细胞凋亡与细胞坏死

1、植物生理讨论课 细胞坏死和细胞凋亡 姓名：刘满希 学号：d4035 导师：王 忠 教 授 细胞坏死(necrosis) 细胞凋亡(apoptosis) 细胞坏死细胞坏死 l起因 l形态改变及原因 物理因素：强酸、强碱、有毒物质等 化学因素：热、辐射 生物因素：病原体 自溶 异溶 细胞凋亡细胞凋亡(apoptosis) 细胞凋亡的概念及其生物学意义细胞凋亡的概念及其生物学意义 细胞凋亡的形态学和生物化学特征细胞凋亡的形态学和生物化学特征 细胞凋亡的过程分子调控机理细胞凋亡的过程分子调控机理 一、细胞凋亡的概念及其生物学意义一、细胞凋亡的概念及其生物学意义 概念： 由体内外因素触发细胞内预存的死亡

2、程 序而导致的细胞死亡过程。 生物学意义：细胞凋亡对于多细胞生物个体发育 的正常进行，自稳平衡的保持以及抵御外界各种因 素的干扰方面都起着非常关键的作用： 蝌蚪尾的消失(图)， 脊椎动物的神经系统的发育（图）， 发育过程中手和足的成形过程（图）。 细胞凋亡的形态学和生物化学特征细胞凋亡的形态学和生物化学特征 细胞凋亡与坏死(necrosis) 细胞凋亡的形态学特征 细胞凋亡的生化特征 诱导细胞凋亡的因子 二者的主要区别是，细胞凋亡过程中，细胞质膜反折， 包裹断裂的染色质片段或细胞器，然后逐渐分离，形 成众多的凋亡小体（apoptotic bodies），凋亡小体则为 邻近的细胞所吞噬。整个过程

3、中，细胞质膜的整合性 保持良好，死亡细胞的内容物不会逸散到胞外环境中 去，因而不引发炎症反应。相反，在细胞坏死时，细 胞质膜发生渗漏，细胞内容物，包括膨大和破碎的细 胞器以及染色质片段，释放到胞外，导致炎症反应(图) 凋亡的起始：细胞表面的特化结构如微绒毛消失，细胞间 接触的消失，但细胞膜依然完整；线粒体大体完整，但核 糖体逐渐从内质网上脱离，内质网囊腔膨胀，并逐渐与质 膜融合；染色质固缩，形成新月形帽状结构等形态，沿着 核膜分布 凋亡小体的形成：核染色质断裂为大小不等的片段，与某 些细胞器如线粒体一起聚集，为反折的细胞质膜所包围。 细胞表面产生了许多泡状或芽状突起（图），逐渐形成单 个的凋亡

4、小体 凋亡小体逐渐为邻近的细胞吞噬并消化 (动画) 细胞凋亡的主要特征是形成大小为 180200bp特征性的dna ladders(图) 凋亡细胞组织转谷氨酰胺酶ttg （tissue transglutaminase）积累并达 到较高水平 物理性因子，包括射线（紫外线， 射线等）， 较温和的温度刺激（如热激，冷激）等 化学及生物因子：包括活性氧基团和分子，dna 和蛋白质合成的抑制剂，激素，细胞生长因子，肿 瘤坏死因子（tnf），抗fas/apo-1/cd95抗体等 三、细胞凋亡的过程分子调控机理细胞凋亡的过程分子调控机理 线虫(c.elegans)凋亡研究发现ced3,ced4基因促进 细

5、胞凋亡，ced9基因阻止ced3/ced4的激活，抑制 细胞凋亡。ced3哺乳类同源物是ice(interleukin- 1-converting enzyme)，即caspase1 细胞凋亡的过程及机理 caspase家族与凋亡 caspase家族 caspase活性位点是半胱氨酸(cysteine)， 裂解靶蛋白位点是天冬氨酸残基后的肽 键，因此称为cysteine aspartic acic specific protease，即caspase caspase活化 胞外信号分子诱导的细胞凋亡途径 caspase活化 caspase自身以非活化的procaspase存在，其激 活依赖于其他

6、的caspase在它的天冬氨酸位点裂 解活化或自身活化 胞外信号分子诱导的细胞凋亡途径 凋亡信号通路 当细胞接受凋亡信号分子(fas,tnf等)后，凋亡细胞表面信号分子受体 相互聚集并与细胞内的衔接蛋白(adaptor protein)结合，这些衔接蛋白又 募集procaspases聚集在受体部位，procaspase相互活化并产生级联反应，使 细胞凋亡 下游caspases活化后，作用底物： 裂解核纤层蛋白，导致细胞核形成凋亡小体； 裂解dnase结合蛋白，使dnase释放，降解dna形成dna ladder; 裂解参与细胞连接或附着的骨架和其他蛋白，使凋亡细胞皱缩、 脱落，便于细胞吞噬；

7、导致膜脂ps重排，便于吞噬细胞识别并吞噬。 bcl-2家族、线粒体与细胞凋亡 bcl-2是一种原癌基因，是ced-9在哺乳类中的同 源物，能抑制细胞凋亡；与线粒体及内质网膜相 结合；bcl-2蛋白的羧基末端有一穿膜的结构域； bcl-2家族成员的基因中，常常含有三个保守的 bcl-2同源区，即bh1，bh2和bh3 bcl-2、线粒体与细胞凋亡 哺乳动物细胞中发现的apaf2即是cytc 当caspase8活化后，它一方面作用于procaspase3，另 一方面使bid裂解成2个片段，其中含bh3结构域的c-端 片段被运送到线粒体，与bcl-2/bax的bh3结构域形成 复合物，导致细胞色素c

8、释放。cytc与胞质中ced4同源 物apaf-1(凋亡蛋白酶活化因子apoptosis protease activating factor)结合并活化apaf-1，活化的apaf-1再活 化procaspase9，最后引起细胞凋亡 a 正常t细胞杂交瘤细胞 b 凋亡细胞(扫描电镜) c 凋亡细胞(透射电镜) 细胞色素细胞色素c诱导的凋亡细胞诱导的凋亡细胞dna电泳图电泳图 1细胞色素c诱导0 h 2细胞色素c诱导1 h 3细胞色素c诱导2 h 4细胞色素c诱导3 h 5细胞色素c诱导4 h 6阴性对照 7marker （ 自赵允、翟中和） 1031个细胞 ，131个细胞凋亡 找到一系列与细

9、胞凋亡有关的基因: ced-3、ced-4 诱发、启动凋亡 ced-9 抑制凋亡 ced-3、ced-4 基因突 变或缺失，使凋亡受阻 移入 ced-9 使凋亡受阻 失去 ced-9 使细胞凋亡 凋亡的启动阶段 细胞凋亡的膜受体通路 细胞色素c释放和caspases激活的生化途径 凋亡的执行阶段 caspase家族的特征 caspase活化机制 caspase效应机制 细胞凋亡的调节 fas具有三个富含半胱氨酸的胞外区和一个 称为死亡结构域（death domain，dd）的 胞内区。fas的配体fasl（fas ligand）与 fas结合后，fas三聚化使胞内的dd区构象 改变，然后与接头

10、蛋白fadd（fas associated death domain）的dd区结合，而 后fadd的n端ded区（death effector domain）就能与caspase-8（或-10）前体蛋 白结合，形成disc (death-inducing signaling complex )，引起caspase-8、10通 过自身剪激活，它们启动caspase的级联反 应，使caspase-3、-6、-7激活，这几种 caspase可降解胞内结构蛋白和功能蛋白， 最终导致细胞凋亡。 细胞凋亡的启动阶段： 1）细胞凋亡的膜受体通路：（以fas-fasl为例） 细胞凋亡的启动阶段： 2）细胞色素

11、c释放和capases激活的生物化学途径 释放到胞浆的细胞色素c在datp 存在的条件下，能与凋亡apaf-1 （apoptotic protease activating factor-1凋亡酶激活因子-1）结合， 使其形成多聚体，并促使 caspase-9与其结合形成凋亡小体， caspase-9被激活，被激活的 caspase-9能激活其它的caspase如 caspase-3等，从而诱导细胞凋亡。 此外，线粒体还释放凋亡诱导因 子，如aif，参与激活caspase。 l1）c端同源区存在半胱氨酸激活位点，此激活 位点结构域为qacr/qg。 l2）通常以酶原的形式存在，相对分子质量 2

12、9000-49000（29-49kd），在受到激活后其内 部保守的天冬氨酸残基经水解形成大（p20） 小（p10）两个亚单位，并进而形成两两组成 的有活性的四聚体，其中，每个p20/p10异二 聚体可来源于同一前体分子也可来源于两个不 同的前体分子。 l3）末端具有一个小的或大的原结构域。 首先在caspase前体 的n-端前肽和大亚 基之间的特定位点 被水解去除n-端前 肽，然后再在大小 亚基之间切割释放 大小亚基，由大亚 基和小亚基组成异 源二聚体，再由两 个二聚体形成有活 性的四聚体。 caspase活化基本有两种机制，即同源活化和异源活化， 这两种活化方式密切相关，一般来说后者是前者的

13、结果。 发生同源活化的caspase又被称为启动caspase（initiator caspase），包括caspase-8,-10,-9，诱导凋亡后，起始 caspase通过adaptor被募集到特定的起始活化复合体， 形成同源二聚体构像改变，导致同源分子之间的酶切而 自身活化，通常caspase-8, 10, 2介导死亡受体通路的细 胞凋亡，分别被募集到fas和tnfr1死亡受体复合物， 而caspase-9参与线粒体通路的细胞凋亡，则被募集到 cyt c/d atp/apaf-1组成的凋亡体（apoptosome）。同源 活化是细胞凋亡过程中最早发生的capases水解活化事件， 启动c

14、aspase活化后，即开启细胞内的死亡程序，通过 异源活化方式水解下游caspase将凋亡信号放大，同时 将死亡信号向下传递。 异源活化（hetero-activation）即由一种caspase 活化另一种caspase，是凋亡蛋白酶的酶原被活 化的经典途径。被异源活化的caspase又称为执 行caspase(executioner caspase)，包括caspase-3,- 6,-7。执行caspase不象启动caspase ，不能被募 集到或结合起始活化复合体，它们必须依赖启 动caspase才能活化。 l1)凋亡抑制物 正常活细胞因为核酸酶处于无活性状态，而不 出现dna断裂，这是

15、由于核酸酶和抑制物结合在 一起，如果抑制物被破坏，核酸酶即可激活，引 起dna片段化（fragmentation）。现知caspase可 以裂解这种抑制物而激活核酸酶，因而把这种酶 称为caspase激活的脱氧核糖核酸酶（caspase- activated deoxyribonulease cad），而把它的抑 制物称为icad。因而，在正常情况下，cad不 显示活性是因为cad-icad，以一种无活性的复 合物形式存在。icad一旦被caspase水解，即赋 予cad以核酸酶活性，dna片段化即产生. l2) 破坏细胞结构 caspase可直接破坏细胞结构，如裂解核纤层， 核纤层（lami

16、na）是由核纤层蛋白通过聚合作用 而连成头尾相接的多聚体，由此形成核膜的骨架 结构，使染色质（chromatin）得以形成并进行正 常的排列。在细胞发生凋亡时，核纤层蛋白作为 底物被caspase在一个近中部的固定部位所裂解， 从而使核纤层蛋白崩解，导致细胞染色质的固缩。 l3) 调节蛋白丧失功能 caspase可作用于几种与细胞骨架调节有关的酶或 蛋白，改变细胞结构。其中包括凝胶原蛋白 （gelsin）、聚合粘附激酶（focal adhesion kinase ,fak）、p21活化激酶（pak）等。这些蛋 白的裂解导致其活性下降。如caspase可裂解凝胶原 蛋白而产生片段，使之不能通过肌

17、动蛋白（actin） 纤维来调节细胞骨架。 所有这些都表明caspase以一种有条不紊的方式 进行“破坏”，它们切断细胞与周围的联系，拆散 细胞骨架，阻断细胞dna复制和修复，干扰mrna 剪切，损伤dna与核结构，诱导细胞表达可被其他 的细胞吞噬的信号，并进一步使之降解为凋亡小体。 l1.凋亡抑制分子： 1）p53 是一种抑癌基因，其生物学功能是在g期 监视dna的完整性。如有损伤，则抑制细胞增殖， 直到dna修复完成。如果dna不能被修复，则诱导 其调亡。 2）flips(flice-imhibirory proteins)能抑制 fas/tnfr1介导的细胞凋亡。flips通过ded功能

18、区， 与fadd和caspase-8，10结合，拮抗它们之间的相 互作用，从而抑制caspase8，10募集到死亡受体复 合体和它们的起始化。 3）凋亡抑制蛋白（iaps,inhibitors of apoptosis protien）它们主要抑制caspase3,-7，而不结合它的 酶原，对caspase则即可以结合活化的，又可结合酶 原，进而抑制细胞凋亡。 lbcl-2家族 bcl-2为凋亡抑制基因，其功能相当 于线虫中的ced-9。现已发现至少 19个同源物，它们在线粒体参与的 凋亡途径中起调控作用，能控制线 粒体中细胞色素c等凋亡因子的释 放。 bcl-2家族成员都含有1-4个bcl-2同源 结构域（bh1-4），并且通常有一 个羧端跨膜结构域(transmembrane region ,tm)。其中bh4是抗凋亡蛋 白所特有的结构域，bh3是与促进 凋亡有关的结构域。根据功能和结 构可将bcl-2基因家族分为两类，一 类是抗凋亡的（anti-apoptotic）， 如：bcl-2、bcl-xl、bcl-w、mcl-1； 一类是促进凋亡的（pro- apoptotic），如：bax、bak、bad、 bid、bim，在促凋亡蛋白中还有一 类仅含bh3结构，如bid、bad。 凋亡过程与调控总结凋亡过程与调控总结 凋亡过