课件：内质网路径细胞凋亡相关因子朱秋霞.ppt

内质网路径细胞凋亡相关因子,93K7B 朱秋霞 指导教师：石玉秀,内质网是细胞内蛋白质合成的主要场所同时也是Ca2+的主要储存库。内质网在维持细胞内钙离子的稳定以及膜蛋白的合成、修饰和折叠等方面都发挥关键性作用。内质网相关细胞凋亡是不同于受体介导或线粒体介导DNA 损伤的另一种新的细胞凋亡途径，内质网腔内 未折叠蛋白增多或钙 失衡,引起内质网 应激反应信号。,内质网和细胞凋亡,(一 ) 内质网应激引起的细胞凋亡 (二 ) 内质网钙离子信号与细胞凋亡 (三 ) 内质网上 BCL- 2家族参与细胞凋亡,一、 内质网和细胞凋亡,(一 ) 内质网应激引起的细胞凋亡 当机体细胞受到缺氧、饥饿、钙代谢紊乱、自由基侵袭及药物等应激原的刺激时,内质网腔内未折叠蛋白增多或钙失衡，可引发内质网应激(endoplasmic reticulum stress，ERS)，细胞对内质网应激会产生未叠蛋白反应(unfolded protein response，UPR)和内质网超载反应(ER ovedoad response，EOR)来降低蛋白质的合成，促进蛋白质的正确折叠，但同时过度的应激也激活了相应的凋亡分子。,1.1未叠蛋白反应(unfolded protein response，UPR) 和细胞凋亡 UPR是由一个内质网分子伴侣GRP78BIP和3个ER应激感受蛋白所介导的，分别是PERK(PKR-like ER kinase)，ATF6(activating transcription factor 6)和IRE-1(inositol-requiring enzyme 1) 。无ERs时，PERK、ATF6、IRE-1分别与分子伴侣GRP78BIP结合，处于无活性状态，ERs存在时，未折叠蛋白在内质网内堆积使GRP78BIP从3种跨膜蛋白上解离，转而去结合未折叠蛋白。解离后的感受蛋白被活化并启动UPR，UPR可以保护由ERs所引起的细胞损伤，恢复细胞功能，包括暂停早期蛋白质合成、内质网分子伴侣和折叠酶的转录激活、内质网相关性降解(ER-associated degmdation)，促进内质网对蓄积在内的错误折叠或未折叠蛋白质的处理，有利于维持细胞的正常功能并使之存活。,PERK、ATF6以及IRE-l信号不仅能够启动ERS的生存途径，严重或长时间的ERs损伤了ER的功能时，这3个信号通路同样能够启动由ERs所介导的凋亡信号通路，诱导细胞凋亡，以去除受损伤的细胞目前认为，ERS可能通过下列途径诱导凋亡：CCAAT增强子结合蛋白同源蛋白(CCAATenhancer-binding protein- homologous protein,CHOP) GADD153 (growth arrest/DNA damage-inducible protein 153)基因的激活转录；C-Jun氨基酸末端激酶(C-Jun N-terminal kinase，JNK) 的激活通路；ER特有的Caspase-12的激活。,1.1.1 CHOPGADD153基因的激活转录:,CHOPGADD153内质网应激特异的转录因子,CHOP属于转录因子 CCAAT增强子结合蛋白（C/EBP）家族，常与该家族的其他成员形成二聚体，正常情况下，CHOP几乎无表 达。ERS时，IRE1 、PERK和 ATF-6的活化均能促进 CHOP的大量产生。内质网应激反应时，跨膜蛋白IRE1 和ATF-6活化，其胞浆部份进入核内， 与ERS反应元件(ER stress response element，ERSE)结合，启动 CHOP转录与表达，继而促进凋亡。PERK/elF2下游的转录因子ATF4可与CHOP启动子上的AARE 域结合，也诱导CHOP的表达 ,而且 , PERK/elF2/ATF4是 CHOP表达所必需的。McCullough 等证实CHOP表达的增加下调抗凋亡蛋白Bcl-2的表达,减少细胞内的谷胱甘肽和促进反应性氧中介物(ROIs)的生成, 从而引起细胞凋亡。,1.1.2 C-Jun氨基酸末端激酶的激活通路:,应激条件下,活化的IRE1招募C-JUN氨基末端激酶(C-Jun N-terminal kinase,JNK)和肿瘤坏死因子受体相关因子2TRAF2(TNF receptor-associated factor2，TRAF2)，TRAF2 激活细胞凋亡信号激酶1 (apoptosis signal regulating kinase1,ASK1),并形IRE-1/TRAF2/ASK1 三聚体,随后激活JNK,诱导细胞凋亡。,1.1.3 Caspase -12的激活：,Caspase-12定位于内质网胞质面上,以前体形式存在,仅在ERS刺激下活化,发生自内质网向胞质的移位,对非内质网凋亡刺激均无反应。,内质网应激时, caspase-12可以通过下列几种途径被激活:一. IRE1和肿瘤坏死因子受体相关因子2 (tumor necrosis factor receptor-associated factor-2,TRAF2)形成复合物, 导TRAF2 从其与Caspase-12 前体形成的复合物上解离,激活caspase-12。二. Ca依赖的calpain活化：钙调蛋白分解酶(calpain)是一种Ca2 +依赖性的半胱氨酸蛋白酶。当Ca2 + 从内质网中被释放入细胞质后会激活内质网附近的calpain,它可以作用于caspase-12使之活化并释放入细胞质三.caspase-7 ER转位：ERs引起caspase-7移位至内质网表面，与caspase-12形成复合物并切割procaspase-12，破坏了膜与caspase-12的联系，使之活化并释放于细胞质Caspase-12激活后, caspase-12通过激活其下游的caspase-9,接着激活细胞凋亡的执行分子caspase-3,而导致细胞的凋亡。,最近有研究表明caspase-4也参与内质网应激所致的细胞凋亡应,caspase-4与caspase-l2高度同源，主要位于人类内质网中，其作用类似于caspase-l2。,12 内质网超载反应(ER ovedoad response，EOR)引起的细胞凋亡,未叠蛋白反(unfolded protein response，UPR)可以促进蛋白质的正确折叠，正确折叠的蛋白在ER过度蓄积则通过激活核因子(NF)-B而引发EOR。EOR是一个相对独立的转导信号通路，ERS时，大量膜蛋白在ER沉积，B激酶抑制剂(inhibitor ofB kinase,IKK)被激活，引起B抑制剂的降解从而激活NF-B。NF-B是一种转录因子,尽管也有报道认为其激活了超氧化物歧化酶,凋亡抑制剂( inhibitor of apoptosis, IAP)和Bcl-xL 家族从而具有抗凋亡的作用,但却上调了凋亡基因如TRAL-1 和TRAL-2 ( tumor necrosis factor-related apoptosis ligand-1 and -2)死亡受体 ,从而导致细胞凋亡。,内质网应激机制图,2019/8/24,14,可编辑,(二 ) 内质网钙离子信号与细胞凋亡,内质网是细胞内蛋白质合成、翻译后修饰、折叠的主要场所,同时也是钙储备和钙信号转导的主要部位,当前研究认为细胞内的钙稳态主要是通过内质网来保持的。内质网钙流动的机制主要有:钙诱导的钙释放主要通过ryanodine(RyR)受体 ,激活代谢受体通过三磷酸肌醇诱导的钙释放(主要通过三磷酸肌醇受体IP3R)和通过肌浆网钙泵的钙摄取。通过以上调控,共同维持内质网内钙离子的动态平衡。,内质网钙流动机制图,2. 1 Ca2+与内质网应激途径的凋亡,病毒感染、组织缺氧、缺血和生长因子剥夺等都可能引起内质网上钙离子通道的改变,从而造成内质网腔内钙稳态的改变,出现钙剥夺或钙超载从而影响内质网的功能,破坏蛋白质合成、翻译和折叠,从而产生未叠和错叠蛋白,内质网处理不了过多的未叠和错叠蛋白就会产生内质网应激(ER stress) 。内质网应激可以激活凋亡通路。,2. 2 Ca2+与内质网相关的凋亡,当Ca2+从内质网中被释放入细胞质后会激活内质网附近的钙调蛋白分解酶(calpain),它可以作用于caspase-12使之活化并释放入细胞质，诱发细胞凋亡。 钙离子是联系内质网和线粒体功能的关键环节。当内质网应激发生大量钙离子释放时,线粒体由于其膜电势梯度摄取钙离子,而线粒体的钙超载是已知重要的凋亡因素。此外，从内质网内释放的Ca2 +可以通过激活Ca2+/钙联蛋白调节的钙调神经磷酸酶(calcineurin),使得前凋亡蛋白Bad去磷酸化,并使Bad与其抑制蛋白解离,然后转移到线粒体进而激发细胞色素C的释放,从而导致细胞的凋亡。 参与Ca2+与内质网有关的凋亡过程的分子还有很多,但最终的结果都是细胞凋亡的产生。,(三 ) 内质网上 BCL-2家族参与细胞凋亡,Bcl-2家族成员参与内质网凋亡与抗凋亡过程,根据结构和功能可分为三类:1)具有抗凋亡作用的Bcl-2, Bcl-XL等;2)感受触发凋亡的BH3单结构域成员主要位于线粒体上,但Bik,Bim和Noxa等单结构域成员在内质网上也存在;3)多结构域成员Bax和Bak也在内质网上被发现。 内质网上Bcl-2 家族中抑凋亡的蛋白则可以调节网腔中游离Ca2+浓度,使胞质中的Ca2+维持在合适的浓度水平,进而起到抗凋亡的作用。 非应激时，位于内质网膜上的促凋亡蛋白Bax和Bak与抗凋亡蛋白Bcl-2结合而处于无活性状态ER应激激活CHOP蛋白和JNK激酶二者均可以削弱Bcl-2的抗凋亡功能从而诱导ER膜上Bax和Bak构象变化并寡聚化最终导致ER膜完整性的破坏和Ca的外流。,二内质网凋亡与神经系统疾病,内质网凭借着其庞大的膜结构基础,既可以通过特有的Ire-1、Caspase-12、钙离子等独立引发凋亡,也可以通过与线粒体等细胞器相互交通共同调节细胞凋亡,在多种疾病的发生发展中起作用。文献报道内质网应激与心血管系统疾病如动脉粥样硬化、心力衰竭的发展及糖尿病、肝病等的发生。而在某些神经系统疾病的发生发展中内质网也发挥着总要的作用。,2.1 阿尔茨海默病(Alzheimers disease，AD),阿尔茨海默病(Alzheimers disease，AD)是一种常见的神经系统变性疾病，其标志性病理变化是神经元和突触的丧失，细胞外神经突斑(老年斑)形成其中含有-淀粉样多肽或蛋白、变性的神经元成分。淀粉样-蛋白(A)的聚集被认为是AD发病机制的核心，而内质网固有蛋白早老素控制-淀粉样多肽的合成。早老素基因突变是家族性阿尔茨海默病的重要特征,早老素的异常表达不仅可导致细胞对Ca2+浓度的紊乱、氧化应激、缺氧等凋亡刺激的易感性增加，并且对ER应激的易感性也增加，并下调Grp78,参与早期阿尔茨海默病的发生。,2.2 帕金森病( Pakinsons disease, PD ),年龄的老化、遗传和环境因素是发病的主要病因, 这些因素导致胞浆内-突触核蛋白-synuclein的错误折叠和聚集, 使得内质网应激以帮助未叠和错叠蛋白正确折叠减少不溶的-synuclein 的产生，而过度应激而引起多巴胺能神经元的凋亡，引发帕金森病的发生。,2.3 Huntnington病与Prion 病,HD 是一种常染色体显性并完全外显形式遗传由(CAG)n片断扩增引起。HD基因编码一个很大含有多谷胺酸片断的蛋白，HD蛋白的聚集可引起氧化应激、ERS及线粒体功能障碍最终导致细胞死亡。近来有人发现,Huntingtin的基因突变影响细胞内钙的代谢并使ER膜上的IP3 受体致敏。 Prion病即传播性海绵状脑病(transmissible spongiform encephalopathy, TSE) 其病理特征是由于基因突变使错误折叠的和抵抗蛋白酶体的阮病毒蛋白聚集在大脑。在TSE脑组织中胶质反应增加、神经元出现广泛凋亡、脑组织出现海绵样变性。最近有研究表明,ER应激可削弱阮病毒蛋白合成后的ER易位(translocation)和修饰,使胞质中未修饰的阮病毒蛋白聚集,从而增加了阮病毒蛋白的细胞毒性。,2.4缺血性脑损伤,缺血很容易造成内质网损伤,尤其是在再灌注损伤时。严重脑缺血导致的缺血缺氧、葡萄糖/营养物质缺乏、ATP耗竭、自由基蓄积及Ca2+稳态破坏等都可能引起内质网功能障碍,触发ERS，最终导致细胞凋亡。短暂性脑缺血可导致caspa