凋亡研究进展及凋亡检测.ppt
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1、细胞凋亡研究新进展及凋亡检测技术细胞凋亡研究新进展及凋亡检测技术赵万洲赵万洲博士博士南京凯基生物科技发展有限公司南京凯基生物科技发展有限公司ApoptosisApoptosis-(Gr.falling)a -(Gr.falling)a process seen in multicellular process seen in multicellular organisms,by which specific cells are organisms,by which specific cells are killed and removed for the benefit of killed a
2、nd removed for the benefit of the organism.the organism.Kerr,J.F.R.,Wyllie,A.H.and Currie,A.R.1972.Kerr,J.F.R.,Wyllie,A.H.and Currie,A.R.1972.Br.J.CancerBr.J.Cancer 26:239.26:239.细胞凋亡(apoptosis)n概念:程序化细胞死亡(Programmedcelldeath,PCD)是多细胞有机体为调控机体发育、维护内环境稳定,由基因控制的细胞主动死亡过程。a a、凋亡概念的形成和形态学的研究凋亡概念的形成和形态学的研究
3、(1972(1972)1965 1965年发育生物学家年发育生物学家LockshinLockshin在研究硪发育过程中首次提出程序化死亡在研究硪发育过程中首次提出程序化死亡(programmed cell death programmed cell death)概念。)概念。1971 1971年年 澳大利亚生物学家澳大利亚生物学家KerrKerr用皱缩死亡来区别经典的细胞坏死。用皱缩死亡来区别经典的细胞坏死。19721972年年KerrKerr等等在在英英国国癌癌症症杂杂志志发发表表论论文文,首首次次提提出出细细胞胞凋凋亡亡(apotosis)(apotosis)的的概概念念。宣告了对细胞凋亡
4、的真正探索的开始。宣告了对细胞凋亡的真正探索的开始。b b、DNADNA的降解和内源性核酸内切酶的参与。的降解和内源性核酸内切酶的参与。(1987(1987)c c、蛋白质水解酶活化的研究蛋白质水解酶活化的研究(1995)(1995)d d、细胞膜的变化细胞膜的变化(1997)(1997)e e、线粒体的变化和分子生物学的研究线粒体的变化和分子生物学的研究(1998-)(1998-)1)1)相关基因及调控相关基因及调控 2 2)信号转导)信号转导 3 3)各种分子及其相互作用及相互关系)各种分子及其相互作用及相互关系 4 4)疾病机制的阐明,以及新疗法的探索及问世。)疾病机制的阐明,以及新疗法
5、的探索及问世。凋亡的研究历史Science.2005 Oct 7;310(5745):66-7.细胞凋亡的研究意义n在胚胎发育过程中:通过凋亡可清除对机体无用的、多余的、发育不正常的、以及有害的细胞。n在成年机体中:通过凋亡消除衰老的细胞并代之以新生的细胞;清除体内受损伤的或有癌前病变的细胞,防止癌变;凋亡还参与构成机体的防御机制。n细胞凋亡异常是某些疾病发病的重要原因:n如凋亡不足引发恶性肿瘤、病毒性疾病和自身免疫疾病;而凋亡过量则可能产生艾滋病、重症肝炎与老年性痴呆症、帕金森氏症等,因此研究细胞凋亡已成为生命科学、医学病理学、药理学等学科的热点领域。n细胞凋亡的研究加深人们对生命现象及某些
6、疾病的认识。坏死坏死凋亡凋亡形态学特征膜完整性丧失胞浆和线粒体膨胀全细胞裂解胞膜出芽,但保持完整染色体聚集在核膜周边胞浆收缩、细胞核凝集最后细胞分裂为凋亡小体Bcl-2家族蛋白导致线粒体膜通透性增加生化特征离子内环境失调非能量依赖性的(被动过程,在4C也可以发生)随机消化DNA(电泳显示为DNA弥散状态)PostlyticDNA断裂ATP依赖性的(主动过程,在4C不能发生)以核小体为单位剪切DNA(电泳显示为DNAladder)PrelyticDNA断裂线粒体释放多种因子至胞浆中(细胞色素c、AIF)Caspases级联活化膜对称性改变(PS外翻)生理学特征影响群组细胞由非生理学因素引起(如补
7、体攻击、代谢中毒、缺氧等)被巨噬细胞吞噬周围有明显的炎症反应只影响单个细胞由生理学刺激诱导(如生长因子缺乏、激素环境改变等)被临近细胞和巨噬细胞吞噬无炎症反应NormalApoptosisNecrosis细胞凋亡的信号转导通路n死亡受体信号通路n线粒体信号通路n内质网和高尔基体的信号通路n细胞凋亡的基因调控Apoptosis-Death Receptor SignalingTNFreceptorsuperfamilyApoptosisApoptosisCell deathFasFasLTNF-R1TNFTRADDFADDCas8CaseffMitCyt cProtein degradation
8、DNase 1993年,研究发现秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)Ced-3基因与哺乳动物细胞白细胞介素-1b 转化酶(interleukin-1b-converting enzyme,ICE)存在功能和序列相似性。ICE的高表达可导致啮齿动物成纤维细胞凋亡。1996年10月,推荐将ICE/Ced-3家族成员统一命名为Caspase(Cysteinyl Aspartate-specific Proteinases),按发现先后为序对其家族成员以阿拉伯数字排序(1-14)。CaspaseCaspase家族成员特性一览表家族成员特性一览表家族成员特性一览表家族成员特性一览
9、表名称原名功能底物特异性Caspase-1ICE辅助促炎症YVADCaspase-2ICH-1凋亡反应VDVADCaspase-3CPP32,Yama,apopain凋亡反应DEXDCaspase-4ICErel-II,TX,ICH-2辅助促炎症LEVDCaspase-5ICErel-III,TY辅助促炎症WEHDCaspase-6Mch-3凋亡反应VEIDCaspase-7Mch3,ICE-LAP3,CMH-1凋亡反应Caspase-8MACH,FLICE,Mch5凋亡反应IETDCaspase-9ICE-LAP6,Mch6凋亡反应LEHDCaspase-10Mch4凋亡反应AEVDCasp
10、ase-11ICH-3Caspase-12Caspase-13ERICELEEDCaspase-14MICE(Mini-ICE)注:W为色氨酸,E谷氨酸、H为组氨酸、D为天冬氨酸、I为异亮氨酸、L为亮氨酸、V为缬氨酸、X为任何氨基酸(by Thonberry,1997)Caspase活化的三种方式CaspaseCaspase的活化的活化的活化的活化破坏细胞抗凋亡因素破坏细胞抗凋亡因素 正常活细胞因核酸酶处于无活性状态,这是由于核酸酶和抑制物结合在一正常活细胞因核酸酶处于无活性状态,这是由于核酸酶和抑制物结合在一起,如抑制物被破坏,核酸酶即可激活,引起起,如抑制物被破坏,核酸酶即可激活,引起DN
11、ADNA片段化。现知片段化。现知caspasecaspase可可以裂解这种抑制物而激活核酸酶,因而把这种酶称为以裂解这种抑制物而激活核酸酶,因而把这种酶称为CaspaseCaspase激活的脱氧激活的脱氧核糖核酸酶(核糖核酸酶(caspase-activated deoxyribonulease CADcaspase-activated deoxyribonulease CAD),而把它的抑),而把它的抑制物称为制物称为ICADICAD。有意义的是。有意义的是CADCAD只在只在ICADICAD存在时才能合成并显示活性,因存在时才能合成并显示活性,因而而ICADICAD对对CADCAD的活化与
12、抑制是必需要的。的活化与抑制是必需要的。破坏细胞结构破坏细胞结构 CaspaseCaspase可可直直接接破破坏坏细细胞胞结结构构,如如裂裂解解核核纤纤层层,核核纤纤层层(LaminLamin)是是由由核核纤纤层层蛋蛋白白通通过过聚聚合合作作用用而而连连成成头头尾尾相相接接的的多多聚聚体体,由由此此形形成成核核膜膜的的骨骨架架结结构构,使使染染色色质质(chromatinchromatin)得得以以形形成成并并进进行行正正常常的的排排列列。在在细细胞胞发发生生凋凋亡亡时时,核核纤纤层层蛋蛋白白作作为为底底物物被被CaspaseCaspase裂裂解解,从从而而使使核核纤纤层层蛋蛋白白崩崩解解,导
13、导致致细细胞胞染色质的固缩。染色质的固缩。影响核酸的结构与功能影响核酸的结构与功能 CaspaseCaspase可可作作用用于于多多种种与与DNADNA,RNARNA功功能能有有关关的的蛋蛋白白,这这些些蛋蛋白白功功能能被被抑抑制制,使细胞的增殖与复制受阻并发生凋亡。使细胞的增殖与复制受阻并发生凋亡。Caspase Caspase的效应机制的效应机制Nature.2008 May 29;453(7195):583-5.Caspase-independent signaling pathways1、线粒体是细胞能量代谢的中心,细胞凋亡过程中对线粒体损伤的最直接结果是其正常功能的丧失。线粒体功能障
14、碍除了会导致自由基产生增加、兴奋性氨基酸释放增多、钙离子超载而引起细胞凋亡外,还能直接诱导细胞凋亡。2、此通路由含BH3结构域的Bcl-2家族成员Bid、Bad、Bim、Harikari、Noxa等在接受到胞内的死亡信号后激活。这些含BH3结构域的Bcl一2家族成员与另外的Bcl一2家族成员(Bax亚家族成员Bax,Bak等,主要松散的结合在线粒体外膜面或存在于胞浆)作用,导致后者的寡聚并插入线粒体膜,引起线粒体膜通透性改变,跨膜电位丢失,释放细胞色素C(Cytc)和其他蛋白。Cytc的释放是线粒体凋亡路径的主要 步骤:在ATPdATP存在的情况下,Cytc与凋亡蛋白酶活化因子(apoptot
15、ic protease-activating factor,Apaf-1)形成多聚复合体,通过Apaf-1氨基端的Caspase募集结构域(caspase recruitment domain,cARD)募集胞质中的Caspase-9前体,并使其自我剪切活化并启动Caspase级联反应,激活下游的Caspase-3和Caspase-7,完成其相应底物的剪切,引起细胞凋亡。Cell.2007 Nov 2;131(3):476-91.线粒体信号通路线粒体信号通路 Mitochondrial Control of Apoptosis 内质网内钙离子稳态的改变可作用于内质网功能的多个环节,引发细胞凋亡
16、。内质网钙离子的释放在多种凋亡实验中被观察到。内质网的钙释放参与Bad和caspase在不同诱因凋亡中的激活。破坏内质网内钙离子的稳态可以导致内质网应激,包括内质网超负荷反应,激活凋亡通路。其中内质网超负荷反应以激活转录因子NF-kB为主要特点,启动多种前炎性蛋白和细胞粘附分子的转录表达,对凋亡进行调控。内质网信号通路内质网信号通路Science.2007 Nov 9;318(5852):944-9.过度内质网应激也可能涉及线粒体及细胞色素C的协同作用而使caspase激活和细胞凋亡。内质网应激介导细胞凋亡调节的一个主要因素是Caspase-12。在多种疾病的发生发展中,内质网在完成基本生理功
17、能的同时,作为信号传导的枢纽平台,对于细胞凋亡过程发挥着重要的调控作用。Bcl-2 Bcl-2家族家族 Bc1-2 Bc1-2是一种原癌基因,是是一种原癌基因,是ced-9ced-9在哺在哺乳类中的同源物。和一般的癌基因不同,乳类中的同源物。和一般的癌基因不同,Bc1-2Bc1-2延长细胞的生存,能抑制细胞凋亡延长细胞的生存,能抑制细胞凋亡,而不是促进细胞的增殖。而不是促进细胞的增殖。Bcl-2Bcl-2家族已发家族已发现现1515个成员,所有个成员,所有Bcl-2Bcl-2家族成员均含有家族成员均含有1 1个或多个个或多个BHBH结构域。蛋白含有结构域。蛋白含有4 4个个Bcl-2Bcl-2
18、同同源结构域,依次命源结构域,依次命 名为名为BHlBHl、BH2BH2、BH3BH3和和BH4BH4。细胞凋亡的基因调控 Bcl-2 Bcl-2亚家族亚家族:Bcl-2 Bcl-xl Bcl-w、Mcl-1、A1。Bcl-2亚家族成员对细胞凋亡起抑制作用 BaxBax亚家族:亚家族:Bax、Bak、Bok,它们的作用与Bcl-2亚家族的作用相反,可促进细胞凋亡。BH3BH3亚家族:亚家族:Bik、Blk、Hrk、BNIP3、Biml、Bad、Bid;仅有BH3结构域。它们的作用也与Bcl-2亚家族的作用相反,可促进细胞凋亡。作用机制作用机制:影响APAF1的功能 影响线粒体的结构与功能 P5
19、3是肿瘤抑制基因,其产物主要存在于细胞核内。P53基因是人类肿瘤有关基因中突变频率最高的基因。在依赖P53蛋白的细胞凋亡中,P53基因是通过调节Bc1-2和Bax基因的表达来影响细胞凋亡的。P53蛋白能特异地抑制Bc1-2的表达,相反对Bax的表达则有明显的促进作用。研究表明,P53蛋白是Bax基因的直接的转录活化因子。在这些细胞中,P53蛋白的积累和活动引起了细胞凋亡。P53P53与细胞凋亡与细胞凋亡 IAP超家族的成员较多,如c-IAP1,c-IAP2,XIAP,NIAP 和Survivin,新的成员在不断的被发现。IAP家族成员有一个共同的特征,含有一个或多个个氨基酸的重复序列(BIR)
20、,类似于zinc指状的结构。c-IAP1、c-IAP2和 XIAP含有环指装结构。BIR功能域和之间的连接区域介导对caspase的抑制作用,而环指状结构则具有泛素化蛋白连接酶的作用,介导caspase-和-的泛素化降解作用。IAP IAP(Inhibitor of apoptosisInhibitor of apoptosis,细胞凋亡抑制因子)细胞凋亡抑制因子)Gene.2007 May 1;392(1-2):187-95.ApoptosisAssays细胞凋亡诱导剂n化学诱导剂nH2O2n化疗药物 n物理性因子n放射线nUVn生物因子n Anti-Fas TNF Trail细胞凋亡的形态
21、学变化细胞凋亡的形态学检测方法 n光学显微镜 n荧光显微镜(Hoechst33342,Hoechst33258,DAPI)n电子显微镜 光学显微镜观察荧光显微镜观察电子显微镜观察细胞凋亡的生物化学检测方法n磷脂酰丝氨酸外翻分析(Annexin V法)nTUNEL法nDNA片断化检测nDNA Ladder 测定nDNA含量分析 磷脂酰丝氨酸外翻分析(Annexin V法)不同凋亡阶段的区分不同凋亡阶段的区分不同凋亡阶段的区分不同凋亡阶段的区分流式细胞仪分析(FACS)流式细胞仪定量分析细胞凋亡流式细胞仪定量分析细胞凋亡流式细胞仪定量分析细胞凋亡流式细胞仪定量分析细胞凋亡荧光显微镜定性观察细胞凋亡
22、荧光显微镜定性观察细胞凋亡荧光显微镜定性观察细胞凋亡荧光显微镜定性观察细胞凋亡5.TUNEL法法 6.细胞凋亡中,染色体DNA双链断裂或单链断裂而产生大量的粘性3-OH末端,可在脱氧核糖核苷酸末端转移酶(TdT)的作用下,将脱氧核糖核苷酸和荧光素、过氧化物酶、碱性磷酸酶或生物素形成的衍生物标记到DNA的3-末端,从而可进行凋亡细胞的检测,这类方法称为脱氧核糖核苷酸末端转移酶介导的缺口末端标记法(terminal-deoxynucleotidyltransferasemediatednickendlabeling,TUNELTUNEL)。7.TUNEL法检测原理:凋亡产生的断裂的DNA-TdT酶
23、标记dUTP-Biotin-结合链霉亲和素-HRP-作用于底物DAB显色Tunel 原位凋亡检测试剂盒n检测方法石蜡包埋组织石蜡包埋组织切片切片冰冻组织切片冰冻组织切片固固 定定脱脱 蜡蜡水水 合合 样样本本通通透透性性的的促促进进(蛋蛋白白酶酶K或或Triton-100处处理理)TdT酶作用下酶作用下Biotin-dUTP与样本与样本DNA的标记反应的标记反应加入加入Streptavidin-HRPStreptavidin-HRP及底物及底物DABDAB的显色反应的显色反应 光学显微镜观察光学显微镜观察细细胞胞涂涂片片、贴贴壁细胞爬片壁细胞爬片Tunel 原位凋亡检测试剂盒n检测结果DNA
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- 研究进展 检测
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