细胞凋亡的分子机制
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
PS:磷脂酸与丝氨酸酯化生成的化合物。是血小板膜带负电荷的 酸性磷脂(即血小板第三因子)。当血小板因组织受损而被激活时， 其膜的这些磷脂转向外侧，作为表面催化制与其他凝血因子一起 导致凝血酶原的活化。 Cascade:细胞内信号传递途径关联蛋白质的系列反应，即通过多 次的逐级放大使较弱的输入信号转变为极强的输出信号，导致各 种生理响应的过程。一般包括磷酸化和去磷酸化反应。
凋亡基本的分子机制及其发现
C. elegans细胞凋亡的分子机制 ydneyBrenner将C. elegans作为模型动物 为凋亡研究提供绝好材料 John E. Sulston完成C. elegans细胞谱系 绘制,使研究凋亡分子机制成为可能 H. RobertHorvitz对凋亡分子机制的阐明
悉尼·布雷内将C. elegans作为模型动物 为凋亡研究提供绝好材料
1974年,悉尼·布雷内发表了他学术生涯中第一篇 重要论文“The genetics of Caenorhabditis elegans”,在这篇文章 中,他报道了用C. elegans作为模型动物考察基因对神经系统的分化发 育以及对生物行为调控的分子机制。悉尼·布雷内指出C. elegans作为 模型动物有诸多的优点: ( 1)自然存在的C. elegans有自我受精的雌雄 共体( hermaphrodite)和雄性体(male)两种形态,其中雌雄共体细胞核 内有5对常染色体和一对性染色体XX,雄性体有5对常染色体和一条性 染色体X,这对于杂交实验进行基因定位很有利; ( 2) C. elegans成虫体 长1毫米,便于显微镜观察; (3) C. elegans在20℃条件下生活周期为3. 5天,从受精卵发育为成虫经历L1～4共四个阶段,在琼脂糖培养基上以 大肠杆菌( E. coli)喂养可以使其大量生长繁殖,这样就可以在较短时间 里获得大量不同表型的动物以供研究。B renner用乙基甲烷磺酸盐 ( Ethyl methanesulphonate, EMS)做突变剂筛检出了约300种与C. elegans形态和行为有关的突变体,涉及约100个不同的基因。同年 Brenner还与John E. Sulston合作对C. elegans的DNA做了测定.
并受到严格程序控制例如细胞产生膜泡、具有上述形态学特 点的细胞死亡称之为凋亡。由于在绝大多数情况下 ,程序性死 亡具有与凋亡相同的形态学变化 ,因此 ,这两个概念或名词可 以看成是从不同角度描述的同一过程 ,可以混用。
从形态学上看 (图 1),细胞凋亡是一变化的过程。首先细胞变圆 ,随即与 周围细胞脱离 ;细胞失去微绒毛 ,胞浆浓缩 ,内质网扩张呈泡状并与细胞膜 融合 ,核染色质密度增高 ,凝聚在核膜周边 ;然后核染色质断裂为大小不等 的片段 ,与某些细胞器如线粒体聚集在一起 ,被反折的细胞膜包围。从外观 上看 ,细胞表面产生了许多泡状或芽状突起 ;接着这些突起逐渐分隔 ,形成 单个的凋亡小体 ( apoptotic body) ;最后凋亡小体被邻近的正常细胞吞噬 并消化。细胞凋亡过程中有一些标志性的生物化学变化 :细胞膜上的磷脂 酰丝氨酸 ( PS)由膜内侧面翻到外侧面 ;胞质内蛋白酶活化 ,发生级联反应 ( cascade) ,同时有能量消耗、新基因转录或蛋白质合成等变化 ;细胞核内 染色质 DNA被核酸酶酶切成以核小体180～200bp为重复单位的片段 ,如 果将从凋亡细胞中提取的 DNA进行琼脂糖凝胶电泳 ,会形成梯状的 DNA 条带 (DNA ladder)。
从细胞功能上看 ,细胞凋亡对多细胞生物体具有重要的 意义 。一方面在生物发育过程中细胞凋亡可以清除没有功能
的、不需要的、不正常的和有害的细胞 ,优化组织器官的结 构和细胞数目 ,确保正常个体发育。另一方面在生物体整个 生命过程中 ,每天都会产生许多功能异常的细胞 ,如癌变细胞、 衰老细胞、被微生物侵袭的细胞等。细胞凋亡可以将这些细 胞清除 ,并且由新诞生的功能正常的细胞替换。因此 ,体内细 胞的诞生和死亡处于动态平衡 ,从而维持机体组织器官中细 胞数量稳定和功能正常。
细胞凋亡的分子机制 ——回顾2002年诺贝尔生理学或医学奖
细胞凋亡
从形态学上看 从细胞功能上看
细胞凋亡 ( apoptosis)或程序性细胞死亡 ( programmed cell death, PCD )是指在一定的条件下 ,细胞遵循固定的程序 , 自己结束生命的过程 。从细胞功能上看 ,一个多细胞生物体 中 ,在正常条件下 ,某些细胞的死亡是细胞个体发育的一个阶 段 (最后阶段的正常个体发育过程,称之为程序性死亡( PCD )。从形态上看,上述细胞死亡 有其特定的形态学变化,染色质浓缩和DNA降解等等;)。这种死亡是一种预定的、
Sulston早年在英国剑桥大学医学研究委员会分子生物学实验室完成的C. elegans细胞谱系的绘制工作,尤其是131个凋亡细胞的确认为研究凋亡 的分子机制奠定了坚实的基础,也使他赢得了2002年诺贝尔生理学或医 学奖。
罗伯特·霍维茨对凋亡分子机制的阐明
在此期间,另一位科学家Hedgecock发现了C. elegans另外两个与凋亡相关的 突变基因ced-1和ced-2 。在正常情况下,凋亡的细胞会被周围正常的细胞吞噬 清除,显微镜下很难及时观察并记录到;而有ced-1或ced-2基因功能缺失突变的 凋亡细胞则可以长时间存在而不被吞噬清除,如此就可以作精确的凋亡细胞部 位和数目的纪录。
基本的分子机制
C. elegans的细胞凋亡过程比较简单,现已鉴定并得到确认的是共有四个基因编 码的蛋白质参与了凋亡过程,它们分别具有抑制、启动或产生效应的作用,包括egl1、ced-3, ced-4和ced-9。Ced-9 ( cell death abnormal)与哺乳动物Bcl-2蛋白家 族中的Bcl-2蛋白(见后述)在结构和功能上同源,具有抑制凋亡启动的作用。Egl-1 ( egg laying defective)与Bcl-2蛋白家族中的唯BH3域蛋白(BH3-only p roteins)同 源(见后述) ,具有启动凋亡的作用。ced-4与哺乳动物的衔接蛋白apaf-1 (见后述) 同源,具有推动凋亡进程的作用。而ced-3则与哺乳动物胱天蛋白酶蛋白家族 ( caspases)同源(见后述) ,具有执行凋亡的作用,使细胞表现出典型的凋亡形态变 化。C. elegans的凋亡信号通路如图3所示。在正常细胞中, ced-9结合在线粒体膜 上,并且与ced-4牢固结合形成复合体而抑制ced-4的功能。当细胞接收到凋亡信号 后, egl-1蛋白开始高表达,它直接与ced-9结合,而使ced-4与ced-9脱离进入胞浆;而 后ced-4与ced-3结合形成ced-3 /ced-4蛋白复合体并移向核膜,同时ced-4与ced-3 的结合使得ced-3在局部的浓度升高,有助于ced-3聚合和自我活化;最后被活化的 ced-3催化水解细胞中的各种底物,使细胞表现出典型的凋亡形态变化。C. elegans的凋亡信号通路看似简单,然而它的发现却是由三位科学家前后30年承前 启后的艰辛工作才得以完成,以下就三位科学家30年来的研究历程作一简要回顾。
12个命运பைடு நூலகம்胞
例如, C. elegans雌雄共体发育进入L1中期时在腹部神 经索的位置上共产生12个前体细胞P1～P12,在之后的 胚后发育过程中,这12个细胞将发育为腹部神经索及相 关的神经节。在L1期, 12个细胞每个都按相同的模式分 裂产生5个神经元和1个皮下细胞,接近分裂完成时有9 个固定的细胞发生程序性死亡。进入发育的L3期后,由 P3～P8分裂而来的皮下细胞互相靠拢发育为雌雄共体 的性腺,其中由P5、6、7分裂而来的三个皮下细胞经过 一系列的细胞分裂最终产生22个细胞构成阴门,而由P3、 4、8分裂而来的三个皮下细胞的子代细胞则成为神经 皮下细胞,在成虫这些细胞位于皮下合胞体内(图4) 。 Sulston在他的研究论文中还详细描述了发生凋亡细胞 的形态学改变:细胞发生凋亡的最早表现是其折光性略 有增加,接着胞核的折光性增加直至成为类似扁平纽扣 样的形态,最后胞核折光性减弱,皱缩并最终消 失,整个过程在1小时内完成。
早在 1896年科学家就已经在鱼类神经元的发育过程中观察到细胞凋亡的现象 , 细胞凋亡的概念最早是由英国阿伯丁大学的病理学家科尔 ( Kerr)提出的 ,同时 他还详尽描述了死亡过程中细胞的形态学变化。进入 20世纪 60年代后 ,细胞凋 亡的研究进入到基因水平 ,先后有三位科学家 ,即美国加州伯克莱科学研究所的 悉尼·布雷内(1927年出生 )、英国剑桥桑格 ( Sanger)研究中心的约翰·苏尔斯顿 (1942年出生 )和美国麻省理工学院的罗伯特·霍维茨(1947年出生 )(图 2) ,他们 用秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans, C. elegans)作为动物模型做了开创性 的工作 ,为此共同获得了2002年诺贝尔生理或医学奖。公报称 ,由于他们发现了 器官发育的基因调控和细胞的程序性死亡(genetic regulation of organ
约翰·苏尔斯顿 完成C. elegans细胞谱 系绘制,使研究凋亡分子机制成为可 能
C. elegans胚后发育阶段细胞谱系的绘制 C. elegans胚胎发育阶段的细胞谱系绘制
此后, Sulston将主要的研究精力转到对C. ele2gans细胞谱 系的研究上。他利用当时B renner实验室现有的微分干涉 差显微镜观察幼虫的发育,绘制胚后发育的细胞图谱。由于 需要观察幼虫的动态变化过程,不能将其处死做成压片,而应 保证其活力状态,然而活动的幼虫势必到处游走,给观察带来 了巨大的麻烦。于是Sulston改进制片的方法 ,他先在载玻 片涂上一层极薄而又平整的琼脂糖,将幼虫置于其上,再在盖 玻片的下面抹上大肠杆菌后盖在琼脂糖层上,这样幼虫就可 以在琼脂糖层与盖玻片之间的狭小空间里自由蠕动,既保持 了其活性状态,又便于显微镜下的观察及作图。由于观察方 法的改进,加之Sulston极其耐心和严谨的科学态度,使得研 究的进程大大加快。
凋亡基本的分子机制及其发现
C. elegans细胞凋亡的分子机制 ydneyBrenner将C. elegans作为模型动物 为凋亡研究提供绝好材料 John E. Sulston完成C. elegans细胞谱系 绘制,使研究凋亡分子机制成为可能 H. RobertHorvitz对凋亡分子机制的阐明
悉尼·布雷内将C. elegans作为模型动物 为凋亡研究提供绝好材料
1974年,悉尼·布雷内发表了他学术生涯中第一篇 重要论文“The genetics of Caenorhabditis elegans”,在这篇文章 中,他报道了用C. elegans作为模型动物考察基因对神经系统的分化发 育以及对生物行为调控的分子机制。悉尼·布雷内指出C. elegans作为 模型动物有诸多的优点: ( 1)自然存在的C. elegans有自我受精的雌雄 共体( hermaphrodite)和雄性体(male)两种形态,其中雌雄共体细胞核 内有5对常染色体和一对性染色体XX,雄性体有5对常染色体和一条性 染色体X,这对于杂交实验进行基因定位很有利; ( 2) C. elegans成虫体 长1毫米,便于显微镜观察; (3) C. elegans在20℃条件下生活周期为3. 5天,从受精卵发育为成虫经历L1～4共四个阶段,在琼脂糖培养基上以 大肠杆菌( E. coli)喂养可以使其大量生长繁殖,这样就可以在较短时间 里获得大量不同表型的动物以供研究。B renner用乙基甲烷磺酸盐 ( Ethyl methanesulphonate, EMS)做突变剂筛检出了约300种与C. elegans形态和行为有关的突变体,涉及约100个不同的基因。同年 Brenner还与John E. Sulston合作对C. elegans的DNA做了测定.
并受到严格程序控制例如细胞产生膜泡、具有上述形态学特 点的细胞死亡称之为凋亡。由于在绝大多数情况下 ,程序性死 亡具有与凋亡相同的形态学变化 ,因此 ,这两个概念或名词可 以看成是从不同角度描述的同一过程 ,可以混用。
从形态学上看 (图 1),细胞凋亡是一变化的过程。首先细胞变圆 ,随即与 周围细胞脱离 ;细胞失去微绒毛 ,胞浆浓缩 ,内质网扩张呈泡状并与细胞膜 融合 ,核染色质密度增高 ,凝聚在核膜周边 ;然后核染色质断裂为大小不等 的片段 ,与某些细胞器如线粒体聚集在一起 ,被反折的细胞膜包围。从外观 上看 ,细胞表面产生了许多泡状或芽状突起 ;接着这些突起逐渐分隔 ,形成 单个的凋亡小体 ( apoptotic body) ;最后凋亡小体被邻近的正常细胞吞噬 并消化。细胞凋亡过程中有一些标志性的生物化学变化 :细胞膜上的磷脂 酰丝氨酸 ( PS)由膜内侧面翻到外侧面 ;胞质内蛋白酶活化 ,发生级联反应 ( cascade) ,同时有能量消耗、新基因转录或蛋白质合成等变化 ;细胞核内 染色质 DNA被核酸酶酶切成以核小体180～200bp为重复单位的片段 ,如 果将从凋亡细胞中提取的 DNA进行琼脂糖凝胶电泳 ,会形成梯状的 DNA 条带 (DNA ladder)。
从细胞功能上看 ,细胞凋亡对多细胞生物体具有重要的 意义 。一方面在生物发育过程中细胞凋亡可以清除没有功能
的、不需要的、不正常的和有害的细胞 ,优化组织器官的结 构和细胞数目 ,确保正常个体发育。另一方面在生物体整个 生命过程中 ,每天都会产生许多功能异常的细胞 ,如癌变细胞、 衰老细胞、被微生物侵袭的细胞等。细胞凋亡可以将这些细 胞清除 ,并且由新诞生的功能正常的细胞替换。因此 ,体内细 胞的诞生和死亡处于动态平衡 ,从而维持机体组织器官中细 胞数量稳定和功能正常。
细胞凋亡的分子机制 ——回顾2002年诺贝尔生理学或医学奖
细胞凋亡
从形态学上看 从细胞功能上看
细胞凋亡 ( apoptosis)或程序性细胞死亡 ( programmed cell death, PCD )是指在一定的条件下 ,细胞遵循固定的程序 , 自己结束生命的过程 。从细胞功能上看 ,一个多细胞生物体 中 ,在正常条件下 ,某些细胞的死亡是细胞个体发育的一个阶 段 (最后阶段的正常个体发育过程,称之为程序性死亡( PCD )。从形态上看,上述细胞死亡 有其特定的形态学变化,染色质浓缩和DNA降解等等;)。这种死亡是一种预定的、
Sulston早年在英国剑桥大学医学研究委员会分子生物学实验室完成的C. elegans细胞谱系的绘制工作,尤其是131个凋亡细胞的确认为研究凋亡 的分子机制奠定了坚实的基础,也使他赢得了2002年诺贝尔生理学或医 学奖。
罗伯特·霍维茨对凋亡分子机制的阐明
在此期间,另一位科学家Hedgecock发现了C. elegans另外两个与凋亡相关的 突变基因ced-1和ced-2 。在正常情况下,凋亡的细胞会被周围正常的细胞吞噬 清除,显微镜下很难及时观察并记录到;而有ced-1或ced-2基因功能缺失突变的 凋亡细胞则可以长时间存在而不被吞噬清除,如此就可以作精确的凋亡细胞部 位和数目的纪录。
基本的分子机制
C. elegans的细胞凋亡过程比较简单,现已鉴定并得到确认的是共有四个基因编 码的蛋白质参与了凋亡过程,它们分别具有抑制、启动或产生效应的作用,包括egl1、ced-3, ced-4和ced-9。Ced-9 ( cell death abnormal)与哺乳动物Bcl-2蛋白家 族中的Bcl-2蛋白(见后述)在结构和功能上同源,具有抑制凋亡启动的作用。Egl-1 ( egg laying defective)与Bcl-2蛋白家族中的唯BH3域蛋白(BH3-only p roteins)同 源(见后述) ,具有启动凋亡的作用。ced-4与哺乳动物的衔接蛋白apaf-1 (见后述) 同源,具有推动凋亡进程的作用。而ced-3则与哺乳动物胱天蛋白酶蛋白家族 ( caspases)同源(见后述) ,具有执行凋亡的作用,使细胞表现出典型的凋亡形态变 化。C. elegans的凋亡信号通路如图3所示。在正常细胞中, ced-9结合在线粒体膜 上,并且与ced-4牢固结合形成复合体而抑制ced-4的功能。当细胞接收到凋亡信号 后, egl-1蛋白开始高表达,它直接与ced-9结合,而使ced-4与ced-9脱离进入胞浆;而 后ced-4与ced-3结合形成ced-3 /ced-4蛋白复合体并移向核膜,同时ced-4与ced-3 的结合使得ced-3在局部的浓度升高,有助于ced-3聚合和自我活化;最后被活化的 ced-3催化水解细胞中的各种底物,使细胞表现出典型的凋亡形态变化。C. elegans的凋亡信号通路看似简单,然而它的发现却是由三位科学家前后30年承前 启后的艰辛工作才得以完成,以下就三位科学家30年来的研究历程作一简要回顾。
12个命运பைடு நூலகம்胞
例如, C. elegans雌雄共体发育进入L1中期时在腹部神 经索的位置上共产生12个前体细胞P1～P12,在之后的 胚后发育过程中,这12个细胞将发育为腹部神经索及相 关的神经节。在L1期, 12个细胞每个都按相同的模式分 裂产生5个神经元和1个皮下细胞,接近分裂完成时有9 个固定的细胞发生程序性死亡。进入发育的L3期后,由 P3～P8分裂而来的皮下细胞互相靠拢发育为雌雄共体 的性腺,其中由P5、6、7分裂而来的三个皮下细胞经过 一系列的细胞分裂最终产生22个细胞构成阴门,而由P3、 4、8分裂而来的三个皮下细胞的子代细胞则成为神经 皮下细胞,在成虫这些细胞位于皮下合胞体内(图4) 。 Sulston在他的研究论文中还详细描述了发生凋亡细胞 的形态学改变:细胞发生凋亡的最早表现是其折光性略 有增加,接着胞核的折光性增加直至成为类似扁平纽扣 样的形态,最后胞核折光性减弱,皱缩并最终消 失,整个过程在1小时内完成。
早在 1896年科学家就已经在鱼类神经元的发育过程中观察到细胞凋亡的现象 , 细胞凋亡的概念最早是由英国阿伯丁大学的病理学家科尔 ( Kerr)提出的 ,同时 他还详尽描述了死亡过程中细胞的形态学变化。进入 20世纪 60年代后 ,细胞凋 亡的研究进入到基因水平 ,先后有三位科学家 ,即美国加州伯克莱科学研究所的 悉尼·布雷内(1927年出生 )、英国剑桥桑格 ( Sanger)研究中心的约翰·苏尔斯顿 (1942年出生 )和美国麻省理工学院的罗伯特·霍维茨(1947年出生 )(图 2) ,他们 用秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans, C. elegans)作为动物模型做了开创性 的工作 ,为此共同获得了2002年诺贝尔生理或医学奖。公报称 ,由于他们发现了 器官发育的基因调控和细胞的程序性死亡(genetic regulation of organ
约翰·苏尔斯顿 完成C. elegans细胞谱 系绘制,使研究凋亡分子机制成为可 能
C. elegans胚后发育阶段细胞谱系的绘制 C. elegans胚胎发育阶段的细胞谱系绘制
此后, Sulston将主要的研究精力转到对C. ele2gans细胞谱 系的研究上。他利用当时B renner实验室现有的微分干涉 差显微镜观察幼虫的发育,绘制胚后发育的细胞图谱。由于 需要观察幼虫的动态变化过程,不能将其处死做成压片,而应 保证其活力状态,然而活动的幼虫势必到处游走,给观察带来 了巨大的麻烦。于是Sulston改进制片的方法 ,他先在载玻 片涂上一层极薄而又平整的琼脂糖,将幼虫置于其上,再在盖 玻片的下面抹上大肠杆菌后盖在琼脂糖层上,这样幼虫就可 以在琼脂糖层与盖玻片之间的狭小空间里自由蠕动,既保持 了其活性状态,又便于显微镜下的观察及作图。由于观察方 法的改进,加之Sulston极其耐心和严谨的科学态度,使得研 究的进程大大加快。