1、中南大學(xué)病理生理學(xué)教研室中南大學(xué)病理生理學(xué)教研室賀智敏賀智敏第八章第八章 細胞凋亡細胞凋亡(apoptosis)(apoptosis)二、發(fā)生機制二、發(fā)生機制三、凋亡與疾病三、凋亡與疾病一、概述一、概述apoptosisApoptosis(apo-ptosis)PCD（programmed cell death） 在體內(nèi)外因素誘導(dǎo)下，由基因嚴在體內(nèi)外因素誘導(dǎo)下，由基因嚴格調(diào)控而發(fā)生的自主性細胞有序死格調(diào)控而發(fā)生的自主性細胞有序死亡，故又稱程序性細胞死亡。亡，故又稱程序性細胞死亡。( (一一) ) 定義定義(1) 細胞膜的變化：細胞膜的變化：(2) 細胞質(zhì)的變化：細胞質(zhì)的變化：(3) 細胞核的變

2、化：細胞核的變化：微絨毛、細胞突起消失；微絨毛、細胞突起消失；空泡化；出芽空泡化；出芽胞質(zhì)濃縮；細胞器變胞質(zhì)濃縮；細胞器變化化染色質(zhì)邊聚染色質(zhì)邊聚( (二二) ) 凋亡時細胞的主要變化凋亡時細胞的主要變化(4) 凋亡小體形成凋亡小體形成 胞膜皺縮內(nèi)陷，分割包裹胞質(zhì)，內(nèi)含胞膜皺縮內(nèi)陷，分割包裹胞質(zhì)，內(nèi)含DNA物質(zhì)及細胞器，形成泡狀小體稱為物質(zhì)及細胞器，形成泡狀小體稱為凋亡小體（凋亡小體（apoptosis body） (5) 吞噬吞噬 (6) 繼發(fā)性壞死繼發(fā)性壞死淋巴細胞凋亡各期形態(tài)學(xué)變化概概 述述Morphological features of Morphological features

3、of apoptosisapoptosisMembrane blebbing2. 生化改變生化改變(1) 凋亡啟動因子凋亡啟動因子(2) 凋亡蛋白酶凋亡蛋白酶(3) 內(nèi)源性核酸內(nèi)切酶與內(nèi)源性核酸內(nèi)切酶與DNA片斷化片斷化 凋亡啟動因子凋亡啟動因子 細胞色素細胞色素C(cytochrome C)（凋亡復(fù)合體凋亡復(fù)合體） 凋亡誘導(dǎo)因子凋亡誘導(dǎo)因子(apoptosis inducing factor,AIF) 凋亡蛋白酶激活因子凋亡蛋白酶激活因子- -1(apoptotic protease activiation factor,Apaf-1)凋亡復(fù)合體凋亡復(fù)合體NecrosisApoptosisF

4、IGURE 3 SEM of a necrotic cell. Numerous lesions appear on the cell surface.(original magnification: x 5,000) FIGURE 4 SEM of an apoptotic cell. Surface blebbing is evident. (original magnification: x 5,000) ( (四四) ) 分期分期凋亡誘導(dǎo)因素凋亡誘導(dǎo)因素受體或直接作用受體或直接作用死亡信號死亡信號凋亡相關(guān)基因激活凋亡相關(guān)基因激活DNase激活激活Caspases激活激活巨噬巨噬細胞細胞

5、吞噬吞噬分解分解凋亡凋亡細胞細胞或或繼發(fā)性壞死繼發(fā)性壞死誘導(dǎo)期誘導(dǎo)期執(zhí)行期執(zhí)行期消亡期消亡期圖圖8 81 1 細胞凋亡的分期細胞凋亡的分期二、發(fā)生機制二、發(fā)生機制三、凋亡與疾病三、凋亡與疾病一、概述一、概述apoptosis( (一一) )細胞凋亡相關(guān)因素細胞凋亡相關(guān)因素( (二二) )主要的信號傳導(dǎo)通路主要的信號傳導(dǎo)通路( (三三) ) 凋亡相關(guān)基因凋亡相關(guān)基因( (一一) )細胞凋亡相關(guān)因素細胞凋亡相關(guān)因素1. 誘導(dǎo)性因素誘導(dǎo)性因素激素和生長因子失衡激素和生長因子失衡理化因素：高溫、強酸、強堿、抗癌藥物理化因素：高溫、強酸、強堿、抗癌藥物免疫性因素免疫性因素微生物學(xué)因素：細菌、病毒微生物學(xué)

6、因素：細菌、病毒凋亡程序的執(zhí)行者凋亡程序的執(zhí)行者2. 2. 抑制性因素抑制性因素細胞因子：細胞因子：IL-2，神經(jīng)生長因子，神經(jīng)生長因子某些激素：某些激素：ACTH、睪丸酮、雌激素、睪丸酮、雌激素某些二價金屬陽離子、藥物某些二價金屬陽離子、藥物( (二二) )主要信號傳導(dǎo)通路主要信號傳導(dǎo)通路細胞凋亡的三條主要途徑1、膜受體途徑、膜受體途徑2、線粒體途徑、線粒體途徑3細胞核途徑細胞核途徑p53 1 . 1 . 死亡受體通路死亡受體通路 2 . 2 . 線粒體通路線粒體通路 1. 1. 死亡受體通路死亡受體通路凋亡誘導(dǎo)因素凋亡誘導(dǎo)因素死亡受體死亡受體/ /配體的表達、結(jié)合配體的表達、結(jié)合Caspa

7、se-8活化活化Caspase-3活化活化apoptosisBid活化活化線粒體通路線粒體通路 活化活化FasFas/ /FasLFasL2. 2. 線粒體通路線粒體通路時時 間間 主主 要要 發(fā)發(fā) 現(xiàn)現(xiàn) 參參 考考 文文 獻獻19941994年首次提出年首次提出線粒體線粒體在細胞凋亡中是不可缺少的在細胞凋亡中是不可缺少的 Newmeyer,etNewmeyer,et al. al.19961996年線粒體中年線粒體中細胞色素細胞色素C C的釋放引起細胞凋亡的釋放引起細胞凋亡 Liu,etLiu,et al, al,5519971997年年 證明證明Caspase-9Caspase-9在細胞色

8、素在細胞色素C C和和dATPdATP存在時存在時 與與Apaf-1Apaf-1結(jié)合并被激活，再激活結(jié)合并被激活，再激活Caspase-3 Caspase-3 Li,etLi,et al. al.6619981998年年 膜死亡受體通路通過膜死亡受體通路通過BidBid作用于線粒體信號通路作用于線粒體信號通路 Luo,etLuo,et al. al.242419991999年年 線粒體釋放線粒體釋放Caspase-2,9Caspase-2,9參與凋亡的發(fā)生線粒體參與凋亡的發(fā)生線粒體 SusinSusin S S A,etA,et al. al.88 釋放釋放AIFAIF參與凋亡的發(fā)生參與凋亡的

9、發(fā)生 SusinSusin S S A,etA,et al. al.9920002000年年 線粒體釋放線粒體釋放SmacSmac/DIABLO/DIABLO參與凋亡發(fā)生參與凋亡發(fā)生 Du,etDu,et al al1010. . Verhagen,etVerhagen,et al al111120012001年年 線粒體釋放線粒體釋放核酸內(nèi)切酶核酸內(nèi)切酶G G引起引起“DNADNAladder”ladder” 的產(chǎn)生的產(chǎn)生 Li,etLi,et al. al.1212 線粒體釋放線粒體釋放 SmacSmac樣的絲氨酸蛋白水解酶樣的絲氨酸蛋白水解酶HtrA2/OmiHtrA2/Omi， 后者通

10、過抑制后者通過抑制IAPIAP促進細胞凋亡促進細胞凋亡 Suzuki,etSuzuki,et al. al.1919細胞凋亡線粒體信號通路研究中的重要發(fā)現(xiàn)細胞凋亡線粒體信號通路研究中的重要發(fā)現(xiàn)凋亡誘導(dǎo)因素凋亡誘導(dǎo)因素PTP開放開放線粒體中細胞色素線粒體中細胞色素C C等釋放等釋放Caspase-9活化活化Caspase-3活化活化apoptosis3. 3. 凋亡蛋白酶凋亡蛋白酶Caspases: cysteine-containing aspartate-specific protease（含（含半胱氨酸半胱氨酸的的天冬氨酸天冬氨酸特特異水解酶）異水解酶） 是一組對底物的天冬氨酸部位有特異水

11、是一組對底物的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解作用，其活性中心富含半胱氨酸的蛋白酶。酶。(1) (1) 定義及分類定義及分類apoptosisapoptosis概概 述述CaspasesCaspasesCaspasesCaspases的分的分的分的分類及其類及其類及其類及其功能功能功能功能CaspasesCaspasesCaspasesCaspases被激被激被激被激活的方式活的方式活的方式活的方式Caspase-3Caspase-8Caspase-9(3) caspase的作用底物的作用底物 凋亡蛋白酶激活的凋亡蛋白酶激活的DNADNA酶抑制物酶抑制物(ICAD)

12、核纖層核纖層（lamina）蛋白蛋白 細胞骨架蛋白：導(dǎo)致細胞解體，形成凋細胞骨架蛋白：導(dǎo)致細胞解體，形成凋 亡小體亡小體 其他的其他的caspases 滅活細胞凋亡的抑制物滅活細胞凋亡的抑制物核纖層核纖層蛋白蛋白LaminLamin在核內(nèi)的在核內(nèi)的結(jié)構(gòu)和位置結(jié)構(gòu)和位置4. 4. 內(nèi)源性核酸內(nèi)切酶與內(nèi)源性核酸內(nèi)切酶與DNA片斷化片斷化CAD激活方式激活方式DNADNA斷裂與斷裂與“梯狀條帶梯狀條帶”(1)(1)DNADNA斷裂與斷裂與“梯狀條帶梯狀條帶”(2)(2)典型凋亡細胞典型凋亡細胞DNADNA瓊脂糖凝膠電泳（呈現(xiàn)梯狀條帶）瓊脂糖凝膠電泳（呈現(xiàn)梯狀條帶）( (三三) ) 細胞凋亡相關(guān)基因細

13、胞凋亡相關(guān)基因抑制凋亡基因：抑制凋亡基因：Bcl-2，IAP促進凋亡基因：促進凋亡基因：wtP53，Bax雙向調(diào)控基因：雙向調(diào)控基因：c-myc，Bcl-x Bcl-2-B cell lymphoma/leukemia-2 * * Bcl-2 229aa 229aa構(gòu)成（鼠構(gòu)成（鼠236236）分布在線粒）分布在線粒體內(nèi)膜體內(nèi)膜, ,細胞內(nèi)膜表面，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，核膜等處細胞內(nèi)膜表面，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，核膜等處 * * Bcl-2 和和C. elegans 中的中的ced-9 有很高的同源有很高的同源性，具有促進細胞存活的功能性，具有促進細胞存活的功能* *Bcl-2的功能是延長細胞的壽命，而不是刺激的功能是延

14、長細胞的壽命，而不是刺激細胞的增殖細胞的增殖1. BcL-2家族分子家族分子(1)(1) Bcl-2家族分子結(jié)構(gòu)家族分子結(jié)構(gòu) (2) BcL-2的同源基因和蛋白質(zhì)的同源基因和蛋白質(zhì)(3)(3) BcL-2抗凋亡機制抗凋亡機制n直接的抗氧化直接的抗氧化n抑制線粒體釋放促凋亡的蛋白質(zhì)抑制線粒體釋放促凋亡的蛋白質(zhì)n抑制促凋亡的抑制促凋亡的Bax，Bak細胞毒作用細胞毒作用n抑制抑制Caspases激活激活n維持細胞鈣穩(wěn)態(tài)維持細胞鈣穩(wěn)態(tài)2. Fas Fas 屬腫瘤壞死因子受體屬腫瘤壞死因子受體（TNFR)家族成員，家族成員， Fas配體（配體（FasL)屬屬TNF家族成員。家族成員。 Fas是跨膜蛋是

15、跨膜蛋白，由胞外區(qū)白，由胞外區(qū)(157 (157 aaaa) )，穿膜區(qū)，穿膜區(qū)(17 (17 aaaa) )及胞漿區(qū)及胞漿區(qū)(145 (145 aaaa) )組成。組成。Fas胞漿區(qū)一段胞漿區(qū)一段60607070氨基酸序氨基酸序列與列與TNFR胞漿區(qū)高度同源，并介導(dǎo)細胞死亡，胞漿區(qū)高度同源，并介導(dǎo)細胞死亡，稱之為死亡域稱之為死亡域(death domain，DD) )。 Fas較廣泛較廣泛地分布于多種類型的細胞。地分布于多種類型的細胞。 FasL與其受體與其受體Fas結(jié)結(jié)合導(dǎo)致細胞凋亡合導(dǎo)致細胞凋亡。 3. 3. P53基因基因pwtP53修復(fù)受損的修復(fù)受損的DNA，如修復(fù)失敗則誘導(dǎo)細胞，如

16、修復(fù)失敗則誘導(dǎo)細胞凋亡凋亡p突變的突變的P53失活的失活的P53喪失監(jiān)視喪失監(jiān)視DNA損傷的功能損傷的功能射線，毒素射線，毒素P53蛋白蛋白+細胞凋亡細胞凋亡 C-myc是一種原癌基因，是調(diào)控細胞周期的是一種原癌基因，是調(diào)控細胞周期的主要基因。編碼的蛋白是主要基因。編碼的蛋白是DNA結(jié)合蛋白，調(diào)控結(jié)合蛋白，調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄。在基因轉(zhuǎn)錄。在GF充足時主要激活介導(dǎo)細胞增殖充足時主要激活介導(dǎo)細胞增殖的基因；反之激活凋亡基因。的基因；反之激活凋亡基因。 4 4、C-myc基因基因5 5、IAP家族家族 IAP家族是一組具有家族是一組具有BIR（baculoviral IAP repeat)結(jié)構(gòu)域和抑制凋亡

17、的蛋白。結(jié)構(gòu)域和抑制凋亡的蛋白。IAP家族蛋家族蛋白的白的BIR結(jié)構(gòu)域是結(jié)構(gòu)域是IAP 抑制凋亡的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。抑制凋亡的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。在人類已確定有在人類已確定有6 6種種IAP相關(guān)蛋白。在酵母和哺相關(guān)蛋白。在酵母和哺乳動物細胞中，乳動物細胞中，IAP家族蛋白能通過抑制家族蛋白能通過抑制caspase-3,7,9-3,7,9等的活性等的活性。6 6、其他基因、其他基因 Jun、fos、myb、asy、Rb等基因等基因都與細胞凋亡的發(fā)生有關(guān)都與細胞凋亡的發(fā)生有關(guān)二、發(fā)生機制二、發(fā)生機制三、凋亡與疾病三、凋亡與疾病一、概述一、概述apoptosis( (一）一） 細胞凋亡的生理意義細胞凋亡的生理意義1.

18、 1. 參與正常生長發(fā)育參與正常生長發(fā)育2. 2. 維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定3. 3. 防御功能防御功能Normal functions of apoptosis 1(1) Deleting structures that are no longer required e.g. regression of the tadpole tail(2) Sculpting(3) Adjusting cell numbers in developing tissues, e.g. the nervous systemNGFNGFNGFtarget cellsdeveloping neuronsNGF

19、NGFNGFtarget cellsNormal functions of apoptosis 2(4) Tissue homeostasis, e.g. liver regeneration / regression(7) Killing of pathogen-infected cells by cytotoxic T cells(6) Removing potentially harmful cells e.g. developing T and B lymphocytes with self-reactive antigen receptors(5) Eliminating injur

20、ed / damaged cells, e.g. cells with damaged DNACTL腫瘤細胞腫瘤細胞CTL正在誘導(dǎo)腫瘤細胞凋亡正在誘導(dǎo)腫瘤細胞凋亡( (二）二） 細胞凋亡與疾病發(fā)生的關(guān)系細胞凋亡與疾病發(fā)生的關(guān)系細胞凋亡不足引起的疾病細胞凋亡不足引起的疾病 細胞凋亡增多引起的疾病細胞凋亡增多引起的疾病1. 1.癌癥癌癥: 1.AIDS: 1.AIDS病病淋巴瘤淋巴瘤 乳腺癌乳腺癌 前列腺癌等前列腺癌等 2.2.神經(jīng)退行形病變神經(jīng)退行形病變: :2.2.自身免疫疾病自身免疫疾病: : 老年性癡呆老年性癡呆 帕金森病等帕金森病等紅斑狼瘡紅斑狼瘡 風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎 3.3.再生

21、障礙性貧血再生障礙性貧血3.3.病毒感染病毒感染 4.4.缺血性損傷缺血性損傷皰疹病毒皰疹病毒 腺病毒等腺病毒等 心肌梗塞心肌梗塞 再灌注損傷再灌注損傷 腦卒中腦卒中 5.5.心衰心衰 肝衰肝衰1. 1. 細胞凋亡在腫瘤發(fā)生中的作用細胞凋亡在腫瘤發(fā)生中的作用 細胞增殖過快及凋亡過少均在腫細胞增殖過快及凋亡過少均在腫瘤的發(fā)生中起了重要作用瘤的發(fā)生中起了重要作用P53突變，突變，Bcl-2的高表達在許多腫的高表達在許多腫瘤中都存在瘤中都存在Cancer TypesChemicalsVirusesRadiationMutatep53 GeneBladderBloodBrainBreastColonEsophagusLiverLungSpleenThyroidCarcinog