细胞凋亡

靶细胞的攻击、细胞更新（人肠和骨每小时10亿细胞凋亡）。
4
二、凋亡时细胞的主要变化
（一）细胞凋亡的形态学改变
微绒毛消失 脱水 空泡化 (blebbing) 固缩 (condensation) 出芽 (budding) 染色质边集 (margination) 凋亡小体 (apoptosis body)
雌雄同体的秀丽新小杆线虫
●线虫生命周期短，单个雄虫有 1031 个体细胞和 1000 个生殖细 胞。其神经系统有 302 个细胞组成，来自于 407 个前体细胞， 这些前体细胞有105个发生了PCD。 ●Robert Horvitz等通过体细胞突变的方法发现C.elegans细胞中， 有14个基因在凋亡中起作用。
• 细胞坏死
• 是细胞受到急性强力伤害时立即出现的反应。
• 早期表现为细胞膜破坏，线粒体肿胀。继而溶酶体破
裂，细胞内容物流出，引起炎症。
17
18
细胞坏死与程序性细胞死亡
19
20
细胞凋亡与细胞坏死的比较(一)
坏 死
1.性 质
2.诱 因 3.基因调控
凋 亡
生理性/病理性，特异性
较弱刺激，非随机发生 有 主动过程 有新蛋白合成 耗能
细胞凋亡的生化改变
Ca 2+ /Mg 2+ ① 核酸内切酶激活 Zn 2+
②
DNA片断化
③
caspase激活
灭活凋亡抑制物 水解活性蛋白
水解结构蛋白
15
三、细胞凋亡与细胞坏死
Apoptosis
NHale Waihona Puke crosis161.细胞坏死（necrosis)：非正常死亡。 2.细胞凋亡（apoptosis)：自然死亡。
50
• 5、 Apaf-1
• 与线虫的ced-4同源； • 在线粒体参与的凋亡途径中发挥作用； • 能激活Caspase3 ，这一过程需要细胞色素c 和 Caspase 9的参与。
52
六、程序性细胞死亡的意义
◆动物机体靠对细胞增殖和细胞周期的正负控制以 及对程序性细胞死亡的正负控制来维持细胞总数 的平衡和机体的生命活力。 ◆程序性细胞死亡在形态建成中起重要作用。
• 基因产物为45KD的跨膜蛋白。 • Fas蛋白与Fas配体组成Fas系统，二者的结合导致靶细胞走向 凋亡。
49
• 4、ICE蛋白酶家族
• 与线虫ced-3同源，又称为Caspase。
• 分为ICE和CED-3亚族，前者参与炎症反应，后者参与细胞凋亡。 • CED-3家族又分为两类，
caspase-8、9能通过自剪接而激活，激活其它caspase； caspase-3、6、7可降解胞内蛋白，引起凋亡，但不能自剪接激活。
26
程序性细胞死亡途径及相关基因
●ced-3、ced-4、ced-9和egl-1 等4个基因构成了线虫执行 死亡的“死亡机器”(death machinery);
●ced-3 和ced-4是细胞杀手;
●ced-9可抵消ced-3和ced-4 的作用，防止细胞被杀死，因 此是存活因子; ●真正的细胞杀手是ced-3而不是ced-4。
●死亡的细胞碎片很快被巨噬细胞或邻近细胞清除，不影响其他
细胞的正常功能。
3
程序性细胞死亡 （programmed cell death，PCD）
程序性细胞死亡是指细胞在一定的生理或病理条件下遵循自身
的程序自己结束生命的过程。病理学上又称为凋亡。对机体发育 和维持正常生理功能不可缺少。
eg：手足成型、神经系统发育（50%细胞凋亡）、杀手细胞对
◆caspase-9和3一起参与线粒体Apaf-I、细胞色素c介导的细胞凋亡;
31
哺乳动物细胞中与线虫同源的凋亡基因
• Ced 4的哺乳类同源物则迟迟未能发现，直到1997年，才被证明是 Apaf-1（apoptosis protease activating factor 凋亡酶活化因子）。 • Ced 9 的哺乳类对应物则较早地被证明是BCL-2，凋亡抑制因子， 能控制细胞色素C的释放。
Apoptosis
细胞凋亡
1
关于细胞死亡……
死亡是生命的普遍现象，但细胞死亡并非 与机体死亡同步。 正常的组织中也发生细胞死亡，它是维持 组织机能和形态所必需的……
2
一、细胞凋亡及其特性
●细胞凋亡， Apoptosis ，源自于希腊语，原意是指树叶或花的 自然凋落； ●细胞凋亡时，就像树叶或花的自然凋落一样，凋亡的细胞散在 于正常组织细胞中，无炎症反应，不遗留疤痕。
53
动物细胞数量控制的途径
程序性细胞死亡在小鼠 脚趾形成中的作用
细胞凋亡参与趾的发育
•
Sculpting the digits in the developing mouse paw by apoptosis（Wood 2000）
蝌蚪向蛙发育的变态反应 中程序性细胞死亡的作用
1.去除不需要的结构
32
Regulators and effectors of apoptosis
细胞凋亡的途径胞内和胞外有两条：
◆细胞外信号： 激活细胞内各级caspase ◆细胞内信号： 通过线粒体释放细胞色素C，活化凋亡酶激活因子 Apaf-1(apoptotic protease activating factor-1)激活caspase
哺乳动物细胞中有线虫凋亡基因的同源基因
• 人们发现哺乳类细胞中存在着Ced 3的同源物ICE家族（interleukin-
1b converting enzyme），即Caspase 家族， Caspase 1催化白介素1b的活化，即从其前体上将IL-1b切割下来。 • 在大鼠成纤维细胞中过量表达ICE和Ced3都会引起细胞凋亡，表明 了ICE和Ced3在结构和功能上的相似性。
线虫中PCD相关基因
●决定死亡的2个基因： ces-1和ces-2基因 ●执行死亡的4个基因： ced-3、ced-4、ced-9和egl-1基因； ●死亡细胞被吞噬细胞所吞噬的7个基因： ced-1、ced-2、ced-5、ced-6、ced-7、ced-8和ced-10； ●死亡细胞在吞噬体中被降解的基因: 核酸酶基因 nuc-1。
病理性，非特异性
强烈刺激，随机发生 无 被动过程 无新蛋白合成 不耗能
4.生化特点
21
细胞凋亡与细胞坏死的比较(二)
坏 死
5.形态改变 6.凋亡小体 7.DNA变化 8.溶酶体改变 9.炎症反应
凋 亡
细胞皱缩，核固缩 胞膜/细胞器相对完整
有
细胞肿胀 结构溶解，破坏
无
弥散性降解 电泳呈均一片状
破裂 局部炎症反应
39
• caspase-8 将胞质中的 Bid 剪切，形成活性分子 tBid， tBid 进入线粒体，导致线粒体的跨膜电位下降，释放
细胞色素c。
• 细胞色素C激活Caspase-9，后者再激活Caspase-3，使 凋亡信号放大。
40
级动 联物 系细 统胞 对中 蛋 白 的质 介酶 导解
PCD
5
HE×1000，小鼠凋亡肝细胞
的程 形序 态性 结死 构亡 变细 化胞
凋亡细胞形态学改变
9
胸腺细胞
正常 凋亡
10
胸腺细胞
正常 凋亡
11
（二）细胞凋亡的生物化学变化
DNA片段化形成梯状条带 DNA以核小体为单位断裂， 形成180－200bp 或其倍数的片断， 电泳时呈特征性梯状条带。 DNA ladder：鉴定凋亡最可靠方法。
35
受体介导的程序性细胞死亡途径
TRADD (TNFR1 associated death domain)
Fas相关死亡结构域蛋白 (Fasassociateddeathdomain, FADD)
Fas诱导的细胞凋亡
• Fas 与配体（如 TNF ）结合发生三聚 化 ， 使 胞 内 的 DD 区 与 接 头 蛋 白 FADD的DD区结合。 • FADD激活Caspase-8。
片段化（180-200bp） 电泳呈“梯”状条带
相对完整 局部无炎症反应
22
细胞坏死与程序性细胞死亡比较
23
四、程序性细胞死亡的机理
◆2002年的诺贝尔生理学和医学奖授予了在器官发育和程 序性细胞死亡研究领域中做出奠基性贡献的3位科学家: ●英国的Brenner、Sulston和美国的Horvitz
能够被下游caspase切割的靶蛋白
●蛋白激酶 ●切割核纤层蛋白，导致细胞核形成凋亡小体； ●细胞结构蛋白（如骨架蛋白） ●与DNA修复相关的酶类 ●caspase激活的DNase抑制蛋白。
43
2 细胞内源信号诱导凋亡途径
●DNA损伤； ●细胞质中Ca2+ 浓度过高； ●极度氧胁迫，产生大量的自由基。
◆正调控信号（促进细胞死亡） 如细胞色素C，凋亡蛋白酶激活因子 Apaf ◆负调控信号 （抑制细胞死亡） 如哺乳动物中的BCL-2和BCL-x蛋白。
细 胞 内 源 信 号 激 发
PCD
细 胞 凋 亡 的 大 致 过 程
五、 细胞凋亡相关基因
• 研究较多的有bcl-2、c-myc、p53、Ice、Fas/APO-1等。
30
Caspase活化： ◆Caspase自身以非活化的Pro-caspase存在，其激活依赖于其他的 Caspase在它的天冬氨酸位点裂解活化或通过自剪接而激活。 ◆ 活化的半胱天冬蛋白酶可将细胞内的其它蛋白降解，从而引起 apoptosis。 目前已经鉴定了10种不同的caspase
◆caspase-3、6、7和8 在FAS/TNF（肿瘤坏死因子 tumor necrosis factor） 介导 的程序性细胞死亡途径中起作用；
57
程序性细胞死亡对发育 中神经细胞数量的调节
神经细胞过多会导致脑畸形发育
謝謝大家!
Death is only the beginning!
34
1 胞外信号分子诱导的细胞凋亡途径
凋亡信号通路：
当细胞接受外界凋亡信号分子(如Fas，TNF等)后， 凋亡细胞表面的信号分子受体相互聚集并与细胞内的衔 接蛋白(Adaptor protein)结合；
这些衔接蛋白又募集 Procaspases 聚集在受体部位， Procaspase 相互活化并产生级联反应，使细胞凋亡。
• Caspase-8自剪切活化，激活Caspase-3、6、7。
• Caspase可降解结构蛋白、信号蛋白、转录调控蛋白、 周期蛋白等等。 • Caspase 还可降解 CAD 的调节蛋白，释放出 CAD ， CAD进入细胞核降解DNA。
38
• 细胞对Fas信号的应答:
• I型细胞（type I），如胸腺细胞，其caspase-8有足够的活性引 起细胞凋亡。 • II型细胞（type II），如肝细胞中，Fas介导的caspase-8活化不 能达到足够的水平，因此这类细胞中的凋亡信号需要借助凋 亡的线粒体途径来放大。
29
天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶 caspase ◆自杀性蛋白水解酶即天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶，简称 caspase (cysteine-containing aspartate specific protease)，半胱 天冬蛋白酶;
◆ caspase的活性位点是半胱氨酸cysteine，裂解位点是天冬氨酸 aspartate残基后的肽键。
47
• 2、bcl-2
• 凋亡抑制基因，存在于线粒体外膜、核膜及部分内质网中。 • bcl-2相当于线虫的ced 9。 • Bcl-2家族可分为两类：
一类是抗凋亡的，如：Bcl-2；
一类是促进凋亡的，如：Bax、Bad、Bid，以二聚体形体发挥作用。
48
• 3、fas
• fas又称作APO-1或CD95，属TNF受体和NGF受体家族。
染色体细丝 放大后的核小 体及其连接 正常 凋亡 坏死
凋亡细胞核酸内切 酶将DNA链切断， 形成bp数为180bp的 整倍数的片断
DNA电泳结果
凋亡细胞DNA链断裂示意图
细胞色素c诱导的凋亡 细胞DNA电泳图 1．细胞色素c诱导0 h 2．细胞色素c诱导1 h 3．细胞色素c诱导2 h 4．细胞色素c诱导3 h 5．细胞色素c诱导4 h 6．阴性对照 7．Marker
• 1、myc
• c-myc 对增殖和凋亡的调节是一样的。当生长因子持续存在，bcl-2基因表达时， 促进细胞增殖，反之细胞凋亡。 • Myc蛋白参与诱导细胞凋零。 C-myc基因表达失调是多种细胞凋零的主要诱因， 细胞凋零依赖于细胞Myc蛋白的含量. • Myc基因的高表达是胚胎胸腺细胞凋零死亡的诱因，如果用反义寡核苷酸阻断 C-myc基因的表达，则细胞凋零减弱。