病理生理学课件：细胞增殖和凋亡

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凋亡过度相关疾病
• CNS疾病：阿尔茨海默氏病、帕金森氏病、肌萎 缩性侧索硬化症、色素性视网膜病，脊肌肉萎缩 、早老性痴呆等
• 发育异常：气管-食管瘘、房（室）间隙缺损、唇 （腭）裂、短肢畸形、尿道下裂以及多囊肾等
• 免疫系统疾病：免疫缺陷病、AIDS
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细胞凋亡异常与疾病
细胞凋亡不足
“该死的细胞没死”
• 细胞凋亡的概述 • 细胞凋亡调控异常与疾病 • 调控细胞凋亡与疾病的防治
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凋亡不足相关疾病
• 肿瘤：肝癌、恶性血液肿瘤、乳腺癌 、膀胱癌、 肺癌、胶质瘤、前列腺癌等
• 发育异常：先天性消化道、胆道、肛门狭窄或闭 锁、动脉导管未闭、两性畸形、甲状舌骨囊肿等
• 免疫系统疾病：系统性红斑狼疮、糖尿病、类风 湿性关节炎、桥本甲状腺炎、多发性的硬化症等
第十一章 细胞增殖和凋亡 异常与疾病
第一节 细胞增殖异常与疾病
2
受精卵 1个细胞
“细胞增殖” “细胞分化”
成人
200多种细胞 约1014个细胞
3
4
细胞增殖（cell proliferation）
细胞分裂和再生的过程，细胞通过分 裂进行增殖，使遗传信息传递给子代，保 持数量增多和物种的延续性。
细胞增殖是通过细胞周期来实现的。
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主要内容
• 细胞周期的概述 • 细胞周期调控异常与疾病 • 调控细胞周期与疾病的防治
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概述
细胞周期（cell cycle）
增殖细胞从上一次分裂结束到下一次 分裂终了的间隔时间或过程，也称为细胞 增殖周期。
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概述
G1期:DNA合成前期 S期:DNA合成期
G2期:DNA合成后期 M期:有丝分裂期
遗传性/获得性造血功能衰竭症
骨髓造血功能低下，全血细胞减少和 贫血、出血、感染综合征
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➢细胞增殖过度与肿瘤 ➢细胞增殖缺陷与疾病
❖再生障碍性贫血的机制
增殖异常
病毒、药物 以及射线等
影响DNA复制 抑制有丝分裂
造血干祖细 胞增殖不足
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调控细胞周期与疾病的防治
—以肿瘤为例 ➢抑制cyclin或/和CDK的表达和活性 ➢提高CKI的表达和活性 ➢修复或利用缺陷的细胞周期检查点 ➢合理利用增殖相关信号
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➢细胞增殖过度与肿瘤
❖肿瘤细胞恶性增殖的机制
2.CDK增多
增殖异常
常见CDK4和CDK6过度表达
在G1/S期过表达的CDK4可使pRb磷酸化， 游离E2F，加速周期，导致宫颈癌等。
17
18
➢细胞增殖过度与肿瘤
❖肿瘤细胞恶性增殖的机制 3.CKI表达不足和突变
增殖异常
CKI是特异抑制CDK的蛋白，包括Ink4和 Kip家族。
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第二节 细胞凋亡异常与疾病
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主要内容
• 细胞凋亡的概述 • 细胞凋亡调控异常与疾病 • 调控细胞凋亡与疾病的防治
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概述
35
概述
36
概述
凋亡的生理意义
✓ 确保正常生长发育（指/趾） ✓ 维持内环境稳定（受损，突变，衰老） ✓ 发挥防御功能（清除感染的细胞）
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细胞凋亡(apoptosis)
•内源性核酸内切酶 •凋亡蛋白酶Caspases •组织型转谷氨酰胺酶 •需钙蛋白酶
促进凋亡 小体形成
参与酶的活化 和膜的再塑
➢凋亡细胞的清除
吞噬细胞受体对凋亡细胞识别 （凋亡细胞有死亡标记）
概述
•凝集素：识别细胞表面糖类 •Victronectin受体：由血小板反应蛋白介导 •磷脂酰丝氨酸受体：磷脂酰丝氨酸
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51
Ca2+ 、NO、缺血、
❖线粒体介导的凋亡通路 缺氧及活性氧等
凋亡诱导因素
线粒体跨膜电位( ψm ) 线粒体内外膜间通透 性转换孔(PTP)开放 线粒体膜通透性增大
？ 凋亡启动因子释放 Cyto-C，Smac, Apaf-1, AIF 细胞凋亡 52
❖线粒体介导的凋亡通路
Ca2+、NO、缺血、 缺氧及活性氧等
概述
由体内外因素触发细胞内预存的 死亡程序而导致细胞死亡的过程。
➢特点： •程序性细胞死亡的形式之一 •主动过程
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•微绒毛消失 •空泡化 •细胞皱缩 •出芽 •染色质边集
apoptosis
概述
necrosis
•细胞肿胀 •细胞结构 全面破坏
•核固缩 •凋亡小体形成
无炎症反应
细胞内容 物释放 炎症反应
G1期阻滞
细胞进入S期
DNA修复 修复失败 p53
启动凋亡
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➢细胞增殖过度与肿瘤
❖肿瘤细胞恶性增殖的机制 1.Cyclin的过表达
2.CDK的增多 3.CKI表达不足和突变 4.检查点功能障碍
增殖异常
恶 性 增 殖
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➢细胞增殖过度与肿瘤 ➢细胞增殖缺陷与疾病
增殖异常
❖再生障碍性贫糖病血尿、病再的肾生机病障制、碍神性经贫退血行 等性疾
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概述
细胞周期的调控
❖细胞周期自身调控 ❖细胞外信号对细胞周期的调控
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❖细胞周期自身调控
1.周期素(cyclin) 2.周期素依赖性激酶(CDK) 3.周期素依赖性激酶抑制因子(CKI) 4.细胞周期检查点(checkpoint)
概述
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❖胞外信号对细胞周期的调控
概述
1.增殖信号：生长因子、丝裂原等
o灭活凋亡抑制蛋白 o直接破坏细胞结构 o分解与细胞骨架构成相关的蛋白 o瓦解核结构成核碎片
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细胞凋亡与细胞坏死的比较
凋亡
性质
生理性或病理性,特异性
诱因
较弱刺激
基因调控 有 形态变化 细胞皱缩，胞膜及细胞
器相对完整，核固缩
凋亡小体 有
炎症反应 溶酶体相对完整，无
生化特点 主动过程,有新蛋白合成
DNA电泳 DNA片段化，电泳 呈梯状条带
EGF促进Cyclin D抑制CKI表达， 促使G0进入G1期。
2.抑制信号：转化生长因子TGF-β
TGF-β抑制CDK4诱导p21, p27表达， G1期阻滞。
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周期调控小结
概述
增殖信号
+-
抑制信号
-+
Cyclin-CDK
-
CKI
+ 驱动机制
-
Checkpoint
检查机制
胞 调外 控信
号
自 身 调 控
增殖异常
在生物进化过程中，细胞发展出一 套保证细胞周期中DNA复制和染色体分 配质量的检查机制。
DNA损伤检查点： G1/S、 G2/M交界处 DNA复制检查点： S/G2交界处
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➢细胞增殖过度与肿瘤
❖肿瘤细胞恶性增殖的机制 4.检查点功能障碍
增殖异常
检查点组成：
◆探测器：负责检查质量问题； ◆传感器：负责信号传递； ◆效应器: 由效应器去中断细胞周期进程并启 动修复机制。
小结： 凋亡信号
凋亡信号转导
生理性凋亡信号 病理性凋亡信号
死亡受体介导的凋亡通路 线粒体介导的凋亡通路
凋亡相关基因激活 细胞凋亡的执行 凋亡细胞的清除
激活执行凋亡所需的 各种酶类
内源性核酸内切酶 凋亡蛋白酶caspases等
吞噬细胞凝集素的作用 血小板反应蛋白介导吞噬 磷脂酰丝氨酸受体的作用
主要内容
❖Bcl-2家族
即B细胞淋巴瘤/白血病-2基因 (B cell lymphoma/leukemia-2， Bcl-2)
Bcl-2
△m↓、膜通透性↑ PTP开放
AIF 凋亡
apoptosome Cyt.c
Apaf-1活化
Cyt.c + Apaf-1
ATP
Cyt.c Apaf-1活化
CARD +
Casp-9
增殖异常
Ink4失活/含量减少: p16Ink4a表达不足
Kip失活/含量减少
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纯合缺失 染色体易位 CpG过甲基化
p16低 表达
CyclinD1 /Cdk4/6 激活状态
乳腺癌、胰腺癌、非小细 胞肺癌、急性白血病等
pRB/E2F
游离E2F G1/S过渡加速
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➢细胞增殖过度与肿瘤
增殖异常
❖肿瘤细胞恶性增殖的机制
3.CKI表达不足和突变
Ink4失活/减少: p16 Ink4a失活等
Kip失活/减少:
p21kip1表达减弱，细胞从正常增殖转为 过度增生，导致肝癌、骨肉瘤等发生。
p27kip1表达越低，肿瘤（乳腺癌、肺癌、 胃癌等）分化越差、分级越高，预后越差。
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➢细胞增殖过度与肿瘤
❖肿瘤细胞恶性增殖的机制 4.检查点功能障碍
细胞凋亡过度
“不该死的细胞死了”
细胞凋亡不足与过度并存
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凋亡异常
细胞凋亡不足 “该死的细胞没死”
➢肿瘤
细胞
增殖失控
癌变
凋亡抑制
肿瘤形成
Bcl-2基因表达增加
P53基因突变或缺失
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凋亡异常 细胞凋亡不足 “该死的细胞没死”
坏死
病理性,非特异性 强烈刺激 无 细胞肿胀，细胞结构全 面溶解破坏 无 溶酶体破裂，有
被动过程,无新蛋白合成 DNA弥散性降解， 电泳多呈涂抹状
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凋亡的调控
凋亡信号 ?
凋亡信号转导
凋亡相关基因激活
细胞凋亡的执行
凋亡细胞的清除
概述
➢凋亡信号
生理性凋亡信号
❖激素或生长因子
概述
病理性凋亡信号
❖理化因素: 射线、化疗药、应激 ❖生物学因素: 细菌、病毒
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➢细胞增殖过度与肿瘤
增殖异常
❖肿瘤细胞恶性增殖的机制
4.检查点功能障碍
G1/S检查点功能障碍 p53突变
G2/M检查点功能障碍
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DNA损伤（射线） p53↑ p21↑
Mut-p53遗传：
Li-Fraumeni 癌症综合征
修
CyclinE/CDK2复合物活性↓
复
成
功
pRb-E2F
pRb-P＋游离的E2F
➢细胞凋亡的信号转导
概述
❖死亡受体介导的凋亡通路（外源性） ❖线粒体介导的凋亡通路（内源性）
❖内质网应激介导的凋亡通路（了解）
❖死亡受体介导的凋亡通路
•死亡受体
是一类通过与相应配体结合，传递细 胞凋亡信号的膜受体，如Fas、TNFR和DR3、 DR4、DR5。
•死亡配体： FasL、TNF-α、TRAIL等
组成成员
p16 Ink4a \p15 Ink4b \p18 Ink4c\p19 Ink4d
p21wafl\p27kip1\p57kip2
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调节亚基
Cyclin
催化亚基 竞争性结合
CDK ＋ CKI
抑制CDK 的活性
Cyclin/CDK
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➢细胞增殖过度与肿瘤
❖肿瘤细胞恶性增殖的机制
3.CKI表达不足和突变
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主要内容
• 细胞周期的概述 • 细胞周期调控异常与疾病 • 调控细胞周期与疾病的防治
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细胞周期调控异常与疾病
•驱动机制异常 •检查机制异常
恶性肿瘤、家族性红细胞 增多症、前列腺肥大等
细胞周期 调控异常
细胞增殖过度
疾
细胞增殖缺陷
病
糖尿病肾病、神经退行性 疾病、再生障碍性贫血等
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➢细胞增殖过度与肿瘤
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❖线粒体介导的凋亡通路
Ca2+、NO、缺血、 缺氧及活性氧等
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❖线粒体介导的凋亡通路
Ca2+、NO、缺血、 缺氧及活性氧等
激活内切酶，将DNA 切成50kb的大片段
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➢细胞凋亡的相关基因
概述
抗凋亡基因：Bcl-2 、 Bcl-XL、Bcl-w、Mcl-1等
促凋亡基因： Bax、Bak、Bid、Bim、Noxa等
❖肿瘤细胞恶性增殖的机制 1. Cyclin过表达
B
增殖异常
EA D
G0 G1
S G2M
G1 S G2M G0
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➢细胞增殖过度与肿瘤
增殖异常
❖肿瘤细胞恶性增殖的机制
1. Cyclin过表达
许多肿瘤cyclin D1、cyclin E过表达
Cyclin D1过表达的机制
✓基因扩增 ✓染色体倒位 ✓染色体易位
磷脂酰丝氨酸(Phosphatidylserine, PS)外翻
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细胞凋亡的生化改变
•内源性核酸内切酶的激活 •凋D亡NA蛋片白段酶化caspase的激活
概述
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染色质的基本结构
30nm
概述
DNA片段长度 约为200bp
酶切点
核小体
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细胞凋亡的生化改变
概述
•内源性核酸内切酶的激活
DNA片段化
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周期素依赖性激酶抑制因子 (cyclin dependent kinase inhibitor域锚蛋白
Kip
N端含一个80个氨 基酸的保守序列
特异性抑制 作用特点 CycD1/CDK4,6
广谱抑制CycD/CDK4, CycE/CDK2, CycA/CDK2
Procasp-9
Procasp-3
Casp-3
凋亡
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概述
【Bcl-2抗凋亡的机制】
■直接抗氧化 ■抑制线粒体释放促凋亡蛋白（Cyto-C/AIF） ■抑制Bax、Bak的促凋亡作用 ■抑制凋亡蛋白酶（caspases）的激活 ■维持细胞钙稳态
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➢细胞凋亡相关的酶
概述
凋亡相关基因按预定程序激活执行凋亡 所需的各种酶类。
DNA双链在核小体连接区被核酸内 切酶切割而断裂成180-200bp或其整倍 数的片段。
电泳呈特征性的“梯”状条带。
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“梯”状条带 (ladder pattern)
坏死条带
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细胞凋亡的生化改变:
概述
•内源性核酸内切酶的激活 •凋亡蛋白酶caspase的激活
含半胱氨酸的门冬氨酸特异水解酶 (cysteine-containing aspartate-specific protease)