细胞应激-参考课件
合集下载
相关主题
- 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)。
当蛋白错误折叠或未折叠蛋白增多时促使 GRP78/Bip与其解离→ PERK二聚→真核翻译因 子(eIF2α)的磷酸化→终止翻译或阻止新合成的 蛋白持续进入内质网；上调应激相关信号(如 ATF4)
2. IRE1-XBP1路径
IRE1具有核酸内切酶功能
Bip耗尽→IRE1二聚磷酸化激活→切割XBP1
2. HSP70的作用：①参与新合成蛋白质的正确折 叠和运输；②识别变性蛋白质并与之结合，促使 其重新形成天然构象或加速其降解
（二）产生特异性防御反应
1.
2. 3. 4.
特异性防御反应：除产生HSP之外，依据应激 原的不同产生不同的特异性蛋白，对细胞产生 特异性的保护作用。如： 缺氧性应激 基因毒应激 氧化应激 ……
应激原
物理因素：压力 化学物质、药物、毒物 生物：病毒、细菌等 细胞必须物质缺乏：低氧、蛋白质或各种 物质缺乏 内环境失衡：体内产生的活性氧、渗透压 改变等
细胞应激反应
(cellular stress)
细胞应激包括一系列高度有序的事件
1. 启动细胞内信号转导通路进而调节靶蛋白的活性，
ER应激的诱导途径
未折叠蛋白反应(unfold protein response， UPR): accumulation of unfolded protein aggregates 内质网超负荷反应(ER overload response, EOR)：excessive protein traffic usually caused by viral infection 固醇调节级联反应
Conditions interfering with the function of ER are collectively called ER stress.
引起ER应激的因素
细胞内氧化还原调节紊乱 葡萄糖耗竭：干扰蛋白质N末端的糖基化而导致内质网应激 Ca2+调节紊乱：由于GRP78、GRP94以及钙网蛋白的 Ca2+依赖性分子伴侣的性质，内质网内Ca2+调节紊乱将导 致蛋白质不能折叠 病毒感染：内质网应激导致细胞死亡是为了防止病毒扩散的 一种古老而有效的机制 蛋白酶体功能受损：内质网内本身存在一定数量的蛋白质错 误折叠→被转运至胞浆→在蛋白酶体中降解。蛋白酶体功能 受损→蛋白质转运障碍→ER应激(如：导致神经退行性变中 常见的包涵体疾病）
（三）对细胞增殖的影响
1. 促进细胞增殖：通过MAPK/ERK通路。 心肌负荷过重，机械牵拉刺激→心肌肥厚； 慢性炎症：炎症介质→细胞增殖 2. 抑制细胞增殖： 通过JNK/SAPK通路和P38→细胞周期阻滞、 增殖抑制； DNA损伤→P53通路→G1期或G2期阻滞，修 复损伤的DNA
（四）诱导细胞调亡
3. 鞘磷脂酶(SMase)：
①作用：降解鞘磷脂→生成神经酰胺（CM, 重要的 第二信使）——鞘磷脂-神经酰胺通路； ②分类： 中性SMase：分布于细胞膜上，与ERK通路及促 进细胞增殖、炎症反应的发生有关； 酸性SMase：分布于溶酶体，与SAPK通路和细 胞调亡密切相关；
(三) DNA损伤激活的蛋白激酶
前两者由于蛋白质加工紊乱引起，后者是由于在 ER表面合成的胆固醇损耗所致
未折叠蛋白反应
（unfolded protein response, UPR）
蛋白质在内质网内的正确折叠需要许多分子伴侣 蛋白协助，包括Bip/GRP78(immunoglobulin binding protein78)和GRP94(glucose regulated protein94)、折叠酶类等 当内质网中未折叠或错误折叠的蛋白增多时，应 激信号通过内质网膜传递到细胞核中，继而引起 一系列特定的靶基因转录和蛋白质翻译水平下调， 以利于内质网蛋白折叠形成，使细胞继续存活， 这种反应就是未折叠蛋白反应(UPR)
binding and keeping Ca2+ in the ER lumen
UPR信号传导途径
哺乳动物中有三条途径涉及UPR信号传导
PERK-elF2α磷酸化-ATF4路径 IRE1-XBP1路径 ATF6路径 相关信号转导蛋白：
PERK：RNA激活蛋白激酶的内质网类似激酶 elF2α：真核翻译因子 IRE1（inositol requiring enzyme–1, 肌醇必需酶-1, 属丝／苏氨 酸激酶） XBP1（X-box binding protein1，X盒结合蛋白1）：转录因子，促 进多种基因的表达 ATF6(avtiviting transcription factor：激活作用转录因子)
Science 2006, 313: 1564-1566）
PERK-elF2α磷酸化-ATF4路径 IRE1-XBP1路径 ATF6路径
1. PERK-elF2α磷酸化-ATF4路径
IRE1和PERK是内质网膜上的跨膜蛋白激酶
无应激情况，IRE1和PERK与GRP78/Bip形成稳 定的复合物
UPR效应
内质网伴侣蛋白基因转录的上调，内质
网伴侣蛋白合成↑
蛋白质翻译减少
非折叠蛋白由内质网移入胞浆，并在蛋
白酶体中降解
UPR的生物学意义
适应环境变化、重建ER的正常功能
适应性机制：
பைடு நூலகம்
转录水平的调节：通过诱导相关基因表达而提高 ER的蛋白质折叠能力 增强ER中蛋白降解，清除错误折叠的蛋白质
(一)丝裂原活化的蛋白激酶
(mitogen-activited protein kinase, MAPK）
1. 2.
包括JNK/SAPK、p38、ERK途径。激活的级 联反应类似：MAPKKK→MAPKK→MAPK 效应：激活转录因子→保护性蛋白质生成→增 强细胞对应激原的抵抗力、或介导细胞调亡的 信号转导 激活因素:① JNK/SAPK：紫外线、DNA损伤 剂、活性氧、高渗状态、促炎细胞因子；② p38：高渗状态、 LPS、细胞因子等；③ ERK： 多种应激原
PLA2 催化磷脂水解，促使前列腺素、白三烯等 炎症介质形成，在炎症过程中发挥重要作用 与各种病症如急性胰腺炎、败血性休克、多种器 官损伤有关，血中的PLA2活性可用于这些疾病的 诊断和预后 IL-1β能以时间依赖和剂量依赖的方式诱导PLA2 的表达和分泌 PLA2 基因表达机制：涉及一些转录因子激活状 态的修饰，包括核转录因子(NF-κB)
reticulum stress，ER stress）
内质网应激（endoplasmic
各种应激原作用于细胞后，通过诱发内质网 腔中错误折叠和未折叠蛋白质的堆积以及 Ca2+平衡紊乱而激活未折叠蛋白反应 （unfolded protein response, UPR） 及 细胞凋亡信号通路等内质网反应，称为~。
premRNA→生成XBP1→结合ERSE (ER
stress response element，应激反应元件)
→刺激内质网伴侣蛋白的基因转录
ATF6路径
ATF6：含有bZip转录因子结构域的Ⅱ型跨膜蛋
白，在非内质网应激状态下ATF6主要以酶原形
式(P90ATF6)存在于内质网
未折叠蛋白在内质网聚集增多→ATF6从ER进入 Golgi→被S1P(site1 protease)和S2P酶切成 p50bZip转录因子到细胞核→激活XBPI转录增 加→结合ERSE→UPR gene表达→内质网伴侣 蛋白合成↑
Cellular Stress
广州医学院病理生理学教研室
董伟华
细胞应激
概述 细胞应激反应
常见细胞应激的类型及机制
细胞应激与疾病的关系
概
述
细胞应激
细胞处于不利环境和遇到有害刺激时 所产生的防御或适应性反应。 高度保守 在进化中形成；应激导致的选择性压 力也有益于物种的进化
1. 诱导因素：紫外线、电离辐射、DNA损伤剂 2. 激活酶类：DNA活化的蛋白激酶(DNA-
activated protein kinase, DNA-PK)、毛细
血管扩张共济失调突变（ATM）激酶
3. 作用：活化多种转录因子：P53、c-Jun、c-
Fos、c-myc等；使热休克蛋白90(HSP90)磷
特别是促进转录因子如AP-1、NF-κB、p53、低 氧诱导因子表达（或提高其转录活性）
2. 多种特异性和非特异性的对细胞具有保护作用的
应激蛋白质合成：保护细胞免受损伤或修复已有 的损伤
3. 若细胞损伤严重而修复无望，则诱导细胞调亡—
—以细胞的自杀行为保护整体的利益
一.应激激活的细胞内信号转导 通路和转录因子
3.
(二)激活多种磷脂酶
1. 磷脂酶C(PLC)、磷脂酶D(PLD)：
产生:①二酰甘油(DAG) →PKC，拮抗细胞调亡；
②三磷酸肌醇(IP3) →[Ca2+]i增高（如：炎 症细胞被激活的重要标志）
2. 磷脂酶A2 (PLA2 )：炎症反应中发挥重要作用
激活因素：TNF、凝血酶、缓激肽
PLA2 与炎症和器官组织损害
酸化
(四) 其他的信号转导通路
PI3K-蛋白激酶(PKB)：促进细胞生存、 抗凋亡作用 其他
二.应激引发的生物效应
（一）产生非特异性防御反应
◘ 热休克反应：应激原→热休克蛋白→对细胞的非
特异性保护作用
1.应激原→蛋白质变性→变性蛋白与HSP70结合→ 热休克因子(heat shock factor, HSF)活化→调 节热休克基因→HSP70表达↑。 其他HSP表达也增多，但以HSP70最多
ER stress
内质网是细胞中加工蛋白质及贮存Ca2+的 主要细胞器，对应激原的刺激十分敏感
内质网是完成蛋白质四级结构折叠形成的部位， 在内质网内存在着多种相关的酶系统 这些蛋白质中的大部分功能与Ca2+浓度的动态 变化密切相关
内质网应激对于增强细胞对损伤的抵抗及 适应能力具有重要意义，对细胞存亡具有 重要影响
上述适应性机制失效后，通过激活NF－κB， ER开始进入警报信号途径
• • • •
抑制细胞增殖的通路均与调亡有关。如： SAPK通路 P38通路 神经酰胺信号转导通路 P53通路
内质网应激
内质网(endoplasmic reticulum，ER)
内膜表面积占细胞所有膜结构的50 %，体 积占细胞总体积的10 %，参与重要的生理 功能的维持 内质网巨大的膜结构为细胞内活性物质的反 应提供了一个广阔的平台，在许多信号调控 中起到关键作用 基本生理功能：负责蛋白质的合成转运、信 号肽识别、糖基化修饰、钙离子的贮存和调 节、信号转导及细胞内钙的再分布 内质网是细胞凋亡调节中的重要环节
葡萄糖调节蛋白(glucose regulated proteins，GRPs）
一种内质网分子伴侣，是细胞为适应内质网应激状态所产生 的一类应激蛋白，与热休克蛋白（heat shock proteins， HSPs）有高度的同源性 1977年，Shiu等发现，在无葡萄糖介质中培养鸡胚成纤维 细胞的过程中，可诱导产生两种分子质量分别为78kD和 94kD的蛋白质，分别将其命名为GRP78和GRP94。 GRP94只存在于真核生物中，是内质网内数量最多的糖蛋白， 可结合未折叠的多肽链，阻止蛋白质聚集，协助蛋白质折叠、 伸展、组装和转运，抑制错误折叠蛋白质的分泌
内质网的功能
内质网在蛋白质转运和折叠中起重要作用 内质网腔是一个独特的环境
内质网中Ca2+浓度是细胞内最高的 内质网腔是一个氧化性环境：这对于二硫键的 形成和分泌蛋白以及细胞表面蛋白的正确折叠 至关重要 内质网中富含使蛋白质折叠稳定的介质—— Ca2+依赖性分子伴侣[如葡萄糖调节蛋白 78(GRP78)以及钙网蛋白等],使其在蛋白质转 运和折叠中发挥作用
GRP94可促进肿瘤细胞增殖、转移及耐药，在肿瘤的治疗及 预后方面具有重要的临床意义
Role of GRP (glucose regulated protein) :GRP78, GRP94
preventing protein aggregation (keeping the unfolded proteins in a folding-competent state)
2. IRE1-XBP1路径
IRE1具有核酸内切酶功能
Bip耗尽→IRE1二聚磷酸化激活→切割XBP1
2. HSP70的作用：①参与新合成蛋白质的正确折 叠和运输；②识别变性蛋白质并与之结合，促使 其重新形成天然构象或加速其降解
（二）产生特异性防御反应
1.
2. 3. 4.
特异性防御反应：除产生HSP之外，依据应激 原的不同产生不同的特异性蛋白，对细胞产生 特异性的保护作用。如： 缺氧性应激 基因毒应激 氧化应激 ……
应激原
物理因素：压力 化学物质、药物、毒物 生物：病毒、细菌等 细胞必须物质缺乏：低氧、蛋白质或各种 物质缺乏 内环境失衡：体内产生的活性氧、渗透压 改变等
细胞应激反应
(cellular stress)
细胞应激包括一系列高度有序的事件
1. 启动细胞内信号转导通路进而调节靶蛋白的活性，
ER应激的诱导途径
未折叠蛋白反应(unfold protein response， UPR): accumulation of unfolded protein aggregates 内质网超负荷反应(ER overload response, EOR)：excessive protein traffic usually caused by viral infection 固醇调节级联反应
Conditions interfering with the function of ER are collectively called ER stress.
引起ER应激的因素
细胞内氧化还原调节紊乱 葡萄糖耗竭：干扰蛋白质N末端的糖基化而导致内质网应激 Ca2+调节紊乱：由于GRP78、GRP94以及钙网蛋白的 Ca2+依赖性分子伴侣的性质，内质网内Ca2+调节紊乱将导 致蛋白质不能折叠 病毒感染：内质网应激导致细胞死亡是为了防止病毒扩散的 一种古老而有效的机制 蛋白酶体功能受损：内质网内本身存在一定数量的蛋白质错 误折叠→被转运至胞浆→在蛋白酶体中降解。蛋白酶体功能 受损→蛋白质转运障碍→ER应激(如：导致神经退行性变中 常见的包涵体疾病）
（三）对细胞增殖的影响
1. 促进细胞增殖：通过MAPK/ERK通路。 心肌负荷过重，机械牵拉刺激→心肌肥厚； 慢性炎症：炎症介质→细胞增殖 2. 抑制细胞增殖： 通过JNK/SAPK通路和P38→细胞周期阻滞、 增殖抑制； DNA损伤→P53通路→G1期或G2期阻滞，修 复损伤的DNA
（四）诱导细胞调亡
3. 鞘磷脂酶(SMase)：
①作用：降解鞘磷脂→生成神经酰胺（CM, 重要的 第二信使）——鞘磷脂-神经酰胺通路； ②分类： 中性SMase：分布于细胞膜上，与ERK通路及促 进细胞增殖、炎症反应的发生有关； 酸性SMase：分布于溶酶体，与SAPK通路和细 胞调亡密切相关；
(三) DNA损伤激活的蛋白激酶
前两者由于蛋白质加工紊乱引起，后者是由于在 ER表面合成的胆固醇损耗所致
未折叠蛋白反应
（unfolded protein response, UPR）
蛋白质在内质网内的正确折叠需要许多分子伴侣 蛋白协助，包括Bip/GRP78(immunoglobulin binding protein78)和GRP94(glucose regulated protein94)、折叠酶类等 当内质网中未折叠或错误折叠的蛋白增多时，应 激信号通过内质网膜传递到细胞核中，继而引起 一系列特定的靶基因转录和蛋白质翻译水平下调， 以利于内质网蛋白折叠形成，使细胞继续存活， 这种反应就是未折叠蛋白反应(UPR)
binding and keeping Ca2+ in the ER lumen
UPR信号传导途径
哺乳动物中有三条途径涉及UPR信号传导
PERK-elF2α磷酸化-ATF4路径 IRE1-XBP1路径 ATF6路径 相关信号转导蛋白：
PERK：RNA激活蛋白激酶的内质网类似激酶 elF2α：真核翻译因子 IRE1（inositol requiring enzyme–1, 肌醇必需酶-1, 属丝／苏氨 酸激酶） XBP1（X-box binding protein1，X盒结合蛋白1）：转录因子，促 进多种基因的表达 ATF6(avtiviting transcription factor：激活作用转录因子)
Science 2006, 313: 1564-1566）
PERK-elF2α磷酸化-ATF4路径 IRE1-XBP1路径 ATF6路径
1. PERK-elF2α磷酸化-ATF4路径
IRE1和PERK是内质网膜上的跨膜蛋白激酶
无应激情况，IRE1和PERK与GRP78/Bip形成稳 定的复合物
UPR效应
内质网伴侣蛋白基因转录的上调，内质
网伴侣蛋白合成↑
蛋白质翻译减少
非折叠蛋白由内质网移入胞浆，并在蛋
白酶体中降解
UPR的生物学意义
适应环境变化、重建ER的正常功能
适应性机制：
பைடு நூலகம்
转录水平的调节：通过诱导相关基因表达而提高 ER的蛋白质折叠能力 增强ER中蛋白降解，清除错误折叠的蛋白质
(一)丝裂原活化的蛋白激酶
(mitogen-activited protein kinase, MAPK）
1. 2.
包括JNK/SAPK、p38、ERK途径。激活的级 联反应类似：MAPKKK→MAPKK→MAPK 效应：激活转录因子→保护性蛋白质生成→增 强细胞对应激原的抵抗力、或介导细胞调亡的 信号转导 激活因素:① JNK/SAPK：紫外线、DNA损伤 剂、活性氧、高渗状态、促炎细胞因子；② p38：高渗状态、 LPS、细胞因子等；③ ERK： 多种应激原
PLA2 催化磷脂水解，促使前列腺素、白三烯等 炎症介质形成，在炎症过程中发挥重要作用 与各种病症如急性胰腺炎、败血性休克、多种器 官损伤有关，血中的PLA2活性可用于这些疾病的 诊断和预后 IL-1β能以时间依赖和剂量依赖的方式诱导PLA2 的表达和分泌 PLA2 基因表达机制：涉及一些转录因子激活状 态的修饰，包括核转录因子(NF-κB)
reticulum stress，ER stress）
内质网应激（endoplasmic
各种应激原作用于细胞后，通过诱发内质网 腔中错误折叠和未折叠蛋白质的堆积以及 Ca2+平衡紊乱而激活未折叠蛋白反应 （unfolded protein response, UPR） 及 细胞凋亡信号通路等内质网反应，称为~。
premRNA→生成XBP1→结合ERSE (ER
stress response element，应激反应元件)
→刺激内质网伴侣蛋白的基因转录
ATF6路径
ATF6：含有bZip转录因子结构域的Ⅱ型跨膜蛋
白，在非内质网应激状态下ATF6主要以酶原形
式(P90ATF6)存在于内质网
未折叠蛋白在内质网聚集增多→ATF6从ER进入 Golgi→被S1P(site1 protease)和S2P酶切成 p50bZip转录因子到细胞核→激活XBPI转录增 加→结合ERSE→UPR gene表达→内质网伴侣 蛋白合成↑
Cellular Stress
广州医学院病理生理学教研室
董伟华
细胞应激
概述 细胞应激反应
常见细胞应激的类型及机制
细胞应激与疾病的关系
概
述
细胞应激
细胞处于不利环境和遇到有害刺激时 所产生的防御或适应性反应。 高度保守 在进化中形成；应激导致的选择性压 力也有益于物种的进化
1. 诱导因素：紫外线、电离辐射、DNA损伤剂 2. 激活酶类：DNA活化的蛋白激酶(DNA-
activated protein kinase, DNA-PK)、毛细
血管扩张共济失调突变（ATM）激酶
3. 作用：活化多种转录因子：P53、c-Jun、c-
Fos、c-myc等；使热休克蛋白90(HSP90)磷
特别是促进转录因子如AP-1、NF-κB、p53、低 氧诱导因子表达（或提高其转录活性）
2. 多种特异性和非特异性的对细胞具有保护作用的
应激蛋白质合成：保护细胞免受损伤或修复已有 的损伤
3. 若细胞损伤严重而修复无望，则诱导细胞调亡—
—以细胞的自杀行为保护整体的利益
一.应激激活的细胞内信号转导 通路和转录因子
3.
(二)激活多种磷脂酶
1. 磷脂酶C(PLC)、磷脂酶D(PLD)：
产生:①二酰甘油(DAG) →PKC，拮抗细胞调亡；
②三磷酸肌醇(IP3) →[Ca2+]i增高（如：炎 症细胞被激活的重要标志）
2. 磷脂酶A2 (PLA2 )：炎症反应中发挥重要作用
激活因素：TNF、凝血酶、缓激肽
PLA2 与炎症和器官组织损害
酸化
(四) 其他的信号转导通路
PI3K-蛋白激酶(PKB)：促进细胞生存、 抗凋亡作用 其他
二.应激引发的生物效应
（一）产生非特异性防御反应
◘ 热休克反应：应激原→热休克蛋白→对细胞的非
特异性保护作用
1.应激原→蛋白质变性→变性蛋白与HSP70结合→ 热休克因子(heat shock factor, HSF)活化→调 节热休克基因→HSP70表达↑。 其他HSP表达也增多，但以HSP70最多
ER stress
内质网是细胞中加工蛋白质及贮存Ca2+的 主要细胞器，对应激原的刺激十分敏感
内质网是完成蛋白质四级结构折叠形成的部位， 在内质网内存在着多种相关的酶系统 这些蛋白质中的大部分功能与Ca2+浓度的动态 变化密切相关
内质网应激对于增强细胞对损伤的抵抗及 适应能力具有重要意义，对细胞存亡具有 重要影响
上述适应性机制失效后，通过激活NF－κB， ER开始进入警报信号途径
• • • •
抑制细胞增殖的通路均与调亡有关。如： SAPK通路 P38通路 神经酰胺信号转导通路 P53通路
内质网应激
内质网(endoplasmic reticulum，ER)
内膜表面积占细胞所有膜结构的50 %，体 积占细胞总体积的10 %，参与重要的生理 功能的维持 内质网巨大的膜结构为细胞内活性物质的反 应提供了一个广阔的平台，在许多信号调控 中起到关键作用 基本生理功能：负责蛋白质的合成转运、信 号肽识别、糖基化修饰、钙离子的贮存和调 节、信号转导及细胞内钙的再分布 内质网是细胞凋亡调节中的重要环节
葡萄糖调节蛋白(glucose regulated proteins，GRPs）
一种内质网分子伴侣，是细胞为适应内质网应激状态所产生 的一类应激蛋白，与热休克蛋白（heat shock proteins， HSPs）有高度的同源性 1977年，Shiu等发现，在无葡萄糖介质中培养鸡胚成纤维 细胞的过程中，可诱导产生两种分子质量分别为78kD和 94kD的蛋白质，分别将其命名为GRP78和GRP94。 GRP94只存在于真核生物中，是内质网内数量最多的糖蛋白， 可结合未折叠的多肽链，阻止蛋白质聚集，协助蛋白质折叠、 伸展、组装和转运，抑制错误折叠蛋白质的分泌
内质网的功能
内质网在蛋白质转运和折叠中起重要作用 内质网腔是一个独特的环境
内质网中Ca2+浓度是细胞内最高的 内质网腔是一个氧化性环境：这对于二硫键的 形成和分泌蛋白以及细胞表面蛋白的正确折叠 至关重要 内质网中富含使蛋白质折叠稳定的介质—— Ca2+依赖性分子伴侣[如葡萄糖调节蛋白 78(GRP78)以及钙网蛋白等],使其在蛋白质转 运和折叠中发挥作用
GRP94可促进肿瘤细胞增殖、转移及耐药，在肿瘤的治疗及 预后方面具有重要的临床意义
Role of GRP (glucose regulated protein) :GRP78, GRP94
preventing protein aggregation (keeping the unfolded proteins in a folding-competent state)