细胞生物学之细胞凋亡及其调控的分子机制

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具”Long-prodomain”的启始分子(initiator), 如-8、-9、-10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Caspase;
具”short-prodomain”的效应分子(effector), 如-3、-6、-7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。
指细胞表面存在的一类能结合凋亡剌激分子, 并将信号传递至胞内引起细胞凋亡的受体。
属肿瘤坏死因子受体(TNF)超家族; 包括1~6个富Cys结构域组成的保守的胞外区,
和一个由60~80aa组成的“死亡结构域” (death domain, DD); DD将受体信号与胞内凋亡机制相偶联; 分类:CD95(Fas/Apol), TNFR1,TNFR2, DR3(Apol3/Esl1)等近十种。
粒酶B的特点 粒酶(cranzyme, Cr)是CTL和NK细胞杀
伤性颗粒中丝氨酸蛋白酶家族的总称; 首先酶原形式合成,受刺激后激活; 已发现5种: CrA、B,H、M和类胰蛋白
酶-2; 其中以CrB促凋亡作用最强;
粒酶B诱导细胞凋亡的途径
CrB由CTL分泌进入靶细胞胞浆后,其丝氨酸蛋白 酶在胞浆pH7.0条件下发挥最佳活性,切割胞浆 和核中的多种底物;
1. Caspase的性质和种类
Caspase即天冬氨酸特异的半胱氨酸蛋白酶
(Cysteinyl aspartate-specific protease);
是一类与白介素-1ß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;
活性位点含有保守的aa序列(QACXG, X为 R,Q或G);
细胞凋亡 Caspase-8
促进炎症, 免疫反应等
Caspase级联放大
(二)线粒体相关蛋白的凋亡诱导途径
线粒体细胞凋亡过程中既是引发器,又是信号放大 器;
几乎所有的诱导剂引起的细胞凋亡都伴随着线粒体 跨膜电位(Δψm)的下降;
Δψm的维持,与线粒体膜通透性转运孔(MPT)部 分相关;
几乎所有的凋亡诱导因素导致MPT破坏或开放; 开放的后果是, Δψm 下降、氧化磷化脱偶联、
以此介导的死亡途径是多层次、多水平的,以便 快速清除异常细胞;
Caspase依赖的死亡通路是CrB介导细胞死亡的 重要途径之一:
在体外,pro-Caspase家族中,除-1外其余的都 可被CrB切割活化,-10和-7是CrB的最适底物;
线粒体介导的死亡途径是另一个重要的途径:
需要多种蛋白质(如Bax、Bid、Bak)参与,与 线粒体膜通透性及Δψm 有关。
(一) 细胞凋亡的组织学变化 只发生在单个或几个细胞,其紧邻细胞完好; 与紧邻细胞间有空隙,有离群、脱落感;不引起 炎症反应
(二) 主要形态学特征(多阶段) 凋亡细胞其形态特征表现为细胞皱缩、变小; 核固缩,胞质浓缩,细胞急剧变小; 细胞骨架解体,最后变成若干个凋亡小体。 注意点: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。
AIF,endo G
Caspase 底物
PARP,Lamin,PK,DNA-PK
DNA断裂,细胞固缩等
细胞凋亡
第三节 细胞凋亡的调控
目前普遍认为,细胞凋亡与细胞分裂、分 化类似,受细胞内多种基因的调控,是一 个级联式基因表达的结果。 已发现许多基因参与细胞凋亡的基因调控, 包括:ced、bcl-2 、ICE、 p53、IAP家族、 Fas/Apo、 c-myc等。 至今调控机理尚未十分明了。
4) 细胞膜磷脂酰丝氨酸外翻 膜磷脂的不对称性分布改变, 凋亡时PS由质膜内 侧翻向外侧.
(二)细胞凋亡与坏死的区别-1
细胞凋亡
细胞坏死
诱导因素 细胞数量 膜完整性 染色质 细胞核 细胞器 胞内容物
生理性、弱刺激性 强烈刺激
单个细胞丢失
成群细胞死亡
保持至晚
早期即丧失
凝聚呈半月状
稀疏呈网状
早期固缩、断裂 晚期破碎
其二: 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 因此,细胞凋亡是维持个体生存所必需的 一种生物学机制
细胞凋亡的发生机制
一、细胞凋亡的酶学基础
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。
有人甚至认为细胞凋亡过程就是蛋白酶级 联反应的过程。
(一)caspase家族与细胞凋亡
GSH耗竭、ROS产生等,并形成恶习性循环。 MPT的这种自我放大效应,很可能是一种细胞死亡
“全或无”的开关。
线粒体释放的凋亡诱导分子
在多种诱导因子(如Bax过表达、UV照射)作 用下, MPT开放和外膜破坏;
线粒体释放多种凋亡相关分子,如CytC、 Smac、Endo G等
细胞色素C:
多样性: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, 其信号传递途径是不同的。
分类: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,可分为基本传导通路 和非专一性传导通路二类。
(一)死亡受体介导的细胞凋亡
死亡受体(death receptors,DR):
无明显变化
肿胀、破坏
无释放
释放
细胞凋亡与坏死的区别-2
细胞凋亡
细胞坏死
细胞形状 基因组DNA 大分子合成 基因调控 后果 意义
形成凋亡小体 受调控降解 一般需要 有 不引起炎症反应 生理性死亡
破裂成碎片 随机降解 不需要 无 引起炎症反应 病理性死亡
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 在生物界;例如:
主要是DNase, 包括DNase Ⅰ、 DNase Ⅱ、NUC18等; 大多数DNase在细胞凋亡时作为caspase的底物被活化
并发挥作用,如CAD等; 其作用点是核小体的连接处切割DNA,产生180~200bp
的Ladder.
蛋白激酶(protein kinase,PK)
PKC可通过caspase相互作用影响细胞凋亡; DNA-PK(DNA依赖性蛋白激酶),活化后参与DNA损
1. 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 缘呈多种形状排列,然后逐步分裂为碎片(核碎片 形成)。
2. 细胞质的变化
(1) 胞质脱水浓缩,体积减少约30% (2 ) 细胞器的变化: A.线粒体早期体积增大,嵴增多
晚期成空泡状, B失去微绒毛、细胞突起及细胞表 面皱褶,膜电位下降,膜 流动性下降;C. 内质网 腔扩大;D. 细胞骨架变得致密和紊乱。
剪切细胞结构蛋白
如Caspase对核板的降解作用; 在凋亡过程中, caspase在单一位点剪切核纤层蛋白
(lamin), 导致核板塌陷, 染色质浓缩.
剪切效应蛋白: 如参与基因表达蛋白因子,如PARP 活化caspase抑制剂
(二) 介导细胞凋亡的其他酶类
核酸内切酶(endonuclease)
细胞凋亡及其调控的分子机制
细胞凋亡的基本概念:
细胞凋亡(apoptosis)(有树叶凋零之意) 或程序化细胞死亡(programmed cell death , PCD)
是指多细胞有机体在正常生理或病理情 况下,发生的一种由多基因控制的主动死亡 过程。
第一节 凋亡细胞的特征及生物学意义
一、细胞凋亡的基本特征
4. 效应caspase引起细胞凋亡的机制
已发现的caspase底物上百种, 仅少数底物与凋 亡的关系被确认; 灭活细胞内凋亡抑制蛋白
非凋亡细胞中, CDA (caspase活化的DNAase)与其抑制 蛋白(ICDA)结合;
凋亡细胞中, caspase剪切ICDA; CDA游离并进入核内降解DNA,细胞凋亡.
DNA Fragmentation
Nucleosomal Banding Pattern
3. 其它生化改变
1) 胞浆Ca2+水平 与细胞凋亡的关系密切,实验证明,凋亡的发生伴 随胞浆Ca的升高。
2) 胞浆H离子浓度 细胞凋亡伴随胞浆PH下降。
3) 线粒体 凋亡时,呼吸链受损,ATP合成下降,膜电位下降 (Δψm) ;膜通透性增加。
RIP:receptor interacting protein (受体相互作用 蛋白)(含相似的死亡域)
DD的活化或过表达都会导致细胞凋亡.
TNTFNTFNF TNFR1
DDDDDD
FADD
DD
DD
RIP DD
DD DED
TRADD
(DISC)
死 亡 诱 形导 成信 号 复 合 物
活化
活化
NF-қB,AP-1
“死亡结构域”
概念:是凋亡信号受体共有的、存在于胞内的转导
细胞凋亡所必需的一段高度同源的aa序列。
种类:
FADD:fas-associated death domain (Fas相关的 死亡结构域);
TRADD: TNF recptor-associated death domain (TNF1受体相关的死亡结构域);
一、细胞自身蛋白的调控作用
(一)P53蛋白的调控作用
P53的结构:
p53基因位于人染色体的17 p13.17,编码 53kDa的P53蛋白转录因子;
1 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; 3 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; 4 通过凋亡清除受损伤或癌前病变的细胞,防止癌变; 5 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
其一: 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
3. 凋亡小体的形成
* 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, 含有细胞质膜、细胞器及核碎片的膜包被小体。
* 形成机制 (1)细胞表面突起形成-------包裹膜融合、根部缩
窄→脱落
(2)胞内自噬体形成-------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
胞质高度浓缩成单个致密结构亦称凋亡小体。
空泡化
固缩
出芽
边集
凋亡时细胞的形态学改变
凋亡小体
(二) 细胞凋亡的生化特征
1. DNA片段化(主) 凋亡细胞DNA经琼脂糖凝胶电泳呈特征性 梯状条带图谱(Ladder)。
机制:核小体中的组蛋白与DNA的连结键断 裂,内源性核酸内切酶被激活,有控制的特 异地将DNA降解为180~200bp整数倍大小 的若干条带。
以无活性的酶原形式合成并存在于细胞中;
可以被上游Caspase或自身切割保守的ASP 活化;
已在哺乳类中发现14种,分为3个亚类:
Caspase-1亚家族,Caspase-2亚家族, Caspase-3亚家族
亦可根据前体分子(procaspase)N端的原结 构域(prodomain)分为2类:
释放到胞质中的CytC,可特异性地结合接头蛋 白Apaf并使之寡聚化,
Apaf借助N-端caspase 相关征蓦结构域 (CARD),直接蓦集多个caspase-9并使之活-------凋亡。
(三)细胞核凋亡诱导途径(略)
(三)粒酶B介导的细胞凋亡
细胞毒T淋巴细胞杀伤靶细胞的机制之一, 就是通过粒酶B来实现的。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
胞外 CTL
CD95配体,TNF-α
粒酶B,穿孔素
死亡受体
(Fas/CD95,TNFR1)
凋亡主要途径小结
生长因子撤除, 化学药物等
Caspase CrB 激活物
FADD
Cyt C
起始Caspase 效应Caspase
Caspase-8,10 Caspase-3,6,7
Apaf-1 Caspase-9
伤与修复,能抑制凋亡, 能被caspase-3灭活。
其他酶类:
丝氨酸蛋白酶(如粒酶B)、calpain、NOS等
二、细胞凋亡的信号传递途径
细胞凋亡的影响信号分为2类:
一类为凋亡的负调控信号(抑制凋亡); 另类为凋亡的正调控信号(诱导凋亡)
细胞凋亡信号转导通路的特点:
同一性:各种因素引起的凋亡的形态与生化改 变均相同。
2. Caspase的结构特点和活化机制
原结构域
N端
大亚基
小亚基
D28
QACRG D175 IETD
异二聚体化
Caspase
异四聚体化
蛋白酶活性
3. Caspase活化的级联反应过程
多种凋亡因素,通过多种途径活化Caspase; 凋亡时起始Caspase首先被活化,其后又切割
并活化下游Caspase,级联放大,直至效应 Caspase被活化; 细胞中的Caspase一旦被活化,凋亡即不可避 免;
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