细胞生物学15细胞凋亡

细胞凋亡范例-1
蝌蚪变成青蛙的过程中尾巴的消失
细胞凋亡范例-2
人手指间蹼的消失
细胞凋亡的特点
• 基因控制下有序、主动的死亡过程 • 能量依赖的死亡过程 • 具有一系列形态学上的固定变化
细胞凋亡的生物学意义
• 清除多余的细胞以确保个体正常发育 • 清除受损、突变及衰老细胞以维持内环境
稳定 • 阻止病毒感染细胞复制，主动防御
生理或病理条件下，细胞遵循自身程 序，由基因决定的、自己主动结束其生命 的死亡方式。
程序性细胞死亡分类
• PCD-I型： 细胞凋亡（apoptosis） • PCD-II型：非凋亡性程序性死亡
细胞凋亡
• 细胞凋亡（Apoptosis）： 程序性死亡时具有一系列形态学上固定
变化的死亡方式。
• 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。
凋亡小体
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 细胞膜所包围。从外观上看，细胞表面产 生了许多泡状或芽状突起。分离形成单个 的凋亡小体（apoptotic body）
正常细胞
凋亡细胞
a 正常细胞 b（左） 凋亡细胞 (扫描电镜) b（右） 凋亡细胞 (透射电镜）
• 细胞凋亡信号诱导细胞内起始蛋白酶活化 • 无活性的蛋白酶原顺序活化 • 细胞核内染色体DNA断裂
膜受体通路
• 细胞外信号刺激细胞膜上死亡受体而激活 半胱氨酸蛋白酶介导的细胞凋亡途径。
• 又称为外源性途径（extrinsic pathway）或 死亡受体途径（death receptor pathway）
VDAC（ voltage-dependent anion channel）： 电压依赖的离子通道 ANT （adenine nucleotide translocator ）： 腺嘌呤核苷酸转位酶
• 孔道开放，Cyto c等小分子物质可释放到细胞质中。
Bcl-2家族
• Bcl-2/Bcl-xL和Bax/Bak 与VDAC 相互作用，改变线粒 体膜的通透性。
Caspase的效应机制
• 裂解ICAD （inhibitor of caspaseactivated deoxyribonulease ），破坏 细胞抗凋亡因素。
• 直接破坏细胞结构，如裂解核纤层。
• 抑制多种与DNA、RNA功能有关的蛋白， 使细胞的增殖与复制受阻并发生凋亡。
Caspase的效应机制
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家族作用机制
• 调节线粒体通透性转换孔道（mitochondrial permeability transition pore）：包括位于线粒体外膜 的VDAC和内膜的ANT
• Bcl-2 and Bcl-xL关闭该转运孔道，调节膜电位上升， 降低膜通透性，防止Cyto c释放，抑制细胞凋亡。
• Bax 和 Bak 等可打开该孔道，促使Cyto c 释放。
四、细胞凋亡与人类疾病
• 细胞凋亡受抑制有关的疾病： • 恶性肿瘤:滤泡性淋巴瘤、乳腺癌、白血病等
• 自身免疫性疾病：系统性红斑狼疮、肾炎 • 病毒感染性疾病：腺病毒病、庖疹病毒病
细胞凋亡与坏死在形态学上的差别
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
考试安排
• 考试时间：
2013年7月8日，星期一，上午8：30-10：30
• 考试地点：
逸夫楼414教：口腔11级-2班 逸夫楼508教：11级医实、医检班
参考资料：
Molecular Biology of the Cell. 4th Edition. 《细胞生物学》翟中和等.
思考题
1. 简述细胞凋亡的外在途径和内在途径。 2. 比较细胞凋亡与细胞坏死在形态学特征
• 又称为内源性途径（ intrinsic pathway ）或 应激途径（ stress pathway ）
线粒体改变
• 线粒体膜通透性增加 • 跨膜电位下降 • 膜孔增大，导致线粒体内电子载体蛋白
细胞色素C释放
线粒体通路过程
• 细胞受到损伤或发生应激反应时线粒体 细胞色素C释放
• 凋亡体组装形成 • 凋亡体活化胱天蛋白酶-9 • 胱天蛋白酶级联反应，诱导凋亡
Bcl-2家族成员
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。
• 细胞凋亡增多有关的疾病： • 艾滋病：
• 神经变性性疾病：早老性迟呆、帕金森病、小脑退化病 • 骨髓发育不全性疾病 • 缺血性疾病 • 酒精中毒性肝炎
答疑安排
• 答疑时间：
2013年7月2日，星期二，上午10：00-11：00
• 答疑地点：细胞楼三层实验室。
• 考试题型：单项选择题、名词解释及简答题
衔接蛋白
• FADD （Fas-associated death domain） ： Fas相关死亡结构域蛋白
• TRADD (TNF receptor associated death domain protein) ： TNF受体相关死亡结构域蛋白
细 胞 凋 亡 通 路
细胞凋亡的效应分子
• 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
细胞凋亡与细胞坏死
A 坏死细胞
B 凋亡细胞
细胞凋亡与细胞坏死
3. SEM of a necrotic cell. Numerous lesions appear on the
cell surface.
4. SEM of an apoptotic cell.
Surface blebbing is evident.
降解为DNA ladder
非凋亡性程序性死亡
程序性细胞死亡中不表现细胞凋亡形 态学特征的死亡方式。
如烟草幼鹰蛾蜕变时，其幼虫肌细胞 的死亡。
（二）细胞凋亡的信号传递途径
• 一系列连续的生化反应，即生物大分 子激活与细胞凋亡效应的偶联反应。
• 分为膜受体通路与线粒体通路两类。
细胞凋亡的信号传递过程
上的主要区别。
凋亡体 (apoptosome)
• CytC • Apaf-1(凋亡蛋白酶活化因子
apoptosis protease activating factor 1) • 脱氧三磷酸腺苷 • 多个Procaspase-9
凋亡体
2. 细胞凋亡的线粒体通路
三、细胞凋亡的调控
Bcl－2家族对细胞凋亡的调控
死亡受体的配体
• 同源三聚体复合物，可结合3个受体分子 • 诱导受体分子上的3个死亡功能区相聚成簇 • 吸引胞质衔接蛋白（adaptor protein)靠近
衔接蛋白
• 含有与死亡受体死亡结构域结合位点DD
• 结合死亡Leabharlann Baidu体，转导死亡受体信号
• 含有死亡效应结构域(death effecter domain， DED)，与Procaspase-8结合，使其自我剪切， 转变成有活性的酶蛋白。
细胞凋亡的生物化学特征
细胞凋亡与细胞坏死在生物化学上的区别
细胞凋亡
细胞坏死
生理因素诱导
非生理因素造成的意外损伤
膜上磷脂酰丝氨酸外翻 膜上磷脂酰丝氨酸不外翻
受大分子合成和
离子稳态调节丧失
激活过程的调控
需要能量
不需要能量
需要大分子合成
不需要大分子合成
有新基因转录
没有新基因转录
染色质DNA非随机
染色质DNA被随机降解
细胞死亡(Cell Death)
内容要求
• 掌握细胞坏死与细胞凋亡的概念及区别 • 掌握细胞凋亡的形态学及生物化学特征 • 掌握细胞凋亡的生理意义 • 掌握细胞凋亡的信号传导途径 • 熟悉细胞凋亡的调控机制 • 了解细胞凋亡与疾病的关系
内容安排
• 细胞死亡概述 • 细胞凋亡的信号传递途径 • 细胞凋亡的调控 • 细胞凋亡与疾病
细 胞 凋 亡 通 路
细胞凋亡的膜受体通路
死亡受体的配体+死亡受体
+ 衔接蛋白
凋亡诱导复合物（DISC）
胞质中游离的caspase8聚集到这个复合物上
caspase8充足
caspase8不足
死亡受体活化，细胞凋亡
切 割Bid tBid 进入线粒体
CtyC 释放
线粒体通路
• 细胞受到损伤或发生应激反应时，从细胞内 部诱导胱天蛋白酶原聚集、活化而使细胞凋 亡，称为线粒体通路。
死亡受体（ Death Receptor）结构
• 胞外区: 结构相似，含多个富含半胱氨酸的保守序列。
• 胞内区: 含一段约90个氨基酸残基组成的基序（motif），
称为死亡结构域(death domain，DD)。
DD不具有任何酶活性，但可与具有相似死亡结构域 （DD）的蛋白质结合。
死亡受体
• TNFR-1: 肿瘤坏死因子受体 • Fas (又称CD95) ：FasL 受体 • TRAILR ：TNF相关凋亡诱导配体的受体
• 细胞凋亡的过程即Caspase不可逆有限水解底 物的级联放大反应过程。
Caspases
• 凋亡启动亚类Caspase（ Initiator caspase ）：
Caspase－8， 9。
• 凋亡效应亚类Caspase（ Effector caspase ）：
Caspase－3，6，7。
Caspase的活化
细胞坏死的病理状态
• 局部缺血 • 高热
细胞坏死的形态学特征:
• 细胞成群丢失 • 细胞膜不完整 • 细胞肿胀、溶解 • 发生严重炎症反应 • 被巨噬细胞所吞噬 • 溶酶体裂解 • 染色质聚集成块、不均一
正常死亡
正常死亡又称程序性细胞死亡
（programmed cell death, PCD）
（一）细胞死亡概述
• 细胞死亡是细胞生命现象不可逆的停止 • 细胞死亡可分为：正常死亡与非正常死亡
非正常死亡
非正常死亡又称细胞坏死（cell necrosis） 由超过细胞可承受强度或阈值的环境
因子引起和/或由于机体病理状态导致的细 胞死亡。
细胞坏死的环境因子
• 物理因素: 高温、低温，高渗、低渗及射线等 • 化学因素：有毒化合物等 • 生物因素：细菌、病毒等
细胞凋亡的特征
1. 细胞凋亡的形态学特征 2. 细胞凋亡的生物化学特征
细胞凋亡的形态学特征
1 细胞凋 亡早期
4 上皮细 胞吞噬
2 凋亡小体
3 凋亡小体 被上皮细胞 或单核巨噬 细胞识别
5 单核巨 噬细胞吞 噬
细胞凋亡早期的形态学特征
细胞首先变圆，随即与邻周细胞 脱离，失去微绒毛，胞浆浓缩，内质 网扩张呈泡状并与细胞膜融合，核染 色质密度增高，凝聚在核膜周边。
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:
细胞膜上的磷脂酰丝氨酸(PS)由膜内侧翻到膜外表面
• 胞质内：蛋白酶活化，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 (DNA ladder)。