1、细胞凋亡（cell apoptosis）0140211 李祺李祺 一、凋亡的起源：一、凋亡的起源：1972年Keer提出了细胞凋亡（Apoptosis）的概念。凋亡一词1972年开始使用，但由于检测技术的限制，这种细胞现象只停留在形态学的描述上，因此长期以来有关凋亡的研究，一直未被病理工作者重视。80年代末，随着细胞生物学，分子生物学等科学理论的发展，凋亡的检测技术也有了很大的发展，生物学家逐渐认识到细胞凋亡的特殊生物学意义，由此形成了新的医学研究热点，促进了凋亡理论在生物医学各领域的广泛应用。2002年诺贝尔生理学或医学奖 瑞典卡罗林斯卡医学院于10月7日正式宣布把2002年诺贝尔生理学或医
2、学奖，授予来自英国和美国的三位科学家，以表彰他们发现在器官发育和细胞死亡过程中的基因规则。三位专家通过对线虫的研究，发现了调节器官发展和所谓“程序性细胞死亡”的关键基因和机制。共聚焦显微镜观察线虫胚胎共聚焦显微镜观察线虫胚胎 20022002诺贝尔奖得主诺贝尔奖得主 英国的西德尼 布伦纳(Sydney Brenner)约翰 E 苏尔斯顿(John E.Sulston)美国的H 罗伯特 霍维兹(H.Robert Horvitz)二、凋亡概念：二、凋亡概念：细胞凋亡是细胞循自身程序结束其生命的主动死亡的过程，具有特征的形态和生化改变，是由基因控制的个别细胞发生的自主有序的死亡。即是由基因控制细胞有
3、目的，有选择性的自我消亡过程，这种淘汰机制是保证生命进化的基础。三、三、凋亡的形态特征凋亡的形态特征 凋亡发生的过程表现为细胞死亡（dying process）和被清除(elimination process)（细胞缩小致密染色质边集核碎片凋亡小体）1、丧失了特殊的表面结构（微绒毛等）和接触区，形成光滑的轮廓，从周围活细胞中分离出来；2、细胞缩小：胞浆细胞器集中（squeeze）胞膜出芽或起泡（bleb）细胞皱缩（shrinkage）；3、保持胞浆细胞器完整性 线粒体不肿胀，内膜不破裂；短暂滑面内质网（SEN）扩张，扩张间隙与细胞表面融合；有时有聚积排例的半结晶状核糖体；可有与细胞表面平行的微
4、丝束。4、形成调亡小体（Apoptotic bodies）由凋亡细胞裂解为若干个由质膜包绕的小体，每个凋亡小体有自己的一簇细胞器。周围不引起炎症反应。荧光显微镜下凋亡小体的样子荧光显微镜下凋亡小体的样子 5、核内染色质结构改变（这是最引人注意的改变）染色质（chromatin）凝集于核膜下表现为：核质固缩（condenation）；边集（margination）；核浆紧实（compaction）；核膜皱折（fold）。正常细胞核 刺激后有致密浓染的凋亡细胞 6、凋亡细胞、凋亡小体被识别与吞噬：凋亡细胞或凋亡小体迅速被邻近的实质细胞（同类细胞）或吞噬细胞（不同类细胞）识别，吞噬于吞噬细胞体内形成
5、吞噬体（phagosome），所以凋亡小体最常见于细胞大异吞噬体中，进一步变性，形成溶酶体残留小体（lysosomal residual bodies）。偶尔凋亡小体逃避被吞噬，如凋亡的导管上皮，可以掉入导管腔中，这种凋亡小体最终变性，丧失其密度，膜断裂。细胞凋亡被吞噬后留下的空隙由周围细胞填充不留痕迹。细胞凋亡在形态学上的四大特征 1）、细胞变圆 2）、胞浆起泡 3）、核固缩 4）、凋亡小体形成 四、凋亡与坏死 细胞凋亡与细胞坏死是截然不同的过程与生物现象。在形态学，生化代谢，分子机制，结局和意义等方面都有本质区别。坏死常常是由于严重紊乱了细胞外环境条件所致，并伴有不可控制的细胞肿胀和破裂，
6、细胞坏死首先是膜通透性的增加，流动性，渗透性，细胞外形发生不规则变化，内质网扩张，核染色质不规则移位，进而线粒体和核肿胀，溶酶体破坏，细胞膜破裂，胞浆外溢，周围引起炎症反应，形态上表现为核浓缩，碎裂，溶解。坏死的细胞内ATP和蛋白的合成受抑与终止。细胞坏死常显示出被杀的特点，常为成组细胞同步发生。1010 M M喜树碱诱导的喜树碱诱导的Jurkat cellsJurkat cells（慢淋慢淋G1G1检测点缺陷细胞）凋亡检测点缺陷细胞）凋亡 凋亡细胞核凋亡细胞核被被YOYO-PROPRO-1 1绿染，绿染，坏死细胞被坏死细胞被pipi红染。红染。凋 亡 与 坏 死 主 要 鉴 别凋 亡 与 坏
7、 死 主 要 鉴 别（形 态 学形 态 学）凋凋 亡亡 坏坏 死死 细胞形态 细胞膜出芽，冒泡但完整性 好，活组织中个别细胞死亡 细胞完整性破坏 成片细胞死亡，破坏组织结构 过 程 固缩核，浓染胞浆，脱离。凋亡小体 细胞肿胀，核淡染，凝固性坏死，无膜性小体 细胞器 细胞器未遭破坏，胞浆浓缩 细胞器肿胀溶解 染色质 染色质致密，凝集或边集浓染 染色质疏松变性粗糙 染料排斥试验 开始被排斥 染料掺入（膜破坏或通透性）DNA 破 坏机制 核酸内切酶作用核酸DNA裂解为200bp或其倍数片断（核孔裂开）随机降解弥漫ATP膜损伤，氧自由基损伤 结局 凋亡小体可被同种或异种细胞识别吞噬 吞噬细胞吞噬细胞碎
8、片，溶解 组织反应 不引起炎症反应，迅速退 化，无整个组织瓦解，不诱发组织的再生与修复，细胞生长增殖凋亡 引起炎症反应，继发性组织损伤，诱发组织再生与修复，形成疤痕，坏死补偿性增生细胞增殖 五、凋亡发生的机制五、凋亡发生的机制 诱导因素诱导因素 激素和生长因子失衡 理化因素 免疫因素 微生物学因素 抑制因素抑制因素 某些细胞因子 激素 Zn离子 药物 病毒 凋亡相关因素凋亡相关因素 凋亡的三种机制凋亡的三种机制 氧化损伤 Ca稳态失衡 线粒体损伤 发生方式：通过受体介导的信号途径（receptor-mediated cellular signalling pathways）诱导细胞凋亡因子或刺
9、激因素通过第二信使系统传递信号，信号传递途径决定了细胞的命运。核酸内切酶 180-200bpDNA片段 各种内源性 细胞内钙离子浓度增加 蛋白酶 细胞骨架崩解 细胞皱缩 和外源性刺激 （细胞内降解级联）转谷氨酰胺酶 胞浆蛋白交联 细胞固缩 DNA片断在琼脂糖凝胶电泳中呈特征性梯状条带，是判断凋亡发生的关键性依据。片断在琼脂糖凝胶电泳中呈特征性梯状条带，是判断凋亡发生的关键性依据。六、凋亡与基因调控六、凋亡与基因调控 细胞增殖抑制基因 p35、p53、RB、DOC（与粘附分子类似基因）、WT-1 1、促进细胞凋亡的基因 （wimls tumor type-1）、DAD 1、等 自杀基因（suic
10、idal gene）凋亡蛋白，凋亡基因 细胞凋亡促进基因（APO-1/Fas、TGF-、SP2、Bax、c-rel、Bel-XS、Bak）2、抑制细胞凋亡的基因 促进细胞增殖的基因（c-myc、c-eld 1、ras、v-src）（生长基因/抗凋亡基因）抑制细胞凋亡的基因（Bcl-2、EIB、LMW-5-HL、C-Kit、Bel-XL）1.1.BclBcl-2 2 家族家族 Bcl-2家族包含一组相关蛋白，它们分别与Bcl-2在4个保守区具有同源结构域(BH1-4)，并以此作为结构基础，形成同源性或异源性二聚体，通过蛋白蛋白之间的相互作用，调节细胞的凋亡，在细胞凋亡途径的上游远端，构成一个重要
11、的细胞内凋亡调控点。BclBcl-2 2家族的组成家族的组成 抑制凋亡因子 Bcl-2、Bcl-xL、Bcl-w、McL-l和Al 促进凋亡分子 Bax、Bcl-x、Bak、Bad、Bik、Bid、Hrk、Bin等 细胞内Bax高表达时，细胞对死亡信号敏感，加速细胞凋亡，当Bcl-2高表达，Bcl-2可与Bax形成异源性二聚体，抑制细胞凋亡。所以Bcl-2Bax的比例对决定细胞凋亡的敏感性起重要作用，抑制凋亡因子/促进凋亡因子的总比率，最终决定细胞的的生存或死亡。2.2.Caspase Caspase 家族家族 Caspase家族是一组蛋白酶，介导即将死亡的细胞高效而特异的蛋白水解作用，在细胞
12、凋亡的启动和完成中起重作用，是细胞凋亡的执行者，决定了细胞凋亡的形态改变生物化学改变。Caspase蛋白水解酶有2个特征：、都是半胱氨酸蛋白酶；、作用部位都在天冬氨酸残基后的位点.CaspaseCaspase的作用底物的作用底物 凋亡细胞独特的形态特征与活化的Caspase裂解一系列的蛋白底物有关。细胞凋亡过程一旦启动，就有不同的蛋白被裂解。目前，己知的底物有：、与基因组功能相关的酶，如PARP(poly ADP-ribose polymerase)，依赖DNA的蛋白激酶460kDa的催化亚基，组成DNA复制复合物的140kDa的多肽等；、结构蛋白(核和细胞质骨架)如核层蛋白、肌动蛋白等，细胞
13、凋亡时核骨架和细胞质骨架的分解被易化；、核有丝分裂相关蛋白，如NUMA、D4G等；、DNA断裂因子(DFF)复合物中的45kDa多肽 总之，caspase家族是细胞凋亡过程中必不可少的，并最终导致凋亡细胞的形态和一系列生物化学改变。3、P53 七、在肝病中的细胞凋亡七、在肝病中的细胞凋亡 酒精性肝病酒精性肝病 病毒性肝炎病毒性肝炎 胆汁淤滞性肝病胆汁淤滞性肝病 酒精性肝病酒精性肝病（alcoholic liver disease,ALDalcoholic liver disease,ALD）试验证明用酒精饲养伴有肝损伤（如脂肪肝或肝炎症侵润）的大鼠，检测到大鼠肝细胞凋亡细胞数量增加。酒精导致得
14、肝损伤被认为与氧化应激导致的活性氧中间产物活性氧中间产物有关。在急性酒精中毒导致谷胱甘肽谷胱甘肽缺乏的大鼠模型中可见到许多凋亡的肝细胞。伴随着氧化应激在酒精导致得肝损伤中的作用，抗氧化剂在同一动物模型中可以减少凋亡细胞的数量。通过导入BclBcl-2 2可以阻止肝细胞凋亡。因此肝细胞通过表达抗凋亡的Bcl-2蛋白可能是其抵抗酒精诱导的肝损伤的一种保护机制。病毒性肝炎 HBVHBV和和HCVHCV是慢性肝病的主要致病因素，这些病毒感染使肝细胞易于发生凋亡，病毒感染伴随凋亡被认为是由细胞毒性细胞毒性T T 淋巴细胞淋巴细胞（cytotoxiccytotoxic TlymphocyteTlympho
15、cyte，CTLCTL）作用的结果。推测以凋亡的形式清除肝细胞可能是：1）感染了肝炎病毒的肝细胞表面除了病毒抗原和MHC类抗原外，Fas表达也增多。2）肝炎病毒抗原和MHC类抗原与CTL表面的T细胞受体结合，活化CTL诱导其表达Fas配体。3）表达于CTL表面的Fas配体与肝细胞表面的Fas结合，传导死亡信号，激活caspases 等使肝细胞死亡。胆汁淤滞性肝病 在许多临床综合征中可以观察到胆汁淤滞，胆汁淤滞是一组慢性进行肝病的主要特征，并可最终导致肝硬化、肝衰竭和死亡。肝内毒性胆盐：鹅脱氧胆酸和脱氧胆酸盐鹅脱氧胆酸和脱氧胆酸盐 毒性胆盐可诱导培养的啮齿类动物肝细胞发生凋亡，这可能是由非Fas配体依赖性途径激活裂解激活Caspases-8，然后由其激活下游的Caspases导致肝细胞死亡。毒性胆盐诱导的细胞凋亡同时需要蛋白激酶C的激活和转位，使细胞内的镁离子增多，激活镁依赖性核酸内切酶降解 DNA。非毒性的疏水胆盐：熊去氧胆酸熊去氧胆酸 熊去氧胆酸和一种毒性胆盐同时加入培养的肝细胞内，死亡的肝细胞减少。所以认为熊去氧胆酸有抗凋亡的作用，这可能与其降低线粒体的通透性有关。讲演到此结束，感谢大家的支持！特别感谢李冬智同学提供的资料！
