细胞课件 17细胞死亡

Apoptosis细胞生物学系李莉lily@概述程序性细胞死亡(programmedcelldeath,PCD)凋亡(apoptosis),I型程序性细胞死亡自噬性细胞死亡(autophagiccelldeath),II型程序性细胞死亡坏死(necrosis)概述根据形态学特征,细胞死亡分为：Apoptosis/凋亡Autophagiccelldeath/自噬性细胞死亡Necrosis/坏死TheNomenclatureCommitteeonCellDeath(NCCD)CellDeathandDifferentiation(2009)16,3–11

细胞凋亡概念的形成

1964年Lockshin,R.A.和WilliamsC.M.明确提出程序性细胞死亡（programmedcelldeath,PCD）1965年JohnKerr提出凝集性坏死(shrinkagenecrosis)

1972年JohnKerr等三位科学家提出细胞凋亡(Apoptosis)的概念

Apoptosis源于希腊语，apo意为from，ptosis意为fall，用于描述花儿凋谢、树叶落下的自然景色。(J.InsectPhysiol.10:643–649,1964)(JPathol.Bacteriol.90:419,1965)(BrJCancer.26:239–257,1972)

细胞凋亡概念的形成

细胞凋亡深入到基因水平的研究起始于秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis

elegans)SydneyBrenner,JohnE.Sulston系统研究了线虫整个发育过程中的细胞分裂和分化，于1998年完成了线虫的基因组测序工作。1970-1980年间，美国科学家RobertH.Horvitz

研究了线虫细胞凋亡过程中的基因调控机制。三位科学家获得2002年生理和医学诺贝尔奖。罗伯特-霍维茨悉尼-布雷内约翰-苏尔斯顿一、凋亡细胞的生物学特征1.细胞凋亡的形态学特征2.细胞凋亡的生物化学特征3.细胞凋亡的生理意义1.细胞凋亡的形态学特征1.凋亡的起始阶段：

细胞变圆,伪足收缩;细胞质、细胞核体积缩小（固缩，pyknosis）;细胞器多无明显变化

核染色质密度增高,凝聚在核膜周边（边缘化），呈半月形.2.凋亡小体的形成：核仁裂解，核染色质断裂，细胞膜内陷将细胞进行分割;细胞表面产生许多泡状或芽状突起（blebbing）;形成单个的凋亡小体（apoptoticbody）。1.细胞凋亡的形态学特征1.细胞凋亡的形态学特征/flowcyt/research/cytotech/apopto/data/malorni/malorni.htmScanningelectronmicroscopy.Epithelialcells.Differentstages.1.细胞凋亡的形态学特征3.凋亡小体被邻近的细胞吞噬并消化NATURECELLBIOLOGY|VOL2|JUNE2000,E1042细胞呈现沸腾运动，细胞膜发泡3凋亡小体形成5单核巨噬细胞吞噬1细胞体积变小，染色质凝集，周边化，呈新月形4上皮细胞吞噬

1.细胞凋亡的形态学特征细胞坏死的形态学特征:膜通透性增加;细胞质、细胞器肿胀（线粒体肿胀）；溶酶体破坏；细胞膜破裂；核染色质不规则位移；引起严重的炎症反应；成群细胞丢失；最终被巨噬细胞吞噬。细胞凋亡

细胞坏死1.单个细胞丢失细胞成群丢失2.细胞膜发泡但仍完整细胞膜不完整3.细胞膜内陷将细胞细胞肿胀、溶解分割成凋亡小体4.不发生炎症反应发生严重炎症反应5.被邻近正常细胞被巨噬细胞所吞噬或吞噬细胞所吞噬6.溶酶体完整溶酶体裂解7.染色质均一凝集染色质聚集成块、不均一

细胞凋亡与坏死在形态学上的差别细胞坏死的形态变化过程细胞凋亡的形态变化过程

A坏死细胞B凋亡细胞细胞凋亡与细胞坏死在形态学上的区别3.SEMofanecroticcell.Numerouslesionsappearonthecellsurface.

4.SEMofanapoptoticcell.Surfaceblebbingisevident.

细胞凋亡与细胞坏死在形态学上的区别2.细胞凋亡的生物化学特征凋亡细胞膜上出现一些标志性变化:磷脂酰丝氨酸(PS)由膜内侧翻到膜外表面NATURECELLBIOLOGY|VOL2|JUNE2000,E1042.细胞凋亡的生物化学特征

胞质内：蛋白酶(caspase)活化，发生级联反应（cascade）,并伴随有能量消耗、新基因转录或蛋白质合成DNA片段化：细胞核内染色质DNA被核酸内切酶降解;从凋亡细胞中提取的DNA在琼脂糖凝胶电泳中呈梯状

(DNAladder)。2.细胞凋亡的生物化学特征细胞坏死的生物化学特征

线粒体相关的功能紊乱,ROS(ReactiveOxideStress)的产生、ATP供应不足、Ca2+流失衡等；

溶酶体膜电位(LMP,lysosomalmembranepermeabilization)变化

；组织蛋白酶（cathepsins）等活化；染色质DNA被随机降解为任意长度的片段,在琼脂糖凝胶电泳中呈现弥散性（smear）的DNA图谱。3.细胞凋亡的生物学意义1.确保正常个体发育：2.维持内环境稳定：一、细胞凋亡信号细胞外部：细胞微环境中的某些因子、相邻细胞等细胞内部：DNA损伤、活性氧等。不同的因素启动细胞凋亡的方式不同，所引起的信号传递途径也不相同。

二、细胞凋亡的信号转导途径二、细胞凋亡的信号转导途径1.依赖于胱天蛋白酶的信号传导途径2.不依赖于胱天蛋白酶的信号传导途径

细胞凋亡的信号转导途径

接受凋亡信号

凋亡调控分子间的相互作用

蛋白水解酶（caspases）的活化

凋亡的级联反应1.依赖于胱天蛋白酶的信号传导途径

Caspases(Cysteinal-aspartic-acid–proteases):胱天蛋白酶，特异性水解底物天冬氨酸C端肽键哺乳动物中已发现15种同源分子，其中7种参与了细胞凋亡的过程。Caspases体内的存在形式：以胱天蛋白酶原（zymogen）的形式合成，呈低水平组成性表达。酶原主要由两部分组成：前导肽结构域（prodomain）（氨基端）和酶活性区域。CaspasesCaspase的活化凋亡启动亚类Caspase（Initiatorcaspase

）：Caspase－8，9，10。凋亡效应亚类Caspase（effector

caspase）：Caspase－3，6，7。其中-3和-7导致DNA修复受到抑制，引起DNA的降解；-6的底物是laminA和keratin18，降解后引起核纤层和细胞骨架的去组装。Caspases同源活化（homo-activation）/自身活化（self-activation）：起始酶（initiators）的活化。起始Procaspase有少量蛋白水解酶活性，可与来源于同一前体的Procaspase之间发生

互相降解和活化。Caspase的活化异源活化（hetero-activation）：活化的caspase催化水解同一家族中其它procaspase成员的活化途径。将凋亡信号级联放大。Caspase的活化Caspase的效应机制效应性caspase可裂解多种底物蛋白：多种蛋白激酶，如FAK等。FAK的降解可使细胞丧失粘附能力，形成游离细胞核纤层蛋白，导致细胞染色质固缩细胞骨架结构蛋白，如微丝等，使细胞变形Caspase的效应机制效应性caspase可裂解多种底物蛋白：活化核酸酶，Caspase激活的脱氧核糖核酸酶（caspase-activateddeoxyribonulease，CAD），正常活细胞核酸酶CAD与其抑制物ICAD结合在一起处于无活性状态caspase可以裂解其抑制物ICAD而激活核酸酶CADCaspase的效应机制Caspase的效应机制效应性caspase可裂解多种底物蛋白：

DNA修复酶，如多聚（ADP-核糖）聚合酶（poly(ADP-ribose)polymerase,PARP）细胞凋亡的外在途径(extrinsicpathway)

由细胞膜上的死亡受体接受外环境中的死亡信号并迅速激活胞内胱天蛋白酶级联反应，使凋亡信号放大并传遍整个细胞，引起凋亡效应。1.依赖于胱天蛋白酶的信号传导途径死亡受体：FasL等配体通过与细胞表面相应的受体结合而启动细胞凋亡信号传递，这类受体统称为细胞凋亡受体或死亡受体（DeathReceptor）

死亡受体（DeathReceptor）死亡受体（DeathReceptor）属于肿瘤坏死因子受体(TNFR)/神经生长因子受体(NGFR)家族其中：TNFR-1、Fas(APO-1或CD95)及TNF相关凋亡诱导配体（TNF-relatedapoptosisinducingligand，TRAIL）的受体是研究最多的3个细胞凋亡受体。胞外区:结构相似，有多个富含半胱氨酸残基的保守序列。胞内区:有一段约90个氨基酸残基组成的基序（motif），称为死亡结构域(deathdomain,DD)。DD不具有任何酶活性，但可与具有相似死亡结构域的蛋白质结合。死亡受体（DeathReceptor）ADeathReceptorDDDDDEDDEDDEDFas(CD95)介导的细胞凋亡信号传递途径DED,deatheffectordomain

死亡效应结构域FADD,Fas-associateddeathdomain,

Fas相关死亡结构域蛋白DD,deathdomain,死亡结构域HIV介导的细胞凋亡TNFTNFR细胞膜DD死亡结构域FADDTRADD,TNFreceptorassociateddeathdomainprotein,TNF受体相关死亡结构域蛋白天冬蛋白酶原-8

细胞死亡2.

细胞凋亡的内在途径(intrinsicpathway)

射线、化学物质等造成DNA损伤以及药物和活性氧等的直接作用，通过活化凋亡调节蛋白直接或间接地影响线粒体膜的通透性，而使线粒体释放一些细胞凋亡相关分子，并启动细胞凋亡的级联反应，引起细胞凋亡的过程。1.依赖于胱天蛋白酶的信号传导途径

细胞凋亡的内在途径凋亡信号刺激细胞引起：1.线粒体膜通透性（mitochondrialmembranepermeability,MMP）增加；2.跨膜电位（△φ）下降；3.膜孔变大，导致线粒体内的电子载体蛋白细胞色素C释放。1.CytC2.胞质中的Apaf-1因子(凋亡蛋白酶活化因子apoptosisproteaseactivatingfactor1，Apaf-1)3.脱氧三磷酸腺苷4.多个Procaspase-9形成一个活化的凋亡体（apoptosome)。细胞凋亡的内在途径凋亡体使半胱氨酸蛋白酶原-9被水解形成有活性的半胱氨酸蛋白酶-9，再进一步激活下游的半胱氨酸蛋白酶的级联反应，诱导凋亡

。细胞凋亡的内在途径细胞凋亡的内在途径DeathReceptorpathwayAIF:apoptosisinducingfactorIAP：inhibitorofapoptosis2.不依赖于胱天蛋白酶的信号传导途径

Bcl－2家族与细胞凋亡P53与细胞凋亡三、细胞凋亡的调控线虫(Caenorhabditis

elegans)为细胞凋亡的研究作出了巨大贡献。线虫在发育过程中，共产生1090个细胞，其中131个细胞发生凋亡。1970-1980年间，美国科学家RobertH.Horvitz研究了线虫细胞凋亡过程中的基因调控机制，获得2002年生理和医学诺贝尔奖。1.Bcl-2家族与细胞凋亡线虫中有15个基因与PCD有关，其中ced3(celldeathabnormal)和ced4基因是促进细胞凋亡，ced9基因抑制细胞凋亡。突变体ced-3:所有的131个细胞存活ced-4:所有的131个细胞存活ced-9:在胚胎发生过程中所有的细胞死亡1.Bcl-2家族与细胞凋亡1.Bcl-2家族与细胞凋亡Bcl-2（Bcelllymphoma/leukemia-2）B细胞淋巴瘤/白血病-2

Bcl-2是一种原癌基因，是ced-9在哺乳类中的同源物促进细胞存活(survival)，抑制细胞凋亡,而不是促进细胞增殖（proliferation）

Bcl-2家族已发现15个成员Bcl-2家族所有Bcl-2家族成员均含有1个或多个BH结构域:Bcl-2同源区(Bcl-2homologue,BH)BH1、BH2控制Bcl-2家族成员之间形成同二聚体或异二聚体，调控细胞死亡BH4对发挥抗凋亡作用起关键作用BH3对发挥促凋亡作用起关键作用Bcl-2家族根据对细胞凋亡调节功能的不同，将Bcl-2家族成员分为两类：抗凋亡的负调节因子；促进细胞凋亡的正调节因子Bcl-2家族Bcl-2亚家族：

Bcl-2、Bcl-xl、

Bcl-w、Mcl-1、A1。具有BH1、BH2、BH3和BH4四个结构域。Bcl-2亚家族成员抑制细胞凋亡Bax亚家族：Bax、Bak、Bok，具有BH1、BH2、BH3三个结构域，它们的作用与Bcl-2亚家族的作用相反，可促进细胞凋亡BH3亚家族：Bik、Blk、Hrk、BNIP3、Biml、Bad、Bid；仅有BH3结构域。它们的作用也与Bcl-2亚家族的作用相反，可促进细胞凋亡Bcl-2家族调控细胞凋亡的机制改变线粒体的氧化还原状态和膜电位调节线粒体膜的通透性1.Bcl-2家族与细胞凋亡VDAC（voltage-dependentanionchannel）：

电压依赖的离子通道P53是肿瘤抑制基因，其产物主要存在于细胞核内；在依赖P53蛋白的细胞凋亡中，P53基因通过调节Bc1-2和Bax基因的表达影响细胞凋亡：特异地抑制Bc1-2的表达，促进Bax的表达。2.P53与细胞凋亡自噬性细胞死亡AutophagiccelldeathAutophagy1963ChristiandeDuve提出；溶酶体清除自身成分或侵入的异源物质；可以清除多余的、损伤的或衰老的细胞器，以及长寿命的蛋白质；调节细胞代谢平衡、维持自稳；一种真核细胞中普遍存在的生理过程；在个体发育、人类疾病、细胞应对饥饿等应激条件时发挥重要作用。

NatureCellBiology12,2010:817Autophagy

自噬Autophagy

自噬分类：MacroautophagyMicroautophagyChaperone-mediatedautophagy(CMA)

Chaperone-mediatedautophagyNatureCellBiology12,2010:823Autophagy

自噬aNucleation/Assembly成核/组装

bMembraneelongation膜延长dFusion融合自噬性溶酶体eDegradation降解NatureCellBiology9,2007.1102-1109cAutophagosome自噬体Schematicdepictionofautophagy.

Nature，

2007,8:742自噬相关基因，AuTophaGy-related

，AtgLC3-ILC3-II

Autophagiccelldeath‘Autophagiccelldeath’ismorphologicallydefinedasatypeofcelldeaththatoccursintheabsenceofchromatincondensationbutaccompaniedbymassiveautophagicvacuolizationofthecytoplasm.Incontrasttoapopto