细胞生物学之细胞凋亡及其调控的分子机制.ppt

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第一节第一节凋亡细胞的特征及生物学意义凋亡细胞的特征及生物学意义（一一）细胞凋亡的组织学变化细胞凋亡的组织学变化n只发生在单个或几个细胞，其紧邻细胞完好；只发生在单个或几个细胞，其紧邻细胞完好；n与紧邻细胞间有空隙，有离群、脱落感；不引起与紧邻细胞间有空隙，有离群、脱落感；不引起炎症反应炎症反应（二二）主要形态学特征主要形态学特征（多阶段多阶段）n凋亡细胞其形态特征表现为细胞皱缩、变小；凋亡细胞其形态特征表现为细胞皱缩、变小；n核固缩，胞质浓缩，细胞急剧变小；核固缩，胞质浓缩，细胞急剧变小；n细胞骨架解体，最后变成若干个凋亡小体。

细胞骨架解体，最后变成若干个凋亡小体。

注意点：

注意点：

凋亡全过程，质膜仍保持完整，细胞内容凋亡全过程，质膜仍保持完整，细胞内容物不释放，不引起炎症反应。

物不释放，不引起炎症反应。

一、细胞凋亡的基本特征一、细胞凋亡的基本特征1.细胞核的变化细胞核的变化核内染色质凝聚、形成染色质块，并聚集于核的边核内染色质凝聚、形成染色质块，并聚集于核的边缘呈多种形状排列，然后逐步分裂为碎片（核碎片缘呈多种形状排列，然后逐步分裂为碎片（核碎片形成）。

形成）。

2.细胞质的变化细胞质的变化

（1）胞质脱水浓缩，体积减少约胞质脱水浓缩，体积减少约30%

（2）细胞器的变化细胞器的变化:

A.线粒体早期体积增大，嵴增多线粒体早期体积增大，嵴增多晚期成空泡状晚期成空泡状,B失去微绒毛、细胞突起及细胞表面失去微绒毛、细胞突起及细胞表面皱褶，膜电位下降，膜皱褶，膜电位下降，膜流动性下降；流动性下降；C.内质网腔内质网腔扩大；扩大；D.细胞骨架变得致密和紊乱。

细胞骨架变得致密和紊乱。

3.凋亡小体的形成凋亡小体的形成*凋亡小体的概念凋亡小体的概念指凋亡的最后阶段，由胞质分割形成大小不等，指凋亡的最后阶段，由胞质分割形成大小不等，含有细胞质膜、细胞器及核碎片的膜包被小体。

含有细胞质膜、细胞器及核碎片的膜包被小体。

*形成机制形成机制

（1）细胞表面突起形成）细胞表面突起形成-包裹膜融合、根部缩窄包裹膜融合、根部缩窄脱落脱落

（2）胞内自噬体形成）胞内自噬体形成-向胞外释放向胞外释放应指出！

有时凋亡细胞膜不分割，仅发生核固缩和应指出！

有时凋亡细胞膜不分割，仅发生核固缩和胞质高度浓缩成单个致密结构亦称凋亡小体。

胞质高度浓缩成单个致密结构亦称凋亡小体。

凋亡时细胞的形态学改变凋亡时细胞的形态学改变空泡化空泡化固缩固缩出芽出芽边集边集凋亡小体凋亡小体（二二）细胞凋亡的生化特征细胞凋亡的生化特征1.DNA片段化（主）片段化（主）凋亡细胞凋亡细胞DNA经琼脂糖凝胶电泳呈特征性经琼脂糖凝胶电泳呈特征性梯状条带图谱（梯状条带图谱（Ladder）。

）。

机制：

机制：

核小体中的组蛋白与核小体中的组蛋白与DNA的连结键断的连结键断裂，内源性核酸内切酶被激活，有控制的特裂，内源性核酸内切酶被激活，有控制的特异地将异地将DNA降解为降解为180200bp整数倍大小整数倍大小的若干条带。

的若干条带。

DNAFragmentationNucleosomalBandingPattern3.其它生化改变其它生化改变1）胞浆胞浆Ca2+水平水平与细胞凋亡的关系密切，实验证明，凋亡的发生伴与细胞凋亡的关系密切，实验证明，凋亡的发生伴随胞浆随胞浆Ca的升高。

的升高。

2）胞浆胞浆H离子浓度离子浓度细胞凋亡伴随胞浆细胞凋亡伴随胞浆PH下降。

下降。

3）线粒体线粒体凋亡时，呼吸链受损，凋亡时，呼吸链受损，ATP合成下降，膜电位下降合成下降，膜电位下降（m）；膜通透性增加。

；膜通透性增加。

4）细胞膜磷脂酰丝氨酸外翻细胞膜磷脂酰丝氨酸外翻膜磷脂的不对称性分布改变膜磷脂的不对称性分布改变,凋亡时凋亡时PS由质膜内由质膜内侧翻向外侧侧翻向外侧.

（二）细胞凋亡与坏死的区别

（二）细胞凋亡与坏死的区别-1细胞凋亡细胞凋亡细胞坏死细胞坏死诱导因素诱导因素细胞数量细胞数量膜完整性膜完整性染色质染色质细胞核细胞核细胞器细胞器胞内容物胞内容物生理性、弱刺激性生理性、弱刺激性单个细胞丢失单个细胞丢失保持至晚保持至晚凝聚呈半月状凝聚呈半月状早期固缩、断裂早期固缩、断裂无明显变化无明显变化无释放无释放强烈刺激强烈刺激成群细胞死亡成群细胞死亡早期即丧失早期即丧失稀疏呈网状稀疏呈网状晚期破碎晚期破碎肿胀、破坏肿胀、破坏释放释放细胞凋亡细胞凋亡细胞坏死细胞坏死细胞形状细胞形状基因组基因组DNA大分子合成大分子合成基因调控基因调控后果后果意义意义形成凋亡小体形成凋亡小体受调控降解受调控降解一般需要一般需要有有不引起炎症反应不引起炎症反应生理性死亡生理性死亡破裂成碎片破裂成碎片随机降解随机降解不需要不需要无无引起炎症反应引起炎症反应病理性死亡病理性死亡细胞凋亡与坏死的区别细胞凋亡与坏死的区别-2二、细胞凋亡的广泛性及其意义二、细胞凋亡的广泛性及其意义作为一种生理性细胞消亡方式，普遍存作为一种生理性细胞消亡方式，普遍存在生物界；例如：

在生物界；例如：

1高等脊椎动物胚胎发育中某些细胞的丢失高等脊椎动物胚胎发育中某些细胞的丢失;2两栖类动物变态过程中幼体器官的退化两栖类动物变态过程中幼体器官的退化;3成熟个体中亦有细胞凋亡发生，如：

血细胞、上皮成熟个体中亦有细胞凋亡发生，如：

血细胞、上皮细胞、肝细胞等以正常细胞更新衰老细胞过程；细胞、肝细胞等以正常细胞更新衰老细胞过程；4通过凋亡清除受损伤或癌前病变的细胞通过凋亡清除受损伤或癌前病变的细胞,防止癌变防止癌变;5病毒、药物、毒物等均能诱发细胞凋亡。

病毒、药物、毒物等均能诱发细胞凋亡。

细胞凋亡的生物学意义细胞凋亡的生物学意义其一其一:

具有清除个体发育过程及成熟个体中多具有清除个体发育过程及成熟个体中多余细胞及老化细胞的机体调节作用余细胞及老化细胞的机体调节作用其二其二:

具有消除对机体有害的癌变细胞及病毒具有消除对机体有害的癌变细胞及病毒感染细胞的机体防御作用感染细胞的机体防御作用因此，因此，细胞凋亡是维持个体生存所必需的细胞凋亡是维持个体生存所必需的一种生物学机制一种生物学机制细胞凋亡的发生机制细胞凋亡的发生机制一、细胞凋亡的酶学基础一、细胞凋亡的酶学基础n细胞内一系列蛋白酶和核酸酶的活化是凋细胞内一系列蛋白酶和核酸酶的活化是凋亡过程的核心事件。

亡过程的核心事件。

n有人甚至认为细胞凋亡过程就是蛋白酶级有人甚至认为细胞凋亡过程就是蛋白酶级联反应的过程。

联反应的过程。

（一）

（一）caspase家族与细胞凋亡家族与细胞凋亡nCaspase即天冬氨酸特异的半胱氨酸蛋白酶即天冬氨酸特异的半胱氨酸蛋白酶（Cysteinylaspartate-specificprotease）;n是一类与白介素是一类与白介素-1转化酶和线虫凋亡基因转化酶和线虫凋亡基因Ced（ICE/Ced）同源的一类半胱氨酸蛋白酶同源的一类半胱氨酸蛋白酶;n活性位点含有保守的活性位点含有保守的aa序列序列（QACXG,X为为R,Q或或G）;n以无活性的酶原形式合成并存在于细胞中；以无活性的酶原形式合成并存在于细胞中；n可以被上游可以被上游Caspase或自身切割保守的或自身切割保守的ASP活化；活化；1.Caspase的性质和种类的性质和种类n已在哺乳类中发现已在哺乳类中发现14种，分为种，分为3个亚类：

个亚类：

nCaspase-1亚家族，亚家族，Caspase-2亚家族，亚家族，Caspase-3亚家族亚家族n亦可根据前体分子亦可根据前体分子（procaspase）N端的原结端的原结构域构域（prodomain）分为分为2类类:

n具具”Long-prodomain”的启始分子的启始分子（initiator）,如如-8、-9、-10等，为蛋白酶级联反应的启始者，等，为蛋白酶级联反应的启始者，其活化后再切割和活化下游其活化后再切割和活化下游Caspase；n具具”short-prodomain”的效应分子的效应分子（effector）,如如-3、-6、-7等，作为上游酶的底物被切割活化，等，作为上游酶的底物被切割活化，再作用于多种蛋白质或酶，促使细胞凋亡。

再作用于多种蛋白质或酶，促使细胞凋亡。

2.Caspase的结构特点和活化机制的结构特点和活化机制原结构域原结构域大亚基大亚基小亚基小亚基N端端D28QACRGD175IETDCaspase异二聚体化异二聚体化异四聚体化异四聚体化蛋白酶活性蛋白酶活性3.Caspase活化的级联反应过程活化的级联反应过程n多种凋亡因素，通过多种途径活化多种凋亡因素，通过多种途径活化Caspase;Caspase;n凋亡时凋亡时起始起始CaspaseCaspase首先被活化首先被活化,其后又切割其后又切割并活化下游并活化下游Caspase,Caspase,级联放大级联放大,直至直至效应效应CaspaseCaspase被活化；被活化；n细胞中的细胞中的CaspaseCaspase一旦被活化一旦被活化,凋亡即不可避凋亡即不可避免免;4.效应效应caspase引起细胞凋亡的机制引起细胞凋亡的机制已发现的已发现的caspase底物上百种底物上百种,仅少数底物与凋仅少数底物与凋亡的关系被确认亡的关系被确认;n灭活细胞内凋亡抑制蛋白灭活细胞内凋亡抑制蛋白n非凋亡细胞中非凋亡细胞中,CDA（caspase活化的活化的DNAase）与其抑制与其抑制蛋白蛋白（ICDA）结合结合;n凋亡细胞中凋亡细胞中,caspase剪切剪切ICDA;nCDA游离并进入核内降解游离并进入核内降解DNA,细胞凋亡细胞凋亡.n剪切细胞结构蛋白剪切细胞结构蛋白n如如Caspase对核板的降解作用对核板的降解作用;n在凋亡过程中在凋亡过程中,caspase在单一位点剪切核纤层蛋白在单一位点剪切核纤层蛋白（lamin）,导致核板塌陷导致核板塌陷,染色质浓缩染色质浓缩.n剪切效应蛋白剪切效应蛋白:

如参与基因表达蛋白因子如参与基因表达蛋白因子,如如PARPn活化活化caspase抑制剂抑制剂（二二）介导细胞凋亡的其他酶类介导细胞凋亡的其他酶类n核酸内切酶核酸内切酶（endonuclease）n主要是主要是DNase,包括包括DNase、DNase、NUC18等；等；n大多数大多数DNase在细胞凋亡时作为在细胞凋亡时作为caspase的底物被活化的底物被活化并发挥作用，如并发挥作用，如CAD等；等；n其作用点是核小体的连接处切割其作用点是核小体的连接处切割DNA，产生，产生180200bp的的Ladder.n蛋白激酶蛋白激酶（proteinkinase，PK）nPKC可通过可通过caspase相互作用影响细胞凋亡；相互作用影响细胞凋亡；nDNA-PK（DNA依赖性蛋白激酶），活化后参与依赖性蛋白激酶），活化后参与DNA损损伤与修复，能抑制凋亡，伤与修复，能抑制凋亡，能被能被caspase-3灭活。

灭活。

n其他酶类：

其他酶类：

n丝氨酸蛋白酶（如粒酶丝氨酸蛋白酶（如粒酶B）、）、calpain、NOS等等二、细胞凋亡的信号传递途径二、细胞凋亡的信号传递途径n细胞凋亡的影响信号分为细胞凋亡的影响信号分为2类：

类：

n一类为凋亡的负调控信号（抑制凋亡）；一类为凋亡的负调控信号（抑制凋亡）；n另类为凋亡的正调控信号（诱导凋亡）另类为凋亡的正调控信号（诱导凋亡）n细胞凋亡信号转导通路的特点：

细胞凋亡信号转导通路的特点：

n同一性：

同一性：

各种因素引起的凋亡的形态与生化改变各种因素引起的凋亡的形态与生化改变均相同。

均相同。

n多样性：

多样性：

环境因素不同，细胞类型不同，或刺环境因素不同，细胞类型不同，或刺激因素不同时，从凋亡程序启动到凋亡发生，其激因素不同时，从凋亡程序启动到凋亡发生，其信号传递途径是不同的。

信号传递途径是不同的。

n分类：

分类：

百余种凋亡调控因子，正逐渐被组装成百余种凋亡调控因子，正逐渐被组装成一条条的信息传导通路，可分为一条条的信息传导通路，可分为基本传导通路基本传导通路和和非专一性传导通路二类。

非专一性传导通路二类。

（一）死亡受体介导的细胞凋亡

（一）死亡受体介导的细胞凋亡n死亡受体死