果蝇    3天   家猫     10—12 狗     12 —15 

(Caenorhabditis elegans) 这种长不过1毫米的小生物有几个和人类关系密切的亲戚：蛔虫和蛲虫就是其中最大名鼎鼎的两个。 悉尼·布雷诺尔 秀丽广杆线虫 (Caenorhabditis elegans) 这种长不过1毫米的小生物有几个和人类关系密切的亲戚：蛔虫和蛲虫就是其中最大名鼎鼎的两个。

(1)线虫的生命周期很短，它从生到死的全过程只有3天半，这就使得不间断的观察并追踪每个细胞的演变成为可能。 (2)雌雄同体成虫成熟后含有959个体细胞和2000个生殖细胞(最常见) 雄性成虫则只有1031个体细胞和1000个生殖细胞(较少见) (3)再者个数量继续增长的时期，细胞最多时达到1090（雌雄同体，若是雄虫则为1179）。然而，我们前面已经提到，完全成熟的成虫只有959个细胞，那么，多出的131个细胞又到哪里去了？

Cell proliferation, Apoptosis, And The Related Diseases 第八章 细胞增殖和凋亡异常与疾病 Cell proliferation, Apoptosis, And The Related Diseases

第一节 细胞凋亡与疾病 APOPTOSIS AND DISEASE

一、细胞凋亡的概述 apoptosis

细胞凋亡(Apoptosis) 早在1972年Kerr等已发现从细胞形态、超微结构和生化变化等方面来分析，细胞有二种死亡形式： 细胞坏死（Necrosis）， 程序性细胞死亡（Programmed cell death）

THE 2002 NOBEL PRIZE WINNER 2002年10月7日英国人悉尼·布雷诺尔、美国人罗伯特·霍维茨和英国人约翰·苏尔斯顿，因在细胞程序性死亡方面的研究获诺贝尔诺贝尔生理与医学奖。

THE NOBEL DIPlOMA                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          

Sydney Brenner receiving his Nobel Prize from His Majesty the King at the Stockholm Concert Hall. Photo: Hans Mehlin, Nobel e-Museum

（一）细胞坏死(necrosis) 是细胞受到急性强力伤害时立即出现的反应 早期表现为细胞膜破坏，线粒体肿胀 溶酶体破裂,细胞内容物流出, 引起炎症

（二）细胞凋亡(apoptosis) 概念： 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。

例如 蝌蚪尾的消失 脊椎动物的神经系统的发育 发育过程中手和足的成形过程

细胞凋亡（科普诗） 似秋叶的凋零， 告别生命之辉煌； 那难以计数的攻击、诱导， 轻启着道道程序， 逼细胞步步走向生命的末端； 啊，活性氧处处肆虐， 钙波涛惊石裂岸， 线粒体把生命之光一点一点拧淡;

危难中的细胞啊， 你沉稳不乱， DNA片片切割， 化云梯直通天堂； 细胞体分团相聚， 把生命的凝重浓集在小体上； 分别了朝夕相处的伙伴， 再见了快乐美好的时光； 这一切的一切又融入临近的胞体， 腾出的空间再写生命的篇章。

细胞凋亡与细胞坏死的比较(一) 坏 死 凋 亡 1.性 质 病理性，非特异性 生理性/病理性，特异性 2.诱 因 强烈刺激，随机发生 坏 死 凋 亡 1.性 质 病理性，非特异性 生理性/病理性，特异性 2.诱 因 强烈刺激，随机发生 较弱刺激，非随机发生 3.基因调控 无 有 4.生化特点 被动过程 无新蛋白合成 不耗能 主动过程 有新蛋白合成 耗能

细胞凋亡与细胞坏死的比较(二) 坏 死 凋 亡 坏死是一件细胞谋杀案的话，那凋亡就是一桩自杀案。 5.形态改变 细胞肿胀 结构溶解，破坏 坏 死 凋 亡 5.形态改变 细胞肿胀 结构溶解，破坏 细胞皱缩，核固缩 胞膜/细胞器相对完整 6.凋亡小体 无 有 7.DNA变化 弥散性降解 电泳呈均一片状 片段化（180-200bp） 电泳呈“梯”状条带 8.溶酶体改变 破裂 相对完整 9.炎症反应 局部炎症反应 局部无炎症反应 坏死是一件细胞谋杀案的话，那凋亡就是一桩自杀案。

生理性细胞凋亡的作用 确保正常发育、生长 在器官、组织的形成、成熟中发挥作用 (细胞团 具备复杂结构的组织器官) 多余细胞的清除

生理性细胞凋亡的作用 维持内环境的稳定 发挥积极的防御作用 清除受损、衰老和突变的细胞 (针对自身抗原T细胞的清除、子宫内膜周期性剥脱) 病毒DNA

（一）细胞凋亡的过程 凋 亡 信 号 转 导 凋 亡 基 因 激 活 凋 亡 细 胞 清 除 死 亡 信 号 细 胞 凋 亡 凋 亡 诱 因 受体 cAMP Ca2+ 神经酰胺 DNase活化 Caspases活化 ↓ ∶ DNA片断 ↓ 凋亡小体形成 巨噬细胞 吞噬、分解

（二）凋亡时细胞的主要变化 1. 细胞凋亡的形态学改变 微绒毛消失 脱水 空泡化(blebbing) 固缩(condensation) 出芽(budding) 染色质边集(margination) 凋亡小体(apoptosis body)

凋亡细胞形态学改变

生化特徵： ①胞漿內Ca2 濃度升高。 ②細胞內活性氧增多。 ③質膜通透性變大。 ④DNA內切酶活性被激活升高，雙鏈DNA在核小體之間切斷形成~185bp為基數的有序片段。 ⑤Ⅱ型谷氨酰胺轉移酶和需鈣蛋白酶（Calpain）活性升高。

2. 细胞凋亡的生化改变 DNA的片段化 蛋白质的降解 28

典型凋亡细胞DNA琼脂糖凝胶电泳呈现梯状条带

① 核酸内切酶激活 Zn 2+ Ca 2+ /Mg 2+ DNA片断化

caspase激活 ② 灭活凋亡抑制物 水解活性蛋白 水解结构蛋白

③ 谷氨酰胺转移酶 凋亡小体形成

二、 细胞凋亡的调控

（一）凋亡信号 ㈠细胞凋亡相关因素 激素和生长 因子失衡 理化因素 诱导性因素 免疫性因素 微生物学因素 大量糖皮质激素 ↓ 淋巴细胞凋亡 射线/高温/强酸/强碱 /乙醇/抗癌药物 CTL分泌粒酶 HIV→CD4+细胞凋亡 激素和生长 因子失衡 理化因素 免疫性因素 微生物学因素 诱导性因素

抑制性因素 细胞凋亡相关因素 细胞因子 (IL-2/NGF) 激素 (ACTH/睾丸酮/雌激素) 金属阳离子 (Zn2+ ) 药物 (苯巴比妥/ 半胱氨酸酶抑制剂) 病毒 EB病毒/牛痘病毒

Thalidomide/沙立度胺/反应停 美国科学杂志《月球》列为20世纪十大科学错误之一“反应停”事件 Thalidomide/沙立度胺/反应停

巴里·夏普莱斯 威廉·诺尔斯 野依良治 2001年诺贝尔化学奖奖金的一半授予美国科学家威廉·诺尔斯与日本科学家野依良治，以表彰他们在“手性催化氢化反应”领域所作出的贡献；奖金另一半授予美国科学家巴里·夏普莱斯，以表彰他在“手性催化氧化反应”领域所取得的成就。

（二）细胞凋亡信号的转导 外源性途径 内源性途径

1.死亡受体介导的凋亡通路

Mitochondrial Pathway Death Receptor Pathway Hengartner, M.O. 2000. Nature. 407:770. Green, D. and Kroemer, G. 1998. Trends Cell Biol. 8:267. Mitochondrial Pathway Death Receptor Pathway FasL Caspase 3 D Fas/Apo1 /CD95 FADD Procaspase 8 Caspase 8 BID oxidants ceramide others Bcl-2 Cytochrome c dATP Procaspase 9 Apaf -1 Caspase 9 Procaspase 3 apoptosome DNA damage Cellular targets

2.线粒体介导的凋亡通路 (1)线粒体膜通透性转换(permeability transition, PT): (2)活性氧的作用: (3)细胞内Ca2+、pH改变:

线粒体内、外膜之间的通透性转换孔(permeability transition pore, PTP)开放；正常，绝大多数关闭

三、线粒体损伤 超微结构基本正常，功能明显↓： ①线粒体内膜通透性↑ ②跨膜电位（ΔΨm）↓ ③能量合成明显↓

Bcl-2 线粒体PTP开放 Apaf Cty.C 电子漏 Ca2 NO Ischemia Hypoxia Reactive oxygen Pro-caspase-9 Caspase-9 Pro-caspase-3 Caspase-3 AIF 蛋白质水解 Cellapoptosis Endogenous nuclease DNA断裂

线粒体Δ Ψm↓ PTP开放 Apaf+Cyt.C Bcl-2 ？ 线粒体Δ Ψm↓ PTP开放 Apaf+Cyt.C Caspase 抑制剂 Caspase 9活化 AIF Ca2+ Caspase-3活化 核酸内切酶激活 蛋白质水解 apoptosis DNA断裂

细胞凋亡 线粒体损伤 氧化损伤 钙稳态失衡 恶性网络假说(deleterious network hypothesis) Δ Ψm↓ PTP open AIF，Apaf 线粒体损伤 氧化损伤 钙稳态失衡 恶性网络假说(deleterious network hypothesis)

（三）细胞凋亡的执行

1. caspases 是一组对底物天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（cysteine-containing aspartate-spicific protease）至少有13个成员 “c”代表半胱氨酸蛋白酶 aspase特异切割底物的天冬氨酸后肽键的能力

(Ced-3/ ICE ) 同源性 Ced-3 （C.elegans Death Gene) 鼠的白细胞介素-1β转换酶 ICE (Interleukin-1 β converting enzyme, Caspase 1) (Ced-3/ ICE )

Ced-9= Bcl-2 inhibit apoptosis Bcl-2 is the mammalian homologue of CED-9, which is a negative regulator of CED-3. Bcl-2 and related family members, such as Bcl-xL, inhibit cell death induced by many stimuli.

Caspase 特点 (1) 它是一种半胱氨酸蛋白酶,半胱氨酸残基是其催化活性所必需的; (2) Caspase 在催化水解底物时,总是在天冬氨酸(Asp) 残基的C 端裂解底物,即Asp-x 肽键断裂;

(3) Caspase 酶原的活性很低,需要切除氨基端的一段序列才能被激活; (5) 正常情况下,细胞内Caspase与其抑制剂总是共存的,以免Caspase 酶原被意外激活,对正常细胞造成损伤。

3.其他 谷氨酰胺转移酶，酰基转移，共价键，骨架蛋白分子间交联，凋亡小体形成

㈢凋亡相关基因 Bcl-2 (B cell lymphoma/leukemia-2) 主要分布于线粒体内膜、细胞膜内表面 、核膜及部分内质网中。 广泛存在于造血细胞、上皮细胞、淋巴细胞、神经细胞及多种瘤细胞

BCL-2家族成员 基因产物 功 能 BCL-2 凋亡抑制剂，可和 B ax 及 Bak 结合 BCL- x 其 L 型抑制凋亡， S 型促进凋亡，与 CL-w 凋亡抑制剂 Bax 凋亡促进剂，可与 ， BCL-X EIB1 9 K ak 凋亡促进剂，亦可作抑制剂，可与 和 E1B19K MCL-1 ad 凋亡促进剂，与 CL-2 Ced-9 线虫中的凋亡抑制剂， 同源物 腺病毒凋亡抑制剂，与

Bcl-2抑制细胞凋亡 抗氧化 ↓促凋亡蛋白释放(细胞色素C、AIF) ↓促凋亡蛋白Bax/Bak的细胞毒作用 ↓凋亡蛋白酶(caspases)激活 维持细胞钙稳态 凋亡相关基因

P53 野生型P53(wtP53)诱导凋亡，突变后抑制凋亡 wtP53在G1期发挥卡点功能→有缺陷DNA→CIP表达→启动修复→失败→启动凋亡 CIP-----cyclin dependent kinase –interacting protein-1 P53 = molecular policeman? 凋亡相关基因

c-myc, bcl-x 促进增殖 c-myc(转录调节因子) 诱导凋亡 Bcl-XL →抑制凋亡 Bcl-x Bcl-Xs →促进凋亡 GF 凋亡相关基因

第四节 细胞凋亡与疾病

一、细胞凋亡不足 肿瘤 ※抑制凋亡基因过度表达 Bcl-2基因表达↑(前列腺癌、结肠癌) ※促凋亡基因突变或缺失 wtP53基因突变(小细胞肺癌、非小细胞 肺癌)

自身免疫病—胸腺负选择机制失调 T细胞在胸腺发育过程中的正负选择 正选择：与非已抗原-MHC抗原结合的TCR的单阳性细胞保留存活，进入外周T细胞库 负选择：与自身抗原-MHC抗原结合的TCR的双阳性细胞通过细胞凋亡被清除 负选择失调→多发性硬化症、胰岛素依赖性糖尿病、慢性甲状腺炎 细胞凋亡不足

二、细胞凋亡过度 心血管疾病 心肌缺血-再灌注损伤 心力衰竭 氧化应激/压力、容量负荷↑/神经-内分泌失调 机制 ①氧化应激：SOD可减轻 ②受体Fas上调：FasL反应 ③P53激活:卡点作用 心血管疾病 心肌缺血-再灌注损伤 ①缺血早期-凋亡为主 ②梗死灶周边-凋亡为主 ③轻度缺血-凋亡为主 ④发生缺血-再灌注损伤较单纯缺血凋亡严重 心力衰竭 氧化应激/压力、容量负荷↑/神经-内分泌失调 /TNF/缺血/缺氧→心肌细胞凋亡

神经元退行性疾病 阿尔茨海默氏病(Alzheimer’s disease, AD) β-淀粉样蛋白/钙超载/氧化应激/NGF↓→神经元凋亡 帕金森氏症(Parkinson’s disease) 多发性硬化症 细胞凋亡过度

病毒感染 AIDS 细胞凋亡过度

Gp120糖蛋白-CD4结合→ CD4+细胞凋亡 Fas基因表达↑ HIV -感染→ CD4+细胞→合胞体形成 T细胞激活→AICD 巨噬细胞→TNF分泌↑ HIV -感染→tat蛋白表达→ CD4+细胞 产生氧自由基

三、细胞凋亡不足与过度并存 动脉粥样硬化 氧化型LDL↑ 血小板激活 AgⅡ 高血压 内皮细胞凋亡↑ 平滑肌细胞增殖 平滑肌细胞凋亡

2，神经元退行性疾病： Alzheimer disease, Prakinson disease.

Alzheimer’s Disease Signs may include: • Memory loss, especially about recent events • Confusion about time and place • Poor judgement • Trouble learning new information • Changes in being able to do such things as drive, handle money, take medicine, cook, dress, and bathe

我国老年性痴呆的现状： “一高三低” 患病率高：589万（世界的1/4） 就诊率低、诊断率低、治疗率低

Alzheimer disease, AD 神经元丧失；海马及基底核的胆碱能神经元丧失达30%~50%，累及大脑皮层

AD机制：致病因素（如氧自由基）作用于神经元，Ca2+内流↑，激活有关基因，促使神经元内β-淀粉样蛋白含量↑从而导致凋亡

阿尔茨海默病(Alzheimer disease, AD)： Vit E 氧自由基 尼莫地平 Ca2+内流 β-淀粉样蛋白沉积 神经元凋亡

3． 病毒感染 HIV引起AIDS：CD 4 +细胞被选择性破坏

HIV引起CD4+细胞凋亡 细胞水平 CD4+ 合胞体 CD4+ 效靶效应（慢性感染） HIV Apoptosis body AICD Signal substance

HIV引起CD4+细胞凋亡 CD4+cell 受体、分子水平 gp120- R Fas-R M ROS tat Host cell TNF M ROS tat CD4+cell Host cell

4.细胞凋亡不足与过度并存: 动脉粥样硬化 内皮细胞凋亡过度 平滑肌细胞凋亡不足

细胞凋亡不足与过度并存 动脉粥样硬化 ( atherosclerosis, AS )： oxLDL ↑ activated plt ↑ Ag II hypertension 内皮凋亡↑ 平滑肌凋亡不足 （增殖↑>凋亡↑ ） 内皮屏障↓

第五节 细胞凋亡与疾病防治

一、合理利用凋亡因素 低剂量照射→急性T细胞性白血病 TNF-α→白血病细胞株U937 高温(43℃)→肿瘤 NGF→老年性痴呆 撤除雄激素→前列腺癌

二、干预凋亡信号转导 阿霉素→Fas/FasL表达↑→肿瘤细胞凋亡 SPP用于凋亡过度疾病(AIDS、老年性痴呆)

三、调节凋亡相关基因 基因转移 wtP53→P53基因突变肿瘤细胞 基因封闭 反义寡核苷酸→bcl-2表达 ×

四、控制凋亡相关酶的活性 核酸内切酶和caspases Ca 2+载体/阻断剂→核酸内切酶活性↑/↓ Zn 2+↑→caspases活性↓

五、防止线粒体跨膜电位的下降 环胞霉素 A N-methyl-Val-Cyclosporin

本章小结 1. 掌握细胞凋亡的概念 2. 掌握细胞凋亡的病理生理意义 3. 掌握细胞凋亡的主要变化、细胞凋亡 的调控 3. 掌握细胞凋亡的主要变化、细胞凋亡 的调控 4. 掌握细胞凋亡的发生机制。 5. 了解细胞凋亡的大致过程，了解凋亡不足、过度或并存的疾病，了解凋亡在疾病防治中的意义。