细胞凋亡

体内外生理或病理因素触发细胞内死亡程序 细胞死亡
细胞凋亡与细胞坏死的区别
特征 诱导因素 受累范围 膜完整性 细胞体积 染色质 细胞器 溶酶体 细胞形状 基因组DNA 基因组DNA 大分子合成 基因调控 后果 意义 细胞凋亡 生理及弱刺激 单个细胞丢失 保持到晚期 减小、 减小、固缩 凝聚成半月形 无明显变化 保持完整 形成凋亡小体 有控降解 一般需要 有 不引起炎症反应 生理死亡方式 细胞坏死 强烈刺激 成群细胞死亡 早期即丧失 增大肿胀 稀疏成网状 肿张破坏 破坏外溢 破裂成碎片 随机降解 不需要 无 引起炎症反应 病理死亡方式
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凋亡细胞（实体细胞）与周围细胞脱接触 胞膜空泡化（Blebbing） 胞膜空泡化（Blebbing） 细胞固缩（Condensation）、核固缩和发芽 细胞固缩（Condensation）、核固缩和发芽 凋亡小体（Apoptotic 凋亡小体（Apoptotic small body） body）
细胞凋亡及检测技术
病理学教研室 徐 曼
悉尼· 悉尼·布雷诺尔
罗伯特· 罗伯特·霍维茨
约翰· 约翰·苏尔斯顿
2002年诺贝尔生理与医学奖获得者 2002年诺贝尔生理与医学奖获得者
一、细胞死亡的模式
■ ■
坏死
凋亡
Necrosis = 细胞病理性死亡 Apoptosis = 细胞自发性死亡
【Concept of apoptosis】 apoptosis】
（1）死亡受体通路
（death receptor pathway） pathway）
死亡受体（death receptor, DR） 肿瘤坏死因子受体超家族成员，跨膜蛋 白，与相应配体结合传递细胞信号 Fas(CD95), TNFR1, RAIL-R2/DR5
参与死亡受体信号转导的接头蛋白： 死亡结构域蛋白（ death domain protein, DD）
Apoptosis
凋亡细胞(扫描电镜)
凋亡细胞(透射电镜)
2. 生化改变
（The biochemical characteristics of apoptosis） apoptosis）
■DNA片段化 DNA片段化 （DNA ladding pattern） pattern） 激活核酸内切酶
核小体连接区DNA降解 核小体连接区DNA降解
Ca2+/Mg2+增加核酸内切酶活性 Zn2+抑制核酸内切酶活性
■细胞膜磷脂酰丝氨酸外翻
三、影响细胞凋亡的因素
（The mainly induced factors of apoptosis） apoptosis）
Table： Table：Influence factors of apoptosis 诱导性因素（Inducers） 诱导性因素（Inducers）
Caspase依赖的细胞凋亡 Caspase依赖的细胞凋亡
（Caspase-dependent apoptosis） Caspase特点： --以酶原的形式存在 --酶活性依赖于半胱氨酸残基的亲核性 --水解天冬氨酸C端肽键 故称 Caspases (Cysteine，aspartic acid，protease)
CaspaseCaspase-6
caspasecaspase-7
剪切细胞内结构蛋白
Pro-caspasePro-caspase-2
CAD（ caspase活化DNA酶） CAD（ caspase活化DNA酶）
ICAD（抑制性 CAD） ICAD（抑制性 CAD）
CDA进入细胞核内降解DNA CDA进入细胞核内降解DNA
180～200bp整数倍的DNA片段 180～200bp整数倍的DNA片段
■钙超载（Calcium overload） 钙超载（ overload）
Ca2+载体A23187 载体A23187 B淋巴细胞内[Ca B淋巴细胞内[Ca2+] ↑ B细胞凋亡 B细胞凋亡
（Ca2+传递凋亡信号）
■内源性核酸内切酶激活
Effector caspase
Pro-caspasePro-caspase-3 caspasecaspase-9 CaspaseCaspase-3 Pro-caspasePro-caspase-9 Pro-caspasePro-caspase-6 Pro-caspasePro-caspase-7 caspasecaspase-2
线粒体通路 （ mitochondrial pathway） pathway）
Ca2+ NO 缺氧 活性氧 应激
Bid
CaspaseCaspase-8
PT开放 PT开放
Cyt.c +
ApafApaf-1
膜通透性↑ 线粒体肿胀、 膜通透性↑、线粒体肿胀、△Ψm↓
ATP Cyt.c ApafApaf-1活化
（2）线粒体通路
线粒体释放细胞色素C→ →细胞凋 亡
PT孔开放→线粒体跨膜电位↓，细胞色 素C释放 促凋亡蛋白Bax促PT孔开放 抗凋亡蛋白Bcl-2、Bcl-xl抑制PT孔开放
细胞色素C + Apaf-1 + caspase9前体—凋亡体 召集并激活caspase3→ →细胞凋亡 Apaf-1：凋亡蛋白酶活化因子
细胞凋亡
Caspase破坏细胞结构 Caspase破坏细胞结构
裂解核纤层→细胞染色质固缩
核纤层（Lamin）是由核纤层蛋白通过聚合作用而连 成头尾相接的多聚体--核膜的骨架结构，使染色质 （chromatin）得以形成并进行正常的排列。
Caspase影响蛋白质的功能 Caspase影响蛋白质的功能
理化因素
抑制性因素（Inhibitors） 抑制性因素（Inhibitors）
射线、高温、强酸、 细胞因子 IL-2、NGF等 ILNGF等 强碱、应激、抗癌药 激素 其它 ACTH、睾丸酮、雌激素 ACTH、睾丸酮、雌激素 Zn2+、苯巴比妥、半胱氨 酸蛋白酶抑制剂、EBV、 酸蛋白酶抑制剂、EBV、 牛痘、病毒、中性氨基酸 牛痘、病毒、中性氨基酸
双向调控基因
c-myc、Belx myc、
Bcl1 . Bcl-2基因 lymphoma/leukemia（B cell lymphoma/leukemia-2） Bcl-2家族已发现15个成员，可分为3个亚族：
Bcl- 亚家族 Bcl-2亚家族：抑制细胞凋亡 Bax亚家族 亚家族： Bax亚家族：促进细胞凋亡 BH3亚家族 亚家族： BH3亚家族：促进细胞凋亡 ■ Bcl-2、Bcl-XL能抑制线粒体PT孔开放，Cyt.c 、 BclBcl-XL能抑制线粒体PT孔开放，Cyt.c
作用于与细胞骨架调节有关的酶或蛋白，使蛋 白裂解而破坏细胞骨架； 灭活或下调与DNA修复有关的酶、mRNA剪切蛋 白和DNA交联蛋白，使这些蛋白功能被抑制、 细胞的增殖与复制受阻并发生凋亡。
Caspase非依赖的细胞凋亡 Caspase非依赖的细胞凋亡
（Caspase-independent apoptosis）
Caspase家族的分类
凋亡启动亚类Caspase蛋白酶： Caspase8， Caspase 9，Caspase10 凋亡效应亚类Caspase蛋白酶： Caspase3， Caspase6， Caspase7 ICE(interlukin-1βconverting enzyme)亚类 Caspase蛋白酶：参与炎症反应 Caspase1，Caspase4， Caspase5， Caspase11, Caspase12， Caspase13， Caspase14
→凋亡小体
细胞凋亡
五、细胞凋亡的调控机制 五、细胞凋亡的调控机制
apoptosis） （Regulated mechanism of apoptosis）
表1wk.baidu.com
功能 抑制凋亡基因 促凋亡基因
细胞凋亡的调控基因
基因
Bcl- BclBcl-2 Bcl-XL、A1/Bfl-1、Bcl-w、Bcl-G和Mcl-1等 /BflBclBclMclP53、Bax、Bad、Bak、Bid、Bim、Bik、Bok、 P53、Bax、Bad、Bak、Bid、Bim、Bik、Bok、 BclBcl-B、Bcl-Xs、Krk、Mtd、Nip3、Nix、Noxa等 Bcl-Xs、Krk、Mtd、Nip3、Nix、Noxa等
激素和因子 糖皮质激素、TNF 糖皮质激素、TNF 免疫性因素 CTL分泌的粒酶 CTL分泌的粒酶 病原体因素 HIV、 HIV、HCV
四. 细胞凋亡的机制
凋亡诱导因素 + 受体 死亡信号
凋亡相关基因激活
Caspases激活、 DNase激活
凋亡的执行
巨噬细胞吞噬分解凋亡细胞 凋亡细胞清除
细胞凋亡的两条通路：死亡受体通路、 细胞凋亡的两条通路：死亡受体通路、线粒体通路
■钙超载
■凋亡诱导因子（AIF） 凋亡诱导因子（AIF） 线粒体蛋白AIF释放到胞质内与抑制凋亡的因子结合，从 线粒体蛋白AIF释放到胞质内与抑制凋亡的因子结合，从 而促发凋亡
钙超载引起凋亡机制
TNF- 、抗CD TNF-α、抗CD3抗体等 胞浆[Ca 胞浆[Ca2+] ↑
■激活核转录因子，加速凋亡相关基因的转录 ■在ATP参与下，暴露出核小体间连接区，有利于核酸内切酶切割DNA ATP参与下，暴露出核小体间连接区，有利于核酸内切酶切割DNA ■激活Ca2+/Mg2+依赖的核酸内切酶，降解DNA链 激活Ca 依赖的核酸内切酶，降解DNA链 ■激活谷氨酰胺转移酶，使细胞骨架分解
剪切
Pro-caspase： NH2末端结构域 、20KD亚基、 10KD亚基 大小亚基结合（二聚体） caspase激活（四聚体） 激
Caspase可激活CAD (caspase-activated Caspase可激活CAD 可激活 DNase)核酸酶，该酶在核小体的连接区将DNA
切断，形成约200bp整倍数的核酸片段 正常情况下， CAD与抑制物ICAD-DFF-45结合， 存在于胞质中，无活性 Caspase活化后降解抑制物ICAD， CAD激活并 入核降解DNA使其片段化
■ Caspase通路分类 Caspase通路分类
死亡受体通路
▲ Caspase
启动亚类（Caspase 启动亚类（Caspase -8 , -9, -10） 线粒体通路 10） 效应亚类（Caspase 效应亚类（Caspase -3, -6, -7）
■
Caspase激活形式 Caspase激活形式
TRADD：TNF受体相关死亡结构域蛋白
TNF + TNFR1（死亡结构域）+ TRADD
→ →细胞凋亡 →细胞凋亡
FADD：Fas相关死亡结构域蛋白 FasL + Fas （死亡结构域) +FADD →
FasL + Fas
凋亡诱导复合物（DISC）
FADD（C端DD结构域与Fas胞内段结合
N端DED结构域与无活性caspase8酶原交联）
【凋亡的生理学意义】 凋亡的生理学意义】 ■胚胎发育期去除某些细胞 ■维持内环境稳定
增殖细胞群中细胞去除、去除潜在有害的自身反应性淋巴细胞
■参与防御反应
细胞毒T 细胞毒T细胞
凋亡过多或不足→→疾病： 肿瘤、艾滋病、神经变性性疾病、缺血性损伤
二 、凋亡时细胞的主要变化
1. 形态学改变 （The morphologic characteristics of apoptosis） apoptosis）
caspase8酶原聚集到复合物上 一系列caspase激活 细胞凋亡
FSAL
Fas FADD
DD
DED
Pro-caspasePro-caspase-8
DED
CaspaseCaspase-8
细 胞 凋 亡
Pro-caspasePro-caspase-3
CaspaseCaspase-3
FADD（FasFADD（Fas-associated death domain） domain） DD（death domain） DD（ domain） DED （death effector domain） domain）
CARD
AIF caspase-independent apoptosis
CaspaseCaspase-9 Pro-CaspasePro-Caspase-3
Apoptosome
Cyt.c ApafApaf-1活化
+
Pro-caspasePro-caspase-9
凋 亡
CaspaseCaspase-3