最新发育生物学第五周精品课件.ppt

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1、程序性细胞死亡程序性细胞死亡PCD（programmed cell death）又称又称细胞凋亡细胞凋亡 ( (apoptosis) ) （在体内在体内外因素诱导下，由外因素诱导下，由基因严格调控基因严格调控而发生而发生的的自主性自主性细胞细胞有序死亡有序死亡。）。）1、概念、概念 一个固有的遗传程序即一个固有的遗传程序即生物钟，在一个受控制的时间和生物钟，在一个受控制的时间和空间内激活，从而导致细胞死亡。空间内激活，从而导致细胞死亡。王晓东：最年轻美国科学院王晓东：最年轻美国科学院院士院士 从事的是细胞凋亡机制的从事的是细胞凋亡机制的研究。研究。 1996 1996年年，发现线粒体释放细发现

2、线粒体释放细胞色素胞色素C, C, 引起细胞凋亡引起细胞凋亡; ; 20002000年，发现线粒体释放年，发现线粒体释放SmacSmac，可促细胞凋亡，可促细胞凋亡. .Smac: Second mitochondria-derived activator of caspase二二、 PCD/ PCD/细胞凋亡的形态变化细胞凋亡的形态变化(1)(1)细胞皱缩变圆，细胞皱缩变圆，微绒毛、复合体消失；微绒毛、复合体消失； 出芽出芽( (budding)budding)Morphological features of Morphological features of apoptosisapopt

3、osisMembrane blebbing膜空泡化膜空泡化（blebbing)blebbing)出芽出芽( (budding)budding) (2) (2)胞质浓缩、胞质浓缩、细胞器结构保细胞器结构保留留(3)核浓缩；核浓缩；染色质凝聚染色质凝聚（4 4）形成形成凋亡小体凋亡小体(4) (4) 凋亡小体形成凋亡小体形成 胞膜皱缩内陷，分割包裹胞质胞膜皱缩内陷，分割包裹胞质( (内含内含DNA物质及细胞器物质及细胞器) )，形成的膜包颗粒即，形成的膜包颗粒即凋亡小体凋亡小体（apoptosis body） (5) (5) 吞噬吞噬一般过程：一般过程：因补体反应或烈性病毒感染破坏了因补体反应或烈

4、性病毒感染破坏了质膜，或者能量依赖性离子泵被破坏产生的钠钾质膜，或者能量依赖性离子泵被破坏产生的钠钾等离子沿着各自的浓度梯度进入细胞，从而导致等离子沿着各自的浓度梯度进入细胞，从而导致细胞吸水膨胀，最终破膜而死。细胞吸水膨胀，最终破膜而死。细胞凋亡与细胞坏死是多细胞生物细胞死细胞凋亡与细胞坏死是多细胞生物细胞死亡的两种不同形式，在形态学、生化代谢、亡的两种不同形式，在形态学、生化代谢、分子机制、结局和意义等方面都有本质的分子机制、结局和意义等方面都有本质的区别。区别。 细胞坏死特征：溶酶体释放酶，细胞器瓦解，细胞细胞坏死特征：溶酶体释放酶，细胞器瓦解，细胞骨架降解，细胞核破裂、降解，蛋白质合成

5、终止，骨架降解，细胞核破裂、降解，蛋白质合成终止，由于膜破裂，出现炎症反应由于膜破裂，出现炎症反应三、胚胎发育中的程序性细胞死亡（三、胚胎发育中的程序性细胞死亡（PCDPCD） （一）一） PCDPCD参与了各器官的形态发生和发育。参与了各器官的形态发生和发育。1 1、肢体的发生、肢体的发生 2 2、中枢神经系统的发生、发育、中枢神经系统的发生、发育3 3、腭的发生、腭的发生 4 4、管（腔）道的形成、管（腔）道的形成5 5、晶状体的发育、晶状体的发育 6 6、心的发育、心的发育7 7、生殖细胞的发生、生殖细胞的发生 8 8、免疫、造血系统的发生、免疫、造血系统的发生 9 9、无用结构的退化消

6、失（弓动脉、前肾、中肾、尾芽、无用结构的退化消失（弓动脉、前肾、中肾、尾芽、鳃膜等）鳃膜等）（二）胚胎发育中（二）胚胎发育中PCDPCD的意义的意义1 1、系统匹配、系统匹配 淘汰没有作用或不再起作用的细胞，以确保有淘汰没有作用或不再起作用的细胞，以确保有 功能细胞的营养和空间。功能细胞的营养和空间。2 2、除去短暂结构：人胚尾芽、除去短暂结构：人胚尾芽3 3、雕刻躯体、雕刻躯体 从而形成正常、精细复杂的生物体。从而形成正常、精细复杂的生物体。4 4、保护机体：如胸腺的发育、损伤的胚胎细胞、保护机体：如胸腺的发育、损伤的胚胎细胞四、四、PCD/PCD/细胞凋亡的调节细胞凋亡的调节（一）激素水平

7、的调节：（一）激素水平的调节：甲状腺素（蝌甲状腺素（蝌 蚪）、糖皮质激素（胸腺蚪）、糖皮质激素（胸腺cell）、）、苗勒抑制物质（中肾旁管）等诱导苗勒抑制物质（中肾旁管）等诱导PCD雌激素及卵泡刺激素（颗粒细胞）、胰岛素雌激素及卵泡刺激素（颗粒细胞）、胰岛素（晶状体上皮细胞）等抑制（晶状体上皮细胞）等抑制PCD（二）细胞因子调节（二）细胞因子调节主要是生长因子：主要是生长因子：NGF，FGF，TGF，G-CSF等缺乏导致等缺乏导致PCD（三）（三）PCDPCD相关基因相关基因/ /蛋白的调节蛋白的调节1 1、TNFTNF死亡受体超家族死亡受体超家族（1 1）死亡受体：）死亡受体：FasFas、

8、TNFR ITNFR I等等（2 2）与死亡受体有关的含死亡结构）与死亡受体有关的含死亡结构域的域的信号蛋白信号蛋白：FADDFADD（FASFAS相关死亡蛋相关死亡蛋白）、白）、TRADDTRADD（TNFR ITNFR I相关死亡蛋白）相关死亡蛋白）等等（2 2）含有死亡结构域的信号蛋白）含有死亡结构域的信号蛋白TRADD TRADD （TNFRTNFR相关死亡蛋白）相关死亡蛋白）：34kD34kD，C C端端 的的DDDD与与TNFR ITNFR I， FADD FADD的的DDDD结合结合FADD FADD （FasFas相关死亡蛋白）相关死亡蛋白） （MORT-1MORT-1）： 2

9、3kD 23kD，C-C-端含有一个端含有一个DD(death DD(death domain ) domain )，可与可与FasFas结合；结合；N-N-端含有端含有 MORTMORT结构域或死亡效应结构域（结构域或死亡效应结构域（DED : DED : death effector domain death effector domain ），），可与可与 proCaspase-8 proCaspase-8（FLICEFLICE）的的DEDDED结合结合DDDDDEDDEDDDDDDDDDDEDDEDFas/FasLFas/FasLDD: death domain凋亡诱导因素凋亡诱导因素

10、死亡受体（死亡受体（Fas)Fas)配体（配体（FasL)FasL)的表的表达、结合达、结合Caspase-8活化活化Caspase-3活化活化apoptosisFADDFADD2. 2. 凋亡蛋白酶凋亡蛋白酶Caspase: cysteine-containing aspartate-specific protease（含（含半胱氨酸半胱氨酸的的天冬氨酸天冬氨酸特异蛋白水解酶）特异蛋白水解酶） 一组对底物的一组对底物的天冬氨酸天冬氨酸部位有特异水部位有特异水解作用，其活性中心富含解作用，其活性中心富含半胱氨酸半胱氨酸的蛋白的蛋白酶。酶。(1) (1) 定义定义（2）Caspase Caspa

11、se 的分类及功能的分类及功能凋亡启动亚类(DED、CARD)凋亡效应亚类细胞因子加工亚类（ICE亚类）CARD: Caspase Activation and Recruitment DomainActive enzymeCatalytic sites(4)(4) CaspaseCaspase的作用底物的作用底物 凋亡蛋白酶激活的凋亡蛋白酶激活的DNADNA酶抑制物酶抑制物(ICAD)CAD: Caspase Activated DNaseCAD: Caspase Activated DNase由由CaspaseCaspase激活的核酸酶激活的核酸酶( (具有内切酶活性具有内切酶活性) )I

12、CADCADDNACaspase 核纤层核纤层（lamina）蛋白蛋白细胞细胞核核lamina染色染色体体 细胞骨架蛋白：导致细胞解体，细胞骨架蛋白：导致细胞解体， 形形成凋亡小体成凋亡小体 其他的其他的caspases 灭活细胞凋亡的抑制物灭活细胞凋亡的抑制物3 3、凋亡蛋白酶活化因子凋亡蛋白酶活化因子-1 -1（Apaf-1)Apaf-1) 130kD130kD，N-N-端含有一半胱氨酸蛋白酶募集域端含有一半胱氨酸蛋白酶募集域（CARDCARD），），C-C-端由端由1212个个WD-40WD-40重复片段组成。重复片段组成。凋亡体凋亡体/ /死亡复合体：死亡复合体： Cytc -Apaf

13、-1-dATP Cytc -Apaf-1-dATP （闭合的单体聚合成开放的七聚体）Cytc -Apaf-1-dATP-proCaspase-9Cytc -Apaf-1-dATP-proCaspase-9凋亡复合体凋亡复合体CARD: Caspase Activation and Recruitment Domain4 4、线粒体膜间隙蛋白（线粒体释放的凋亡相关线粒体膜间隙蛋白（线粒体释放的凋亡相关因子）因子） 细胞色素细胞色素C C，凋亡诱导因子，凋亡诱导因子， Apaf-1Apaf-1 , , CaCa2+ 2+ , , Smac/DIABLOSmac/DIABLO等等5 5、自由基、自由

14、基活性氧自由基（活性氧自由基（超氧阴离子自由基、羟自由基及单线态氧，H2O2等）：诱导）：诱导PCDPCD的发生。的发生。活性氮自由基：活性氮自由基：NONO高浓度促高浓度促PCDPCD，低浓度抑低浓度抑制制PCDPCD6 6、P53基因基因阻滞细胞阻滞细胞G G1 1期，修复受损的期，修复受损的DNA，如修复失败，如修复失败则通过多种途径诱导细胞凋亡。则通过多种途径诱导细胞凋亡。（射线、毒素）（射线、毒素）P53P53的促凋亡机制：的促凋亡机制：（1 1） DNA结合蛋白，调控基因结合蛋白，调控基因（BAXBAX等等) )转录（细胞核途径）转录（细胞核途径）（2 2）激活线粒体途径）激活线粒

15、体途径（3 3）诱导）诱导FasFas增加增加 （4 4）诱导溶酶体的不稳定性）诱导溶酶体的不稳定性基本结构特征：跨膜结构域基本结构特征：跨膜结构域 BHBH） BcL-2BcL-2基因家族成员自身或彼此之基因家族成员自身或彼此之间有形成二聚体或多聚体的能力，间有形成二聚体或多聚体的能力，BcL-2BcL-2家族通过蛋白与蛋白相互作用调家族通过蛋白与蛋白相互作用调节着细胞的存活与凋亡。节着细胞的存活与凋亡。Bcl-2 Bcl-2 （B cell lymphoma/leukemia-2） ： Bcl-2 是第一个被确认有抗凋亡作用，由是第一个被确认有抗凋亡作用，由 229229aaaa构成（鼠构

16、成（鼠236236）分布在线粒体膜）分布在线粒体膜, , 内质网，内质网，核膜等处。核膜等处。 Bcl-2 和和C. elegans 中的中的ced-9 有很高的同源有很高的同源性，具有促进细胞存活的功能。性，具有促进细胞存活的功能。BcL-2BcL-2抗凋亡机制：抗凋亡机制：直接抗氧化；直接抗氧化；调节调节PTPPTP（线粒体通透性转换孔）开放；（线粒体通透性转换孔）开放；抑制抑制Bax，Bak的促凋亡作用；的促凋亡作用；抑制抑制Caspases激活；激活；维持细胞钙稳态。维持细胞钙稳态。8 8、凋亡抑制蛋白家族（、凋亡抑制蛋白家族（IAP家族）家族） IAP家族是一组抑制凋亡的蛋白。家族是

17、一组抑制凋亡的蛋白。IAP家族家族蛋白的主要结构域：蛋白的主要结构域：BIR （baculoviral IAP repeat), ,锌指结构域、锌指结构域、CARDCARD。 BIR2BIR2是是IAP 抑制抑制凋亡的结构基础。凋亡的结构基础。 作用机制：抑制作用机制：抑制caspase-3,7,9-3,7,9等的活性等的活性。Figure 1 Schematic diagram of domain structure in representative IAPs凋亡细凋亡细胞胞DNADNA的断裂的断裂形成高分子量的形成高分子量的DNADNA大片断（大片断（5050kb)kb)形成形成1801

18、80200200bpbp整整数倍的数倍的DNADNA小片断小片断非非CaspaseCaspase依赖依赖的内源性核酸内的内源性核酸内切酶的激活切酶的激活CaspaseCaspase依赖依赖的内源性核酸的内源性核酸酶激活酶激活( (CAD)CAD)9. 9. 核酸内切酶核酸内切酶 Caspase 8 Caspase 3 Caspase 9 Cleavage of substrates Nucleus Degradation of DNA细胞细胞膜膜DNADNA断裂与断裂与“梯状条带梯状条带”R细胞凋亡的三条主要途径膜受体途径膜受体途径线粒体途径线粒体途径细胞核途径细胞核途径（二）、（二）、PCD

19、PCD的主要途径的主要途径1. 1. 膜受体通路膜受体通路( (死亡受体通路死亡受体通路/ /外源性通路外源性通路) )肿瘤坏死因子肿瘤坏死因子死亡死亡受体受体(TNFR)(TNFR)家族中的家族中的死亡受体：死亡受体：FasFasCD95CD95，TNFRTNFRFas/FasLFas/FasLDD: death domain死亡受体通路死亡受体通路凋亡诱导因素凋亡诱导因素死亡受体（死亡受体（Fas)Fas)配体（配体（FasL)FasL)的表的表达、结合达、结合Caspase-8活化活化Caspase-3活化活化apoptosisFADDFADD2. 2. 线粒体通路（内源性途径）线粒体通

20、路（内源性途径）线粒体通透性转换孔（线粒体通透性转换孔（MPTPMPTP）：由内）：由内膜的腺苷转位因子和外膜的电压依赖膜的腺苷转位因子和外膜的电压依赖性阴离子通道）构成的蛋白复合体。性阴离子通道）构成的蛋白复合体。R R? ? ? 线粒体信号通路线粒体信号通路smacSmac: second mitochondria-derived activator of caspaseIAPs(-)Apoptosis Apoptosis inducing inducing factorfactorInhibitors Inhibitors of apoptosis of apoptosis protei

21、nproteinapoptotic apoptotic protease protease activiation activiation factorfactor凋亡诱导因素凋亡诱导因素死亡受体死亡受体/ /配体的表达、结合配体的表达、结合Caspase-8活化活化Caspase-3活化活化apoptosisBid活化活化线粒体通路线粒体通路 活化活化死亡受体通路与线粒体通路的联系死亡受体通路与线粒体通路的联系Caspase-3活化活化小小结结磷脂酰丝氨酸（磷脂酰丝氨酸（PS)的外翻的外翻PS磷脂酰丝氨酸（磷脂酰丝氨酸（PS)的外的外翻翻提纲提纲谢谢！凋亡复合体凋亡复合体CARD: Caspase Activation and Recruitment Domain