发育生物学五周简

1、1会计学发育生物学五周简发育生物学五周简程序性细胞死亡程序性细胞死亡PCD（programmed cell death）又称又称细胞凋亡细胞凋亡 ( (apoptosis) ) （在体内外因素诱导下，由在体内外因素诱导下，由基因严格调控基因严格调控而发生的而发生的自主自主性性细胞细胞有序死亡有序死亡。）。）1、概念、概念 一个固有的遗一个固有的遗传程序即生物钟，在一传程序即生物钟，在一个受控制的时间和空间个受控制的时间和空间内激活，从而导致细胞内激活，从而导致细胞死亡。死亡。第1页/共71页 意义大致相同，二者可交互意义大致相同，二者可交互使用。使用。比较说来程序性细胞死亡侧重比较说来程序性细

2、胞死亡侧重于于发育学功能上描述；强调死发育学功能上描述；强调死亡发生的时间；适用于胚胎细亡发生的时间；适用于胚胎细胞胞。细胞凋亡偏重于细胞凋亡偏重于病理形态描述病理形态描述；强调细胞死亡的方式；适用；强调细胞死亡的方式；适用于所有细胞。于所有细胞。第2页/共71页中手中手和足和足的成的成形过形过程程第3页/共71页 2、简史18851885年，年，FlemmingFlemming第一个描述有第一个描述有关细胞凋亡的关细胞凋亡的 特征；（染色质浓缩形成半月特征；（染色质浓缩形成半月形）形）19141914年，年，GraperGraper用这种死亡现象解用这种死亡现象解释胚胎发育释胚胎发育 中器官

3、收缩等现象中器官收缩等现象19511951年，年，GlucksmannGlucksmann发现在胚胎发发现在胚胎发育中存在这育中存在这 种死亡，并详细描述；种死亡，并详细描述；6060年代，年代，LockshinLockshin和和WilliamsWilliams首次首次提出提出程序性细胞死亡程序性细胞死亡这一这一概念概念第4页/共71页19861986年，年， Robert Horvitz等发现线等发现线虫中虫中ced3 ced3 （caspasecaspase），），ced4 ced4 （Apaf-Apaf-1 1） 是促凋亡基因。是促凋亡基因。19801980年，年，WyllieWyll

4、ie等发现细胞凋亡与等发现细胞凋亡与内源性核酸内源性核酸 内切酶激活有关。内切酶激活有关。 “DNA ladderDNA ladder”是细胞凋亡发是细胞凋亡发生的标志；生的标志；19651965年，年，John KerrJohn Kerr提出提出“固缩性固缩性坏死坏死”概念；概念；19721972年，年，KerrKerr，WyllieWyllie，CurrieCurrie提提出出“细胞凋细胞凋 亡亡” （apoptosisapoptosis）的概的概念；念；第5页/共71页二二、 PCD/ PCD/细胞凋亡的细胞凋亡的形态变化形态变化(1)(1)细胞皱缩变圆，微绒毛、复合体细胞皱缩变圆，微绒

5、毛、复合体消失；消失； 出芽出芽( (budding)budding)膜空泡化（膜空泡化（blebbing)blebbing) (2) (2)胞质浓缩、细胞器结构保留胞质浓缩、细胞器结构保留(3)核浓缩；核浓缩；染色质凝聚染色质凝聚(4) (4) 凋亡小体形成凋亡小体形成 胞膜皱缩内陷，分割包裹胞质胞膜皱缩内陷，分割包裹胞质( (内含内含DNA物质及细胞器物质及细胞器) )，形成的，形成的膜包颗粒即凋亡小体膜包颗粒即凋亡小体（apoptosis body） (5) (5) 吞噬吞噬第6页/共71页DNA片段第7页/共71页第8页/共71页一般过程：一般过程：因补体反应或烈性病毒因补体反应或烈性

6、病毒感染破坏了质膜，或者能量依赖性离感染破坏了质膜，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。胞吸水膨胀，最终破膜而死。第9页/共71页细胞凋亡与细胞坏死是多细胞生细胞凋亡与细胞坏死是多细胞生物细胞死亡的两种不同形式，在物细胞死亡的两种不同形式，在形态学、生化代谢、分子机制、形态学、生化代谢、分子机制、结局和意义等方面都有本质的区结局和意义等方面都有本质的区别。别。 细胞坏死特征：溶酶体释放酶，细胞细胞坏死特征：溶酶体释放酶，细胞器瓦解，细胞骨架降解，细胞核破裂器瓦解

7、，细胞骨架降解，细胞核破裂、降解，蛋白质合成终止，由于膜破、降解，蛋白质合成终止，由于膜破裂，出现炎症反应裂，出现炎症反应第10页/共71页小体小体第11页/共71页三、胚胎发育中的程序性细胞死三、胚胎发育中的程序性细胞死亡（亡（PCDPCD） （一）一） PCDPCD参与了各器官的形态发参与了各器官的形态发生和发育。生和发育。1 1、肢体的发生、肢体的发生 2 2、中枢神经系统的发、中枢神经系统的发生、发育生、发育3 3、腭的发生、腭的发生 4 4、管（腔）道的形成、管（腔）道的形成5 5、晶状体的发育、晶状体的发育 6 6、心的发育、心的发育7 7、生殖细胞的发生、生殖细胞的发生 8 8、

8、免疫、造血系、免疫、造血系统的发生统的发生 9 9、无用结构的退化消失（弓动脉、前肾、无用结构的退化消失（弓动脉、前肾、中肾、尾芽、鳃膜等）、中肾、尾芽、鳃膜等）第12页/共71页第13页/共71页（二）胚胎发育中（二）胚胎发育中PCDPCD的意义的意义1 1、系统匹配、系统匹配 淘汰没有作用或不再起作用的细胞，淘汰没有作用或不再起作用的细胞，以确保有以确保有 功能细胞的营养和空间。功能细胞的营养和空间。2 2、除去短暂结构：人胚尾芽、除去短暂结构：人胚尾芽3 3、雕刻躯体、雕刻躯体 从而形成正常、精细复杂的生物体。从而形成正常、精细复杂的生物体。4 4、保护机体：如胸腺的发育、损、保护机体：

9、如胸腺的发育、损伤的胚胎细胞伤的胚胎细胞第14页/共71页四、四、PCD/PCD/细胞凋亡的调细胞凋亡的调节节（一）激素水平的调节：（一）激素水平的调节：甲状腺素（蝌甲状腺素（蝌 蚪）、糖皮质激素蚪）、糖皮质激素（胸腺（胸腺cell）、苗勒抑制物质（）、苗勒抑制物质（中肾旁管）等诱导中肾旁管）等诱导PCD雌激素及卵泡刺激素（颗粒细胞雌激素及卵泡刺激素（颗粒细胞）、胰岛素（晶状体上皮细胞）、胰岛素（晶状体上皮细胞）等抑制）等抑制PCD（二）细胞因子调节（二）细胞因子调节主要是生长因子：主要是生长因子：NGF，FGF，TGF，G-CSF等缺乏导致等缺乏导致PCD第15页/共71页（三）（三）PCD

10、PCD相关基因相关基因/ /蛋白蛋白的调节的调节1 1、TNFTNF死亡受体超家族死亡受体超家族（1 1）死亡受体：）死亡受体：FasFas、TNFR ITNFR I等等（2 2）与死亡受体有关的含死）与死亡受体有关的含死亡结构亡结构域的域的信号蛋白信号蛋白：FADDFADD（FASFAS相关死亡蛋白）、相关死亡蛋白）、TRADDTRADD（TNFR ITNFR I相关死亡蛋白）相关死亡蛋白）等等第16页/共71页（1 1）死亡受体：）死亡受体：FasFas、TNFR ITNFR I等等 结构特点：结构特点： 胞内胞内C-C-端：端：胞内功能胞内功能区由区由8080个氨基酸构成个氨基酸构成的的

11、死亡结构域死亡结构域 （death domaindeath domain，DDDD） 跨膜区跨膜区 胞外胞外N-N-端：端：胞外功能胞外功能区内含数个半胱氨酸区内含数个半胱氨酸第17页/共71页（2 2）含有死亡结构域的）含有死亡结构域的信号蛋白信号蛋白TRADD TRADD （TNFRTNFR相关死亡蛋白）相关死亡蛋白）：34kD34kD，C C端端 的的DDDD与与TNFR ITNFR I， FADD FADD的的DDDD结合结合FADD FADD （FasFas相关死亡蛋白）相关死亡蛋白） （MORT-1MORT-1）： 23kD 23kD，C-C-端含有一个端含有一个DD(DD(dea

12、th death domain domain ) )，可与可与FasFas结合；结合；N-N-端端含有含有 MORTMORT结构域或死亡效应结构结构域或死亡效应结构域（域（DED DED : : death effector domain death effector domain ），），可与可与 proCaspase-8 proCaspase-8（FLICEFLICE）的的DEDDED结合结合第18页/共71页nFas(Apo-1,CD95):Fas(Apo-1,CD95): 43kD 43kD （三聚体（三聚体FasL-Fas-FADDFasL-Fas-FADD（Fas Fas 相关死相

13、关死 亡蛋白）亡蛋白）- -proCaspase-8-proCaspase-8）( ( DISC/DISC/死亡死亡 诱导信号诱导信号复合物复合物): ): 活化活化BidBid、caspase-caspase-3 3 DED: death effector domainDED: death effector domainnTNFR ITNFR I（ TNFR55TNFR55）：）：55-60kD55-60kD， TNFR I-TNFR I- -TRADD -TRADD（TNFRTNFR相关死亡蛋白）相关死亡蛋白）- - FADD- proCaspase-8 FADD- proCaspase-

14、8 D DD DDEDED DD DD DD DD DDEDED D第19页/共71页Fas/FaFas/FasLsLDD: death domain第20页/共71页凋亡诱导凋亡诱导因素因素死亡受体（死亡受体（Fas)Fas)配体（配体（FasL)FasL)的表达的表达、结合、结合Caspase-8活化活化Caspase-3活化活化apoptosisFADDFADD第21页/共71页2. 2. 凋亡蛋白酶凋亡蛋白酶Caspase: 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异蛋特异蛋白水解酶）白

15、水解酶） 一组对底物的一组对底物的天冬氨酸天冬氨酸部部位有特异水解作用，其活性中位有特异水解作用，其活性中心富含心富含半胱氨酸半胱氨酸的蛋白酶。的蛋白酶。(1) (1) 定义定义第22页/共71页（2）Caspase Caspase 的的分类及功分类及功能能凋亡启动亚类(DED、CARD)凋亡效应亚类细胞因子加工亚类（ICE亚类）第23页/共71页第24页/共71页CARD: Caspase Activation and Recruitment Domain第25页/共71页Active enzymeCatalytic sites第26页/共71页(4)(4) CaspaseCaspase的作

16、用的作用底物底物 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)CAD: Caspase Activated DNaseCAD: Caspase Activated DNase由由CaspaseCaspase激活的核酸酶激活的核酸酶( (具有内切具有内切酶活性酶活性) )ICADCADDNACaspase第27页/共71页 核纤层核纤层（lamina）蛋白蛋白细胞细胞核核lamina染色染色体体第28页/共71页 细胞骨架蛋白：导致细胞细胞骨架蛋白：导致细胞解体，解体， 形成凋亡小体形成凋亡小体 其他的其他的caspases 灭活细胞凋亡的抑制物灭活细胞凋亡的抑制物第

17、29页/共71页3 3、凋亡蛋白酶活化因子凋亡蛋白酶活化因子-1 -1（Apaf-1)Apaf-1) 130kD130kD，N-N-端含有一半胱氨酸蛋白端含有一半胱氨酸蛋白酶募集域（酶募集域（CARDCARD），），C-C-端由端由1212个个WD-40WD-40重复片段组成。重复片段组成。凋亡体凋亡体/ /死亡复合体：死亡复合体： Cytc -Apaf-1-dATP Cytc -Apaf-1-dATP （闭合的单体聚合成开放的七聚体）Cytc -Apaf-1-dATP-proCaspase-9Cytc -Apaf-1-dATP-proCaspase-9第30页/共71页凋亡复合体凋亡复合体C

18、ARD: Caspase Activation and Recruitment Domain第31页/共71页4 4、线粒体膜间隙蛋白（线粒体释放线粒体膜间隙蛋白（线粒体释放的凋亡相关因子）的凋亡相关因子） 细胞色素细胞色素C C，凋亡诱导因子，凋亡诱导因子， Apaf-Apaf-1 1 , , CaCa2+ 2+ , , Smac/DIABLOSmac/DIABLO等等5 5、自由基、自由基活性氧自由基（活性氧自由基（超氧阴离子自由基、羟自由基及单线态氧，H2O2等）：诱导）：诱导PCDPCD的发生。的发生。活性氮自由基：活性氮自由基：NONO高浓度促高浓度促PCDPCD，低浓度抑制低浓度抑

19、制PCDPCD第32页/共71页6 6、P53基因基因阻滞细胞阻滞细胞G G1 1期，修复受损的期，修复受损的DNA，如修复失败则通过多种途径诱导，如修复失败则通过多种途径诱导细胞凋亡。细胞凋亡。（射线、毒素（射线、毒素）第33页/共71页P53P53的促凋亡机的促凋亡机制：制：（1 1） DNA结合蛋白，结合蛋白，调控基因（调控基因（BAXBAX等等) )转录转录（细胞核途径）（细胞核途径）（2 2）激活线粒体途径）激活线粒体途径（3 3）诱导）诱导FasFas增加增加 （4 4）诱导溶酶体的不）诱导溶酶体的不稳定性稳定性第34页/共71页基本结构特征：跨膜结构域基本结构特征：跨膜结构域 B

20、HBH）第35页/共71页第36页/共71页第37页/共71页 BcL-2BcL-2基因家族成员自身基因家族成员自身或彼此之间有形成二聚体或或彼此之间有形成二聚体或多聚体的能力，多聚体的能力，BcL-2BcL-2家族家族通过蛋白与蛋白相互作用调通过蛋白与蛋白相互作用调节着细胞的存活与凋亡。节着细胞的存活与凋亡。第38页/共71页第39页/共71页Bcl-2 Bcl-2 （B cell lymphoma/leukemia-2） ： Bcl-2 是第一个被确认有抗凋亡是第一个被确认有抗凋亡作用，由作用，由 229 229aaaa构成（鼠构成（鼠236236）分）分布在线粒体膜布在线粒体膜, , 内

21、质网，核膜等处内质网，核膜等处。 Bcl-2 和和C. elegans 中的中的ced-9 有有很高的同源性，具有促进细胞存很高的同源性，具有促进细胞存活的功能。活的功能。第40页/共71页BcL-2BcL-2抗凋亡机制：抗凋亡机制：直接抗氧化；直接抗氧化；调节调节PTPPTP（线粒体通透性转换（线粒体通透性转换孔）开放；孔）开放；抑制抑制Bax，Bak的促凋亡作用的促凋亡作用；抑制抑制Caspases激活；激活；维持细胞钙稳态。维持细胞钙稳态。第41页/共71页8 8、凋亡抑制蛋白家族（、凋亡抑制蛋白家族（IAP家族）家族） IAP家族是一组抑制凋亡的蛋家族是一组抑制凋亡的蛋白。白。IAP家

22、族蛋白的主要结构域：家族蛋白的主要结构域：BIR （baculoviral IAP repeat), ,锌指锌指结构域、结构域、CARDCARD。 BIR2BIR2是是IAP 抑制抑制凋亡的结构基础。凋亡的结构基础。 作用机制：抑制作用机制：抑制caspase-3,7,9-3,7,9等等的活性的活性。第42页/共71页Figure 1 Schematic diagram of domain structure in representative IAPs第43页/共71页凋亡凋亡细胞细胞DNADNA的断的断裂裂形成高分子量形成高分子量的的DNADNA大片断大片断（5050kb)kb)形成形成1

23、80180200200bpbp整数倍整数倍的的DNADNA小片断小片断非非CaspaseCaspase依赖的内源依赖的内源性核酸内切性核酸内切酶的激活酶的激活CaspaseCaspase依依赖的内源赖的内源性核酸酶性核酸酶激活激活( (CAD)CAD)9. 9. 核酸内切核酸内切酶酶第44页/共71页 Caspase 8 Caspase 3 Caspase 9 Cleavage of substrates Nucleus Degradation of DNA细胞细胞膜膜第45页/共71页DNADNA断裂与断裂与“梯状条梯状条带带”第46页/共71页细 胞 凋 亡 的 三 条 主 要 途 径膜膜

24、 受受 体体 途途 径径线线 粒粒 体体 途途 径径细细胞胞核核途途径径第47页/共71页（二）、（二）、PCDPCD的主要途径的主要途径1. 1. 膜受体通路膜受体通路( (死亡受体通路死亡受体通路/ /外外源性通路源性通路) )肿瘤坏死因子肿瘤坏死因子死亡死亡受体受体(TNFR)(TNFR)家族中的家族中的死亡受体：死亡受体：FasFasCD95CD95，TNFRTNFR第48页/共71页Fas/FaFas/FasLsLDD: death domain第49页/共71页死亡受体通路死亡受体通路凋亡诱导凋亡诱导因素因素死亡受体（死亡受体（Fas)Fas)配体（配体（FasL)FasL)的表达

25、的表达、结合、结合Caspase-8活化活化Caspase-3活化活化apoptosisFADDFADD第50页/共71页2. 2. 线粒体通路（内源性线粒体通路（内源性途径）途径）线粒体通透性转换孔（线粒体通透性转换孔（MPTPMPTP）：由内膜的腺苷转）：由内膜的腺苷转位因子和外膜的电压依赖性位因子和外膜的电压依赖性阴离子通道）构成的蛋白复阴离子通道）构成的蛋白复合体。合体。第51页/共71页第52页/共71页第53页/共71页? ? ? 线粒体信号通线粒体信号通路路smacSmac: second mitochondria-derived activator of caspaseIAPs

26、(-)Apoptosis Apoptosis inducing inducing factorfactorInhibitoInhibitors of rs of apoptosiapoptosis s proteinproteinapoptotiapoptotic c protease protease activiatactiviation ion factorfactor第54页/共71页凋亡诱导因凋亡诱导因素素死亡受体死亡受体/ /配体的表达配体的表达、结合、结合Caspase-8活活化化Caspase-3活化活化apoptosisBid活活化化线粒体通线粒体通路路 活化活化死亡受体通路

27、与线粒体通死亡受体通路与线粒体通路的联系路的联系Caspase-3活化活化第55页/共71页第56页/共71页第57页/共71页第58页/共71页第59页/共71页小小结结第60页/共71页磷脂酰丝氨酸（磷脂酰丝氨酸（PS)的的外翻外翻PS第61页/共71页磷脂酰丝氨酸磷脂酰丝氨酸（PS)的外翻的外翻第62页/共71页三、胚胎发育中的程序性细胞死三、胚胎发育中的程序性细胞死亡（亡（PCDPCD） （一）一） PCDPCD参与了各器官的形态发参与了各器官的形态发生和发育。生和发育。1 1、肢体的发生、肢体的发生 2 2、中枢神经系统的发、中枢神经系统的发生、发育生、发育3 3、腭的发生、腭的发生 4 4、管（腔）道的形成、管（腔）道的形成5 5、晶状体的发育、晶状体的发育 6 6、心的发育、心的发育7 7、生殖细胞的发生、生殖细胞