細胞凋亡的分子機制

1、The Molecular Mechanisms Of Apoptosis,細胞凋亡的分子機制,Zhao Wang（M.D./Pharm.D.）,1、細胞凋亡信號傳導(dǎo)的一般特征2、調(diào)控細胞凋亡的傳統(tǒng)信號途徑3、調(diào)控細胞凋亡的死亡信號途徑4、參與細胞凋亡的其他信號傳導(dǎo)系統(tǒng),第四講 細胞凋亡的信號傳導(dǎo),1、細胞凋亡信號傳導(dǎo)的一般特征,（1）細胞凋亡的信號傳導(dǎo)途徑的特點信號傳導(dǎo)系統(tǒng)具有多樣性信號傳導(dǎo)途徑的啟動可因細胞的

2、來源、種類、生長環(huán)境及誘導(dǎo)因素的不同而有差異細胞凋亡與細胞增殖、分化過程中的信號傳導(dǎo)系統(tǒng)間存在部分共同的通道細胞內(nèi)被同一信號激活的多條途徑間存在互通交叉點,（2）當(dāng)前細胞信號傳導(dǎo)途徑的研究 基本按如下3個階段 進行：確定哪些重要的調(diào)節(jié)信號在傳統(tǒng)（細胞增殖）信號傳導(dǎo)途徑中對細胞凋亡過程具有關(guān)鍵的調(diào)控作用利用分子和細胞生物學(xué)手段確定與這些調(diào)節(jié)信號直接作用靶分子的性能通過逐步追蹤闡明信號傳導(dǎo)途徑的具體內(nèi)容,（3）細胞凋亡信

3、號傳導(dǎo)系統(tǒng)與其誘導(dǎo)因素的相互關(guān)系不同誘導(dǎo)細胞凋亡的因素可以通過相同的信號傳導(dǎo)系統(tǒng)誘發(fā)細胞凋亡在一種體系中促進細胞凋亡的信號可在另一個體系中抑制細胞凋亡不同信號傳導(dǎo)系統(tǒng)是相互聯(lián)系和相互作用的整體，呈復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),（4）信號傳導(dǎo)的一般途徑各種生理條件或非生理條件下的刺激因素都可作為細胞凋亡的第一信號系統(tǒng)第一信使系統(tǒng)與細胞膜結(jié)核并作用以后，可與細胞內(nèi)的激素受體相作用，或刺激第二信使系統(tǒng)，如Ca2+、cAMP等通過共同通

4、道改變某些基因的表達，導(dǎo)致細胞凋亡的發(fā)生,2、調(diào)控細胞凋亡的傳統(tǒng)信號途徑,（1）G結(jié)合蛋白（GBP/GRP/GP）信號途徑與細胞凋亡 G結(jié)合蛋白信號途徑是由GBP、G蛋白偶聯(lián)受體（GpCR）、腺苷酸環(huán)化酶（AC）三部分組成,Signaling Pathway from G-Protein Families,Signaling Pathway from G-Protein Families,（A）cAMP與細胞凋亡應(yīng)用cAMP

5、的類似物或誘導(dǎo)劑使細胞內(nèi)的cAMP濃度升高時，可有效地誘導(dǎo)細胞發(fā)生凋亡cAMP的作用與導(dǎo)致細胞凋亡的蛋白質(zhì)磷酸化的改變有關(guān)體外的實驗一致認(rèn)為，cAMP誘導(dǎo)的細胞凋亡是由激活的cAMP依賴性PKA介導(dǎo)的，并需要Ca2+的存在cAMP可誘導(dǎo)內(nèi)源性核酸內(nèi)切酶的激活，推測cAMP可通過PKA使關(guān)鍵的蛋白質(zhì)分子發(fā)生不同程度的磷酸化，進而影響內(nèi)源性核酸內(nèi)切酶的活性,然而，在一些模型系統(tǒng)中又發(fā)現(xiàn)cAMP可抑制細胞凋亡cAMP及其類似物可抑制

6、因撤退神經(jīng)生長因子（NGF）而誘導(dǎo)的神經(jīng)細胞、老化的中心粒細胞凋亡和啟動T細胞受體引起的T細胞雜交瘤細胞凋亡 cAMP信號系統(tǒng)對細胞凋亡的影響可能與細胞類型有關(guān),（B）Ca2+與細胞凋亡,Ca2+可激活核酸內(nèi)切酶Ca2+可激活蛋白酶Ca2+可激活PKCCa2+可調(diào)節(jié)磷脂酶活性Ca2+對谷氨酰胺轉(zhuǎn)移酶的調(diào)節(jié) 有證據(jù)表明，Ca2+濃度的升高引起細胞凋亡并非是普遍現(xiàn)象，因此，可能起決定作用的因素是維系某一細胞生存的Ca

7、2+濃度的失衡,（C）PKC/PKA與細胞凋亡,PKA和PKC是體內(nèi)主要催化蛋白質(zhì)磷酸化的激酶PKA受cAMP激活，PKC的直接活化分子是DAGPKC促進細胞凋亡的機制可能與PKC的活化可激活離子通道，使G蛋白發(fā)生磷酸化，導(dǎo)致GP活化或表達的下調(diào)，引起cAMP水平升高有關(guān)不同的PKC同工酶在凋亡調(diào)節(jié)中擔(dān)負著不同的功能,Activation of the MAPK-signalling pathway.,（2）酶蛋白信號途徑與

8、細胞凋亡,Ras-MAPK途徑與細胞凋亡信號的傳導(dǎo),Activation of the MAPK-signalling pathway.,（2）酶蛋白信號途徑與細胞凋亡,Ras-MAPK途徑與細胞凋亡信號的傳導(dǎo),3、調(diào)控細胞凋亡的死亡信號途徑,（1）死亡因子及其受體死亡因子：FasL和TNF死亡因子受體：Fas（CD95）和TNFR,（2）FasL/TNF介導(dǎo)的信號傳導(dǎo)途徑,神經(jīng)鞘磷脂途徑蛋白酶途徑蛋白激酶C途徑磷脂酶A2（

9、PLA2）脂氧化酶途徑磷脂酰肌醇-磷脂酶C途徑酪氨酸激酶（PTK）途徑Daxx途徑TRAIL途徑核轉(zhuǎn)錄因子NF-kB途徑,4、參與細胞凋亡調(diào)控的其他信號傳導(dǎo)系統(tǒng),（1）T細胞受體信號傳導(dǎo)途徑與細胞凋亡TCR抗原受識別，第二信使為DAG和Ca2+TCR/CD3信號傳導(dǎo)途徑導(dǎo)致的細胞凋亡，是通過DNA結(jié)合蛋白Nurr77來調(diào)節(jié)的,T Cell Receptor Signaling Pathway,T Cell Recept

10、or Signaling Pathway,（2）粘附分子與細胞凋亡,粘附分子：多屬跨膜糖蛋白位于細胞表面的粘附受體分類：免疫球蛋白超家族（IgSF）、整合素家族（IF）、選擇素家族（SF）、鈣粘附素家族（CF）、其他粘附分子（CD44等）當(dāng)粘壁生長的上皮細胞和內(nèi)皮細胞表面失粘附特性時，細胞可發(fā)生凋亡,粘附分子參與的信號傳導(dǎo)，是通過粘附分子觸發(fā)細胞內(nèi)信號傳導(dǎo)一系列生化反應(yīng)而實現(xiàn)的錨定依賴性細胞一旦與基質(zhì)分離，即可發(fā)生凋亡不是粘

11、附行為本身，而是粘附中整合素與其配體的結(jié)合阻抑了細胞凋亡的發(fā)生整合蛋白介導(dǎo)的細胞粘附必須伴隨細胞骨架的重排，才能阻止凋亡,（3）活性氧與細胞凋亡,活性氧（reactive oxygen species, ROS）是外源性氧化劑或細胞內(nèi)有氧代謝過程中產(chǎn)生的具有很高生物活性的氧分子，很容易與生物大分子反應(yīng)，可直接損害或者通過一系列過氧化鏈?zhǔn)椒磻?yīng)引起廣泛生物結(jié)構(gòu)的破壞有實驗證實，在特定條件下低水平的氧自由基能誘導(dǎo)細胞凋亡，而不是導(dǎo)致細胞

12、壞死,（4）細胞色素C與細胞凋亡,細胞色素C（Cyt C）從細胞線粒體轉(zhuǎn)移到胞漿，被認(rèn)為是各種細胞死亡模型如以Fas、紫外線（UV）、叉孢素（staurosporin, SSP）或鬼臼乙叉干（VP16）處理和誘導(dǎo)細胞凋亡機制中的重要環(huán)節(jié)一旦胞質(zhì)中出現(xiàn)Cyt C，其可與細胞漿中的其他成分相互作用，激活caspases，誘導(dǎo)細胞凋亡的發(fā)生如染色質(zhì)濃縮和核碎裂。這一過程可被Bcl-2過表達抑制,（5）線粒體與細胞凋亡,線粒體內(nèi)膜通透性轉(zhuǎn)變既

13、是細胞凋亡的必須條件，也是它的充足條件PT孔道打開后導(dǎo)致線粒體許多功能的致命性變化從而啟動了死亡途徑PT孔道作為許多生理效應(yīng)的感受器，整合了電生理、氧化還原與細胞代謝狀態(tài)的信息PT孔道的組成成分ADP-ATP在提示能量代謝的重要分子，其表達有嚴(yán)格的組織專一性PT孔道的作用有自放大效應(yīng),The Molecular Mechanisms Of Apoptosis,細胞凋亡的分子機制,Zhao Wang（M.D./Pharm.D.

14、）,第五講 細胞凋亡與免疫,Apoptosis in the immune system,1. Life and death in the immune system,Apoptosis in the immune system,2. The CD95-CD95L death system ? CD95 is one of death receptors;? CD95-mediated apoptosis is triggered

15、by its natural ligand, CD95L;? CD95L is seen on killer cell-derived vesicles, but can also be cleaved from the membrane by a metallo-protease,Apoptosis in the immune system,CD95 death-inducing signalling complex,Apoptos

16、is in the immune system,3. Two different pathways downstream of CD95,,Apoptosis in the immune system,4. T-lymphocyte death in the thymus ? the negative selection might involve the CD-95 system when T cells encounter hi

17、gh antigen concentrations? Numerous data suggest that members of the Bcl-2 family influence survival of immature T lymphocytes, that is, positive selection, but not negative selection,Apoptosis in the immune system,5.

18、Deletion of peripheral T cells by apoptosisThe course of a T-cell immune response and the apoptosis phenotype of the T-cells.,Apoptosis in the immune system,1）an IL-2-dependent clonal expansion and effector phase after

19、challenge with antigen.2）a down phase in which most antigen-specific T cells are eventually eliminated.3）a phase in which certain T cells that survive the down phase enter the memory T-cell pool.,,Apoptosis in the i

20、mmune system,6. Co-stimulation and T-cell survival? CD28 is a major co-stimulating co-receptor expressed on T cells;? CD28 is stimulated by CD80 and CD86 expressed on APCs and functions to increase cytokine productio

21、n and cytokine receptor induction for saving T cells from AICD.,Apoptosis in the immune system,7. B-lymphocyte death? B-cell receptor (BCR) activation induces apoptosis by the mitochondrial pathway；? As in T cells co

22、-stimulated by CD28, BCR-activated B cells can be rescued from apoptosis by co-stimulation by way of CD40 that has been activated by CD40L expressed on T cells and macrophages；,Apoptosis in the immune system,8. The recep

23、tor-ligand systems a、CD95-CD95L system B cells generally do not express CD95L; T cells kill CD95-positive B cells;b、Blys, APRIL/TACI, BCMA system Blys, APRIL binding to TACI, BCMA upregulate NF-?B, B-ce

24、ll proliferation and immunoglobulin production.,Apoptosis in the immune system,9. APCs, T cells and B cells? activated APCs synthesize CD95L, TRAIL, TNF and other factors that modulate the activity and function of T ce

25、lls；? In turn, activated T cells influence APC function and thereby affect the course of the immune response；? the CD40-CD40L system allows the survival of APCs and the CD95-CD95L system induces their death；,Apoptosi

26、s in the immune system,10. Another death receptor—TNF-a,Diseases of the immune system,Genetic defects in the CD95-CD95L system；Apoptosis and lymphoid tumors；? Tumors develop multiple mechanisms to evade elimination by

27、 the immune system；? CD95L might be exploited in trying to delay the rejection of allografts；,Diseases of the immune system,3. Apoptosis in AIDS ? AIDS, characterized by a depletion of CD4+ T helper cells, is a disea

28、se with too much apoptosis；? The regulatory viral gene products （for example, HIV-1 Tat）;? a novel and rapid type of apoptosis by CD4 and CXCR4,,Diseases of the immune system,HIV-1 Nef inhibits ASK1-dependent death si

29、gnalling providing a potential mechanism for protecting the infected host cell.,The Molecular Mechanisms Of Apoptosis,細胞凋亡的分子機制,Zhao Wang（M.D./Pharm.D.）,第六講 細胞凋亡與神經(jīng)系統(tǒng),Apoptosis in the nervous system,1、The neurotrophin

30、hypothesis ? immature neurons compete for target-derived trophic factors that are in limited supply.? only those neurons that are successful in establishing correct synaptic connections would obtain trophic factor sup

31、port to allow their survival.? neuronal survival requires a positive survival signal.,Apoptosis in the nervous system,2. Key molecules in neuronal apoptosis Neurons share the same basic apoptosis programmewith all ot

32、her cell types.A、The role of the Bcl-2 family in neuronal cell death;B、Apaf-1 and caspases in neuronal cell death;,Neurotrophins generally activate and ligate the Trk receptors （TrkA, TrkB and TrkC）, which are cell-sur

33、face receptors with intrinsic tyrosine kinase activity,Apoptosis in the nervous system,3、Neurotrophins: a matter of life and death,Apoptosis in the nervous system,4、 PI(3)K-AKT pathway and MAPK pathway,The activation of

34、c-Jun and DP95 synthesis,Apoptosis in the nervous system,5、 Dying without neurotrophins,Apoptosis in the nervous system,6、Neurotrophins: a double-edged sword the interaction of neurotrophins with the neurotrophin

35、receptor p75NTR can induce cell death under certain conditions.,The Molecular Mechanisms Of Apoptosis,細胞凋亡的分子機制,Zhao Wang（M.D./Pharm.D.）,1、凋亡與疾病的發(fā)生2、凋亡與疾病的治療,第七講 細胞凋亡與疾病,(一)凋亡與疾病的發(fā)生,1．細胞凋亡與自身免疫?。?）機制1）自身反應(yīng)性免疫細胞凋亡

36、受阻  * MRL/Lpr鼠Fas     * C3H/gld鼠FasL    基因插入突變         基因點突變        ↓                  ↓ 

37、0; Fas蛋白低表達   FasL分子結(jié)構(gòu)異常       ↓                  ↓  自身反應(yīng)性T細胞逃避陰性選擇,2）凋亡促使產(chǎn)生致病性自身抗原（具潛在免疫原性的細胞組分聚集）  →異常自身免疫應(yīng)答3）微環(huán)境異?！鶷h

38、1/Th2凋亡失衡  →Th1/Th2細胞偏移→AID4）自身Ab→進入體細胞結(jié)合相應(yīng)靶Ag  →干擾細胞正常功能→體細胞凋亡,5）基因缺陷或環(huán)境因子→DNA甲基化↓* 阻止細胞對致凋亡信號的反應(yīng)性 →自身反應(yīng)性T/B細胞產(chǎn)生和壽命↑* 含低甲基化DNA的核小體釋放 →刺激自身反應(yīng)性B細胞產(chǎn)生自身Ab6)器官特異性AID靶細胞高表達Fas* 致病因子   

39、;→局部（β細胞、甲狀腺上皮細胞）炎癥     →高表達Fas       →CTL通過Fas/FasL殺傷之,（2）舉例A．類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎1）病理改變病變關(guān)節(jié)滑膜細胞凋亡障礙→細胞增生2）機制   * 關(guān)節(jié)液中IL-1和TGF-β1↑→滑膜細胞Fas表達↓   * 關(guān)節(jié)液中sFas表達↑→抑制Fas/Fas

40、L途徑   * 滑膜細胞Bcl-2、Bcl-XL表達↑→細胞凋亡域值↑   * 關(guān)節(jié)滑液中單個核細胞FasL↓   * 關(guān)節(jié)滑液T細胞對凋亡產(chǎn)生抗性 （TCR的CDR3缺乏數(shù)個保守的aa序列）,3）誘導(dǎo)凋亡治療類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎* FasL的重組載體轉(zhuǎn)染關(guān)節(jié)組織；   * 應(yīng)用抗Fas抗體促使Fas交聯(lián)。,B．SLE1）Fas系統(tǒng)功能紊亂

41、* T/B細胞Fas表達↓；* T/B細胞Fas的DD突變；* sFas分泌↑；* FasL分子結(jié)構(gòu)異常；   2）T/B細胞DNA甲基化↓→凋亡受阻 低甲基化DNA誘生自身抗體3）組織細胞凋亡釋放大量核小體→誘導(dǎo)抗核抗體產(chǎn)生,2．細胞凋亡與病毒感染   （1）細胞凋亡與宿主抗病毒免疫機制   * 抗病毒應(yīng)答→病毒感染細胞凋亡→清除入侵的病毒

42、* 病毒感染→激活免疫細胞→產(chǎn)生TNF、p53蛋白 →病毒感染細胞凋亡* 病毒感染   →宿主細胞信號傳遞系統(tǒng)紊亂     →感染細胞凋亡* CTL識別病毒感染細胞→介導(dǎo)靶細胞凋亡導(dǎo)。,（2）舉例1）細胞凋亡與AIDS   * HIV gp120與靶細胞CD4分子結(jié)合 →激活鈣通道→胞內(nèi)Ca2+濃度增高* gp160→靶細胞表面CD4分子

43、交聯(lián)→HIV感染的T細胞Fas表達增加* AIDS患者體內(nèi)II型CK升高→提高Th1對凋亡敏感性* HIV感染→CD8+T細胞慢性激活→發(fā)生凋亡,2）細胞凋亡與病毒性肝炎    * HCV感染肝細胞   病毒刺激CTL        ↓             ↓ 

44、60; 高表達Fas      高表達FasL        ↓             ↓           CTL導(dǎo)致大量肝細胞凋亡          →暴發(fā)性肝功能衰竭

45、   * HBV、HCV感染       →刺激免疫細胞產(chǎn)生TNF-α↑         →肝細胞凋亡或壞死,3．細胞凋亡與腫瘤的發(fā)生   * bcl-2過度表達→細胞生理性死亡減少→腫瘤發(fā)生   * 惡性實體瘤細胞Fas表達明顯↓   

46、60;             FasL表達明顯↑   * 造血系統(tǒng)腫瘤中可溶性Fas水平增高     →與膜表面Fas競爭性結(jié)合FasL   * Rb和p53基因功能缺陷→細胞周期和凋亡失調(diào)      →細胞無限制生長和惡變,Rb功能正常

47、         Rb功能缺陷       ↓                 ↓ p53不必顯示其功能     p53被激活              &

48、#160;     →誘發(fā)凋亡                    →防止細胞惡變* 經(jīng)典多藥耐藥基因（MDR）表達 →藥物代謝加快、靶細胞改變   →瘤細胞DNA受損得以修復(fù)→抗藥* 凋亡相關(guān)基因突變→加速腫瘤進展、降低抗瘤療效4．凋亡與

49、移植（1）免疫赦免區(qū)組織高表達FasL;（2）Fas/FasL途徑參與移植排斥；,（二）凋亡與疾病的治療,1．調(diào)節(jié)Cas活性* 轉(zhuǎn)染活化Cas基因→治療AML等腫瘤* 選擇性Cas（尤其Cas3）抑制劑→神經(jīng)退行性變化,2．細胞因子調(diào)控凋亡（1）調(diào)控PMN凋亡→控制炎癥損傷或炎癥消長* TNF-α→促進PMN凋亡* GM-CSF、IL-2、IL-6、IFN-γ→抑制PMN凋亡   （2）調(diào)控T

50、h細胞偏移* IL-12、IL-2→防止Th1細胞凋亡→治療AISD、腫瘤   （3）細胞因子拮抗* 拮抗IL-4等→肺部Eos凋亡→防治支氣管哮喘,3．轉(zhuǎn)染TRAIL用于腫瘤治療* TRAIL途徑選擇性誘導(dǎo)腫瘤細胞凋亡   （腫瘤細胞表達DR4/5，不表達TRID）* 正常細胞表達TRID→對TRAIL不敏感   4．自殺基因治療中的旁觀者效應(yīng)* 轉(zhuǎn)染自

51、殺基因（suicide gene）→轉(zhuǎn)染細胞死亡      →旁鄰未轉(zhuǎn)染細胞被殺傷 * 機制旁鄰細胞攝取凋亡小體；腫瘤細胞凋亡→局部抗瘤免疫效應(yīng)↑,5．調(diào)控凋亡相關(guān)基因表達（1）調(diào)控Fas/FasL表達   * Cys、FK506→FasL轉(zhuǎn)錄↓→移植物細胞凋亡↓   * sFas、抗Fas抗體、反義核酸   * 轉(zhuǎn)染Fas基因

52、   （2）轉(zhuǎn)染bcl-2、P53→抗瘤,6．誘導(dǎo)分化劑（維A酸、As2O3） →誘導(dǎo)凋亡或部分分化后凋亡→治療腫瘤（白血病等） 7．激素撤退→性激素敏感腫瘤凋亡* 切除睪丸/給予雌激素→前列腺癌* 切除卵巢/拮抗雌激素→乳腺癌,8．Wee轉(zhuǎn)基因療法（1）Wee的生物學(xué)作用* 參與調(diào)控細胞周期→使細胞停留于G2期 →有利于DNA受損細胞的修復(fù)* 參與顆粒酶所致受損DNA的修復(fù)過程