第九章 细胞凋亡与疾病 第一节 概 述 定义：由体内外因素触发细胞内预存的死亡程序而导致的细胞死亡过程称为细胞凋亡（又称为程序性细胞死亡） 第九章 细胞凋亡与疾病 第一节 概 述 定义：由体内外因素触发细胞内预存的死亡程序而导致的细胞死亡过程称为细胞凋亡（又称为程序性细胞死亡） 细胞凋亡(apoptosis)，是1972年由Kerr等建议用来描述伴随细胞死亡的一系列形态学上固定的变化形式的。“凋亡”一词来自希腊语，apo意为“分离”，ptosis指花瓣或树叶的脱落，“凋亡”是由这两个词组合而成，意指细胞凋亡的形态类似秋天花瓣或树叶的凋落一样

细胞死亡的形式 坏死 细胞死亡 凋亡 坏死: 活体组织细胞的死亡

细胞凋亡与坏死的比较： 坏死 凋亡 性质 诱导因素 生化特点 形态变化 DNA电泳 炎症反应 凋亡小体基因调控 病理性、非特异性 强烈刺激，随机发生 被动过程，无新蛋白合成 细胞肿胀、细胞结构全面溶解、破坏 弥散性降解，电泳呈均一DNA片状 溶酶体破裂，局部炎症反应 无 生理性或病理性，特异性 较弱刺激，非随机发生 主动过程，有新蛋白合成 胞膜及细胞器相对完整细胞 皱缩，核固缩 DNA片段化（180-200bp）电泳呈梯状条带 溶酶体相对完整，局部无炎反应 有

坏死

坏死炎细胞浸润

凋亡

研究简史 半个世纪前:人们就观察到生理自发退化死亡现象. 1965年:发育生物学家Lockshin和Williams首先提出了PCD（程序化死亡）一词，用于描述蛾的发育过程 1972年:Kerr等首次提出了细胞凋亡的概念 1977年:人们注意到在生理或病理性刺激条件下，淋巴细胞发育过程中的凋亡现象。 1980年:Wyllie研究胸腺细胞在糖皮质激素作用下引致的细胞凋亡变化，总结并建立了细胞凋亡的共同形态学特征，包括核固缩和DNA降解成寡核苷酸片段等 1989年: 0wen及其研究小组在研究胸腺细胞阴性选择过程中证明了信号传递物质对PCD的调控作用。 1991年:Ellis首先发现了线虫(C.elegans)体内Ced-3、4两个基因与PCD的发生密切相关，随后逐渐发现了多种参与PCD的正相调节基因和负相调节基因

细胞凋亡的生理病理意义： ①确保正常发育、生长：清除多余的、失去功能价值的细胞（指趾间组织细胞） ②维持内环境稳定：清除受损突变细胞，自身反应细胞，衰老细胞 ③发挥积极的防御功能：感染病毒细胞凋亡，阻止病毒复制

第二节 细胞凋亡的过程与调控 一、细胞凋亡的大致过程 凋亡大致可分为四个阶段： 凋亡信号转导 凋亡基因激活 细胞凋亡的执行 凋亡细胞的清除

凋亡的四个阶段： 凋亡基因激活 凋亡诱导因素 死亡信号 cAMP Ca2+ 神经酰胺 DNase激活 Caspase激活 巨噬细胞吞噬分解凋亡细胞 + 受体

凋亡过程Ⅰ 细胞膜 凋亡诱导因素 + 受体 cAMP 死亡信号 Ca2+ 神经酰胺 信号转导 凋亡相关基因激活 Dnase激活 apoptosis 凋亡诱导因素 + 凋亡过程与调控 细胞膜 受体 cAMP Ca2+ 神经酰胺 死亡信号 信号转导 凋亡相关基因激活 Dnase激活 Caspases激活 细胞核 凋亡过程Ⅰ

apoptosis 凋亡过程与调控 Caspases激活 DNase激活 凋亡细胞的清除 凋亡执行 凋亡过程Ⅱ

二、凋亡时细胞的主要变化 （一）细胞凋亡的形态学改变 细胞凋亡的特征是细胞首先变圆,随即与邻周细胞脱离,失去微绒毛,胞浆浓缩,内质网扩张呈泡状并与细胞膜融合,核染色质密度增高呈半月形,并凝聚在核膜周边,核仁裂解,进而细胞膜内陷将细胞自行分割为多个外有膜包裹、内涵物不外泄的细胞凋亡小体，被吞噬细胞或邻周细胞所识别、吞噬,或自然脱落而离开生物。不引起炎症反应和次级损伤。

apoptosis 凋亡过程与调控 形态学特征： 固缩 空泡化 出芽 边集 凋亡小体 凋亡时细胞的形态学改变

染色质边集

嗜酸性变及嗜酸性小体 肝细胞体积缩小，胞浆浓缩红染，呈嗜酸性变；或胞浆进一步浓缩，细胞变圆，核碎裂、溶解消失，呈嗜酸性小体状 嗜酸性小体(凋亡)

（二）细胞凋亡的生化改变 DNA片段化：形成180-200bp或整数倍的片段,在琼脂糖凝胶电泳中可呈特征性的“梯状”条带，是判断凋亡发生的客观指标之一。

内源性核酸内切酶激活及其作用：内源性核酸内切酶在核小体连接部切断DNA双链。 凋亡诱导因素→细胞内信号转导 无活性内源性核酸内切酶 活性内源性核酸内切酶 →核小体连接部切断DNA双链→电泳呈特征性的“梯状”条带 Ca++Mg++激活 Zn++抑制

Caspase的激活及其作用： Caspase（含半胱氨酸的门冬氨酸特异水解酶）：一组对底物门冬氨酸部位有特异水解作用，其活性中心富含半胱氨酸的蛋白酶 主要作用： ①灭活细胞凋亡抑制物（Bcl-2） ②水解蛋白质结构，导致细胞解体，形成凋亡小体 ③水解级联反应相关活性蛋白，使之获得或丧失某种生物学功能

Caspase的作用

三．细胞凋亡的调控 （一）细胞凋亡的相关因素 1. 诱导性因素 激素和生长因子失衡：缺乏（IL-2↓，淋巴细胞凋亡）或过多（糖皮质激素↑，淋巴细胞凋亡） 理化因素：射线、高温、强酸、强碱、乙醇、抗癌药物等 免疫性因素：如，CTL分泌粒酶→靶细胞凋亡 微生物因素：细菌、病毒及毒素。（HIV）

抑制性因素： （1）细胞因子：IL-2、神经营养因子 （2）激素：ACTH、睾丸酮、雌激素等 （3）二价金属阳离子：Zn2+ (4) 药物：苯巴比妥、半胱氨酸蛋白酶抑制剂、中性氨基酸 （5）病毒：EB病毒、牛痘病毒CrmA

(二)细胞凋亡信号转导 凋亡信号转导系统是连接凋亡诱导因素与核DNA片段化断裂及细胞结构蛋白降解的中间环节。 凋亡信号转导系统的特点： ①多样性：不同种类细胞有不同系统 ②耦联性：凋亡与增殖分化系统在某些环节耦联， 同一因素既可引起凋亡也可引起增殖 ③同一性：不同凋亡诱导因素可通过同一信号转导系统 ④多途性：同一凋亡诱导因素可通过不同信号转导系统

研究较多的系统： 1．胞内Ca2+信号系统（Ca2+为第二信使） 依据： ①细胞凋亡时胞内游离Ca2+浓度显著上升 ②用Ca2+载体A23187人为升高B淋巴细胞Ca2+水平，B淋巴细胞凋亡 ③用Ca2+络合剂降低胞内Ca2+水平，阻止细胞凋亡 激活Ca2+依赖谷氨酰胺转移酶 Ca2+↑ 活化核转录因子

2．cAMP/PKA信号系统（cAMP为第二信使） 依据： ①双丁酰cAMP可引起培养的髓样白血病细胞及胸腺细胞凋亡 ②糖皮质激素使cAMP上升 cAMP↑→激活PKA→使靶蛋白某些氨基酸（苏、丝AA）残基磷酸化→改变蛋白质功能

3．Fas蛋白/Fas配体信号系统 Fas蛋白：细胞膜跨膜蛋白 Fas蛋白+Fas配体（抗Fas）→细胞凋亡 机制： ①Fas蛋白+Fas配体（抗Fas）→神经鞘磷脂酶活性↑→产生神经酰胺→蛋白激酶激活→细胞凋亡 ②Fas蛋白+抗Fas、TNF →激活ICE样caspase →降解H1组蛋白→染色体松驰→DNA暴露内切酶位点 ③通过Ca2+信号系统传递死亡信息引起细胞凋亡

4．神经酰胺信号系统 神经酰胺：神经鞘磷脂（SM）在神经鞘磷脂酶的作用下产生的一类新型第二信使物质。 介导细胞凋亡的依据：用天然神经酰胺处理u937白血病细胞，诱导细胞凋亡 神经酰胺途径相关诱因：电离辐射、TNF-α、Fas抗原、糖皮质激素

5．二酰甘油/蛋白激酶C（PKC）信号系统 依据： ①活化的PKCβ1可诱导u937白血病细胞凋亡 ②抑制PKC活性可抑制糖皮质激素诱导的小鼠胸腺细胞凋亡 ③PKC激动剂佛波脂可抑制某些类型细胞凋亡（糖皮质激素、T细胞受体激活、IL-2撤除）

6．酪氨酸蛋白激酶系统 生长因子或细胞因子→激活酪氨酸蛋白激酶→靶蛋白酪氨酸磷酸化→Ras蛋白激活→通过Raf-1、MAPKK、MAPK→蛋白质磷酸化→细胞分化 生长因子或细胞因子撤除→不能激活酪氨酸蛋白激酶系统→细胞凋亡

（三）凋亡相关基因 三类： 抑制凋亡基因：Bcl-2、EIB、IAP 促进凋亡基因：P53、Bax、ICE 双向调节基因：c-myc、Bclx

Bcl-2蛋白：229个氨基酸（人）、236个氨基酸（小鼠） 分布：线粒体内膜、细胞膜内膜、内质网、核膜 (B细胞淋巴瘤/白血病-2[B cell lymphoma / leukemia-2]基因的缩写) Bcl-2蛋白：229个氨基酸（人）、236个氨基酸（小鼠） 分布：线粒体内膜、细胞膜内膜、内质网、核膜 作用：Bcl-2高表达能阻抑多种凋亡诱导因素所引起的细胞凋亡 依据： ①导入Bcl-2基因质粒可防止神经细胞因撤除神经生长因子所诱导的凋亡 ②淋巴细胞有20%呈Bcl-2阳性时，预后不佳（耐受放射线、抗癌药物）

Bcl-2抗凋亡作用机制： ①直接的抗氧化作用 ②抑制线粒体释放促凋亡蛋白质（细胞色素C、AIF） ③抑制促凋亡性调节蛋白质Bax、Bak的细胞毒作用 ④抑制凋亡蛋白酶（caspases）的激活 ⑤维持细胞钙稳态

2.P53 作用： 野生型（wtP53）：DNA结合蛋白，诱导细胞凋亡（“分子警察”） 突变型（mtP53） ：抑制细胞凋亡 野生型P53的作用机制：P53蛋白→细胞周期G1期检查染色体DNA损伤（检查点功能）→发现DNA损伤→剌激CIP的表达→阻止细胞进入下一周期，启动DNA修复机制→修复失败→启动细胞凋亡机制→细胞凋亡

3.c-myc,Bcl-x c-myc: 一种癌基因，它能诱导增殖，也能诱导细胞凋亡，具有双向调节作用。 作用机制：c-myc蛋白为重要的转录调节因子，既可介导细胞增殖的基因，也可激活介导细胞凋亡的基因，其作用取决于细胞接受何种信号及细胞的生长环境（有生长因子→增殖，无生长因子→凋亡）。 Bcl-x：能翻译Bcl-XL和Bcl-Xs两种蛋白，Bcl-XL蛋白抑制细胞凋亡，Bcl-Xs蛋白促进细胞凋亡（合成以谁为主）

第三节 细胞凋亡的发生机制 一、氧化损伤 氧化损伤的后果之一：细胞凋亡 依据： ①各种氧化剂（H2O2）可直接诱导细胞凋亡 ②抑制超氧化物歧化酶（SOD）活性可诱导细胞凋亡 ③抗氧化剂（VitE、胡萝卜素等）可阻断有氧化应激背景的各种凋亡诱导因素（TNF-а、电离辐射）引起的细胞凋亡

氧化损伤引起细胞凋亡的可能机制： ①引起DNA损伤，激活P53基因 ②引起DNA损伤，活化多聚ADP核糖合成酶，耗竭辅酶Ⅰ(NAD)，消耗大量ATP ③攻击细胞膜不饱和脂肪酸，脂质过氧化，细胞膜损伤或产生过氧羟基24碳四烯酸 ④激活Ca2+/Mg2+依赖的核酸内切酶 ⑤细胞膜损伤，Ca2+内流增多及损伤线粒体，通透性增加膜电位改变 ⑥活化核转录因子NF-кB、AP-1，加速凋亡相关基因表达

二、钙稳态失衡 细胞钙稳态失衡是细胞凋亡的重要机机制之一 依据： ①各种凋亡刺激所引起的凋亡是钙依赖过程 ②凋亡发生时胞浆Ca2+浓度显著上升，并在随后的一系列凋亡改变中起关键性作用（核酸内切酶激活、需钙蛋白酶、磷脂酶、谷氨酰胺转移酶的激活，细胞膜的空泡化） ③钙稳态失衡参与多种凋亡相关疾病的发病（神经退行性疾病）

钙稳态失衡引起细胞凋亡的可能机制： ①激活Ca2+/Mg2+依赖的核酸内切酶，降解DNA链 ②激活谷氨酰胺转移酶，催化肽链间的酰基转移酶，肽链间形成共价键，使细胞骨架蛋白分子间发生广泛交联，有利于凋亡小体形成 ③激活核转录因子，加速凋亡相关基因表达 ④Ca2+在ATP的配合下使DNA链舒展，暴露核小体之间的连接区内的酶切位点，有利于DNA内切酶切割DNA

三、线粒体损伤 线粒体的改变：线粒体内膜通透性增大，线粒体内膜跨膜电位（△ψm）下降，能量代谢水平显著降低 线粒体改变在细胞凋亡发生中起关键作用 依据： ①抑制线粒体的三羧酸循环或呼吸链功能可诱导细胞凋亡 ②在细胞核出现凋亡改变之前，常先有线粒体内膜跨膜电位（△ψm）下降 ③阻止线粒体通透性的改变，可防止细胞凋亡（Bcl-2）

线粒体改变引起细胞凋亡的机制： Ca2+ NO 缺血 原卟啉Ⅸ 活性氧 线粒体△ψm下降 PTP开放 Apaf+Cyt.C Bcl-2 (-) Ca2+ NO 缺血 原卟啉Ⅸ 活性氧 线粒体△ψm下降 PTP开放 Apaf+Cyt.C (+) Caspase-9酶原 Caspase-9 (+) Caspase-3酶原 Caspase-3 (-) Caspase抑制剂 AIF (+) 蛋白质水解 细胞凋亡 (+) 无活性核酸内切酶 核酸内切酶激活 DNA断裂

第四节 细胞凋亡与疾病 一、细胞凋亡不足 （一）肿瘤 第四节 细胞凋亡与疾病 一、细胞凋亡不足 （一）肿瘤 发生机制：目前认为：细胞增殖过度是肿瘤发病的一个途径，凋亡受抑、细胞死亡不足是肿瘤发病的另一途径，结果导致病变组织内肿瘤细胞存活延长，存活大于死亡，肿瘤细胞数目净增长加大，形成新生物。 凋亡受抑的依据： ①多种肿瘤组织中Bcl-2表达显著高于周围组织 ②许多肿瘤P53发生突变，突变型P53抑制细胞凋亡（肺小细胞癌等）

（二）自身免疫病 发生机制：从细胞凋亡角度看自身免疫病的发病是由于细胞凋亡不足，未能有效清除自身免疫性T细胞所致。 依据：糖皮质激素能诱导淋巴细胞凋亡，为治疗自身免疫病的有效药物之一。

二、细胞凋亡过度 （一）心血管疾病 1．心肌缺血与心肌缺血-再灌注损伤 目前认为：心肌缺血与心肌缺血-再灌注损伤造成的心肌细胞损伤不但有坏死，也有细胞凋亡（干预靶点）。 细胞凋亡的特点： ①缺血早期以细胞凋亡为主，晚期以细胞坏死为主 ②梗死灶中央通常以坏死为主，周边部分以细胞凋亡为主 ③轻度缺血以细胞凋亡为主，重度缺血通常以坏死为主

④在一定的时间范围内，缺血-再灌注损伤时发生的细胞凋亡比同时间的单纯缺血更严重 ⑤急性、严重的心肌缺血以坏死为主，慢性、轻度的心肌缺血以细胞凋亡为主 细胞凋亡的机制： ①氧化应激有关（SOD可减少细胞凋亡） ②Fas上调通过与FasL反应导致细胞凋亡 ③与P53基因激活有关（缺氧可增加P53基因的转录）

2．心力衰竭 细胞凋亡与心力衰竭的关系：心肌细胞凋亡造成心肌细胞数量减少可能是心力衰竭发生发展的原因之一。 依据： ①在压力负荷过重引起的心力衰竭动物模形上观察到左室心肌肥大的同时，心肌细胞数量减少，经分析是由细胞凋亡造成 ②心衰病人心肌标本，心肌凋亡指数高达35.5%，对照组为0.2-0.4% 诱因：氧化应激、压力或容量负荷过重、神经-内分泌失调、细胞因子、缺血缺氧。

在神经系统疾病中有一类以特定神经元进行性丧失为其病理特征的疾病：阿尔茨海默氏病（AD），帕金森氏病，多发性硬化症 （二）神经元退行性疾病 在神经系统疾病中有一类以特定神经元进行性丧失为其病理特征的疾病：阿尔茨海默氏病（AD），帕金森氏病，多发性硬化症 举例：阿尔茨海默氏病（AD）与细胞凋亡的关系：AD患者的尸检发现，海马及基底神经核的胆碱能神经元丧失达30-50%，有时高达90%，大脑皮质也有不同程度的神经元丧失，大脑皮质出现广泛萎缩，脑沟变宽，脑回变窄，脑室扩大。

诱因：β-淀粉样蛋白、钙超载、氧化应激、神经生长因子分泌不足 可能机制： 致病因素（如：氧自由基）→神经元Ca2+内流↑→β-淀粉样蛋白合成相关基因激活→β-淀粉样蛋白↑→神经细胞凋亡

（三）病毒感染__获得性人类免疫缺陷病（AIDS） 发病机制：HIV感染→CD4+淋巴细胞→CD4+淋巴细胞显著↓→免疫功能缺陷 细胞凋亡相关因素： ①gp120糖蛋白：gp120糖蛋白+受体→细胞凋亡 ②合胞体形成：HIV感染→合胞体形成→细胞凋亡 ③Fas基因表达上调：HIV感染→Fas基因表达上调→Fas+ FasL→细胞凋亡

④T细胞激活：HIV感染→CD4+细胞激活→生长因子缺乏→细胞凋亡 ⑤细胞因子：HIV感染→TNF↑→TNF + TNFR-1→细胞凋亡 ⑥tat蛋白：HIV感染→产生tat蛋白→CD4+淋巴细胞→诱导产生氧自由基和Fas基因表达上调→Fas+ FasL→细胞凋亡 ⑦HIV慢性感染→CD4+（HIV-）淋巴细胞攻击CD4+（HIV+）淋巴细胞→细胞凋亡

三、细胞凋亡不足与过度并存 动脉粥样硬化症：内皮细胞凋亡过度，平滑肌细胞凋亡不足 依据： 内皮细胞凋亡过度： ①LDL升高、血小板激活、AgⅡ、高血压可引起内皮细胞凋亡 ②检测粥样硬化的冠状动脉，病变部位内皮细胞凋亡达34%，远高于对照8% 平滑肌细胞凋亡不足： 平滑肌细胞凋亡增多，但仅为增殖细胞的75%，细胞凋亡相对不足。

第五节 细胞凋亡在疾病防治中的意义 一、合理利用凋亡相关因素 二、干预凋亡信号转导 三、调节凋亡相关基因 四、控制凋亡相关的酶 第五节 细胞凋亡在疾病防治中的意义 一、合理利用凋亡相关因素 二、干预凋亡信号转导 三、调节凋亡相关基因 四、控制凋亡相关的酶 五、防止线粒体跨膜电位的下降