细胞凋亡和细胞自噬2014精编版

根据Caspase 家族成员之间大小亚单位的同源性, 可将他们分为3 组: 炎症组（inflammatory mediators）:Caspase1,4,5,12,13,14 凋亡起始组（apoptotic initiators）：Caspase2,8,9,10 凋亡效应组（apoptotic executioners）：Caspase3,6,7
1980 Wyllie Biochemical changes in apoptotic morphology: - DNA fragmentation -Requires expression of death genes
1988 Bcl-2 was found to be anti-apoptotic 1991 ced genes were identified in C. elegan 1992 Fas/APO-1/CD95 was identified 1993 A role of p53 in regulation of apoptosis was described
HIV infection causes apoptosis
第四节 细胞凋亡的信号传递
接受凋亡信号 凋亡调控分子间的相互作用 蛋白水解酶（caspases）的活化
凋亡的级联反应
细胞外部刺激信号介导的死亡受体信号 传递途径(extrinsic) 细胞内部的信号传递途径 (intrinsic or mitochondrial)
Caspases are produced as zymogens
Lavrik IN, J Clin Invest. 2005;115:2665-72
Scheme of procaspase-8 processing at the CD95 DISC
Lavrik IN, J Clin Invest. 2005;115:2665-72
保证个体正常发育：蝌蚪成蛙、昆虫蜕变、淋巴细胞 阳性和阴性选择、表皮和指（趾）甲的形成等。
Tissue remodeling.
Sculpting the digits in the developing mouse paw by apoptosis.
脊椎动物的神经系统的发育
• CTL杀伤靶细胞 。
lymphoid progenitor (CLP) double negative (DN) double positive (DP)
Apoptosis and survival during B lymphocyte development
Apoptosis Inducers
• 物理因素：X-射线、热休克等； • 化学因素：过氧化氢、乙醇、8氯腺苷、氨
程序性细胞死亡（programmed cell death，PCD）， 即是指细胞在一定的生理或病理条件下，遵循自身 的程序，主动结束其生命的过程，这种死亡由基因 决定的。大多数程序性细胞死亡，呈现细胞凋亡的 形态学特征。
Necrosis
Apoptosis
细胞凋亡与细胞坏死在形态上的主要区别
细胞凋亡
ICE ICH-1/Nedd-2 CPP32/Yama TX ICH-2 ICErel II ICErel III Ty Mch-2 Mch-3 MACH FLICE Mch-5 ICE/LAP6 Mch-6 Mch-4 FLICE-2 ICH3 ER apoptosis-specific ERICE MICE
细胞凋亡和细胞自噬
史娟
医科院基础所 新科研楼607 E-mail: shijuantt@yahoo.com
Outline
1. History of apoptosis research 2. Characterization of apoptosis 3. Physiological Significances 4. Apoptosis Signaling Pathways 5. Regulation of Apoptosis 6. Apoptosis and Autophagy
Morphology of Apoptotic Cell
Apoptosis VS. Necrosis
Apoptosis Necrosis
第三节 细胞凋亡的生理学 病理学意义
生理学意义
保证个体正常发育：蝌蚪成蛙、昆虫蜕变、淋巴细胞 阳性和阴性选择、表皮和指（趾）甲的形成等。 维持内环境稳定：清除衰老细胞、DNA损伤的细胞等。 如果机体对受损、突变或者衰老的细胞不能及时清除 话，就会干扰内环境稳定。 防御功能：清除被病原体感染的细胞等。
Fas ligand was identified ICE was found to be homolog of ced-3 in mammalian IAPs were identified 1994 The role of mitochondria during apoptosis 1996 The role of caspases during apoptosis Release of cytochrome c from mitochondria during apoptosis was discovered 1997 Apafs were identified
Caspase 1 Caspase 2 Caspase 3 Caspase 4 Caspase 5 Caspase 6 Caspase 7 Caspase 8 Caspase 9 Caspase 10 Caspase 11 Caspase 12 Caspase 13 Caspase 14 Caspase 15 Caspase 16 Caspase 17 Caspase 18
免疫细胞凋亡
细胞凋亡:95%的细胞凋亡 胸腺细胞成熟过程中的凋亡 阳性选择
阴性选择 激活诱导的细胞凋亡：（activation-induced cell death，AICD） CTL诱导靶细胞的凋亡：
穿孔素介导的靶细胞凋亡 Fas介导的靶细胞凋亡
Apoptosis and survival during T lymphocyte development
细胞凋亡与细胞坏死在生物化学方面的主要区别
细胞凋亡
基因调节 发生条件 能量 新的基因转录 大分子合成 Caspase DNA
细胞膜
由凋亡相关基因调控
多为生理性 需要能量 有 需要 依赖性 降解为180-200bp 的整数倍的DNA Ladder 磷脂酰丝氨酸外翻
细Hale Waihona Puke Baidu坏死
与基因调控无关 病理性（偶然刺激） 不需要能量 无 不需要 不依赖 DNA随机性降解成为任意 长度的片段
“Genetic control of programmed cell death in the nematode Caenorhabditis elegans”
“You can observe a lot by watching.” Y. Berra
第二节 凋亡细胞的特征
凋亡(apoptosis)的形态学特征为染色质凝集、边 缘化，细胞皱缩，细胞膜内侧的磷脂酰丝氨酸外翻， 细胞出泡形成凋亡小体。细胞凋亡受到一系列相关 基因的严格调控。
甲蝶呤、苯丁酸氮芥、三尖杉酯碱等； • 生物因素：某些细胞因子表达水平变化、蛋白分
子的激活、修饰、降解或构象改变、 活性氧的产生等。
病理学意义
• 病原体侵染；
–诱导凋亡——HIV –抑制凋亡——Poxvirus
• 细胞凋亡不足
–肿瘤，自身免疫疾病；
• 细胞凋亡过度
–神经退行性疾病（AD，帕金森症）、心肌梗塞、 再生 障碍性贫血、骨组织坏死。
Mechanisms of TRAIL Functioning
Two functional death receptors (DR4/DR5)
Three decoy receptors (DcR1, DcR2 & OPG)
Homotrimer； Capase cascade
APP binds DR6 to trigger axon degeneration and neuron death via distinct caspases
DED: death effector domain CARD: caspase recruitment domain
Structure and Function of Caspases
DED: death effector domains CARD: caspase recruitment domains
连接分子（ adaptor）： 具有一些特殊的功能结构域，如 DD、DED、CARD 等，同种结构域间具有相互结合的倾向
The TNF and TNFR superfamilies
Aggarwal BB。Nat Rev Immunol. 2003，3(9):745-56
CRD：Cys-rich repeats extracellular
Mechanisms of Caspase Activation
自活 化 (autoactivation) 是 指 部分Caspase 酶原具有在高浓 度或局部高浓度时形成寡聚复 合体可自身激活自身的特性。 主要为凋亡起始组成员,。 转活化（transactivation）是 已激活的起始Caspase 激活其 它Caspase 酶原的方式。 非 Caspase 蛋 白 酶 活 化 是 Caspase 酶原激活的另一方式。 例如Granzyme B。
DD： death domain cytoplasmic essential
Structure of Death Receptors
胞外区结构相似，有多个富含半胱氨 酸保守序列； 胞内区均有特殊死亡功能区（约90个 氨基酸残基组成的基序, death domain, DD）； 死亡功能区无任何酶活性，但可与具 有相似死亡结构域的蛋白结合。
第一节 凋亡的研究历史
1842 Carl Voget Initial observation that cell death in part of normal development
1972 Kerr, Wyllie and Currie- introduced term ‘apoptosis’ to describe cell death with a set of common morphological features - Cell deletion was controlled under physiological conditions in adults - Deregulation could lead to many diseases - Morphologically identical to developmental CD and distinct from accidental cell death
细胞坏死
发生条件
细胞膜 细胞器 细胞核
细胞
炎症反应
多为生理性 单个细胞丢失 发泡，完整 结构保留 核凝集断裂 染色质均一浓缩 皱缩形成凋亡小体 被邻近正常和巨噬细胞吞噬 无，不释放内容物
病理性（偶然刺激） 成群细胞死亡 破裂，不完整 破坏 核破碎溶解
细胞膨胀而溶解 残余碎片被巨噬细胞吞噬 有，释放内容物
Nobel Prize 2002 in Physiology and Medicine
Sydney Brenner John E. Sulston Robert H. Horvitz for their discoveries concerning "genetic regulation of organ development and programmed cell death"
Nikolaev A, et al. Nature. 2009;457(7232):981-9.
Caspases: cysteine aspartic acid specific protease “C” = cysteine, “asp” = cleave after Asp; family of proteases with similar amino acid sequence, structure, substrate specificity