病理生理學(xué) 09 細(xì)胞凋亡與疾病

細(xì)胞凋亡與疾病醫(yī)學(xué)院生理與病理生理學(xué)系

12023/3/31內(nèi)容第一節(jié)：概述第二節(jié)：細(xì)胞凋亡的形態(tài)及生化改變第三節(jié)：細(xì)胞凋亡發(fā)生途徑與調(diào)控第四節(jié)：細(xì)胞凋亡異常與疾病22023/3/31

第一節(jié)

概述32023/3/31增殖分化凋亡胚胎發(fā)育和機(jī)體的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)細(xì)胞數(shù)量和質(zhì)量的控制42023/3/31阿伯丁大學(xué)的希臘語系教授提出apoptosis這個(gè)希臘字眼。于是，凋亡這個(gè)詞從此登上了生物學(xué)語言的歷史舞臺(tái)。

1965年洛克辛（Lockshin）和威廉姆斯（Williams）提出發(fā)育調(diào)節(jié)性死亡（developmentregulateddeath）。1972年英國(guó)阿伯丁（Aberdeen）大學(xué)的病理學(xué)家克瑞（Kerr）發(fā)表了他在小鼠肝臟中發(fā)現(xiàn)的與壞死有本質(zhì)區(qū)別的細(xì)胞死亡方式，他將之命名為漸進(jìn)性壞死（necrobiosis）。

凋亡（apoptosis）的由來及研究簡(jiǎn)史52023/3/31apoptosis凋亡(from)apoptosis(fall)απτωστσαποπτωστσ62023/3/31ApoptosispublicationsperyearNumberofpublications72023/3/31●2002諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予了在器官發(fā)育和程序性細(xì)胞死亡研究領(lǐng)域中做出奠基性貢獻(xiàn)的3位科學(xué)家:Johnsulston,RobertHorvitz,Sydneybrenner

●創(chuàng)造性地用線蟲作為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?實(shí)現(xiàn)了對(duì)器官發(fā)育過程中細(xì)胞分裂、分化的原位觀察,完成了細(xì)胞圖譜的繪制●發(fā)現(xiàn)調(diào)控器官發(fā)育程序性細(xì)胞死亡的關(guān)鍵基因及其功能并進(jìn)一步在高等哺乳動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)了相關(guān)功能基因SydneybrennerJohnsulstonRobertHorvitz82023/3/31雌雄同體的秀麗新小桿線蟲(C.elegans)92023/3/31模式生物（animalmodel）

C.

elegans:1090cellscaenorhabditiselegans

deathgene(CED)102023/3/31細(xì)胞死亡的形式

壞死(necrosis)

凋亡(apoptosis)自噬(autophagy)副凋亡(paraptosis)

脹亡(oncosis)

……112023/3/31真核生物細(xì)胞內(nèi)自噬(autophagy)的過程122023/3/31壞死(necrosis)

：由于某些外界因素導(dǎo)致細(xì)胞急速的病理性死亡。細(xì)胞凋亡（apoptosis)：由體內(nèi)外因素觸發(fā)細(xì)胞內(nèi)預(yù)存的死亡程序而導(dǎo)致的細(xì)胞死亡過程。necrosis=細(xì)胞意外性死亡apoptosis=細(xì)胞自發(fā)性死亡132023/3/31

細(xì)胞凋亡（apoptosis）又稱程序性細(xì)胞死亡（programmedcelldeath），是通過基因調(diào)控而出現(xiàn)的主動(dòng)、有序的細(xì)胞生理性消亡過程。142023/3/31區(qū)別壞死凋亡性質(zhì)病理性，非特異性生理性或病理性，特異性誘導(dǎo)因素強(qiáng)烈刺激，隨機(jī)發(fā)生較弱刺激，非隨機(jī)發(fā)生基因調(diào)控?zé)o有DNA電泳彌散性降解，電泳成均一DNA片狀DNA片段化，電泳呈梯狀條帶形態(tài)變化細(xì)胞結(jié)構(gòu)全面溶解，破壞、細(xì)胞腫脹細(xì)胞膜及細(xì)胞器相對(duì)完整細(xì)胞皺縮，核固縮炎癥反應(yīng)溶酶體破裂，局部炎癥反應(yīng)溶酶體相對(duì)完整，局部無炎癥反應(yīng)凋亡小體無有生化特點(diǎn)被動(dòng)過程，無新蛋白合成，不耗能主動(dòng)過程，新蛋白合成，耗能152023/3/31

1、確保組織器官正常發(fā)育、生長(zhǎng)

2、維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定

3、發(fā)揮積極的防御功能凋亡的生理學(xué)意義對(duì)于一個(gè)8-14歲的兒童來說，平均每天有200-300億個(gè)細(xì)胞發(fā)生凋亡。162023/3/31凋亡在小鼠腳趾形成中的作用172023/3/31蝌蚪向蛙發(fā)育的變態(tài)反應(yīng)中凋亡的作用182023/3/31Developmentally-regulatedapoptosis192023/3/31202023/3/31

第二節(jié)

細(xì)胞凋亡的形態(tài)及生化改變212023/3/31一、凋亡的形態(tài)特征（Themorphologiccharacteristicsofapoptosis）

胞膜空泡化（blebbing)固縮（condensation)出芽（budding)染色質(zhì)邊集（margination)凋亡小體（apoptosisbody)222023/3/31Necrosis232023/3/31Apoptosis胞膜空泡化（blebbing)固縮（condensation)出芽（budding)染色質(zhì)邊集（margination)凋亡小體（apoptosisbody)242023/3/31CellDeath

A:necrosis,

diedinaculturedish

B:apoptosis,

C:apoptosis,

diedinaculturedishdiedinadevelopingtissueengulfedbyaneighboringcell.252023/3/31二、凋亡的生化特征DNA片段化內(nèi)源性核酸內(nèi)切酶激活凋亡蛋白酶激活（Thebiochemicalcharacteristicsofapoptosis）262023/3/31JClinPathol:MolPathol2000;53:55–63272023/3/31282023/3/31內(nèi)源性核酸內(nèi)切酶Ca2+Mg2+DNAZn2+內(nèi)源性核酸內(nèi)切酶Ladderpattern++292023/3/31

凋亡蛋白酶

Caspase激活含半胱氨酸的天冬氨酸特異蛋白酶

(半胱天冬酶）Cysteine-containingaspartate-specificprotease,(Caspase)302023/3/31

Caspase家族成員特性一覽表

名稱原名功能底物特異性Caspase-1ICE輔助促炎癥YVADCaspase-2ICH-1凋亡反應(yīng)VDVADCaspase-3CPP32,Yama,apopain凋亡反應(yīng)DEXDCaspase-4ICErel-II,TX,ICH-2輔助促炎癥LEVDCaspase-5ICErel-III,TY輔助促炎癥WEHDCaspase-6Mch-3凋亡反應(yīng)VEIDCaspase-7Mch3,ICE-LAP3,CMH-1凋亡反應(yīng)Caspase-8MACH,FLICE,Mch5凋亡反應(yīng)IETDCaspase-9ICE-LAP6,Mch6凋亡反應(yīng)LEHDCaspase-10Mch4凋亡反應(yīng)AEVDCaspase-11ICH-3Caspase-12Caspase-13ERICELEEDCaspase-14MICE(Mini-ICE)注：W為色氨酸，E谷氨酸、H為組氨酸、D為天冬氨酸、I為異亮氨酸、L為亮氨酸、V為纈氨酸、X為任何氨基酸（byThonberry,1997)312023/3/3120040484MechanismofcaspaseactivationDimerizationcomposedoftwolarge(~20kDa)andtwosmall(~10kDa)subunits.zymogenactivatedcaspaseprodomainsmalllargeprodomainSelf-cleavage,othercaspasesAspAsplargesmalllargesmall322023/3/311、相似的氨基酸序列、結(jié)構(gòu)、底物特異性2、通常以酶原形式存在3、NH2末端結(jié)構(gòu)域、大亞基、小亞基4、高度特異啟動(dòng)型Caspase(caspase2,8,9,10)效應(yīng)型Caspase(capases3,6,7,14)炎癥介質(zhì)：（caspase-1,11)Caspase特點(diǎn)：332023/3/31滅活凋亡抑制蛋白：直接作用于細(xì)胞結(jié)構(gòu)并使之解體：核膜lamins分解與細(xì)胞骨架構(gòu)成相關(guān)的蛋白瓦解核結(jié)構(gòu)成核碎片Caspase功能endonucleaseassociatewithinhibitor(ICAD)Caspase3cleavedactivatedDNAdegradationDNA“l(fā)adder”patternCaspase-activateddeoxyribonuclease(CAD)Blebing,condensation,margination,apoptosisbody342023/3/31

第三節(jié)

細(xì)胞凋亡發(fā)生途徑與調(diào)控352023/3/31凋亡過程可大致分成3個(gè)階段凋亡相關(guān)信號(hào)的作用及其啟動(dòng)的相關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

相關(guān)基因接受死亡信號(hào)后按預(yù)定程序啟動(dòng)合成執(zhí)行凋亡所需的各種酶類底物降解誘導(dǎo)期效應(yīng)期降解期362023/3/31誘導(dǎo)期凋亡相關(guān)信號(hào)受體cAMPCa2+神經(jīng)酰胺（第二信使）胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑激活凋亡程序死亡信號(hào)啟動(dòng)預(yù)定程序凋亡相關(guān)基因激活酶合成核酸內(nèi)切酶激活Caspases激活DNA切割細(xì)胞解體凋亡效應(yīng)期降解期

凋亡的過程（Theprocessofapoptosis）巨噬細(xì)胞吞噬分解凋亡細(xì)胞372023/3/31細(xì)胞凋亡調(diào)控相關(guān)的信號(hào)生理性凋亡相關(guān)信號(hào)病理性凋亡相關(guān)信號(hào)某些激素和細(xì)胞因子的直接作用某些激素和細(xì)胞因子的間接作用誘導(dǎo)凋亡:生物及射線、化學(xué)毒素、病毒感染、應(yīng)激、化療藥、營(yíng)養(yǎng)因素缺乏、過度功能負(fù)荷抑制凋亡:各種化學(xué)促癌物、某些病毒（EB病毒）382023/3/31392023/3/31凋亡的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)1）死亡受體介導(dǎo)的凋亡通路2）線粒體介導(dǎo)的凋亡通路3）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激啟動(dòng)的凋亡通路402023/3/31Fas配體(FasL)死亡受體(Fas)靶細(xì)胞細(xì)胞膜DDDDDDDDFADD連接蛋白DEDCaspase-8

酶原活化的Caspase-8DISC復(fù)合物BidtBid激活線粒體凋亡通路激活Caspase-3Caspase-9Caspase-6,7

細(xì)胞凋亡死亡受體介導(dǎo)的凋亡通路FASassociateddeathdomain,FADDTNFR1associateddeathdomain,TRADDdeath–inducingsignalingcomplex,DISCTNF-α、FasL、TWEAK、TRAILFAS,TNFR1,DR3、4、5412023/3/31凋亡誘導(dǎo)信號(hào)?ψm下降PTP開放caspase-3AIF核酸內(nèi)切酶蛋白質(zhì)水解DNA斷裂細(xì)胞凋亡（+）（+）線粒體途徑介導(dǎo)的凋亡通路PermeabilitytransitionporeBcl-2IAPSmac/Diablo射線化療藥氧化應(yīng)激鈣穩(wěn)態(tài)失衡422023/3/31內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激（ERS)啟動(dòng)的細(xì)胞凋亡432023/3/31內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激（ERS)啟動(dòng)的細(xì)胞凋亡442023/3/31正常細(xì)胞細(xì)胞凋亡促進(jìn)ICE、BaxFas、p53抑制Bcl-2、EIBIAP

細(xì)胞凋亡相關(guān)基因促凋亡因子抗凋亡因子452023/3/31Bcl-2（B細(xì)胞淋巴瘤/白血病-2,Bcelllymphoma/leukemia-2)Bcl-2subfamily(pro-survival):Bcl-2,Bcl-XLBaxsubfamily(pro-apoptotic):Bax,BakBH3subfamily(pro-apoptotic):Bad,Bid462023/3/31Bcl-2（B細(xì)胞淋巴瘤/白血病-2,Bcelllymphoma/leukemia-2)抗凋亡的機(jī)制1、直接的抗氧化2、抑制線粒體釋放促凋亡的蛋白質(zhì)3、抑制促凋亡調(diào)節(jié)蛋白Bax、Bak的細(xì)胞毒作用4、抑制caspase的激活5、維持細(xì)胞鈣穩(wěn)態(tài)472023/3/31G1（RNA、蛋白質(zhì)合成）S（DNA復(fù)制階段）G2MG1SG2M監(jiān)控P53染色體有缺陷P53CDI表達(dá)、DNA修復(fù)機(jī)制的啟動(dòng)細(xì)胞凋亡啟動(dòng)Molecularpoliceman482023/3/311、啟動(dòng)線粒體凋亡途徑的凋亡相關(guān)基因組2、啟動(dòng)死亡受體凋亡途徑的凋亡相關(guān)基因組3、負(fù)調(diào)控細(xì)胞生存及增殖信號(hào)途徑的磷酸酯酶相關(guān)基因組p53作為反轉(zhuǎn)錄激活因子，調(diào)控三組功能各異相關(guān)基因的表達(dá)：p53還可轉(zhuǎn)位到線粒體，模擬BH3-only樣蛋白的功能直接誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。492023/3/31C-myc雙向調(diào)節(jié)作用c-myc蛋白是轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子BclxBcl-XL抑制細(xì)胞凋亡Bcl-Xs促進(jìn)細(xì)胞凋亡502023/3/31Caspases內(nèi)源性核酸內(nèi)切酶其他

細(xì)胞凋亡的執(zhí)行512023/3/31吞噬細(xì)胞對(duì)凋亡細(xì)胞的識(shí)別與吞噬吞噬細(xì)胞凝集素(lectin)的作用血小板反應(yīng)蛋白(thrombospondin,TSP)介導(dǎo)吞噬磷脂酰絲氨酸受體的作用522023/3/31磷脂酰絲氨酸外翻分析（AnnexinV法）

532023/3/31誘導(dǎo)期凋亡相關(guān)信號(hào)受體cAMPCa2+神經(jīng)酰胺（第二信使）胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑激活凋亡程序死亡信號(hào)啟動(dòng)預(yù)定程序凋亡相關(guān)基因激活酶合成核酸內(nèi)切酶激活Caspases激活DNA切割細(xì)胞解體凋亡效應(yīng)期降解期

凋亡的過程（Theprocessofapoptosis）巨噬細(xì)胞吞噬分解凋亡細(xì)胞542023/3/31

第四節(jié)細(xì)胞凋亡異常與疾病552023/3/31(Thediseasesassociatedwithapoptosisdysregulation)組織器官的退行性病變或早衰自身免疫性疾病或腫瘤凋亡亢進(jìn)細(xì)胞凋亡失調(diào)性疾病凋亡抑制細(xì)胞凋亡不足細(xì)胞凋亡過度細(xì)胞凋亡不足與過度并存562023/3/31腫瘤的發(fā)病途徑細(xì)胞增殖過度細(xì)胞凋亡受抑細(xì)胞死亡不足細(xì)胞存活>死亡腫瘤的發(fā)生Bcl-2mtP53572023/3/31腫瘤細(xì)胞凋亡不足的相關(guān)機(jī)制：調(diào)控凋亡相關(guān)信號(hào)的異常誘導(dǎo)凋亡相關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的障礙實(shí)施凋亡相關(guān)基因表達(dá)的異常執(zhí)行凋亡相關(guān)酶活性的異常582023/3/31自身免疫病與非己抗原-MHC抗原結(jié)合的TcR單陽性細(xì)胞正選擇Positiveselection與自身抗原-MHC抗原結(jié)合的TcR雙陽性細(xì)胞負(fù)選擇Negativeselection凋亡×自身免疫病592023/3/31細(xì)胞凋亡過度Gp120糖蛋白的表達(dá)合胞體的形成Fas基因表達(dá)的上調(diào)T細(xì)胞的激活細(xì)胞因子(TNF)的分泌Tat蛋白的產(chǎn)生感染的CD4+淋巴細(xì)胞誘導(dǎo)未感染的CD4+淋巴細(xì)胞凋亡AIDS602023/3/31細(xì)胞凋亡過度與心臟疾病

氧化應(yīng)激Fas上調(diào)P53基因轉(zhuǎn)錄

凋亡指數(shù)：發(fā)生凋亡的細(xì)胞核數(shù)/100個(gè)細(xì)胞核35.5%vs.0.2%-0.4%612023/3/31阿爾茨海默病(AD)622023/3/31血漿中LDL（氧化型）升高血小板激活A(yù)ngⅡ高血壓內(nèi)皮細(xì)胞凋亡凋亡率：34％正常凋亡率：8％血管血管平滑肌增生超過凋亡動(dòng)脈粥樣硬化（atherosclerosis，AS）632023/3/31細(xì)胞凋亡在疾病防治中的意義利用凋亡相關(guān)因素FAS/FASL信號(hào)系統(tǒng)干預(yù)凋亡信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)節(jié)凋亡相關(guān)基因控制凋亡相關(guān)酶學(xué)機(jī)制核酸內(nèi)切酶防止線粒體跨膜電位環(huán)胞霉素A642023/3/31附：細(xì)胞凋亡的形態(tài)學(xué)檢測(cè)方法光學(xué)顯微鏡

熒光顯微鏡(Hoechst33342，Hoechst33258,DAPI)電子顯微鏡

652023/3/31熒光顯微鏡觀察AO-EB染色法hoechst33258染色法正常細(xì)胞核凋亡細(xì)胞核662023/3/31電子顯微鏡觀察672023/3/31細(xì)胞凋亡的生物化學(xué)檢測(cè)方法磷脂酰絲氨酸外翻分析（AnnexinV法）線粒體膜勢(shì)能的檢測(cè)JC-1DNA片斷化檢測(cè)DNALadder測(cè)定DNA含量分析TUNEL法682023/3/31磷脂酰絲氨酸外翻分析（AnnexinV法）

692023/3/31不同凋亡階段的區(qū)分702023/3/31流式細(xì)胞儀分析（FACS）712023/3/31原理：JC-1染料在正常細(xì)胞內(nèi)聚集在線粒體內(nèi)，形成多聚體，發(fā)紅色熒光；而在凋亡細(xì)胞內(nèi)，由于線粒體膜電位的破壞，不能聚集到線粒體內(nèi)，以單體的形式存在于胞質(zhì)內(nèi)發(fā)綠色熒光。線粒體膜勢(shì)能（JC-1）的檢測(cè)熒光顯微鏡檢測(cè)FACS檢測(cè)722023/3/31JC-1線粒體膜電位檢測(cè)試劑盒檢測(cè)結(jié)果：

732023/3/31線粒體膜勢(shì)能的檢測(cè)(JC-1)742023/3/31DNA片斷化檢測(cè)DNALadder752023/3/31DNA含量分析DNADamage2N4N2N4NG1SG2/M762023/3/31

細(xì)胞凋亡中,染色體