病理生理学12-细胞凋亡与疾病.ppt

细胞凋亡 apoptosis,皖南医学院病理生理教研室,apoptosis,概述,凋亡过程与调控,发生机制,凋亡与疾病,凋亡在疾病防治中的意义,apoptosis,研究历史 定义 与死亡的区别 功能,概 述,概 述,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,apoptosis,定义,概 述,Apoptosis(apo- ptosis),PCD（programmed cell death）,由体内外因素触发细胞内预存的死亡程序而导致的细胞死亡过程,apoptosis,细胞坏死,概 述,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,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。,细胞凋亡与坏死的区别,坏死 凋亡,apoptosis,概 述,1.性质,2.诱导因素,强烈刺激，随机发生,较弱刺激，非随机发生,3.生化特点,4.形态变化,5.DNA电泳,6.炎症反应,7.凋亡小体,8.基因调控,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,细胞结构全面溶解、破坏、细胞肿胀,胞膜及细胞器相对完整细胞皱缩，核固缩,弥散性降解，电泳呈均一DNA片状,DNA片段化（180-200bp），电泳呈“梯”状条带,溶酶体破裂，局部炎症反应,溶酶体相对完整，局部无炎症反应,有,病理性，非特异性,生理性或病理性，特异性,无,有,无,细胞凋亡的生理意义, 确保正常发育、生长 维持内环境稳定 发挥积极的防御功能 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,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,apoptosis,凋亡过程与调控,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,apoptosis,凋亡过程与调控,凋亡过程,+受体,cAMP Ca2+ 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,基因激活,apoptosis,凋亡过程与调控,凋亡过程,受体,cAMP Ca2+ 神经酰胺,凋亡相关基因激活,信号转导,细胞膜,细胞核,Dnase激活 Caspases激活,apoptosis,凋亡过程与调控,凋亡过程,DNase激活,Caspases激活,凋亡细胞的清除,凋亡执行,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,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：,生化特征：,胞浆内Ca2+浓度升高。 细胞内活性氧增多。 质膜通透性变大。 DNA内切酶活性被激活升高，双链DNA在核小体之间切断形成185bp为基数的有序片段。 型谷氨酰胺转移酶和需钙蛋白酶（Calpain）活性升高。,apoptosis,凋亡过程与调控,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）,细胞凋亡的生化改变,特点：cysteine-containing aspartate-specific protease（含半胱氨酸的天门冬氨酸特异水解酶）,apoptosis,凋亡过程与调控,和凋亡有关的两个酶,作用：切割染色质DNA,DNase,特点：Ca2+/Mg2+增强活性，Zn2+抑制其活性,Caspases,作用：灭活凋亡抑制物,水解蛋白质结构，形成凋亡小体,水解凋亡相关活性蛋白,使抑制凋亡因子失活，如CAD/ICAD 破坏细胞结构，如Lamina 将调节区与催化区分离，使蛋白失活，如Gelsolin,Caspase 如何杀死细胞？,Caspases家族简介,1993年Yuan从哺乳类细胞中发现第1个Ced-3同源分子，叫白细胞介素-1转换酶（Interleukin-1 Converting Enzyme，ICE），Pro-ICE含404个氨基酸，分子量45KD。在一定形式下可自身催化产生20KD和10KD二个片段，聚合形成（p20）2(p10)2杂四聚体，为活化的ICE。到1998年底为止共发现有14个Ced-3同源分子，分别定名为Caspase1-14。,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。,apoptosis,细胞凋亡的调控,凋亡的调控,凋亡相关因素 凋亡信号的转导 凋亡相关基因,apoptosis,细胞因子：IL-2，神经生长因子 某些激素 某些二价金属阳离子、药物,凋亡的调控,凋亡相关因素,诱导性因素：,激素和生长因子失衡,理化因素：高温、强酸、强碱、抗癌药物,免疫性因素,微生物学因素：细菌、病毒,抑制性因素：,凋亡程序的执行者,apoptosis,凋亡信号的转导,凋亡的调控,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,apoptosis,凋亡的调控 凋亡相关因素 凋亡信号的转导 凋亡相关基因,凋亡的调控,凋亡的调控,apoptosis,凋亡的调控,凋亡的调控,凋亡相关基因,抑制凋亡基因：Bcl-2，EIB， IAP,促进凋亡基因：wtP53，Bax，ICE,双向调控基因：c-myc，Bcl-x,一、BcL-2族分子,BcL-2:bcL-2基因是细胞凋亡研究中最受重视的癌基因之一,其表达的蛋白质BcL-2蛋白最初发现于B-淋巴细胞瘤/白血病-2（B cell lymphoma/Leukemia-2,BcL-2)而得名，与线虫ced9基因表达的Ced-9分子在结构上有同源性，具有抗凋亡作用。BcL-2的高表达能阻抑多种凋亡诱导因素所引发的细胞凋亡。如-射线、糖皮质激素、热休克、多种化疗药物。,抑制凋亡基因,BcL-2的同源基因和蛋白,其中一类呈抗凋亡作用，有BcL-2,BcL-w，BcL-XL、BFL-1、Brag-1、MCL-1，AI。 另一类呈现促凋亡作用的，有Bax，Bak, Bok，BcL-Xs，Bad, Bid, Bik，Hrk，Bim等。 BcL-2基因家族成员自身或彼此之间有形成二聚体或多聚体的能力，BcL-2家族的蛋白与蛋白相互作用调节着细胞的存活与凋亡。,BcL-2抗凋亡机制：,直接抗氧化,抑制线粒体释放促凋亡蛋白质,抑制凋亡调节蛋白的细胞毒作用,抑制凋亡蛋白酶的激活,维持细胞钙稳态,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,apoptosis,双向调控基因,凋亡的调控,C-myc是一种癌基因，是调控细胞周期的主要基因。编码的蛋白是DNA结合蛋白，调控基因转录，在GF充足时主要激活介导细胞增殖的基因；反之激活凋亡基因。,C-myc,Bcl-x,是1933年发现的一类与Bcl-2相关基因。 Bcl-xl抑制细胞凋亡。 Bcl-xs促进细胞凋亡。,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,apoptosis,发生机制,凋亡诱导因素,线粒体跨膜电位,线粒体PTP开放,Cyt.C,Apaf,等释放,AIF,潜在Dnase,活化Dnase,激活Caspases,细胞凋亡,线粒体损伤,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.c AIF-(+)DNase Apaf 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),Mitochondria in Apoptosis,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 凋亡特点：早期凋亡为主，晚期坏死为主 梗死灶中央以坏死为主，周边凋亡为主 慢性、轻度缺血以凋亡为主，急性、重度缺血则常常发生坏死 IR引起的细胞凋亡有时比单纯缺血更严重,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 机制： -淀粉样蛋白基因位于21号染色体，当钙超载、氧化应激或神经生长因子分泌不足时， Ca2内流增加，激活与-淀粉样蛋白合成有关的基因，使-淀粉样蛋白含量增加，沉积于神经元内，进一步激活周围的M释放细胞因子和炎性介质促进凋亡的发生,病毒感染 病毒感染宿主细胞后有两种结局： 一是诱导细胞 凋亡从而限制病毒生长（肝炎病毒）； 二是由病毒基因表达的蛋白抑制宿主细胞凋亡，造成持续性感染或增加某些病毒的致癌可能性。 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。,HIV感染导致CD4+淋巴细胞发生凋亡的相关因素： 1）HIV的基因产物GP120能直接启动CD4+淋巴细胞的死亡程序 2）合胞体形成： 3）Fas基因表达上调 4）T细胞激活 激活诱导的细胞死亡