《病理生理学》课件：细胞应激2014
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HSP能识别和结合新合成的尚未折叠或因 有害因素破坏了其折叠结构的肽链结合，并依 赖其N端的ATP酶活性，利用ATP促成这些肽链 的正确折叠、移位、修复或降解。
2.调控蛋白转归
泛素是一个使蛋白质降解的分子标签。 机体在试图清除某些异常蛋白质（如变性 蛋白、错误折叠蛋白等）之前，先将这些 蛋白质标上泛素标签，然后经蛋白酶体将 其降解。
内质网应激的主要反应是未折叠蛋白反应 （unfolded protein response，UPR），当各种 原因导致内质网内未折叠蛋白或错误折叠蛋白积聚 时，为了减轻内质网的蛋白质过荷，细胞会启动 （UPR） 以恢复内质网的蛋白质折叠环境和稳态。
UPR包括：
1. 使蛋白质合成减少，以减轻未折叠蛋白的进一 步聚积；
transcription factor 6, ATF6)； 2.双链RNA-依赖的蛋白激酶样内质网激酶 （PKR-like ER kinase, PERK） 3.需肌醇酶1(inositol requiring enzyme 1, IRE1)。
未/错误折叠蛋白反应的感受和信号转导
正常情况下， ATF6、 PERK 和IRE1与位于内质 网的伴侣分子78kD的葡萄糖调节蛋白（GRP78）结 合而处于失活状态。
细胞应激
（cell stress）
一、应激概念的形成和发展
美国生理学家W.B.Cannon首先发现，动物在处于 威胁性的紧张环境或受到强烈的躯体刺激时，有 肾上腺激素释放入血，他因此提出了交感神经系 统在机体紧急情况下起重要平衡作用的紧急学说 （emergency theory）。
2
一、应激概念的形成和发展
4
一、应激概念的形成和发展
近些年的研究还证实不仅高等生物，当原核或真 核单细胞生物遭遇各种明显的环境变化或遭遇大 分子损伤时，亦能产生被称为细胞应激（cellular stress）的一系列适应性的变化，以增强细胞抗损 伤能力和在不利环境下的生存能力。细胞应激的 证实表明应激反应的保守性。
5
一、应激的概念
• 损伤性：过强、持续时间过长的应激 原可导致应激性疾病
应激的躯体反应
应激原
机体内稳态失衡
神经、内分泌、 免疫功能改变
功能代谢改变
细胞对应激的反应
生理性应激
（适应，稳态恢复） 信号处理及转导
病理性应激 （损伤与疾病）
基因表达改变 10
UV 活性氧
电离 辐射
缺氧
炎症 因子
冷 热
药物 机械作用
渗透压 变化
• 按生成方式分： 组成型和诱导型 与热应激关系最为密切的是诱导型的Hsp70。
•HSP的诱导
热休克、氧化应激、缺血/氧、重金属等多种应激 原可激活热休克因子(heat shock factor，HSF) 。 HSF是参与热休克反应和诱导热休克蛋白表达的主要 转录因子。
活化的HSF三聚体转入核内，与靶基因启动子区 中的热休克反应元件（heat shock response
后来发现，除热休克外，许多对机体有害 的应激因素，如低氧、缺血、活性氧、基因毒 物质、ATP缺乏、酸中毒、炎症、以及感染等 也可诱导HSP的生成，故HSP又被称为应激蛋 白（stress protein，SPs）。
•HSP的分类
• 按照分子量分： Hsp110，Hsp90，Hsp70以及小分子量的Hsps
1974年，Tissieres采用聚丙烯酰胺凝胶电泳从遭受热休克的果蝇唾 液腺中分离出6种新的蛋白质，命名为热休克蛋白。
热休克蛋白（heat shock protein, HSP）
1974年，Tissieres采用聚丙烯酰胺凝胶电 泳从遭受热休克的果蝇唾液腺中分离出6种新 的蛋白质，命名为热休克蛋白。
当机体受到损伤时，DAPM从支离破碎的细胞 释放出来，这些成分，对于免疫系统来说，作为机 体已受到损伤的危险信号。
外源性Hsp的功能
应激时，当HSP从受损细胞中释放出来时， 这种Hsp作为危险信号”(danger signal) ，能被 单核/巨噬细胞、树突状细胞（DC）、血管内皮 细胞上的模式识别受体所识别，导致细胞合成 和释放出各种促炎因子，如NO、TNF-a、IL-1、 IL-6、 IL-10等，增强细胞的免疫功能，并参与 炎症反应。
GRP78是HSP70同系物，当内质网中未折叠蛋白 发生积聚时，作为分子伴侣，GRP78与未折叠/错误
折叠的蛋白多肽结合而与ATF6, PERK 和IRE1解
离，导致它们激活，从而将未折叠蛋白信号通过内 质网膜传向胞浆和胞核。
图. 未折叠蛋白反应信号通路介导的内质网应激
内质网应激的意义
1. 减少蛋白质合成，减轻未折叠蛋白的聚积； 2. 诱导伴侣分子和折叠酶表达，增强蛋白质折叠
细胞 因子
毒 物
细胞应激的概念
是细胞对环境因素导致大分子损伤 的一种防御反应，目的是对抗伤害、修复 损伤、增加对损伤的耐受性，以最终保护 细胞和/或通过细胞死亡过程最终除去损 伤后不能修复的细胞。
细胞应激反应的特点和基本模式
•细胞应激高度保守(细菌、酵母、植物、 动物等都有)； •细胞的应激反应包括一系列高度有序事件。
生物细胞在热应激（或其他应激）状态下所表 现的以基因表达变化为特征的一种防御适应反应 称为热休克反应（heat shock response, HSR） 。
1962年，Ritossa等将培养的果蝇幼虫由25℃移至30℃环境中， 30 min后在果蝇唾液腺的多丝染色体上观察到了蓬松或膨突(puff）现象， 提 示该区带基因转录加强,并可能有某些蛋白质合成增加。
能力； 3. 促进错误折叠蛋白的降解； 4. 若通过上述反应仍不能维持内质网稳态，将触
发受损细胞凋亡或死亡。
迄今的研究表明内质网应激和未折 叠蛋白反应与许多疾病，如糖尿病、神 经退行性疾病、肿瘤、心脑血管病、病 毒感染以及一些化学毒物引发的疾病都 有关。
2. 通过诱导伴侣分子（如HSP）和折叠酶的表 达，增强内质网蛋白质的折叠能力；
3.通过激活泛素-蛋白酶体系统和自噬作用，促进 错误折叠蛋白的降解；
4. 若通过上述反应仍不能缓解内质网异常蛋白堆 积导致的内质网受压，将触发受损细胞凋亡或 死亡。
未/错误折叠蛋白反应的感受和信号转导
目前已知的哺乳动物三条感受UPR的信号转导 通路。它们上游是存在于内质网膜上起应激传 感器作用的三个蛋白： 1.跨膜蛋白活化转录因子6 (activating
2004年10月16日瑞典皇家科学院将本年度诺贝 尔化学奖授予以色列科学家阿龙·切哈诺沃、阿夫拉 姆·赫什科和美国科学家欧文·罗斯，以表彰他们在泛 素调节的蛋白质降解研究领域中的卓越成就。
泛素碳端 水解酶
Ubiquitination and the ubiquitin-dependent proteasome system.
（四）内质网应激
（endoplasmic reticulum stress）
真核细胞的内质网是细胞内蛋白质合成和折叠、 Ca2+ 存储、脂质合成的重要部位。
各种原因，如缺氧、氧化应激、脂质过度负荷、病 毒感染、药物和毒素等均可扰乱内质网稳态，导致内质 网内未折叠蛋白或错误折叠蛋白积聚或细胞内钙稳态失 衡，引起内质网应激，因此内质网应激是多种细胞应激 反应的共同通路。
有害刺激/应激原 细胞damage sensors对损伤的感知 激活细胞信号传导通路
过强 细胞死亡
激活下游的转录因子 改变靶基因表达，诱导具有保护作用的蛋白质 清除应激原、保护细胞、修复损伤
பைடு நூலகம்
常见细胞应激的类型
（一）热应激 （二）氧化应激 （三）低氧应激 （四）内质网应激
（五）基因毒应激
（一）热应激（热休克反应）
element，HSE）结合而诱导一系列基因，如Hsp70、 Hsp90和Hsp27、HSBP1、IL-6、 IL-10、细胞泵如多 药耐药1蛋白（ABCB1）等基因的转录。
HSP的诱导与调节
•HSP的结构
HSP具有N端的高度保守的ATP酶区和C端 的底物识别序列，后者易于结合蛋白质的疏水 结构区。
加拿大内分泌生理学家 Selye第一个明确提出了应 激（stress）和应激原（stressor）概念， 在Selye的 应激理论中，他强调了应激的非特异性和垂体-肾 上腺皮质系统激活在应激中的作用。他还是第一 个提出良性和劣性应激的人。
3
一、应激概念的形成和发展
二战之后，社会心理因素在应激和疾病发生发展 中的重要作用越来越受到关注，研究表明心理应 激与心身疾病（psychosomatic disease）的发生密 切相关。
(Concept of stress)
应激(stress)是指机体在受到 各种内外环境因素及社会，心理 因素刺激时所出现的非特异性全 身性适应反应。
二、应激原
(Stressor)
❖ 外环境因素
能够引起应激反
(external factors) 应的刺激因素
❖ 内环境因素
(internal factors )
3.介导炎症反应
作为损伤/危险相关分子模式 (DAMPs)，通过模式识别受体，引发炎 症反应。
• 损伤/危险相关分子模式(damage-associated molecular patterns, DAMPs)
DAPM为细胞的组成部分:如高迁移率族 蛋白（HMGB1) ；热休克蛋白；钙结合蛋白 S100等。
倾向于与蛋 白质的疏水 基团结合
ATP酶结构域
（高度保守）
N
450氨基酸残基
基质识别结构域 （可变区）
200氨基酸残基 C
•未折叠新合成的或损伤的蛋白质其疏水基团常暴露在外
(没有分子娘时通过疏水基团相互结合失活), HSP的C末端 的疏水区与多肽链的疏水基团结合使蛋白质折叠,折叠后 HSP脱落
•HSP的功能
❖ 心理社会环境因素 (psycho-social factors)
三、特性
1.普遍性与非特异性
• 普遍性： 从原核或真核单细胞生物→哺乳动物 躯体和心理/社会因素
• 非特异性： 无论何种因素→相同的反应
2 .防御性与损伤性
• 防御性：是机体适应、保护机制，维 持机体的自稳态(homeostasis)
1.分子伴侣（molecular chaperon）
分子伴侣是细胞一类保守蛋白质，可识别肽链的非天然 构象，促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠。但自身并不成 为被折叠的蛋白质的一部分。
Other
proteins
HSP
已知多种应激原可导致蛋白质变性，使之成为伸 展的(unfolded)或错误折叠的(misfolded)多肽链，其 疏水区域可重新暴露在外，因而较易形成蛋白质聚集 物，对细胞造成严重损伤。
2.调控蛋白转归
泛素是一个使蛋白质降解的分子标签。 机体在试图清除某些异常蛋白质（如变性 蛋白、错误折叠蛋白等）之前，先将这些 蛋白质标上泛素标签，然后经蛋白酶体将 其降解。
内质网应激的主要反应是未折叠蛋白反应 （unfolded protein response，UPR），当各种 原因导致内质网内未折叠蛋白或错误折叠蛋白积聚 时，为了减轻内质网的蛋白质过荷，细胞会启动 （UPR） 以恢复内质网的蛋白质折叠环境和稳态。
UPR包括：
1. 使蛋白质合成减少，以减轻未折叠蛋白的进一 步聚积；
transcription factor 6, ATF6)； 2.双链RNA-依赖的蛋白激酶样内质网激酶 （PKR-like ER kinase, PERK） 3.需肌醇酶1(inositol requiring enzyme 1, IRE1)。
未/错误折叠蛋白反应的感受和信号转导
正常情况下， ATF6、 PERK 和IRE1与位于内质 网的伴侣分子78kD的葡萄糖调节蛋白（GRP78）结 合而处于失活状态。
细胞应激
（cell stress）
一、应激概念的形成和发展
美国生理学家W.B.Cannon首先发现，动物在处于 威胁性的紧张环境或受到强烈的躯体刺激时，有 肾上腺激素释放入血，他因此提出了交感神经系 统在机体紧急情况下起重要平衡作用的紧急学说 （emergency theory）。
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一、应激概念的形成和发展
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一、应激概念的形成和发展
近些年的研究还证实不仅高等生物，当原核或真 核单细胞生物遭遇各种明显的环境变化或遭遇大 分子损伤时，亦能产生被称为细胞应激（cellular stress）的一系列适应性的变化，以增强细胞抗损 伤能力和在不利环境下的生存能力。细胞应激的 证实表明应激反应的保守性。
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一、应激的概念
• 损伤性：过强、持续时间过长的应激 原可导致应激性疾病
应激的躯体反应
应激原
机体内稳态失衡
神经、内分泌、 免疫功能改变
功能代谢改变
细胞对应激的反应
生理性应激
（适应，稳态恢复） 信号处理及转导
病理性应激 （损伤与疾病）
基因表达改变 10
UV 活性氧
电离 辐射
缺氧
炎症 因子
冷 热
药物 机械作用
渗透压 变化
• 按生成方式分： 组成型和诱导型 与热应激关系最为密切的是诱导型的Hsp70。
•HSP的诱导
热休克、氧化应激、缺血/氧、重金属等多种应激 原可激活热休克因子(heat shock factor，HSF) 。 HSF是参与热休克反应和诱导热休克蛋白表达的主要 转录因子。
活化的HSF三聚体转入核内，与靶基因启动子区 中的热休克反应元件（heat shock response
后来发现，除热休克外，许多对机体有害 的应激因素，如低氧、缺血、活性氧、基因毒 物质、ATP缺乏、酸中毒、炎症、以及感染等 也可诱导HSP的生成，故HSP又被称为应激蛋 白（stress protein，SPs）。
•HSP的分类
• 按照分子量分： Hsp110，Hsp90，Hsp70以及小分子量的Hsps
1974年，Tissieres采用聚丙烯酰胺凝胶电泳从遭受热休克的果蝇唾 液腺中分离出6种新的蛋白质，命名为热休克蛋白。
热休克蛋白（heat shock protein, HSP）
1974年，Tissieres采用聚丙烯酰胺凝胶电 泳从遭受热休克的果蝇唾液腺中分离出6种新 的蛋白质，命名为热休克蛋白。
当机体受到损伤时，DAPM从支离破碎的细胞 释放出来，这些成分，对于免疫系统来说，作为机 体已受到损伤的危险信号。
外源性Hsp的功能
应激时，当HSP从受损细胞中释放出来时， 这种Hsp作为危险信号”(danger signal) ，能被 单核/巨噬细胞、树突状细胞（DC）、血管内皮 细胞上的模式识别受体所识别，导致细胞合成 和释放出各种促炎因子，如NO、TNF-a、IL-1、 IL-6、 IL-10等，增强细胞的免疫功能，并参与 炎症反应。
GRP78是HSP70同系物，当内质网中未折叠蛋白 发生积聚时，作为分子伴侣，GRP78与未折叠/错误
折叠的蛋白多肽结合而与ATF6, PERK 和IRE1解
离，导致它们激活，从而将未折叠蛋白信号通过内 质网膜传向胞浆和胞核。
图. 未折叠蛋白反应信号通路介导的内质网应激
内质网应激的意义
1. 减少蛋白质合成，减轻未折叠蛋白的聚积； 2. 诱导伴侣分子和折叠酶表达，增强蛋白质折叠
细胞 因子
毒 物
细胞应激的概念
是细胞对环境因素导致大分子损伤 的一种防御反应，目的是对抗伤害、修复 损伤、增加对损伤的耐受性，以最终保护 细胞和/或通过细胞死亡过程最终除去损 伤后不能修复的细胞。
细胞应激反应的特点和基本模式
•细胞应激高度保守(细菌、酵母、植物、 动物等都有)； •细胞的应激反应包括一系列高度有序事件。
生物细胞在热应激（或其他应激）状态下所表 现的以基因表达变化为特征的一种防御适应反应 称为热休克反应（heat shock response, HSR） 。
1962年，Ritossa等将培养的果蝇幼虫由25℃移至30℃环境中， 30 min后在果蝇唾液腺的多丝染色体上观察到了蓬松或膨突(puff）现象， 提 示该区带基因转录加强,并可能有某些蛋白质合成增加。
能力； 3. 促进错误折叠蛋白的降解； 4. 若通过上述反应仍不能维持内质网稳态，将触
发受损细胞凋亡或死亡。
迄今的研究表明内质网应激和未折 叠蛋白反应与许多疾病，如糖尿病、神 经退行性疾病、肿瘤、心脑血管病、病 毒感染以及一些化学毒物引发的疾病都 有关。
2. 通过诱导伴侣分子（如HSP）和折叠酶的表 达，增强内质网蛋白质的折叠能力；
3.通过激活泛素-蛋白酶体系统和自噬作用，促进 错误折叠蛋白的降解；
4. 若通过上述反应仍不能缓解内质网异常蛋白堆 积导致的内质网受压，将触发受损细胞凋亡或 死亡。
未/错误折叠蛋白反应的感受和信号转导
目前已知的哺乳动物三条感受UPR的信号转导 通路。它们上游是存在于内质网膜上起应激传 感器作用的三个蛋白： 1.跨膜蛋白活化转录因子6 (activating
2004年10月16日瑞典皇家科学院将本年度诺贝 尔化学奖授予以色列科学家阿龙·切哈诺沃、阿夫拉 姆·赫什科和美国科学家欧文·罗斯，以表彰他们在泛 素调节的蛋白质降解研究领域中的卓越成就。
泛素碳端 水解酶
Ubiquitination and the ubiquitin-dependent proteasome system.
（四）内质网应激
（endoplasmic reticulum stress）
真核细胞的内质网是细胞内蛋白质合成和折叠、 Ca2+ 存储、脂质合成的重要部位。
各种原因，如缺氧、氧化应激、脂质过度负荷、病 毒感染、药物和毒素等均可扰乱内质网稳态，导致内质 网内未折叠蛋白或错误折叠蛋白积聚或细胞内钙稳态失 衡，引起内质网应激，因此内质网应激是多种细胞应激 反应的共同通路。
有害刺激/应激原 细胞damage sensors对损伤的感知 激活细胞信号传导通路
过强 细胞死亡
激活下游的转录因子 改变靶基因表达，诱导具有保护作用的蛋白质 清除应激原、保护细胞、修复损伤
பைடு நூலகம்
常见细胞应激的类型
（一）热应激 （二）氧化应激 （三）低氧应激 （四）内质网应激
（五）基因毒应激
（一）热应激（热休克反应）
element，HSE）结合而诱导一系列基因，如Hsp70、 Hsp90和Hsp27、HSBP1、IL-6、 IL-10、细胞泵如多 药耐药1蛋白（ABCB1）等基因的转录。
HSP的诱导与调节
•HSP的结构
HSP具有N端的高度保守的ATP酶区和C端 的底物识别序列，后者易于结合蛋白质的疏水 结构区。
加拿大内分泌生理学家 Selye第一个明确提出了应 激（stress）和应激原（stressor）概念， 在Selye的 应激理论中，他强调了应激的非特异性和垂体-肾 上腺皮质系统激活在应激中的作用。他还是第一 个提出良性和劣性应激的人。
3
一、应激概念的形成和发展
二战之后，社会心理因素在应激和疾病发生发展 中的重要作用越来越受到关注，研究表明心理应 激与心身疾病（psychosomatic disease）的发生密 切相关。
(Concept of stress)
应激(stress)是指机体在受到 各种内外环境因素及社会，心理 因素刺激时所出现的非特异性全 身性适应反应。
二、应激原
(Stressor)
❖ 外环境因素
能够引起应激反
(external factors) 应的刺激因素
❖ 内环境因素
(internal factors )
3.介导炎症反应
作为损伤/危险相关分子模式 (DAMPs)，通过模式识别受体，引发炎 症反应。
• 损伤/危险相关分子模式(damage-associated molecular patterns, DAMPs)
DAPM为细胞的组成部分:如高迁移率族 蛋白（HMGB1) ；热休克蛋白；钙结合蛋白 S100等。
倾向于与蛋 白质的疏水 基团结合
ATP酶结构域
（高度保守）
N
450氨基酸残基
基质识别结构域 （可变区）
200氨基酸残基 C
•未折叠新合成的或损伤的蛋白质其疏水基团常暴露在外
(没有分子娘时通过疏水基团相互结合失活), HSP的C末端 的疏水区与多肽链的疏水基团结合使蛋白质折叠,折叠后 HSP脱落
•HSP的功能
❖ 心理社会环境因素 (psycho-social factors)
三、特性
1.普遍性与非特异性
• 普遍性： 从原核或真核单细胞生物→哺乳动物 躯体和心理/社会因素
• 非特异性： 无论何种因素→相同的反应
2 .防御性与损伤性
• 防御性：是机体适应、保护机制，维 持机体的自稳态(homeostasis)
1.分子伴侣（molecular chaperon）
分子伴侣是细胞一类保守蛋白质，可识别肽链的非天然 构象，促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠。但自身并不成 为被折叠的蛋白质的一部分。
Other
proteins
HSP
已知多种应激原可导致蛋白质变性，使之成为伸 展的(unfolded)或错误折叠的(misfolded)多肽链，其 疏水区域可重新暴露在外，因而较易形成蛋白质聚集 物，对细胞造成严重损伤。