细胞应激2012

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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 • 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。
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 IL-6、 IL-10等,增强细胞的免疫功能,并参与
•在化学反应性能方面比氧活泼的含氧化合物,包
. 括氧自由基,如超氧阴离子 ( O2- )以及羟自由基
(OH•)、脂氧自由基、氮氧自由基和非自由基形 式的过氧化氢(H2O2)和单线态氧(1O2)等。
•ROS是细胞正常代谢的产物,参与许多生理过程。
氧自由基的生成
e-
e-+2H+
e-+H+
e-+H+
O2
• 在生理条件下,Nrf2与Keap1结合被扣押在胞浆,并 易于被泛素化降解,因此Nrf2蛋白的半寿期只有20分 钟,在细胞内维持低水平。 • 在氧化应激过程中被激活的一些蛋白激酶,如ERK和 p38以及PKC等可使Keap1和Nrf2磷酸化。导致二者 结合的亲和性下降并与其解离,之后Nrf2转入核内与 靶基因启动子中的抗氧化反应元件(antioxidant response elements,AREs)相互作用,调节血红 素加氧酶-1、谷胱甘肽S-转移酶A2和NAD(P)H醌氧还 酶-1(NQO1)等靶基因的转录。
4. 激活鞘磷脂酶(SMase)
紫外线、电离辐射、活性氧、细胞因子等 应激原 ? Rac, cdc42 Ras
PAK/GCK MEKK1/2 MEKKs Raf MAPKKK
来自百度文库SEK1/JNKK
SAPK/JNK
MKK3/6
p38MAPK CHOP等
MEK1/2
ERK1/2 c-Myc等
MAPKK
MAPK 转录因子
• 氧化应激也可以诱导细胞凋亡。如激活的JNK可通 过激活转录因子AP-1, 上调具有促凋亡作用的基因 表达,诱导细胞凋亡。JNK还能通过线粒体凋亡途 径诱导细胞凋亡。 • NF-B也也可通过上调其具有促凋亡作用的靶蛋白, 促进细胞凋亡。
• 高浓度的ROS可攻击各种细胞成分, 直接造成细胞 结构损伤和功能代谢障碍,诱导细胞凋亡或死亡。
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。
有害刺激/应激原
过强 细胞damage sensors对损伤的感知 细胞死亡 激活细胞信号传导通路 激活下游的转录因子
•氧化应激后细胞的命运(存活还是死亡),取 决于ROS的浓度、细胞的功能状态和整体的环境
由于在多种应激原(如低氧、基因毒)作
用和炎症、缺血再灌流损伤等病理生理过程中 都有ROS和自由基的生成增多,而在应激反应 中涉及的基因几乎都受细胞氧还状态所影响。 因此氧化应激反应是多种细胞应激反应中最中 心的通路,参与了缺血再灌流损伤、炎症、肿 瘤、衰老以及多种疾病,如帕金森氏病、 Alzheimer病、艾滋病、糖尿病血管并发症、 心脑血管病等重要疾病的发生和发展过程。
细 胞 应 激
(cell stress)
stress
各种刺激(应激原) 神经内分泌反应 非特异性全身反应 以交感-肾上腺髓质 和下丘脑-垂体-肾 上腺皮质反应为主
提高对刺激的防御适应能力
UV 活性氧 炎症 因子 冷 热
电离 辐射
缺氧
渗透压 变化 细胞 因子
毒 物
药物
机械作用
细胞应激的概念
是细胞对环境因素导致大分子损伤
•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 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。
c-Jun等 ATF-2
鞘磷脂酶(SMase)
鞘磷脂 SMase 神经酰胺 + 磷酸胆碱
鞘磷脂-神经酰胺通路
介导多种受体和环境应激在细胞内的 信号转导。
Smase
中性Smase
(细胞膜上)
酸性Smase
(溶酶体)。
SAPK/JNK 细胞凋亡
ERK通路 促进细胞增殖 炎症反应
Nrf2 -- 参与氧化应激的重要转录因子
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。
•HSP的功能 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。
三、低氧性应激(hypoxia stress)
单纯性的缺氧或缺血缺氧可诱 发缺氧性应激反应
低氧应激
缺氧 低氧感受器
激活HIF-1和相关信号转导通路
细胞反应
提高机体耐受缺氧能力
低氧感受器 1.含血红素蛋白假说 2.氧敏感性离子通道假说 3. NAD(P)H氧化酶复合物学说 4.线粒体逸出活性氧假说 5.氨基酸羟化酶学说 6.乙酰转移酶学说 7. NO和CO学说
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。
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
基及脂过氧自由基等
生理状态下,GSH/GSSG维持在
高比率,而在氧化应激时,GSH氧化
成 GSSG, GSH/GSSG比 率 下 降,故 可借以评估脂质过氧化损伤情况。
在缺血缺氧、缺血再灌注损伤、
化学性放射性损伤、炎症、肿瘤、重 金属等病理情况下以及老化等过程中, ROS产生增多,而清除能力不足,结 果导致ROS和氧自由基增多。
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。
内质网应激的主要反应是未折叠蛋白反应
氧化应激
氧化应激
ROS或自由基 激活信号转 导通路 激活转录因子
MAPK和AKT通路等 Nrf2 、NF-B 等
通过靶基因 起效应
•清除ROS •修复细胞损伤 •细胞凋亡
ROS激活的信号转导通路
1. MAPK家族成员,包括ERK、JNK和 p38通路 2. PI-3K/AKT信号通路
3. PLC-PKC通路, PLC-Ca2+通路
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。
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。
O2 ·
H2O2
OH•
H2O
Fe2+ (Fenton reaction)
图. 氧自由基的生成
◆体内ROS的清除
•抗氧化酶:如SOD、过氧化氢酶(CAT)和 谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)等分别清除
O2及H2O2。
•抗氧化剂:如VitE、 VitC、胡萝卜素、
GSH及微量元素(如硒、锌)等清除脂自由
氧化应激激活的转录因子Nrf2
氧化应激激活的靶基因及生物效应
• 上述信号转导通路能够激活多种转录因子,如 Nrf-2、NF-B、AP-1、ATF-2、NF-IL6等。 诱导MnSOD、CAT和GSH-Px等的表达,从 而清除ROS,具有特异性细胞保护作用。 • NF-B还能上调多种抗凋亡基因,如Bcl-XL, c-FLIP , cIAPs等的表达,发挥抗凋亡和促细 胞存活的作用。
和释放出各种促炎因子,如NO、TNF-a、IL-1、 炎症反应。
(二)氧化应激(oxidative stress)
是 由 活 性 氧 (reactive oxygen
species, ROS)增多和/或清除减少导致
ROS相对超负荷引起的细胞应激反应。
◆活性氧(reactive oxygen species, ROS)及自由基
(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;
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;
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
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)
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) 。
HIF-1诱导的靶基因和生物效应
•EPO增多: 红细胞生成增多 •VEGF增多:血管增生,使氧部位的血液增加 •iNOS增多: 血管舒张(NO) GLUT1(glucose transport 1)和糖酵解酶增多
无氧酵解增强
(四)内质网应激 (endoplasmic reticulum stress)
的正确折叠、移位、修复或降解。
HSP response to stress
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。
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
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
研究背景
Epo VEGF GLUT3 ADM
缺氧诱导因子
VHL蛋白为E3-泛素连 接酶的组成部分,在 VHL蛋白为E3-泛素 常氧下,它导致HIF连接酶的组成部分, 1的多泛素化进而被 在常氧下,它导致 降解。 HIF-1的多泛素化 低氧使HIF-1稳定性 进而被降解。 增加,增加的HIF-1 低氧能抑制VHL, 与HIF-1以二聚体的 使HIF-1稳定性增 形式转入核中调节靶 加, 基因表达。
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E3连接酶
泛素碳端 水解酶
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。
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