表型 細胞分化條件的可逆性：已分化的細胞在一定條件下可以逆轉到胚胎

15、狀態(tài)，形成去分化現象 3838Skin cellsReprogram into ES like iPS cells2007年11月，美國和日本科學家分別宣布獨立發(fā)現將普通皮膚細胞誘導成為具備類似胚胎干細胞的功能，即為誘導多能干細胞（induced pluripotent stem cells, iPS cells）二、細胞分化的機制及其調控1、細胞分化的機制“決定”先于分化：細胞決定（ determination ）是指細胞內某些基因永久地關閉，而另一些基因順序表達，具備向某一特定方向分化的能力細胞質在決定細胞差別中作用 細胞間相互作用微環(huán)境：壁龕（niche ）結構包括壁龕細胞、細胞外基質（

16、extracellular matrix，ECM）和來源于壁龕細胞的可溶性因子 392、細胞分化的調控基因水平的調控 奢侈基因（luxury gene）：編碼細胞中特異性蛋白的基因，對細胞分化起重要作用管家基因（ house keeping genes ）：對細胞分化只起協作作用 轉錄和轉錄后水平調控轉錄水平調控：調節(jié)蛋白（轉錄因子）對專一基因的啟動子和增強子進行調控轉錄后水平調控：對 mRNA 前體的處理和加工翻譯與翻譯后水平調控細胞外因素調控：激素、細胞因子、黏附分子、藥物等 40三、細胞分化異常（Abnormal Cell Differentiation ）1、腫瘤腫瘤細胞的共同特征：細

17、胞分化不足，而只是保持持續(xù)增殖確定腫瘤細胞的分化程度對于腫瘤病情的判斷具有重要意義 惡性腫瘤細胞異常分化的表現為：低分化；去分化（dedifferentiation）或反分化(retrodifferentiation)；趨異性分化（divergent differentiation）即腫瘤細胞分化程度和分化方向的差異性41惡性腫瘤細胞異常分化的機制細胞的增殖和分化脫耦聯：在體外培養(yǎng)的癌細胞表現為失去密度依賴性抑制，無限傳代成為“永生的”細胞系基因表達時空上失調特異性基因表達受到抑制：如肝癌細胞不合成白蛋白；結腸腫瘤不合成粘蛋白 胚胎性基因重現表達：如肝癌細胞過多合成甲胎蛋白和胎兒型醛縮酶 A

18、等癌基因和抑癌基因的協同失衡42細胞分化理論可用以指導臨床腫瘤治療 采取適當的方法誘導其發(fā)生終末分化，腫瘤的增殖能力就可能會被抑制能誘導腫瘤細胞發(fā)生分化的物質稱為分化誘導劑對正常細胞的非特異性毒副作用小，有非常好的應用前景 作用機理：誘導癌細胞向終未階段分化的同時，啟動了細胞死亡程序 代表-維甲類（Retinoids）：如全反式維甲酸已用于早幼粒細胞白血病的臨床治療，視黃醇與干擾素a 合用治療皮膚鱗癌或宮頸鱗癌43432、肺纖維化（Pulmonary fibrosis）彌漫性肺間質纖維化，表現為活動性呼吸困難，限制性通氣功能障礙，彌散功能降低和低氧血癥等3、肥胖癥（Morbid obesity

19、）脂肪細胞體積增大，分化異常前脂肪細胞大量向脂肪細胞分化，導致脂肪細胞數量增加44444、畸胎瘤（teratoma）在胚胎不同時期，某些多能細胞脫落下來，分化發(fā)生異常具有內胚層、中胚層和外胚層三個胚層的異常分化組織4545第三節(jié) 細胞凋亡異常與疾病一、細胞死亡形式1、細胞壞死（ Necrosis ）細胞在嚴重損傷因素刺激時，所發(fā)生的一種被動的死亡現象形態(tài)改變是由酶性消化和蛋白變性引起的 形態(tài)特征線粒體和內質網腫脹、崩解炎癥反應 4646壞死凋亡2、細胞凋亡（ apoptosis ）細胞在體內外因素的誘導下，在嚴格和復雜的信號網絡調控下，發(fā)生的一種主動的有序的死亡形態(tài)特征細胞皺縮、核固縮、胞膜空

20、泡化，形成凋亡小體核酸內切酶激活DNA 的片段化（180200bp的倍數）4747細胞凋亡的生理學意義清除多余的和失去功能的細胞，確保組織器官正常發(fā)育、生長清除受損、突變或者衰老的細胞，維持內環(huán)境穩(wěn)定發(fā)揮積極的防御功能：當細胞受到病毒感染時，受感染的細胞可以通過凋亡來阻止病毒的增殖，或通過 DNA 的降解，把病毒的 DNA 進行分解 4849細胞凋亡與細胞壞死的比較壞 死凋 亡1.性 質病理性，非特異性生理性/病理性，特異性2.誘 因強烈刺激，隨機發(fā)生較弱刺激，非隨機發(fā)生3.基因調控無有4.生化特點被動過程,無新蛋白合成,不耗能 主動過程,有新蛋白合成,耗能5.形態(tài)改變細胞腫脹結構溶解，破壞細

21、胞皺縮，核固縮胞膜/細胞器相對完整6.凋亡小體無有7.DNA變化彌散性降解電泳呈均一片狀片段化（180-200bp）電泳呈“梯”狀條帶8.溶酶體改變破裂相對完整9.炎癥反應局部炎癥反應局部無炎癥反應二、細胞凋亡的過程50凋亡信號的轉導接受凋亡信號凋亡的執(zhí)行凋亡細胞的清除生理性凋亡信號：許多激素和細胞因子；生存信號的缺乏或不足病理性凋亡信號：促進細胞凋亡：生物及化學毒物、病毒感染、射線、應激和化療藥抑制細胞凋亡：化學促癌物、某些病毒（EB病毒，人類乳頭狀瘤病毒）甲狀腺素在蝌蚪轉變?yōu)榍嗤艿钠鞴俚蛲鲂酝嘶衅鹬匾淖饔?二、細胞凋亡的過程51凋亡信號的轉導接受凋亡信號凋亡的執(zhí)行凋亡細胞的清除胞內Ca

22、2+信號系統 cAMP/ PKA信號系統 Fas /FasL信號系統 神經酰胺信號系統 二酰甘油PKC信號系統 酪氨酸蛋白激酶信號系統等等這個系統的特點多樣性：不同種類的細胞有不同的信號轉導系統耦聯性：死亡信號的轉導系統與細胞增殖、分化過程中的信號轉導系統在某些環(huán)節(jié)上有交叉、耦聯同一性：不同的凋亡誘導因素可以通過同一信號轉導系統觸發(fā)細胞凋亡多途性：同一凋亡誘導因素可經過多條信號轉導途徑觸發(fā)凋亡52胞內Ca2+信號系統 53化學毒物、細菌及病毒的毒素、過量的興奮性氨基酸、氧化應激等 干擾細胞的Ca2+轉運系統和Ca2+通道 鈣穩(wěn)態(tài)失衡 激活Ca2+/Mg2+依賴的核酸內切酶，降解DNA鏈 激活谷

23、氨酰胺轉移酶，有利于凋亡小體形成 激活核轉錄因子，加速細胞凋亡相關因子的合成 使DNA鏈舒展，有利于DNA內切酶切割DNA 氧化應激 54TNF-、電離輻射等 氧化應激 激活Ca2+/Mg2+依賴的核酸內切酶，降解DNA鏈 激活P53基因 消耗大量ATP活化核轉錄因子NF-B，AP-1等誘發(fā)細胞凋亡 各種氧化劑 ，抑制SODFas又稱作CD95，屬TNF受體家族Fas基因編碼產物為分子量45KD的跨膜蛋白分布于胸腺細胞，激活的T和B淋巴細胞，巨噬細胞，肝、脾、肺、心、腦、腸、睪丸和卵巢細胞等Fas蛋白與FasL結合后，會激活caspase，導致靶細胞走向凋亡55Fas所介導的細胞凋亡的信號轉導

24、機制 FasL或抗Fas抗體與Fas蛋白結合，引起神經鞘磷脂酶的活性迅速上升，使神經鞘磷脂分解產生神經酰胺，神經酰胺作為第二信使激活相應的蛋白激酶，從而誘導細胞凋亡 抗Fas抗體或TNF與Fas蛋白結合后可激活ICE樣的caspase，后者可降解H1組蛋白，使染色體松弛，DNA鏈舒展而暴露出核酸內切酶的酶切位點，使DNA鏈更容易被切割 Fas蛋白被激活后也可以通過Ca2+信號系統傳遞死亡信息而導致細胞凋亡 56神經酰胺信號系統神經酰胺（ceramide）是神經鞘磷脂（sphingomyelin, SM）在SM酶的作用下產生的一類新型第二信使生物學效應包括：誘導凋亡；抑制細胞生長；引起細胞周期阻

25、滯，細胞周期通常被阻滯于G0/G1期電離輻射、TNF-a、Fas、糖皮質激素均可通過神經酰胺信號系統誘導細胞凋亡 57線粒體損傷凋亡的早期就會出現線粒體內膜通透性增大，線粒體跨膜電位（m）明顯下降線粒體損傷引起細胞凋亡的可能機制是：線粒體內、外膜之間的PTP具有調節(jié)線粒體膜通透性的作用，使細胞凋亡的啟動因子如細胞色素C（）、凋亡蛋白酶激活因子(Apaf)和凋亡誘導因子（AIF）等從線粒體內釋放出來 58二、細胞凋亡的過程59凋亡信號的轉導接受凋亡信號凋亡的執(zhí)行凋亡細胞的清除Caspases內源性核酸內切酶（如EndoG)作用：切割染色質DNA特點：這些酶多數為Ca2+/Mg2+依賴的，但Zn2

26、+可抑制其活性 Caspases屬于半胱氨酸蛋白酶家族，14個成員Caspase活性位點是半胱氨酸，剪切位點是天冬氨酸殘基后的肽鍵，因此稱為Cysteine aspartic acid specific protease，即Caspase分類：啟動型caspases (caspase-8，-9，-10， -12)，效應型caspases（ caspase-3，-6，-7）60Caspase的結構和活化Caspases 酶原包含三個結構域：NH2 末端結構域（Prodomain）、約 20KD 大亞基、約 10KD 小亞基活化：剪切的位置是特異性的天冬氨酸殘基的肽鍵（Asp-X） 61Caspa

27、se的功能 滅活凋亡抑制蛋白 ：如CAD/ICAD，Bcl-2直接破壞細胞結構，如Lamina分解與細胞骨架構成相關的蛋白：如FAK、PAK2可使一些與DNA修復、復制和mRNA縫接有關的蛋白的調節(jié)區(qū)和催化區(qū)解離，瓦解核結構62按照啟動型caspase的不同，凋亡信號轉導途徑分為外在途徑(extrinsic pathway)或死亡受體途徑：由細胞表面的死亡受體如Fas和腫瘤壞死因子受體家族(tumour necrosis factor receptor，TNF-R)引發(fā)，導致caspase-8或10的活化內在途徑(intrinsic pathway)或線粒體途徑(mitochondrial p

28、athway)：由許多應激條件、化學治療試劑和藥物所起始，導致caspase-9的活化內質網應激途徑：各凋亡信號導致的caspase-12的活化，從而導致凋亡6364外在途徑(Extrinsic pathway)或死亡受體途徑（Death receptor pathway ）6465內在途徑(Intrinsic pathway)或線粒體途徑(Mitochondrial pathway)66內質網應激途徑 (Endoplasmic reticulum stress pathway)66二、細胞凋亡的過程6767凋亡信號的轉導接受凋亡信號凋亡的執(zhí)行凋亡細胞的清除凋亡后細胞產生凋亡小體，后者可以被鄰

29、近巨噬細胞識別，并將其吞噬后分解。機制：磷脂酰絲氨酸遷移至細胞外側 磷脂酰絲氨酸(phosphatidylserine，PS)外翻三、細胞凋亡的調控機制 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、Bok、 Bcl-B、Bcl-Xs、Krk、Mtd、Nip3、Nix、Noxa等雙向調控基因c-myc、Bel-x68691、Bcl-2家族BH4是抗凋亡蛋白所特有的結構域BH3是與促進凋亡有關的結構域 69Bcl-2等抗凋亡蛋白存在于線粒體膜、內質網膜以及外核膜上，但主要定位于

30、線粒體外膜抗凋亡的機制直接抗氧化抑制線粒體釋放促凋亡的蛋白質抑制促凋亡調節(jié)蛋白Bax、Bak的細胞毒作用抑制凋亡蛋白酶的激活維持細胞鈣穩(wěn)態(tài)70促凋亡蛋白主要定位于細胞質受到凋亡因子的誘導而激活后，向線粒體轉位，通過寡聚化在線粒體外膜形成跨膜通道，或者開啟線粒體的PT孔，從而導致線粒體中的凋亡因子釋放，激活caspase，導致細胞凋亡激活方式：去磷酸化，如Bad被caspase加工為活性分子，如Bid從結合蛋白上釋放出來，如Bim是與微管蛋白結合在一起的712、p53： “ 分子警察”(molecular policeman)促凋亡機制P53通過與Bcl-2基因相互作用，下調Bcl-2的表達P5

31、3誘導細胞凋亡的靶蛋白表達（線粒體和死亡受體介導）P53誘導線粒體內凋亡的相關蛋白（Bax、NOXA、 PUMA）表達，并觸發(fā)細胞色素C釋放和caspase活化P53誘導死亡受體Fas表達 P53能使死亡受體再定位于細胞膜上72四、細胞凋亡異常與疾病73（一）細胞凋亡不足腫瘤Bcl-2基因高表達p53基因突變或缺失自身免疫病未能將針對自身抗原的免疫細胞以細胞凋亡的方式有效清除 74增殖過度，細胞凋亡減弱增殖并不增加，但細胞凋亡減弱 （二）細胞凋亡過度心肌缺血與缺血-再灌注損傷缺血早期以凋亡為主，晚期以細胞的壞死為主在梗死灶的中心以壞死為主，梗死灶周邊以凋亡為主輕度缺血以凋亡為主，重度缺血以壞死為主缺血-再灌注損傷時發(fā)生的細胞凋亡單純缺血更嚴重急性、嚴重的心肌缺血以心肌壞死為主，而慢性、輕度的心肌缺血則發(fā)生細胞凋亡 心力衰竭氧化應激/壓力、容量負荷/神經-內分泌失調/TNF/缺血/缺氧心肌細胞凋亡75阿爾茨海默?。ɡ夏臧V呆）發(fā)病機制主要是細胞凋亡所致神經元喪失Fas抗原的介導p53基因的活化c-Jun和c-foc及其編碼蛋白的作用APP695基因突變的作用低親和力神經生長因子高表達NF-B的