細胞生物學：第13章 細胞凋亡

cell cell senescencesenescence第一節(jié) 細胞衰老(cellular aging或cell senescence)體外培養(yǎng)的二倍體細胞，細胞核隨著細胞分裂次數(shù)的增體外培養(yǎng)的二倍體細胞，細胞核隨著細胞分裂次數(shù)的增加不斷增大加不斷增大細胞核的核膜內折（細胞核的核膜內折（invagination）、）、 染色質固縮化染色質固縮化比較項目比較項目程序性細胞死亡程序性細胞死亡細胞壞死細胞壞死細胞調亡細胞調亡的生物學意義生物學意義：一種生理保護機制，清除體內多余、受損或危險的細胞而一種生理保護機制，清除體內多余、受損或危險的細胞而不對周圍的細胞或組織產生危害。在成熟的動物個體中，不對周圍的細胞或組織產生危害。在成熟的動物個體中，通過細胞凋亡和細胞增殖速率的調節(jié)來維持組織器官細胞通過細胞凋亡和細胞增殖速率的調節(jié)來維持組織器官細胞數(shù)量的穩(wěn)定。數(shù)量的穩(wěn)定。凋亡細胞的形態(tài)及與正常細胞的對比電鏡圖凋亡細胞的形態(tài)及與正常細胞的對比電鏡圖細胞核逐漸皺縮至最終解體的過程細胞核逐漸皺縮至最終解體的過程細胞色素c誘導的凋亡細胞DNA電泳圖1細胞色素c誘導0 h2細胞色素c誘導1 h3細胞色素c誘導2 h4細胞色素c誘導3 h5細胞色素c誘導4 h6陰性對照7Marker 凋亡細胞組織轉谷氨酰胺酶凋亡細胞組織轉谷氨酰胺酶tTGtTG（tissue Transglutaminasetissue Transglutaminase）積）積累并達到較高水平累并達到較高水平 發(fā)生改變發(fā)生改變反轉至外脂層反轉至外脂層一些膜圍小泡一些膜圍小泡巨噬細胞表面的凝集素識別巨噬細胞表面的凝集素識別巨噬細胞對暴露的巨噬細胞對暴露的磷脂磷脂酰絲氨酸酰絲氨酸具有識別能力具有識別能力凋亡細胞凋亡細胞出芽方式出芽方式分解分解凋亡小體凋亡小體凋亡凋亡小體小體限定要凋亡的細胞限定要凋亡的細胞 凋亡小體被鄰近凋亡小體被鄰近 細胞吞噬細胞吞噬 經降解被清除經降解被清除凋亡小體凋亡小體a a 正常正常T T細胞雜交瘤細胞細胞雜交瘤細胞 b b 凋亡細胞凋亡細胞( (掃描電鏡掃描電鏡) c ) c 凋亡細胞凋亡細胞( (透射電鏡透射電鏡) )四四 細胞凋亡的檢測細胞凋亡的檢測形態(tài)學觀測：染色法、透射和掃描電鏡觀察DNA電泳：DNA片段就呈現(xiàn)出梯狀條帶TUNEL測定法，即DNA斷裂的原位末端標記法彗星電泳法（comet assay）流式細胞分析 根據凋亡細胞DNA斷裂和丟失，采用碘化丙啶使DNA 產生激發(fā)熒光，用流式細胞儀檢出凋亡的亞二倍體細 胞，同時又能觀察細胞的周期狀態(tài)。三三 誘導細胞凋亡的因子誘導細胞凋亡的因子物理性因子，包括射線（紫外線，物理性因子，包括射線（紫外線， 射線等），射線等）， 較溫和的溫度刺激（如熱激，冷激）等較溫和的溫度刺激（如熱激，冷激）等化學及生物因子：包括活性氧基團和分子，DNA 和蛋白質合成的抑制劑，激素，細胞生長因子，腫 瘤壞死因子（TNF），抗Fas/Apo-1/CD95抗體等一一 切冬酶切冬酶(caspases)：在蛋白質水解酶級聯(lián)途徑中：在蛋白質水解酶級聯(lián)途徑中具有專一性切割蛋白質分子中的具有專一性切割蛋白質分子中的Asp-X肽鍵肽鍵活性的活性的半半胱氨酸蛋白酶胱氨酸蛋白酶系。全稱為天冬氨酸特異性的半胱氨酸系。全稱為天冬氨酸特異性的半胱氨酸蛋白質水解酶。又被稱為蛋白質水解酶。又被稱為胱冬肽酶胱冬肽酶Caspase的研究首先是在秀麗隱干線蟲細胞的凋亡開始的，從的研究首先是在秀麗隱干線蟲細胞的凋亡開始的，從胚胎發(fā)育至成體，線蟲共產生了胚胎發(fā)育至成體，線蟲共產生了1090個體細胞，其中個體細胞，其中131個個體細胞凋亡。研究發(fā)現(xiàn)體細胞凋亡。研究發(fā)現(xiàn)ced3,ced4基因促進細胞凋亡，基因促進細胞凋亡，ced9基因阻止基因阻止ced3/ced4的激活，抑制細胞凋亡。的激活，抑制細胞凋亡。2002年美國麻年美國麻省理工學院的省理工學院的Robert horvitz,英國的英國的Sydney Brenner和和John E. Sulston因在線蟲細胞凋亡方面的創(chuàng)新性研究共同因在線蟲細胞凋亡方面的創(chuàng)新性研究共同獲得諾貝爾醫(yī)學和生理學獎。獲得諾貝爾醫(yī)學和生理學獎。Ced3哺乳類同源物是ICE(Interleukin-1-converting enzyme)，即Caspase1，催化白介素-1前體的剪切成熟過程。在大鼠上成纖維細胞過量表達ICE和Ced3都會引起細胞凋亡。生存細胞生存細胞死亡細胞死亡細胞被判處死刑的細胞被判處死刑的細胞 寡聚化寡聚化 加工加工激活激活 無活性無活性 切冬酶家族成員的特征：切冬酶家族成員的特征：細胞凋亡的過程：激活期和執(zhí)行期兩個階段。前期細胞應答死亡信號，起始Caspase活化；后期執(zhí)行Caspase活化，執(zhí)行細胞死亡程序。 最初翻譯產物為無活性酶原，在最初翻譯產物為無活性酶原，在Asp-X鍵處被切割成亞鍵處被切割成亞基后才組裝成四聚體活性酶基后才組裝成四聚體活性酶 (2大亞基和大亞基和2小亞基小亞基) ； 均有相同的催化部位均有相同的催化部位(含有含有QACXG保守結構域保守結構域) ； 具有自身活化和活化其它切冬酶的能力。具有自身活化和活化其它切冬酶的能力。 Caspase-8和和10含有串聯(lián)重復的死亡效應結構域（含有串聯(lián)重復的死亡效應結構域（），和含有），和含有Caspase募集結構域（募集結構域（）。）。 執(zhí)行Caspase的活化屬于異性活化，即起始Caspase招募執(zhí)行Caspase原酶分子后，對其進行切割，產生具有活性的執(zhí)行Caspase切割細胞內重要的結構和功能蛋白，導致細胞凋亡。DNA切冬酶原切冬酶原切冬酶切冬酶I無活性無活性CAD活性活性CADDNA斷片化斷片化細胞凋亡細胞凋亡DFF45, DNA fragmentation factor-45ICAD, inhibitor of caspase-activated DNase 核纖層解體核纖層解體染色質凝縮染色質凝縮Gelsolin FAK PAK2細胞骨架紊亂細胞骨架紊亂細胞結構解體細胞結構解體切冬酶切冬酶酶解酶解自身調節(jié)與修復功能喪失自身調節(jié)與修復功能喪失核酸合成、加工、修復核酸合成、加工、修復調節(jié)調節(jié)切冬酶切冬酶酶解酶解與相鄰細胞脫離接觸與相鄰細胞脫離接觸；細胞骨架重新裝配細胞骨架重新裝配；DNA復制和修復過程被關閉復制和修復過程被關閉；mRNA無法剪接無法剪接；DNA受破壞受破壞；核結構紊亂核結構紊亂。切冬酶切冬酶細胞解體細胞解體凋亡小體凋亡小體許多蛋白質許多蛋白質切割切割吞噬信號吞噬信號發(fā)出發(fā)出被吞噬清除被吞噬清除Caspase依賴性的細胞凋亡：包括死亡受體起始的外依賴性的細胞凋亡：包括死亡受體起始的外源途徑和線粒體起始的內源途徑源途徑和線粒體起始的內源途徑死亡受體介導的凋亡：死亡受體介導的凋亡：死亡配體與受體結合：死亡配體與受體結合：死亡配體主要是腫瘤壞死因子（死亡配體主要是腫瘤壞死因子（TNF）家族成員，）家族成員，TNF由激活的單核由激活的單核-巨噬細胞分泌，誘導細胞凋亡和巨噬細胞分泌，誘導細胞凋亡和誘發(fā)炎癥反應。誘發(fā)炎癥反應。死亡受體死亡受體TNF-R1和和Fas（Apo-1，CD95），胞質部），胞質部分含有死亡結構域（分含有死亡結構域（DD），負責招募凋亡信號通），負責招募凋亡信號通路中的信號分子。路中的信號分子。細胞凋亡的內源途徑：線粒體是核心細胞凋亡的內源途徑：線粒體是核心當細胞受到內部或外部凋亡信號的刺激，胞內線粒體當細胞受到內部或外部凋亡信號的刺激，胞內線粒體的外膜通透性改變，向細胞質基質釋放凋亡的相關的外膜通透性改變，向細胞質基質釋放凋亡的相關因子，引發(fā)細胞凋亡。因子，引發(fā)細胞凋亡。細胞色素細胞色素c的釋放是細胞凋亡內源途徑的關鍵，線粒的釋放是細胞凋亡內源途徑的關鍵，線粒體外膜的通透性主要受到體外膜的通透性主要受到Bcl-2蛋白家族的調控。蛋白家族的調控。 Bcl-2蛋白家族是線蟲抗凋亡蛋白蛋白家族是線蟲抗凋亡蛋白Ced9的同源物。其的同源物。其功能可以分為兩組，功能可以分為兩組，Bcl-2、Bcl-xL,Bcl-w等抑制細等抑制細胞凋亡，胞凋亡，Bax、Bak和和Noxa等促進凋亡。等促進凋亡。BCL-2家族成員Caspase非依賴性的細胞凋亡非依賴性的細胞凋亡Caspase非依賴性的細胞凋亡確實存在，但機制仍不完全清楚。非依賴性的細胞凋亡確實存在，但機制仍不完全清楚。凋亡誘導因子（凋亡誘導因子（AIF）位于線粒體外膜，可以轉移到細胞質，）位于線粒體外膜，可以轉移到細胞質，并進入細胞核，引發(fā)核內并進入細胞核，引發(fā)核內DNA凝集并斷裂形成凝集并斷裂形成50kb大小大小的的片段。片段。限制性內切核酸酶限制性內切核酸酶G（Endo G)可以誘發(fā)可以誘發(fā)Caspase非依賴性的非依賴性的細胞凋亡。細胞凋亡。 Endo G屬于依賴性的核酸酶家族，定位于線粒屬于依賴性的核酸酶家族，定位于線粒體，在線粒體中，負責線粒體體，在線粒體中，負責線粒體DNA的修復和復制。受到凋亡的修復和復制。受到凋亡信號刺激，從線粒體進入細胞核，對和信號刺激，從線粒體進入細胞核，對和DNA進行切割。在進行切割。在Caspase未被激活的情況下，產生典型的以核小體為單位的未被激活的情況下，產生典型的以核小體為單位的DNA片段。片段。