疾病的细胞机制—增殖、分化、凋亡和疾病

1、疾病的细胞机制增殖、分化、凋亡和疾病 (Cellular Mechanism of Diseases) 1122细胞增殖细胞分化细胞凋亡生死增殖通过有丝分裂，达到细胞数量增加、组织和器官增大及个体生长分化通过细胞形态、结构和功能的特化，实现表型差异、组织和器官的功能及个体成熟凋亡体内外生理或病理因素激活细胞内死亡程序，导致细胞主动死亡疾病的细胞机制：细胞“生”的过程和/或“死”的过程的失控细胞增殖异常与疾病细胞分化异常与疾病细胞凋亡异常与疾病细胞自噬异常与疾病（自学）33第一节 细胞增殖异常与疾病 (Abnormal Cell Proliferation and Diseases) 细胞增殖：

2、细胞分裂和再生的过程细胞生长DNA复制细胞分裂4细胞周期4一、细胞周期（Cell cycle）的概述定义：增殖细胞从一次有丝分裂结束到下一次有丝分裂的结束所经历的时期和顺序变化分期55G1期 (first gap phase, DNA合成前期 ) S期（synthetic phase, DNA合成期）M期（mitotic phase, 有丝分裂期）G2期（second gap phase, DNA合成后期）6Interphase Prophase Prometaphase Metaphase Telophase Cytokinesis MitosisAnaphase有丝分裂视频：有丝分裂视频：

3、特点单向性：G1 S G2 M阶段性：细胞周期停滞 （cell cycle arrest）检查点（check point） ：细胞内存在的监控机制 ，只有通过检查点的检查，细胞才能进入下一个时相微环境影响77check point人体细胞的分类周期性细胞（Cycling cells）：表皮细胞、骨髓干细胞、生殖细胞等G0期细胞（G0 cells） ：肝细胞、肾细胞终端分化细胞（Terminally differentiated cells）：神经细胞、心肌细胞88二、细胞周期的调控（Regulation of Cell Cycle）自身调控（Self-control）周期蛋白（Cyclin）和

4、周期素依赖性蛋白激酶（Cyclin dependent kinase, CDK ） 检查点（check point）细胞外信号（ Extracellular signals ）的调控991、周期蛋白（Cyclin）cyclin A、B1-2、C 、D1-3、E、F、G1-2、H、I、K、T1-2作用：活化CDK，使不同底物磷酸化而实现对细胞周期不同时相的推进和转换作用结构：含周期蛋白框（cyclin box），引导区域1010PSTAIRE cyclinCDKCyclin/CDKCombineCyclin boxCyclin Catalytic subnuitRegulatory subuni

5、tCDK下游底物磷酸化1111周期蛋白的降解：通过泛素-蛋白酶体系统（Ubiquitin Proteasome System ）进行降解 M期周期蛋白：降解盒（destruction box）G1期周期蛋白：PEST site1212降解第一步:泛素结合（Ubiquitin Conjugation）1313Ubiquitin-activating enzyme E1（泛素激活酶）Ubiquitin-conjugating enzyme E2（泛素结合酶）Ubiquitin-protein ligase E3（泛素连接酶）降解第二步:泛素化蛋白被蛋白酶体（proteasome ）水解 1414泛

6、素-蛋白酶体系统视频：2、周期素依赖性蛋白激酶（Cyclin dependent kinase , CDK ） 丝氨酸 / 苏氨酸蛋白激酶，CDK19作用：CDK与不同cyclin结合后活化，调控细胞周期1515下游的蛋白质如Rb磷酸化 通过G1/S限制点而进入S期 组蛋白H1磷酸化导致染色体凝缩，核纤层蛋白磷酸化使核膜解体等 主要底物-视网膜母细胞瘤蛋白（Retinoblastoma protein，Rb)抑癌蛋白 (tumor suppressor protein)Rb家族包括Rb protein、p107和p130三种 调节细胞从G1S期的转变：RB-E2F pathway1616171

7、7G1早期Rb并不一定以非磷酸化形式存在，也可以低磷酸化形式存在（pRb） CDK活性的调控(1)周期蛋白(2)磷酸化和去磷酸化的调节：只有当CDK分子中的活化部位被磷酸化，同时抑制部位被去磷酸化时，CDK才被激活 18CDK1的激活需要Thr161的磷酸化，以及Thr14和Tyr15去磷酸化Wee 1 激酶Cdc25CDK 活化激酶（CDK-activating kinase, CAK ）Thr 苏氨酸Tyr 酪氨酸 (3) CDK 抑制因子（cyclin dependent kinase inhibitor, CDI /CKI） INK4（inhibitors of kinase 4）家族

8、 成员：p16 INK4A, p15 INK4B, p18 INK4C, p19 INK4D主要抑制 CDK4、CDK6 CIP (Cdk inhibitory protein) /KIP (kinase inhibitory protein)家族 成员：p21 Cip1, p27 Kip1, and p57 Kip2主要抑制 CDK219大多数 CDIs 是通过直接结合 CDK-cyclin 复合物的磷酸化活化部位，抑制 CDK 的激酶活性只有p16 INK4A是通过结合 CDK4 单体，阻断它与 cyclins 的结合 p21一种广泛作用的CDI与增殖细胞核抗原 （proliferatin

9、g cell nuclear antigen，PCNA ）结合，直接抑制DNA的合成中介了在p53蛋白的细胞周期DNA损伤检查点的调控2020（4）癌基因和抑癌基因（Oncogen and Tumor suppressor gene） 癌基因：src，ras，sis，myc，myb抑癌基因：Rb、p5321213、细胞周期检查点（Checkpoint）DNA 损伤检查点（DNA damage checkpoint）：G1/S交界处 DNA 复制检查点：S/G2交界处纺锤体组装检查点 (Spindle assembly checkpoint): G2/M交界处 2222G1/S检测点检测主要通过

10、肿瘤抑制蛋白 p53 分子完成 2323G2/M检测点检测主要通过Cdc25 完成的 242525P53也参与G2/M DNA损伤的检查 4、细胞外信号对细胞周期的调控通过限制点（restriction point，R点）起作用2626（1）增殖信号包括大多数的肽类生长因子通过启动ras-MAPK通路，使 cyclin D 表达增加 2727（2）抑制信号转化生长因子（TGF-）：通过p38 MAPK通路，下调 cyclin 和 CDK4；或通过促进p21和 p15等 CDI 产生不利于细胞生长的微环境 2828三、细胞周期调控异常（Dysregulation of cell cycle）细胞

11、周期的驱动失控（Cyclin、CDK和CDI表达异常）监控（检查）机制受损2929细胞增殖异常与相关疾病 增殖过度 增殖分化异常恶性肿瘤、前列腺肥大糖尿病肾病银屑病、原发性血小板增多症神经退行性疾病家族性红细胞增多症、类风湿关节炎再生障碍性贫血 肝肺肾纤维化、肾小管间质性病变动脉粥样硬化1、恶性肿瘤:生物学特征是恶性增殖（1）周期蛋白异常与 cyclin（D、E）过量表达有密切的关系Cyclin D1（bcl-1） ： 295个氨基酸，由染色体11q13上的CCND1基因编码3030Amplification (基因扩增)Translocation (染色体易位)如t (11:14) (q13

12、: q32)Inversion (染色体倒位)如 inv (11) (p15：q13)乳腺癌、胃癌、食道癌 甲状旁腺瘤 B细胞淋巴瘤 （ 2 ） CDK 增多 CDK4 和 CDK6 过表达（ 3 ） CDI 表达不足和突变p16蛋白失活较为多见黑色素瘤、食管癌、肺癌、卵巢癌、乳腺癌、结直肠癌等都报道存在较高频率的p16 InK4基因异常 原因：p16 InK4 基因缺失、突变、CpG 岛高度甲基化p27蛋白失活与乳腺癌，前列腺癌，肺癌，胃癌，大肠癌和卵巢癌等有关 3131（4）细胞周期监控机制受损G1/S 交界处失察： 50%的肿瘤发生与p53基因突变有关 G2/M 交界处失察 32322、

13、银屑病（俗称为牛皮癣）临床表现：皮肤出现大小不等、境界清楚的红斑鳞屑性斑块，上覆大量干燥的银白色鳞屑 原因：表皮细胞过度增生机制表皮生长因子受体（EGF ）的增加：正常皮肤表皮中EGFR只存在基底细胞层和基底上层，而银屑病EGFR分布于皮肤的全层，导致角质形成细胞过度增殖 cAMP水平下降33333、原发性血小板增多症（ primary throbocythemia）临床特征：出血倾向及血栓形成机制：骨髓巨核细胞过度增殖，外周血血小板持续明显增多（为正常的2-12倍），功能也不正常 病因：与X染色体遗传有关，血小板生成抑制因子TGF-1减少、血液微环境中辅助细胞的缺乏等3434第二节 细胞分化

14、异常与疾病（Abnormal Cell Differentiation and Diseases）一、细胞分化的概述 定义：指在细胞增殖时，子代细胞在形态、结构和生理功能上产生差异的过程受精卵：全能性多能性单能性成熟定型干细胞（stem cell）3535细胞分化的结果时间上的分化空间上的分化3636人体干细胞分类全能干细胞：胚胎干细胞多能干细胞：骨髓造血干细胞定向干细胞：精原细胞、红细胞系、白细胞系等3737细胞分化特点稳定性：分化一旦确立，分化状态稳定 全能性：子代细胞保留受精卵的全部信息 选择性：基因选择性表达，出现不同的表型 细胞分化条件的可逆性：已分化的细胞在一定条件下可以逆转到胚胎

15、状态，形成去分化现象 3838Skin cellsReprogram into ES like iPS cells2007年11月，美国和日本科学家分别宣布独立发现将普通皮肤细胞诱导成为具备类似胚胎干细胞的功能，即为诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells, iPS cells）二、细胞分化的机制及其调控1、细胞分化的机制“决定”先于分化：细胞决定（ determination ）是指细胞内某些基因永久地关闭，而另一些基因顺序表达，具备向某一特定方向分化的能力细胞质在决定细胞差别中作用 细胞间相互作用微环境：壁龛（niche ）结构包括壁龛细胞、细胞外基质（

16、extracellular matrix，ECM）和来源于壁龛细胞的可溶性因子 392、细胞分化的调控基因水平的调控 奢侈基因（luxury gene）：编码细胞中特异性蛋白的基因，对细胞分化起重要作用管家基因（ house keeping genes ）：对细胞分化只起协作作用 转录和转录后水平调控转录水平调控：调节蛋白（转录因子）对专一基因的启动子和增强子进行调控转录后水平调控：对 mRNA 前体的处理和加工翻译与翻译后水平调控细胞外因素调控：激素、细胞因子、黏附分子、药物等 40三、细胞分化异常（Abnormal Cell Differentiation ）1、肿瘤肿瘤细胞的共同特征：细

17、胞分化不足，而只是保持持续增殖确定肿瘤细胞的分化程度对于肿瘤病情的判断具有重要意义 恶性肿瘤细胞异常分化的表现为：低分化；去分化（dedifferentiation）或反分化(retrodifferentiation)；趋异性分化（divergent differentiation）即肿瘤细胞分化程度和分化方向的差异性41恶性肿瘤细胞异常分化的机制细胞的增殖和分化脱耦联：在体外培养的癌细胞表现为失去密度依赖性抑制，无限传代成为“永生的”细胞系基因表达时空上失调特异性基因表达受到抑制：如肝癌细胞不合成白蛋白；结肠肿瘤不合成粘蛋白 胚胎性基因重现表达：如肝癌细胞过多合成甲胎蛋白和胎儿型醛缩酶 A

18、等癌基因和抑癌基因的协同失衡42细胞分化理论可用以指导临床肿瘤治疗 采取适当的方法诱导其发生终末分化，肿瘤的增殖能力就可能会被抑制能诱导肿瘤细胞发生分化的物质称为分化诱导剂对正常细胞的非特异性毒副作用小，有非常好的应用前景 作用机理：诱导癌细胞向终未阶段分化的同时，启动了细胞死亡程序 代表-维甲类（Retinoids）：如全反式维甲酸已用于早幼粒细胞白血病的临床治疗，视黄醇与干扰素a 合用治疗皮肤鳞癌或宫颈鳞癌43432、肺纤维化（Pulmonary fibrosis）弥漫性肺间质纤维化，表现为活动性呼吸困难，限制性通气功能障碍，弥散功能降低和低氧血症等3、肥胖症（Morbid obesity

19、）脂肪细胞体积增大，分化异常前脂肪细胞大量向脂肪细胞分化，导致脂肪细胞数量增加44444、畸胎瘤（teratoma）在胚胎不同时期，某些多能细胞脱落下来，分化发生异常具有内胚层、中胚层和外胚层三个胚层的异常分化组织4545第三节 细胞凋亡异常与疾病一、细胞死亡形式1、细胞坏死（ Necrosis ）细胞在严重损伤因素刺激时，所发生的一种被动的死亡现象形态改变是由酶性消化和蛋白变性引起的 形态特征线粒体和内质网肿胀、崩解炎症反应 4646坏死凋亡2、细胞凋亡（ apoptosis ）细胞在体内外因素的诱导下，在严格和复杂的信号网络调控下，发生的一种主动的有序的死亡形态特征细胞皱缩、核固缩、胞膜空

20、泡化，形成凋亡小体核酸内切酶激活DNA 的片段化（180200bp的倍数）4747细胞凋亡的生理学意义清除多余的和失去功能的细胞，确保组织器官正常发育、生长清除受损、突变或者衰老的细胞，维持内环境稳定发挥积极的防御功能：当细胞受到病毒感染时，受感染的细胞可以通过凋亡来阻止病毒的增殖，或通过 DNA 的降解，把病毒的 DNA 进行分解 4849细胞凋亡与细胞坏死的比较坏 死凋 亡1.性 质病理性，非特异性生理性/病理性，特异性2.诱 因强烈刺激，随机发生较弱刺激，非随机发生3.基因调控无有4.生化特点被动过程,无新蛋白合成,不耗能 主动过程,有新蛋白合成,耗能5.形态改变细胞肿胀结构溶解，破坏细

21、胞皱缩，核固缩胞膜/细胞器相对完整6.凋亡小体无有7.DNA变化弥散性降解电泳呈均一片状片段化（180-200bp）电泳呈“梯”状条带8.溶酶体改变破裂相对完整9.炎症反应局部炎症反应局部无炎症反应二、细胞凋亡的过程50凋亡信号的转导接受凋亡信号凋亡的执行凋亡细胞的清除生理性凋亡信号：许多激素和细胞因子；生存信号的缺乏或不足病理性凋亡信号：促进细胞凋亡：生物及化学毒物、病毒感染、射线、应激和化疗药抑制细胞凋亡：化学促癌物、某些病毒（EB病毒，人类乳头状瘤病毒）甲状腺素在蝌蚪转变为青蛙的器官凋亡性退化中起重要的作用 二、细胞凋亡的过程51凋亡信号的转导接受凋亡信号凋亡的执行凋亡细胞的清除胞内Ca

22、2+信号系统 cAMP/ PKA信号系统 Fas /FasL信号系统 神经酰胺信号系统 二酰甘油PKC信号系统 酪氨酸蛋白激酶信号系统等等这个系统的特点多样性：不同种类的细胞有不同的信号转导系统耦联性：死亡信号的转导系统与细胞增殖、分化过程中的信号转导系统在某些环节上有交叉、耦联同一性：不同的凋亡诱导因素可以通过同一信号转导系统触发细胞凋亡多途性：同一凋亡诱导因素可经过多条信号转导途径触发凋亡52胞内Ca2+信号系统 53化学毒物、细菌及病毒的毒素、过量的兴奋性氨基酸、氧化应激等 干扰细胞的Ca2+转运系统和Ca2+通道 钙稳态失衡 激活Ca2+/Mg2+依赖的核酸内切酶，降解DNA链 激活谷

23、氨酰胺转移酶，有利于凋亡小体形成 激活核转录因子，加速细胞凋亡相关因子的合成 使DNA链舒展，有利于DNA内切酶切割DNA 氧化应激 54TNF-、电离辐射等 氧化应激 激活Ca2+/Mg2+依赖的核酸内切酶，降解DNA链 激活P53基因 消耗大量ATP活化核转录因子NF-B，AP-1等诱发细胞凋亡 各种氧化剂 ，抑制SODFas又称作CD95，属TNF受体家族Fas基因编码产物为分子量45KD的跨膜蛋白分布于胸腺细胞，激活的T和B淋巴细胞，巨噬细胞，肝、脾、肺、心、脑、肠、睾丸和卵巢细胞等Fas蛋白与FasL结合后，会激活caspase，导致靶细胞走向凋亡55Fas所介导的细胞凋亡的信号转导

24、机制 FasL或抗Fas抗体与Fas蛋白结合，引起神经鞘磷脂酶的活性迅速上升，使神经鞘磷脂分解产生神经酰胺，神经酰胺作为第二信使激活相应的蛋白激酶，从而诱导细胞凋亡 抗Fas抗体或TNF与Fas蛋白结合后可激活ICE样的caspase，后者可降解H1组蛋白，使染色体松弛，DNA链舒展而暴露出核酸内切酶的酶切位点，使DNA链更容易被切割 Fas蛋白被激活后也可以通过Ca2+信号系统传递死亡信息而导致细胞凋亡 56神经酰胺信号系统神经酰胺（ceramide）是神经鞘磷脂（sphingomyelin, SM）在SM酶的作用下产生的一类新型第二信使生物学效应包括：诱导凋亡；抑制细胞生长；引起细胞周期阻

25、滞，细胞周期通常被阻滞于G0/G1期电离辐射、TNF-a、Fas、糖皮质激素均可通过神经酰胺信号系统诱导细胞凋亡 57线粒体损伤凋亡的早期就会出现线粒体内膜通透性增大，线粒体跨膜电位（m）明显下降线粒体损伤引起细胞凋亡的可能机制是：线粒体内、外膜之间的PTP具有调节线粒体膜通透性的作用，使细胞凋亡的启动因子如细胞色素C（）、凋亡蛋白酶激活因子(Apaf)和凋亡诱导因子（AIF）等从线粒体内释放出来 58二、细胞凋亡的过程59凋亡信号的转导接受凋亡信号凋亡的执行凋亡细胞的清除Caspases内源性核酸内切酶（如EndoG)作用：切割染色质DNA特点：这些酶多数为Ca2+/Mg2+依赖的，但Zn2

26、+可抑制其活性 Caspases属于半胱氨酸蛋白酶家族，14个成员Caspase活性位点是半胱氨酸，剪切位点是天冬氨酸残基后的肽键，因此称为Cysteine aspartic acid specific protease，即Caspase分类：启动型caspases (caspase-8，-9，-10， -12)，效应型caspases（ caspase-3，-6，-7）60Caspase的结构和活化Caspases 酶原包含三个结构域：NH2 末端结构域（Prodomain）、约 20KD 大亚基、约 10KD 小亚基活化：剪切的位置是特异性的天冬氨酸残基的肽键（Asp-X） 61Caspa

27、se的功能 灭活凋亡抑制蛋白 ：如CAD/ICAD，Bcl-2直接破坏细胞结构，如Lamina分解与细胞骨架构成相关的蛋白：如FAK、PAK2可使一些与DNA修复、复制和mRNA缝接有关的蛋白的调节区和催化区解离，瓦解核结构62按照启动型caspase的不同，凋亡信号转导途径分为外在途径(extrinsic pathway)或死亡受体途径：由细胞表面的死亡受体如Fas和肿瘤坏死因子受体家族(tumour necrosis factor receptor，TNF-R)引发，导致caspase-8或10的活化内在途径(intrinsic pathway)或线粒体途径(mitochondrial p

28、athway)：由许多应激条件、化学治疗试剂和药物所起始，导致caspase-9的活化内质网应激途径：各凋亡信号导致的caspase-12的活化，从而导致凋亡6364外在途径(Extrinsic pathway)或死亡受体途径（Death receptor pathway ）6465内在途径(Intrinsic pathway)或线粒体途径(Mitochondrial pathway)66内质网应激途径 (Endoplasmic reticulum stress pathway)66二、细胞凋亡的过程6767凋亡信号的转导接受凋亡信号凋亡的执行凋亡细胞的清除凋亡后细胞产生凋亡小体，后者可以被邻

29、近巨噬细胞识别，并将其吞噬后分解。机制：磷脂酰丝氨酸迁移至细胞外侧 磷脂酰丝氨酸(phosphatidylserine，PS)外翻三、细胞凋亡的调控机制 功能基因抑制凋亡基因Bcl-2 Bcl-XL、A1/Bfl-1、Bcl-w、Bcl-G和Mcl-1等促凋亡基因P53、Bax、Bad、Bak、Bid、Bim、Bik、Bok、 Bcl-B、Bcl-Xs、Krk、Mtd、Nip3、Nix、Noxa等双向调控基因c-myc、Bel-x68691、Bcl-2家族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 69Bcl-2等抗凋亡蛋白存在于线粒体膜、内质网膜以及外核膜上，但主要定位于

30、线粒体外膜抗凋亡的机制直接抗氧化抑制线粒体释放促凋亡的蛋白质抑制促凋亡调节蛋白Bax、Bak的细胞毒作用抑制凋亡蛋白酶的激活维持细胞钙稳态70促凋亡蛋白主要定位于细胞质受到凋亡因子的诱导而激活后，向线粒体转位，通过寡聚化在线粒体外膜形成跨膜通道，或者开启线粒体的PT孔，从而导致线粒体中的凋亡因子释放，激活caspase，导致细胞凋亡激活方式：去磷酸化，如Bad被caspase加工为活性分子，如Bid从结合蛋白上释放出来，如Bim是与微管蛋白结合在一起的712、p53： “ 分子警察”(molecular policeman)促凋亡机制P53通过与Bcl-2基因相互作用，下调Bcl-2的表达P5

31、3诱导细胞凋亡的靶蛋白表达（线粒体和死亡受体介导）P53诱导线粒体内凋亡的相关蛋白（Bax、NOXA、 PUMA）表达，并触发细胞色素C释放和caspase活化P53诱导死亡受体Fas表达 P53能使死亡受体再定位于细胞膜上72四、细胞凋亡异常与疾病73（一）细胞凋亡不足肿瘤Bcl-2基因高表达p53基因突变或缺失自身免疫病未能将针对自身抗原的免疫细胞以细胞凋亡的方式有效清除 74增殖过度，细胞凋亡减弱增殖并不增加，但细胞凋亡减弱 （二）细胞凋亡过度心肌缺血与缺血-再灌注损伤缺血早期以凋亡为主，晚期以细胞的坏死为主在梗死灶的中心以坏死为主，梗死灶周边以凋亡为主轻度缺血以凋亡为主，重度缺血以坏死为主缺血-再灌注损伤时发生的细胞凋亡单纯缺血更严重急性、严重的心肌缺血以心肌坏死为主，而慢性、轻度的心肌缺血则发生细胞凋亡 心力衰竭氧化应激/压力、容量负荷/神经-内分泌失调/TNF/缺血/缺氧心肌细胞凋亡75阿尔茨海默病（老年痴呆）发病机制主要是细胞凋亡所致神经元丧失Fas抗原的介导p53基因的活化c-Jun和c-foc及其编码蛋白的作用APP695基因突变的作用低亲和力神经生长因子高表达NF-B的