細胞增殖和凋亡異常與疾病發(fā)生機制和調(diào)控

1、 細胞增殖和凋亡異常與疾病發(fā)生機制和調(diào)控 果蠅 3天家貓 1012 狗12 15 秀麗廣桿線蟲 (Caenorhabditis elegans) 這種長不過1毫米的小生物有幾個和人類關系密切的親戚：蛔蟲和蟯蟲就是其中最大名鼎鼎的兩個。 悉尼布雷諾爾(1)線蟲的生命周期很短，它從生到死的全過程只有3天半，這就使得不間斷的觀察并追蹤每個細胞的演變成為可能。 (2)雌雄同體成蟲成熟后含有959個體細胞和2000個生殖細胞(最常見)雄性成蟲則只有1031個體細胞和1000個生殖細胞(較少見)(3)再者個數(shù)量繼續(xù)增長的時期，細胞最多時達到1090（雌雄同體，若是雄蟲則為1179）。然而，我們前面已經(jīng)提到

2、，完全成熟的成蟲只有959個細胞，那么，多出的131個細胞又到哪里去了？ 第一節(jié)細胞凋亡與疾病APOPTOSIS AND DISEASEapoptosis一、細胞凋亡的概述細胞凋亡(Apoptosis) 早在1972年Kerr等已發(fā)現(xiàn)從細胞形態(tài)、超微結(jié)構(gòu)和生化變化等方面來分析，細胞有二種死亡形式：細胞壞死（Necrosis），程序性細胞死亡（Programmed cell death） THE 2002 NOBEL PRIZE WINNER2002年10月7日英國人悉尼布雷諾爾、美國人羅伯特霍維茨和英國人約翰蘇爾斯頓，因在細胞程序性死亡方面的研究獲諾貝爾諾貝爾生理與醫(yī)學獎。 THE NOBEL

3、 DIPlOMASydney Brenner receiving his Nobel Prize from His Majesty the King at the Stockholm Concert Hall.Photo: Hans Mehlin, Nobel e-Museum是細胞受到急性強力傷害時立即出現(xiàn)的反應早期表現(xiàn)為細胞膜破壞，線粒體腫脹溶酶體破裂,細胞內(nèi)容物流出, 引起炎癥（一）細胞壞死(necrosis) 概念： 由體內(nèi)外因素觸發(fā)細胞內(nèi)預存的死亡程序而導致的細胞死亡過程。（二）細胞凋亡(apoptosis)例如蝌蚪尾的消失脊椎動物的神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育發(fā)育過程中手和足的成形過程 細胞凋亡

4、（科普詩）似秋葉的凋零，告別生命之輝煌；那難以計數(shù)的攻擊、誘導，輕啟著道道程序，逼細胞步步走向生命的末端；啊，活性氧處處肆虐，鈣波濤驚石裂岸，線粒體把生命之光一點一點擰淡;危難中的細胞啊，你沉穩(wěn)不亂，DNA片片切割，化云梯直通天堂；細胞體分團相聚，把生命的凝重濃集在小體上；分別了朝夕相處的伙伴，再見了快樂美好的時光；這一切的一切又融入臨近的胞體，騰出的空間再寫生命的篇章。 細胞凋亡與細胞壞死的比較(一)壞 死凋 亡1.性 質(zhì)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(diào)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細胞凋

5、亡與細胞壞死的比較(二)壞 死凋 亡5.形態(tài)改變細胞腫脹結(jié)構(gòu)溶解，破壞細胞皺縮，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壞死是一件細胞謀殺案的話，那凋亡就是一樁自殺案。生理性細胞凋亡的作用確保正常發(fā)育、生長 在器官、組織的形成、成熟中發(fā)揮作用 (細胞團 具備復雜結(jié)構(gòu)的組織器官)多余細胞的清除生理性細胞凋亡的作用維持內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定 清除受損、衰老和突變的細胞 (針對自身抗原T細胞的清除、子宮內(nèi)膜周期性剝脫)發(fā)揮積極的防御作用 病毒DNA（一）細胞凋亡

6、的過程 cAMPCa2+神經(jīng)酰胺凋亡誘因凋亡信號轉(zhuǎn)導凋亡基因激活細胞凋亡凋亡細胞清除受體死亡信號DNase活化 Caspases活化 DNA片斷 凋亡小體形成巨噬細胞吞噬、分解（二）凋亡時細胞的主要變化1. 細胞凋亡的形態(tài)學改變 微絨毛消失 脫水 空泡化(blebbing) 固縮(condensation) 出芽(budding) 染色質(zhì)邊集(margination) 凋亡小體(apoptosis body)凋亡細胞形態(tài)學改變生化特徵： 胞漿內(nèi)Ca2 濃度升高。細胞內(nèi)活性氧增多。質(zhì)膜通透性變大。DNA內(nèi)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(shù)的有序片段。型谷氨酰胺轉(zhuǎn)移

7、酶和需鈣蛋白酶（Calpain）活性升高。 DNA的片段化 蛋白質(zhì)的降解2. 細胞凋亡的生化改變典型凋亡細胞DNA瓊脂糖凝膠電泳呈現(xiàn)梯狀條帶DNA片斷化Ca 2+ /Mg 2+ 核酸內(nèi)切酶激活Zn 2+ caspase激活滅活凋亡抑制物水解活性蛋白水解結(jié)構(gòu)蛋白凋亡小體形成谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶二、 細胞凋亡的調(diào)控（一）凋亡信號細胞凋亡相關因素誘導性因素激素和生長因子失衡理化因素免疫性因素微生物學因素大量糖皮質(zhì)激素淋巴細胞凋亡射線/高溫/強酸/強堿/乙醇/抗癌藥物CTL分泌粒酶HIVCD4+細胞凋亡抑制性因素細胞因子(IL-2/NGF)激素(ACTH/睪丸酮/雌激素)金屬陽離子(Zn2+ )藥物(苯巴比

8、妥/半胱氨酸酶抑制劑)病毒EB病毒/牛痘病毒細胞凋亡相關因素美國科學雜志月球列為20世紀十大科學錯誤之一“反應?！笔录halidomide/沙立度胺/反應停 2001年諾貝爾化學獎獎金的一半授予美國科學家威廉諾爾斯與日本科學家野依良治，以表彰他們在“手性催化氫化反應”領域所作出的貢獻；獎金另一半授予美國科學家巴里夏普萊斯，以表彰他在“手性催化氧化反應”領域所取得的成就。威廉諾爾斯野依良治巴里夏普萊斯（二）細胞凋亡信號的轉(zhuǎn)導外源性途徑內(nèi)源性途徑1.死亡受體介導的凋亡通路Hengartner, M.O. 2000. Nature. 407:770.Green, D. and Kroemer, G

9、. 1998. Trends Cell Biol. 8:267.Mitochondrial PathwayDeath Receptor PathwayFasLCaspase 3DDDDFas/Apo1/CD95FADDProcaspase 8Caspase 8BIDoxidantsceramideothersBcl-2DCytochrome cdATPProcaspase 9Apaf -1dATPApaf -1Caspase 9Procaspase 3apoptosomeDNA damageCellular targets2.線粒體介導的凋亡通路(1)線粒體膜通透性轉(zhuǎn)換(permeabilit

10、y transition, PT): (2)活性氧的作用: (3)細胞內(nèi)Ca2+、pH改變: 線粒體內(nèi)、外膜之間的通透性轉(zhuǎn)換孔(permeability transition pore, PTP)開放；正常，絕大多數(shù)關閉三、線粒體損傷超微結(jié)構(gòu)基本正常，功能明顯： 線粒體內(nèi)膜通透性 跨膜電位（m） 能量合成明顯 Ca2NOIschemiaHypoxiaReactive oxygen Bcl-2線粒體PTP開放 Apaf Cty.C 電子漏Pro-caspase-9 Caspase-9Pro-caspase-3 Caspase-3AIF 蛋白質(zhì)水解CellapoptosisEndogenous n

11、uclease DNA斷裂 線粒體 m PTP開放 Apaf+Cyt.C AIFCaspase抑制劑Caspase 9活化Caspase-3活化蛋白質(zhì)水解核酸內(nèi)切酶激活DNA斷裂Bcl-2apoptosis？Ca2+氧化損傷鈣穩(wěn)態(tài)失衡線粒體損傷惡性網(wǎng)絡假說(deleterious network hypothesis)細胞凋亡 m AIF，ApafPTP open（三）細胞凋亡的執(zhí)行1. caspases是一組對底物天冬氨酸部位有特異水解作用，其活性中心富含半胱氨酸的蛋白酶（cysteine-containing aspartate-spicific protease）至少有13個成員“c”代

12、表半胱氨酸蛋白酶 aspase特異切割底物的天冬氨酸后肽鍵的能力Ced-3 （C.elegans Death Gene)ICE (Interleukin-1 converting enzyme, Caspase 1) 鼠的白細胞介素-1轉(zhuǎn)換酶同源性(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 deat

13、h induced by many stimuli.inhibit apoptosisCaspase 特點(1) 它是一種半胱氨酸蛋白酶,半胱氨酸殘基是其催化活性所必需的; (2) Caspase 在催化水解底物時,總是在天冬氨酸(Asp) 殘基的C 端裂解底物,即Asp-x 肽鍵斷裂; (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 能夠特異地水解一套蛋白底物,從而導致細胞凋亡;(5) 正常情況下,細胞內(nèi)Caspase與其抑制劑總是共存的,以免Caspase 酶原被意外激活,對正常細胞造成損傷。3.其他 谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶，?；D(zhuǎn)移，共價鍵

14、，骨架蛋白分子間交聯(lián)，凋亡小體形成凋亡相關基因Bcl-2 (B cell lymphoma/leukemia-2)主要分布于線粒體內(nèi)膜、細胞膜內(nèi)表面 、核膜及部分內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中。廣泛存在于造血細胞、上皮細胞、淋巴細胞、神經(jīng)細胞及多種瘤細胞BCL-2家族成員基因產(chǎn)物功 能BCL-2凋亡抑制劑，可和Bax及Bak結(jié)合BCL-x其L型抑制凋亡，S型促進凋亡，與Bax及Bak結(jié)合BCL-w凋亡抑制劑Bax凋亡促進劑，可與BCL-2，BCL-XL，EIB19K結(jié)合Bak凋亡促進劑，亦可作抑制劑，可與BCL-2，BCL-X和E1B19K結(jié)合MCL-1凋亡抑制劑Bad凋亡促進劑，與BCL-2和BCL-XL結(jié)合Ce

15、d-9線蟲中的凋亡抑制劑，BCL-2同源物E1B19K腺病毒凋亡抑制劑，與Bax和Bak結(jié)合 Bcl-2抑制細胞凋亡抗氧化促凋亡蛋白釋放(細胞色素C、AIF)促凋亡蛋白Bax/Bak的細胞毒作用凋亡蛋白酶(caspases)激活維持細胞鈣穩(wěn)態(tài)凋亡相關基因P53野生型P53(wtP53)誘導凋亡，突變后抑制凋亡wtP53在G1期發(fā)揮卡點功能有缺陷DNACIP表達啟動修復失敗啟動凋亡CIP-cyclin dependent kinase interacting protein-1P53 = molecular policeman?凋亡相關基因c-myc, bcl-x 促進增殖c-myc(轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因

16、子) 誘導凋亡 Bcl-XL 抑制凋亡Bcl-x Bcl-Xs 促進凋亡凋亡相關基因GF第四節(jié) 細胞凋亡與疾病一、細胞凋亡不足腫瘤 抑制凋亡基因過度表達 Bcl-2基因表達(前列腺癌、結(jié)腸癌) 促凋亡基因突變或缺失 wtP53基因突變(小細胞肺癌、非小細胞 肺癌)自身免疫病胸腺負選擇機制失調(diào)T細胞在胸腺發(fā)育過程中的正負選擇正選擇：與非已抗原-MHC抗原結(jié)合的TCR的單陽性細胞保留存活，進入外周T細胞庫負選擇：與自身抗原-MHC抗原結(jié)合的TCR的雙陽性細胞通過細胞凋亡被清除負選擇失調(diào)多發(fā)性硬化癥、胰島素依賴性糖尿病、慢性甲狀腺炎細胞凋亡不足二、細胞凋亡過度心血管疾病心肌缺血-再灌注損傷 缺血早期

17、-凋亡為主 梗死灶周邊-凋亡為主 輕度缺血-凋亡為主 發(fā)生缺血-再灌注損傷較單純?nèi)毖蛲鰢乐匦牧λソ?氧化應激/壓力、容量負荷/神經(jīng)-內(nèi)分泌失調(diào) /TNF/缺血/缺氧心肌細胞凋亡機制氧化應激：SOD可減輕受體Fas上調(diào)：FasL反應P53激活:卡點作用神經(jīng)元退行性疾病阿爾茨海默氏病(Alzheimers disease, AD) -淀粉樣蛋白/鈣超載/氧化應激/NGF神經(jīng)元凋亡帕金森氏癥(Parkinsons disease)多發(fā)性硬化癥細胞凋亡過度 Gp120糖蛋白-CD4結(jié)合 CD4+細胞凋亡 Fas基因表達HIV -感染 CD4+細胞合胞體形成 T細胞激活AICD 巨噬細胞TNF分泌HI

18、V -感染tat蛋白表達 CD4+細胞 產(chǎn)生氧自由基三、細胞凋亡不足與過度并存動脈粥樣硬化氧化型LDL血小板激活Ag高血壓內(nèi)皮細胞凋亡平滑肌細胞增殖平滑肌細胞凋亡2，神經(jīng)元退行性疾?。篈lzheimer disease, Prakinson disease.Alzheimers 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我國老年性癡呆的現(xiàn)狀：“一高三低”患病率高：589萬（世界的1/4）就診率低、診斷率低、治療率低Alzheimer disease, AD 神經(jīng)元喪失；海馬及基底核的膽堿能神經(jīng)元喪失達30%50%，累及大腦皮層AD機制：致病因素（如氧自由基）作用于神經(jīng)元，Ca2+內(nèi)流，激活有關基因，促使神經(jīng)元內(nèi)-淀粉樣蛋白含量從而導致凋亡 阿爾茨海默病(Alzheimer d