細(xì)胞應(yīng)激的說課

1、細(xì)胞應(yīng)激的說課stress各種刺激(應(yīng)激原)非特異性全身反應(yīng)神經(jīng)內(nèi)分泌反應(yīng)以交感-腎上腺髓質(zhì)和下丘腦-垂體-腎上腺皮質(zhì)反應(yīng)為主提高對刺激的防御適應(yīng)能力活性氧UV電離輻射缺氧滲透壓變化細(xì)胞因子炎癥因子冷熱藥物機械作用毒物細(xì)胞應(yīng)激的概念是細(xì)胞對環(huán)境因素導(dǎo)致大分子損傷的一種防御反應(yīng)，目的是對抗傷害、修復(fù)損傷、增加對損傷的耐受性，以最終保護(hù)細(xì)胞和/或通過細(xì)胞死亡過程最終除去損傷后不能修復(fù)的細(xì)胞。 細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)的特點和基本模式細(xì)胞的應(yīng)激反應(yīng)包括一系列高度有序事件。細(xì)胞應(yīng)激高度保守(細(xì)菌、酵母、植物、動物等都有)；有害刺激/應(yīng)激原清除應(yīng)激原、保護(hù)細(xì)胞、修復(fù)損傷細(xì)胞damage sensors對損傷的感知激

2、活細(xì)胞信號傳導(dǎo)通路激活下游的轉(zhuǎn)錄因子改變靶基因表達(dá)，誘導(dǎo)具有保護(hù)作用的蛋白質(zhì)細(xì)胞死亡過強常見細(xì)胞應(yīng)激的類型（一）熱應(yīng)激（二）氧化應(yīng)激（三）低氧應(yīng)激（四）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激（五）基因毒應(yīng)激（一）熱應(yīng)激（熱休克反應(yīng)） 1962年，Ritossa等將培養(yǎng)的果蠅幼蟲由25移至30環(huán)境中， 30 min后在果蠅唾液腺的多絲染色體上觀察到了蓬松或膨突(puff）現(xiàn)象， 提示該區(qū)帶基因轉(zhuǎn)錄加強,并可能有某些蛋白質(zhì)合成增加。 生物細(xì)胞在熱應(yīng)激（或其他應(yīng)激）狀態(tài)下所表現(xiàn)的以基因表達(dá)變化為特征的一種防御適應(yīng)反應(yīng)稱為熱休克反應(yīng)（heat shock response, HSR） 。1974年，Tissieres采用聚丙烯酰

3、胺凝膠電泳從遭受熱休克的果蠅唾液腺中分離出6種新的蛋白質(zhì)，命名為熱休克蛋白。熱休克蛋白（heat shock protein, HSP）后來發(fā)現(xiàn)，除熱休克外，許多對機體有害的應(yīng)激因素，如低氧、缺血、活性氧、基因毒物質(zhì)、ATP缺乏、酸中毒、炎癥、以及感染等也可誘導(dǎo)HSP的生成，故HSP又被稱為應(yīng)激蛋白（stress protein，SPs）。按照分子量分： Hsp110，Hsp90，Hsp70以及小分子量的Hsps按生成方式分： 組成型和誘導(dǎo)型 與熱應(yīng)激關(guān)系最為密切的是誘導(dǎo)型的Hsp70。HSP的分類HSP的誘導(dǎo)熱休克、氧化應(yīng)激、缺血/氧、重金屬等多種應(yīng)激原可激活熱休克因子(heat shock

4、 factor，HSF) 。HSF是參與熱休克反應(yīng)和誘導(dǎo)熱休克蛋白表達(dá)的主要轉(zhuǎn)錄因子?；罨腍SF三聚體轉(zhuǎn)入核內(nèi)，與靶基因啟動子區(qū)中的熱休克反應(yīng)元件（heat shock response element，HSE）結(jié)合而誘導(dǎo)一系列基因，如Hsp70、Hsp90和Hsp27、HSBP1、IL-6、 IL-10、細(xì)胞泵如多藥耐藥1蛋白（ABCB1）等基因的轉(zhuǎn)錄。HSP的誘導(dǎo)與調(diào)節(jié)HSP的結(jié)構(gòu) HSP具有N端的高度保守的ATP酶區(qū)和C端的底物識別序列，后者易于結(jié)合蛋白質(zhì)的疏水結(jié)構(gòu)區(qū)。 HSP的功能1.分子伴侶（molecular chaperon）分子伴侶是細(xì)胞一類保守蛋白質(zhì)，可識別肽鏈的非天然構(gòu)象

5、，促進(jìn)各功能域和整體蛋白質(zhì)的正確折疊。但自身并不成為被折疊的蛋白質(zhì)的一部分。已知多種應(yīng)激原可導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性，使之成為伸展的(unfolded)或錯誤折疊的(misfolded)多肽鏈，其疏水區(qū)域可重新暴露在外，因而較易形成蛋白質(zhì)聚集物，對細(xì)胞造成嚴(yán)重?fù)p傷。 HSP能識別和結(jié)合新合成的尚未折疊或因有害因素破壞了其折疊結(jié)構(gòu)的肽鏈結(jié)合，并依賴其N端的ATP酶活性，利用ATP促成這些肽鏈的正確折疊、移位、修復(fù)或降解。HSP response to stress泛素是一個使蛋白質(zhì)降解的分子標(biāo)簽。機體在試圖清除某些異常蛋白質(zhì)（如變性蛋白、錯誤折疊蛋白等）之前，先將這些蛋白質(zhì)標(biāo)上泛素標(biāo)簽，然后經(jīng)蛋白酶體將其

6、降解。 2.調(diào)控蛋白轉(zhuǎn)歸 2004年10月16日瑞典皇家科學(xué)院將本年度諾貝爾化學(xué)獎授予以色列科學(xué)家阿龍切哈諾沃、阿夫拉姆赫什科和美國科學(xué)家歐文羅斯，以表彰他們在泛素調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)降解研究領(lǐng)域中的卓越成就。泛素碳端水解酶 泛素E3連接酶 作為損傷/危險相關(guān)分子模式(DAMPs)，通過模式識別受體，引發(fā)炎癥反應(yīng)。3.介導(dǎo)炎癥反應(yīng) 當(dāng)機體受到損傷時，DAPM從支離破碎的細(xì)胞釋放出來，這些成分，對于免疫系統(tǒng)來說，作為機體已受到損傷的危險信號。DAPM為細(xì)胞的組成部分:如高遷移率族蛋白（HMGB1) ；熱休克蛋白；鈣結(jié)合蛋白 S100等。損傷/危險相關(guān)分子模式(damage-associated mole

7、cular patterns, DAMPs)外源性Hsp的功能 應(yīng)激時，當(dāng)HSP從受損細(xì)胞中釋放出來時，這種Hsp作為危險信號”(danger signal) ，能被單核/巨噬細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞（DC）、血管內(nèi)皮細(xì)胞上的模式識別受體所識別，導(dǎo)致細(xì)胞合成和釋放出各種促炎因子，如NO、TNF-a、IL-1、IL-6、 IL-10等，增強細(xì)胞的免疫功能，并參與炎癥反應(yīng)。（二）氧化應(yīng)激（oxidative stress）是由活性氧(reactive oxygen species, ROS)增多和/或清除減少導(dǎo)致ROS相對超負(fù)荷引起的細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)。活性氧(reactive oxygen species，

8、ROS)及自由基在化學(xué)反應(yīng)性能方面比氧活潑的含氧化合物，包括氧自由基，如超氧陰離子 ( O2 )以及羥自由基(OH)、脂氧自由基、氮氧自由基和非自由基形式的過氧化氫（H2O2）和單線態(tài)氧（1O2)等。ROS是細(xì)胞正常代謝的產(chǎn)物，參與許多生理過程。-.氧自由基的生成圖. 氧自由基的生成體內(nèi)ROS的清除抗氧化酶：如SOD、過氧化氫酶(CAT)和谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)等分別清除O2及H2O2?？寡趸瘎喝鏥itE、 VitC、胡蘿卜素、GSH及微量元素(如硒、鋅)等清除脂自由基及脂過氧自由基等 生理狀態(tài)下，GSH/GSSG維持在高比率，而在氧化應(yīng)激時，GSH氧化成GSSG，GSH/GSS

9、G比率下降，故可借以評估脂質(zhì)過氧化損傷情況。 在缺血缺氧、缺血再灌注損傷、化學(xué)性放射性損傷、炎癥、腫瘤、重金屬等病理情況下以及老化等過程中，ROS產(chǎn)生增多，而清除能力不足，結(jié)果導(dǎo)致ROS和氧自由基增多。氧化應(yīng)激ROS或自由基通過靶基因起效應(yīng)激活轉(zhuǎn)錄因子激活信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路MAPK和AKT通路等Nrf2 、NF-B 等清除ROS修復(fù)細(xì)胞損傷細(xì)胞凋亡氧化應(yīng)激ROS激活的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路MAPK家族成員，包括ERK、JNK和p38通路PI-3K/AKT信號通路PLC-PKC通路， PLC-Ca2+通路激活鞘磷脂酶（SMase）紫外線、電離輻射、活性氧、細(xì)胞因子等 應(yīng)激原 ? Rac, cdc42 Ras P

10、AK/GCK MEKK1/2 MEKKs Raf MAPKKKSEK1/JNKK MKK3/6 MEK1/2 MAPKKSAPK/JNK p38MAPK ERK1/2 MAPKc-Jun等 ATF-2 CHOP等 c-Myc等 轉(zhuǎn)錄因子鞘磷脂SMase神經(jīng)酰胺磷酸膽堿+鞘磷脂神經(jīng)酰胺通路介導(dǎo)多種受體和環(huán)境應(yīng)激在細(xì)胞內(nèi)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。鞘磷脂酶（SMase）Smase中性Smase(細(xì)胞膜上)酸性Smase(溶酶體)。ERK通路細(xì)胞凋亡促進(jìn)細(xì)胞增殖炎癥反應(yīng)SAPK/JNKNrf2 - 參與氧化應(yīng)激的重要轉(zhuǎn)錄因子在生理條件下，Nrf2與Keap1結(jié)合被扣押在胞漿，并易于被泛素化降解，因此Nrf2蛋白的半

11、壽期只有20分鐘，在細(xì)胞內(nèi)維持低水平。在氧化應(yīng)激過程中被激活的一些蛋白激酶，如ERK和p38以及PKC等可使Keap1和Nrf2磷酸化。導(dǎo)致二者結(jié)合的親和性下降并與其解離，之后Nrf2轉(zhuǎn)入核內(nèi)與靶基因啟動子中的抗氧化反應(yīng)元件（antioxidant response elements，AREs）相互作用，調(diào)節(jié)血紅素加氧酶-1、谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶A2和NAD(P)H醌氧還酶-1（NQO1）等靶基因的轉(zhuǎn)錄。氧化應(yīng)激激活的轉(zhuǎn)錄因子Nrf2上述信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路能夠激活多種轉(zhuǎn)錄因子，如Nrf-2、NF-B、AP-1、ATF-2、NF-IL6等。誘導(dǎo)MnSOD、CAT和GSH-Px等的表達(dá)，從而清除ROS，具

12、有特異性細(xì)胞保護(hù)作用。NF-B還能上調(diào)多種抗凋亡基因，如Bcl-XL, c-FLIP , cIAPs等的表達(dá)，發(fā)揮抗凋亡和促細(xì)胞存活的作用。氧化應(yīng)激激活的靶基因及生物效應(yīng)氧化應(yīng)激也可以誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。如激活的JNK可通過激活轉(zhuǎn)錄因子AP-1, 上調(diào)具有促凋亡作用的基因表達(dá)，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。JNK還能通過線粒體凋亡途徑誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。NF-B也也可通過上調(diào)其具有促凋亡作用的靶蛋白，促進(jìn)細(xì)胞凋亡。高濃度的ROS可攻擊各種細(xì)胞成分, 直接造成細(xì)胞結(jié)構(gòu)損傷和功能代謝障礙，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡或死亡。氧化應(yīng)激后細(xì)胞的命運（存活還是死亡），取決于ROS的濃度、細(xì)胞的功能狀態(tài)和整體的環(huán)境 由于在多種應(yīng)激原（如低氧、基因毒

13、）作用和炎癥、缺血再灌流損傷等病理生理過程中都有ROS和自由基的生成增多，而在應(yīng)激反應(yīng)中涉及的基因幾乎都受細(xì)胞氧還狀態(tài)所影響。因此氧化應(yīng)激反應(yīng)是多種細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)中最中心的通路，參與了缺血再灌流損傷、炎癥、腫瘤、衰老以及多種疾病，如帕金森氏病、Alzheimer病、艾滋病、糖尿病血管并發(fā)癥、心腦血管病等重要疾病的發(fā)生和發(fā)展過程。三、低氧性應(yīng)激(hypoxia stress) 單純性的缺氧或缺血缺氧可誘發(fā)缺氧性應(yīng)激反應(yīng)細(xì)胞反應(yīng)缺氧激活HIF-1和相關(guān)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路低氧感受器提高機體耐受缺氧能力低氧應(yīng)激低氧感受器1.含血紅素蛋白假說 2.氧敏感性離子通道假說 3. NAD(P)H氧化酶復(fù)合物學(xué)說 4.

14、線粒體逸出活性氧假說5.氨基酸羥化酶學(xué)說 6.乙酰轉(zhuǎn)移酶學(xué)說 7. NO和CO學(xué)說 研究背景EpoVEGFGLUT3ADM缺氧誘導(dǎo)因子VHL蛋白為E3-泛素連接酶的組成部分，在常氧下，它導(dǎo)致HIF-1的多泛素化進(jìn)而被降解。低氧能抑制VHL，使HIF-1穩(wěn)定性增加， VHL蛋白為E3-泛素連接酶的組成部分，在常氧下，它導(dǎo)致HIF-1的多泛素化進(jìn)而被降解。低氧使HIF-1穩(wěn)定性增加，增加的HIF-1與HIF-1以二聚體的形式轉(zhuǎn)入核中調(diào)節(jié)靶基因表達(dá)。 EPO增多： 紅細(xì)胞生成增多VEGF增多：血管增生，使氧部位的血液增加iNOS增多： 血管舒張（NO） GLUT1（glucose transport

15、 1)和糖酵解酶增多 無氧酵解增強HIF-1誘導(dǎo)的靶基因和生物效應(yīng) （四）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激（endoplasmic reticulum stress） 真核細(xì)胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成和折疊、Ca2+ 存儲、脂質(zhì)合成的重要部位。 各種原因，如缺氧、氧化應(yīng)激、脂質(zhì)過度負(fù)荷、病毒感染、藥物和毒素等均可擾亂內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)未折疊蛋白或錯誤折疊蛋白積聚或細(xì)胞內(nèi)鈣穩(wěn)態(tài)失衡，引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，因此內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激是多種細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)的共同通路。 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的主要反應(yīng)是未折疊蛋白反應(yīng)（unfolded protein response，UPR），當(dāng)各種原因?qū)е聝?nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)未折疊蛋白或錯誤折疊蛋白積聚時，為了減輕內(nèi)質(zhì)網(wǎng)

16、的蛋白質(zhì)過荷，細(xì)胞會啟動（UPR） 以恢復(fù)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的蛋白質(zhì)折疊環(huán)境和穩(wěn)態(tài)。UPR包括：使蛋白質(zhì)合成減少，以減輕未折疊蛋白的進(jìn)一 步聚積；2. 通過誘導(dǎo)伴侶分子（如HSP）和折疊酶的表達(dá)，增強內(nèi)質(zhì)網(wǎng)蛋白質(zhì)的折疊能力；3.通過激活泛素-蛋白酶體系統(tǒng)和自噬作用，促進(jìn)錯誤折疊蛋白的降解；4. 若通過上述反應(yīng)仍不能緩解內(nèi)質(zhì)網(wǎng)異常蛋白堆積導(dǎo)致的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)受壓，將觸發(fā)受損細(xì)胞凋亡或死亡。 目前已知的哺乳動物三條感受UPR的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。它們上游是存在于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上起應(yīng)激傳感器作用的三個蛋白：1.跨膜蛋白活化轉(zhuǎn)錄因子6 (activating transcription factor 6, ATF6)；2.雙鏈RNA

17、-依賴的蛋白激酶樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶（PKR-like ER kinase, PERK）3.需肌醇酶1(inositol requiring enzyme 1, IRE1)。未/錯誤折疊蛋白反應(yīng)的感受和信號轉(zhuǎn)導(dǎo) 正常情況下， ATF6、 PERK 和IRE1與位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的伴侶分子78kD的葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白（GRP78）結(jié)合而處于失活狀態(tài)。 GRP78是HSP70同系物，當(dāng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中未折疊蛋白發(fā)生積聚時，作為分子伴侶，GRP78與未折疊/錯誤折疊的蛋白多肽結(jié)合而與ATF6, PERK 和IRE1解離，導(dǎo)致它們激活，從而將未折疊蛋白信號通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜傳向胞漿和胞核。未/錯誤折疊蛋白反應(yīng)的感受和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)圖. 未折

18、疊蛋白反應(yīng)信號通路介導(dǎo)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和炎癥反應(yīng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的意義減少蛋白質(zhì)合成，減輕未折疊蛋白的聚積；2. 誘導(dǎo)伴侶分子和折疊酶表達(dá)，增強蛋白質(zhì)折疊能力；3. 促進(jìn)錯誤折疊蛋白的降解；4. 若通過上述反應(yīng)仍不能維持內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài)，將觸發(fā)受損細(xì)胞凋亡或死亡。 迄今的研究表明內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和未折疊蛋白反應(yīng)與許多疾病，如糖尿病、神經(jīng)退行性疾病、腫瘤、心腦血管病、病毒感染以及一些化學(xué)毒物引發(fā)的疾病都有關(guān)。 （五）基因毒應(yīng)激（genotoxic stress）由DNA損傷引起的細(xì)胞應(yīng)激。1.概念：2.DNA損傷的原因自發(fā)的DNA損傷；各種應(yīng)激原的作用如紫外線、電離輻射、病毒感染、化學(xué)誘變劑等，導(dǎo)致DNA損傷。 DN

19、A雙鏈斷裂（dsb）、DNA核苷酸加成物的形成和堿基修飾、DNA堿基錯配和DNA單鏈斷裂（ssb）。 3.DNA損傷類型募集蛋白激酶，如DNA活化的蛋白激酶(DNA-PK)，PI-3K 樣激酶（ATM和ATR）至損傷處DNA損傷傳感器（DNA damage sensors） (蛋白復(fù)合物)細(xì)胞周期停滯損傷DNA的修復(fù)激活下游酶和轉(zhuǎn)錄因子 如chk1、chk2 和P53等4.DNA損傷激活的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路DNA損傷（主要是雙鏈DNA斷裂） (1) DNA損傷的信號識別DNA活化的蛋白激酶(DNA-PK)調(diào)節(jié)亞基識別并結(jié)合到DNA雙鏈斷裂的末端，再與催化亞基結(jié)合并激活其活性，磷酸化轉(zhuǎn)錄因子如P53、

20、c-Jun、 c-Fos等而發(fā)揮作用。ATM/ATR激酶 ATM和ATR屬于PIKK家族,是DNA損傷檢查點的主要成員. ATM和ATR在維持基因組的穩(wěn)定性中起到至關(guān)重要的作用 毛細(xì)血管擴張性共濟失調(diào)癥突變蛋白(mutated in ataxia telangiectasia,ATM) ATM 和Rad-3相關(guān)蛋白（ATM and Rad-3 related， ATR）1.磷酸化并抑制CDC25A（一種 參與細(xì)胞周期調(diào)控的磷酸酶）活性，阻滯細(xì)胞周期進(jìn)展。2. 磷酸化轉(zhuǎn)錄因子p53，導(dǎo)致其穩(wěn)定性增加和激活。激活的P53能誘導(dǎo)多種與細(xì)胞周期停頓相關(guān)基因，如P21、GADD45 和MDM-2的表達(dá)。DNA損傷激活A(yù)TM/ AT