病理生理学网络课件第9章细胞凋亡和疾病课件文档资料.ppt

apoptosis,概述凋亡过程与调控发生机制凋亡与疾病,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,一种是早被熟知的细胞坏死（Necrosis），另一种是创新提出的程序性细胞死亡（Programmed cell death,PCD）学说。但该学说到九十年代初才进入研究高潮，进展极快，现在普遍称之为细胞凋亡（Apoptosis）。,apoptosis,概 述,细胞凋亡：,（cell apoptosis）细胞凋亡是细胞在体内外因素诱导下（一定的生理或病理条件），由基因严格调控而发生的自主性细胞有序死亡。（遵循自身的程序，自己结束其生命的过程，最后细胞脱离体或裂解为若干凋亡小体，被其他细胞吞噬。）,程序性细胞死亡,（programmed cell death,PCD）是一个由基因调控的主动而有序的细胞自我消亡过程，它是指一连串的不伴有炎症反应的细胞变化，最终导致细胞死亡。多指发育中某些限定点发生的细胞死亡。,细胞凋亡与程序性细胞死亡,意义大致相同，比较说来程序性细胞死亡侧重于功能描述；细胞凋亡偏重于病理形态描述。,细胞坏死,(necrosis)指由于某些外界因素（如局部缺血、高热、物理和化学损伤或生物的侵袭等），导致细胞急速死亡，一般伴有炎症反应。,一般过程：因补体反应或烈性病毒感染破坏了质膜，或者能量依赖性离子泵被破坏产生的钠钾等离子沿着各自的浓度梯度进入细胞，从而导致细胞吸水膨胀，最终破膜而死。,细胞凋亡与细胞坏死是多细胞生物细胞死亡的两种不同形式，在形态学、生化代谢、分子机制、结局和意义等方面都有本质的区别。,细胞坏死特征：线粒体膨胀，细胞骨架降解，溶酶体释放酶，细胞核内染色质沉淀靠近核膜边，蛋白质合成下降，由于膜破裂，出现炎症反应,细胞凋亡与坏死的区别,细胞坏死 细胞凋亡诱导因素 强烈刺激,随机发生 较强烈刺激,非随机发生生化特点 被动过程,无新蛋白合成,不耗能 主动过程,有新蛋白合成,耗能细胞形状 破裂成碎片 形成凋亡小体形态变化 细胞肿胀,破碎 保持完整,细胞皱缩染色质(核)稀疏,分散,无边集 致密,固缩,边集或中集DNA电泳 碎片,无序,呈弥漫条带 呈梯状条带(180-200bp的倍数)炎症反应 有 无基因调控 无 有潜伏期 无 数小时,凋亡意义,1.确保正常发育生长：清除多余的细胞2.维持内环境稳定：清除受损、突变、衰老的细胞3.积极防御功能：限制病毒感染的细胞复制,所以细胞凋亡是正常的生理过程，但是凋亡过多或过少都可引起疾病发生。因此，近年来对于细胞凋亡的研究，已成为医学界的关注热点。,apoptosis,概述凋亡过程与调控发生机制凋亡与疾病,apoptosis,凋亡过程与调控,凋亡过程,凋亡时细胞的主要变化,凋亡的调控,凋亡过程与调控,apoptosis,凋亡过程与调控,一、凋亡过程可大致分成4个阶段：,凋亡信号转导,凋亡基因激活,凋亡的执行,凋亡细胞的清除,细胞凋亡的过程,1 凋亡信号转导：启动信号Ca2+、cAMP、神经酰胺 2 凋亡基因激活：表达酶类和其他物质3 细胞凋亡的执行：核酸内切酶(DNase)和Caspases4 凋亡细胞的清除：被临近的M或其他细胞吞噬分解,apoptosis,凋亡过程与调控,凋亡过程,+受体,cAMPCa2+神经酰胺,凋亡诱导因素,死亡信号,凋亡相关基因激活,DNase激活Caspases激活,巨噬细胞吞噬分解凋亡细胞,信号转导,基因激活,执行凋亡,apoptosis,生化改变,凋亡过程与调控,凋亡时细胞的主要变化,形态学改变,形态学改变 胞膜空泡化 固缩 出芽 染色质边集,脱接触,凋亡小体,apoptosis,凋亡时细胞的形态学改变,凋亡过程与调控,空泡化,固缩,出芽,边集,凋亡小体,形态学特征：,（一）形态学改变（二）生化改变,1DNA的片段化2内源性核酸内切酶激活及其作用3.Caspases的激活及作用,细胞凋亡的生化改变,apoptosis,凋亡过程与调控,DNA的片段化断裂 蛋白质的降解,典型凋亡细胞DNA琼脂糖凝胶电泳（呈现梯状条带）,内源性核酸内切酶激活及其作用 由一系列胞内信号转导环节激活，执行染色质DNA切割，受Ca，Mg，Zn调节。特点：Ca2+/Mg2+增强活性，Zn2+抑制 其活性,DNA的片段化：梯状条带形成,180200bp或其整数倍，判断调亡的客观指标之一,凋亡蛋白酶（caspases）的激活及其作用,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）有14个成员 起始凋亡蛋白酶 效应凋亡蛋白酶 与炎症有关的凋亡蛋白酶,（Cysteine 半胱氨酸、Aspartate 天冬氨酸）,第一个被发现的caspase 是 caspase-1,即哺乳类的ICE(1992,1993),后来证明ICE与炎症有关而在细胞的死亡中没有明显作用。线虫的 CDE-3和ICE有一定的同源性。,apoptosis,凋亡过程与调控,Caspases的活化与级联反应,Caspases的分子的结构特征,Caspases的分子均具有下列的结构特征：以无活性的Pro-Caspases形式存在。在Pro-Caspases的N端均含有一段P2-P27的前 区域（Prodomain）。活性形式均是由2个大亚基（1720KD）和2个小亚基（1012KD）组成的杂四聚体。一分子Pro-Caspase只能分裂产生1个大亚基和1个小亚基。在大亚基的C端均含有QACXG（X=R.Q或G）的活性中心，其中半胱氨酸（C）是必需氨基酸，故 Caspase是属于半胱氨酸蛋白酶类。,Caspase的分组,Caspase的分组有的是按其催化特异性而分为三组有的是按其前区域中共含某一具有嗜同性结合功能的区段分为：1.CARD-Caspase:包括Caspase1,2,4,5,9,11,12,13等。2.DED-Caspases 包括Caspase-8,10等。3.下游Caspase 包括Caspase-3,6,7等。,灭活细胞凋亡的抑制物:如Bcl-2 水解蛋白质结构，细胞解体，形成凋亡小体 在凋亡级联反应中水解相关活性蛋白：使其获得或丧失功能,caspases功能,apoptosis,细胞凋亡的调控,凋亡的调控,一、细胞凋亡的相关因素二、细胞凋亡的信号转导三、细胞凋亡的相关基因,一、凋亡相关因素,1.凋亡诱导因素:细胞凋亡程序的启动者(1)激素与生长因子失衡(2)理化因素(3)免疫性因素(4)微生物性因素:如人类爱滋病病毒感染,可致大量CD+4T淋巴细胞凋亡,使爱滋病病人相关免疫功能低下,容易得肿瘤和机会性感染(5)其他：缺血、缺氧,2.抑制性因素(1)细胞因子:如IL-2,神经生长因子(2)激素:如ACTH,睾丸酮,雌激素等(3)Zn2+(4)药物:苯巴比妥,半胱氨酸蛋白酶抑制剂(5)病毒:如EB病毒,牛痘病毒等,二、主要信号传导通路,特点：多样性：不同种类细胞有不同的信号转导系统偶联性：死亡信号转导系统与细胞增殖、分化过程 中的信号转导系统在一些环节上交叉、偶联同一性：不同凋亡诱导因素可通过同一信号转导系 统引起细胞凋亡多途性：同一凋亡诱导因素可经过多条信号途径触 发细胞凋亡,凋亡信号的转导,与凋亡有关的信号转导系统：1.胞内Ca2+信号系统 Ca2+在细胞凋亡中充当了传递凋亡信号的角色；胞内Ca2+浓度上升可激活Ca2+依赖的谷氨酰胺酶，活化核转录因子等触发细胞凋亡。2.cAMP/PKA信号系统3.Fas蛋白/Fas配体信号系统,Fas配体或抗Fas抗体与Fas蛋白结合,神经鞘磷脂酶活性,神经酰胺途径诱导细胞凋亡,激活ICE样的caspase,降解H1组蛋白暴露DNase的酶切位点,通过Ca2+信号系统传递死亡信号,3.Fas蛋白/Fas配体信号系统,4.神经酰胺信号系统 电离辐射、TNF-、Fas抗原、糖皮质激素5.二酰甘油/PKC信号系统6.酪氨酸蛋白激酶信号系统 负调控作用,三、凋亡相关基因,细胞凋亡时,常伴有某些基因及相应的大分子物质表达的变化,这些基因称为调亡相关基因。这些基因呈高表达可诱导或阻止细胞凋亡.1.杀手基因:Fas,Bax,ICE,P53等 2.存活基因:E1B,1AP,BCL-2等 3.双向调控基因:c-myc,Bclx等,Bcl-2-B cell lymphoma/leukemia-2（B淋巴细胞瘤/白血病-2）为B细胞淋巴瘤/白血病-2基因的缩写形式,是高等动物中第一个被确认的存活基因.作用:阻断多种凋亡诱导因素的作用,抑制所有凋亡特征的出现,Bcl-2抗凋亡机制:直接的抗氧化 抑制线粒体释放促凋亡的蛋白质 抑制促凋亡的Bax，Bak细胞毒作用 抑制Caspases激活 维持细胞钙稳态 意义:Bcl-2呈高表达可明显降低肿瘤细胞对射线.自由基和化学药物的敏感性,Bcl-2阳性细胞超过 20%者,预后不良.,Fas,细胞表面受体，跨膜蛋白，伸向胞浆部一段与TNF受体相似（高度同源）机制：(1)Fas抗原作为细胞表面受体,其天然配基可能就是某种凋亡信号;(2)阻断生长因子的作用.,P53基因,wtP53修复受损的DNA，如修复失败则诱导细胞凋亡,突变的P53,失活的P53,丧失监视DNA损伤的功能,射线，毒素,P53蛋白,+,细胞凋亡,分子警察,促进凋亡基因,c-myc,c-myc基因是一种癌基因,其编码的C-myc蛋白是重要的转录调节因子.作用:能诱导细胞增殖,也能诱导细胞凋亡.机制:取决于(1)细胞接受了哪种信息;(2)细胞所处的生存环境,Bcl-x,可翻译出两种蛋白质:Bcl-XL,Bcl-Xs.Bcl-XL:抑制细胞凋亡.Bcl-Xs:促进细胞凋亡机制:取决于哪种蛋白占优势.,apoptosis,概述凋亡过程与调控发生机制凋亡与疾病,氧化损伤1.氧化应激（oxidative stress）的概念-指机体活性氧产生过多或抗氧化能力下降，活性氧的清除不足，导致活性氧在体内积聚并引起氧化损伤的病理过程。氧化损伤的后果之一就是诱导凋亡。2.氧化应激引起细胞凋亡的可能机制：DNA受损激活P53基因 膜通透性 Ca内流 DNase 生物膜损伤 m 脂质过氧化产物 多聚ADP核糖合成酶活化，NAD耗竭，ATP大量消耗 可活化NF-kB、AP-1，加速细胞凋亡相关的一些基因表达,钙稳态失衡 Ca2作为许多细胞生命活动的第二信使，在细胞凋亡中的作用也倍受关注，凋亡发生时胞浆中Ca2，并激活凋亡过程中的关键酶类，其诱导细胞凋亡的机制为：激活Ca2/Mg2 依赖的DNase 激活谷氨酰胺转移酶（GTase），促进凋亡细 胞中蛋白广泛交联，有利于凋亡小体的形成 激活Ca2 敏感的蛋白酶 核骨架蛋白酶 核基质蛋白 丝氨酸蛋白酶 膜蛋白 激活核转录因子，加速促凋亡基因的转录,线粒体损伤 目前证据显示，线粒体的功能改变在细胞凋亡 的发生中起重要作用表现为 线粒体内膜通透性 线粒体内膜的跨膜电位m 能量合成水平线粒体功能和结构破坏引起细胞凋亡的可能机制：凋亡诱导因素作用于细胞后 线粒体内膜跨膜电位（m）下降，线粒体内外膜之间的通透性转换孔PTP开放；使细胞凋亡启动因子（Cyt.C）,凋亡蛋白酶激活因子（Apaf）和凋亡诱导因子（AIF）释放,1.线粒体内的凋亡因子在线粒体内外的腔隙中含有许多涉及细胞凋亡的因子，包括其中特有cyt.c、AIF，以及与胞浆共有的Pro-Caspase-2、3、7、9，很多内外因素损伤线粒体膜的完整性，促使线粒体释放这些凋亡因子，即可诱导细胞凋亡。cyt.cAIF-(+)DNaseApaf Apaf-1 与Ced-4同源 Apaf-2与cyt.c同源 Apaf-3与Pro-Caspase-9同源,2.线粒体膜通透性转变的影响因素BcL-2基因家族 阻止线粒体膜通透性改变PKC-Ca2+促进线粒体膜通透性改变线粒体老化3.线粒体跨膜电位（m）下降与细胞凋亡以上介绍了细胞凋亡的发生机制 氧化损伤、钙稳态失衡、线粒体损伤。三者既可单独启动，又可联合作用，三种机制互相联系，互为因果，是很多凋亡诱导因素的共同通路，也就是所谓细胞凋亡的恶性网络假说（deleterious network hypothesis),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,m,AIF，Apaf,PTP open,细胞凋亡,apoptosis,概述凋亡过程与调控发生机制凋亡与疾病,apoptosis,细胞凋亡与疾病的关系 该“死”的细胞不死，不该“死”的细胞却死了，也就是说无论凋亡过度或凋亡不足都可以导致疾病的发生。细胞凋亡不足：肿瘤，自身免疫病，细胞凋亡过度：心肌缺血，心力衰竭，神经元 退行性疾病，病毒感染不足与过度并存：动脉粥样硬化,凋亡与疾病,细胞凋亡不足肿瘤：凋亡抑制基因Bcl-2基因过高表达-凋亡衰减（前列 腺癌）促凋亡基因如p53基因突变或缺失，肿瘤发生率自身免疫病 自身抗原受到自身抗体或致敏T淋巴细胞的攻击而损伤 T、B淋巴细胞通过正选择和负选择才能发育、分化成熟 负选择：凋亡清除针对自身组织抗原和TCR的双阳性细胞 正选择：保留能够识别自身组织抗原的T细胞，并增殖成熟,如果负选择机制失调，针对自身组织抗原的T细胞存活、增殖，产生自身免疫病。,细胞凋亡过度 心血管疾病 心力衰竭 心肌缺血与再灌注损伤 坏死与凋亡共存 发生机制：氧化应激；细胞内钙超载；Fas受体上调；p53基因转录增强,神经元退行性疾病 特定神经元进行性丧失为病理特征的疾病阿尔茨海默病（Alzheimer disease AD）AD主要是由于海马及基底神经核的胆碱能神经元大量丧失,病理切片上可见-淀粉样蛋白沉积和神经元缠结,病毒感染AIDS:由HIV感染引起，其关键是CD4+淋巴细胞被破坏，导致CD4+淋巴细胞显著减少，相关免疫功能缺陷。CD4+淋巴细胞与HIV感染者病情发生发展有密切关系，它决定感染者是否发病和发病的速度和严重程度。,细胞凋亡不足与过度并存,由于细胞类型的差异，各种细胞在致病因子作用下，有些可表现为凋亡不足，而另一些细胞可表现为凋亡过度，因此同一疾病或病理过程中两种情况也可同时存在。例如：动脉粥样硬化（atherosclerosis,AS）,AS 血管内皮细胞凋亡过度而血管平滑肌细胞凋亡不足 血脂（oxLDL）血流动力学改变 动脉内膜功能受损 血管内皮解剖性损伤单核C粘附、移行内膜下 内皮下胶原暴露 吞噬LDL成为泡沫C 血小板激活 释放GF（PDGF、FGF、TGF-、EGF）刺激平滑肌C、成纤维C增生 刺激结缔组织形成、抑制平 滑肌C增生,细胞凋亡在疾病防治中的意义 细胞凋亡是一个程序化过程，可以通过不同的手段在不同的阶段进行干预而治疗疾病 合理利用凋亡相关因素1.诱导靶细胞凋亡 放疗、化疗 高热、高温2.减少细胞凋亡 NGF 老年性痴呆、促生长因子 抗氧化剂,抑制Bcl-2抗凋亡作用促进促凋亡基因作用，如：ICE引发氧化应激，增强P53促凋亡作用,2 干预凋亡信号转导,FAS/FASL信号系统：阿霉素刺激SPP（神经酰胺信号系统的代谢产物）：转导增殖信号，拮抗凋亡AIDS，AD,3.调节凋亡相关基因,野生型p53基因转染,4 控制凋亡相关的酶,核酸内切酶：Ca 2+/Mg 2+依赖性Ca 2+Mg 2+激活；Zn 2+抑制Caspases:Ca2+直接或间接激活,5 防止线粒体跨膜电位的下降,环胞霉素A(cyclosporinA,免疫抑制剂）阻抑 m，其衍生物无免疫抑制作用，但有稳定 m,熟练掌握细胞凋亡的概念、凋亡时细胞的形态学改变及生化改变;掌握细胞凋亡的过程，线粒体损伤在细胞凋亡中的作用；了解细胞凋亡的调控、发生机制;理解细胞凋亡与疾病的关系。,本章目的要求,复习思考题,名词解释 1细胞凋亡（apoptosis）2凋亡蛋白酶（caspases）3.分子警察（molecular policeman),问答题 1.试述细胞凋亡的细胞坏死的概念，差别以及病理生理意 2.试述细胞凋亡过程中细胞的主要 形态学和生物化学变化 3.试述线立体启动子的功能和生物 学意义 4.试述氧化应激引起细胞凋亡的可 能机制,5.试述内源性核酸内切酶和凋亡蛋白酶的 种类，理化特性以及生物学意义 6.试述凋亡相关基因在细胞凋亡过程中 的作用 7.试述线粒体通路及死亡受体通路在细 胞凋亡过程中的作用及其联系 8.试述细胞凋亡在疾病防治中的意义,参考文献,1.Friedlander RM.Apoptosis and caspases in neurodegenerative disease.N Engl J Med,2003,Apr,3;348(14):13651367 2.Bennett MR.Apoptosis in the cardiovascular system.Heart,2002,May；87(5):480487 3.Proskuryakov SY,Gabai VL,Konoplyannikov AG,Zamulaeva IA,Kolesnikova AI.Immunology of apoptosis and necrosis.Biochemistry(Mosc).2005 Dec;70(12):1310-20.Review.4.Malhi H,Gores GJ,Lemasters JJ.Apoptosis and necrosis in the liver:a tale of two deaths?Hepatology.2006 Feb;43(2 Suppl 1):S31-44.Review.5.Liu S,Seidel-Dugan C.In search of p53 target genes for the therapeutic 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