Download
1 / 110
1.1k likes | 1.37k Vues
细胞凋亡. 细胞凋亡 Cellular Apoptosis 一、概论. 随着生物学研究的深入，生物学家越来越意识到细胞死亡，特别是细胞凋亡具有特殊的生物学意义，对于一个多细胞生物来说，要维持完整性和保持平衡性，凋亡是一个非常重要的生物学过程。多细胞生物的诞生、生长、发育、存活以及死亡，无一不伴随着细胞凋亡过程。.
E N D
细胞凋亡 Cellular Apoptosis 一、概论 随着生物学研究的深入，生物学家越来越意识到细胞死亡，特别是细胞凋亡具有特殊的生物学意义，对于一个多细胞生物来说，要维持完整性和保持平衡性，凋亡是一个非常重要的生物学过程。多细胞生物的诞生、生长、发育、存活以及死亡，无一不伴随着细胞凋亡过程。
细胞死亡是组织病理学的中心议题，细胞死亡现象也是生命新陈代谢的固有本质。例如胚胎发育(embryonic development)正常组织更新（Normal tissue turnover），以及在增殖淋巴细胞群体中选择适当的克隆（selection of appropriate clones ），这种细胞生理性死亡是种系发育史中早就存在的，有利于动物发育中的许多生命功能。
1972年Keer根据细胞发生了与坏死完全不一样的死亡过程而提出了细胞凋亡（Apoptosis）的概念。 80年代末，细胞凋亡成为新的医学研究热点。 正是由于发现了细胞凋亡的规律，三位科学家获得了2002年的诺贝尔医学或生理学奖。他们是英国的西德尼•布伦纳、美国的 H•罗伯特•霍维茨和英国的约翰• E•苏尔斯顿。
二、凋亡概念： 细胞凋亡是细胞循自身程序结束其生命的主动死亡的过程，具有特征的形态和生化改变，是由基因控制的个别细胞发生的自主有序的死亡。即是由基因控制细胞有目的，有选择性的自我消亡过程，这种淘汰机制是保证生命进化的基础。
三、 凋亡的形态特征 凋亡发生的过程表现为细胞死亡（dying process）和被清除(elimination process) （细胞缩小→致密染色质边集→核碎片→凋亡小体） 1、丧失了特殊的表面结构（微绒毛等）和接触区，形成光滑的轮廓，从周围活细胞中分离出来； 2、细胞缩小：①胞浆细胞器集中（squeeze） ②胞膜出芽或起泡（bleb） ③细胞皱缩（shrinkage）；
3、保持胞浆细胞器完整性 扫描电镜下，细胞表面呈奇特火山口样外观，①线粒体不肿胀，内膜不破裂；②短暂滑面内质网（SEN）扩张，扩张间隙与细胞表面融合；③有时有聚积排例的半结晶状核糖体；④可有与细胞表面平行的微丝束。 4、形成调亡小体（Apoptotic bodies） 由凋亡细胞裂解为若干个由质膜包绕的小体，每个凋亡小体有自己的一簇细胞器。周围不引起炎症反应。
5、核内染色质结构改变（这是最引人注意的改变）5、核内染色质结构改变（这是最引人注意的改变） 染色质（chromatin）凝集于核膜下表现为： ①核质固缩（condenation）； ②边集（margination）； ③核浆紧实（compaction）； ④核膜皱折（fold）。
6、凋亡细胞、凋亡小体被识别与吞噬： 凋亡细胞或凋亡小体迅速被吞噬 同质或异质细胞 吞噬体（phagosome） 进一步变性 溶酶体残留小体（lysosomal residual bodies） 偶尔凋亡小体逃避被吞噬，如凋亡的导管上皮掉入管腔。
几点说明： 1、形态学改变告诉我们凋亡细胞发生早期细胞体积缩小（<50%）密度增加，胞浆细胞器保留完整，说明细胞是有选择性的丧失了水和电解质，而较致密的结构成分得以保留下来，这种水分的迅速输出可能在内质网，使之在与细胞表面融合前呈短暂性扩张。
2.胞浆胞核冒泡的机制还不十分清楚，Fesus发现在这个时相中，转谷氨酰胺酶（trangluamirase）活性可在受损细胞中检测到，转谷氨酰胺酶是交联蛋白酶，能使蛋白质成为不溶解的，具有高度化学上变质的一种化学剂，在凋亡细胞膜下构成一层由转谷氨酰胺酶化的蛋白质僵硬壳，这就很容易引起某些细胞的形态改变，并与凋亡细胞体积缩小和不溶解性有关。
3、凋亡细胞、凋亡小体被邻近特殊吞噬细胞或其它细胞识别与吞噬，需要一种特殊的非免疫性识别机制，最近发现吞噬细胞上至少有三类受体，凋亡细胞上出现有相应的凋亡标记，介导两者相互应答反应。3、凋亡细胞、凋亡小体被邻近特殊吞噬细胞或其它细胞识别与吞噬，需要一种特殊的非免疫性识别机制，最近发现吞噬细胞上至少有三类受体，凋亡细胞上出现有相应的凋亡标记，介导两者相互应答反应。
①凋亡细胞表面膜结构改变，表面糖蛋白失去唾液酸侧键，使原来处于隐蔽状态的单糖暴露出来，与吞噬细胞表面的植物凝集素结合被吞噬。①凋亡细胞表面膜结构改变，表面糖蛋白失去唾液酸侧键，使原来处于隐蔽状态的单糖暴露出来，与吞噬细胞表面的植物凝集素结合被吞噬。 ②细胞膜内侧的磷脂酰丝氨酸翻露到细胞外，被吞噬细胞表面相应的受体识别、吞噬。 ③吞噬细胞可以分泌一种物质即血栓连接素（thrombospoudin），在血小板、巨噬细胞、内皮细胞、纤维母细胞中可粘附FN、纤维蛋白原和糖蛋白。 ④ 介导多种细胞表面的蛋白多糖、硫酸脂等受体与凋亡小体表面的相应成分结合而将之吞噬。
4、定时电动摄像研究发现，凋亡发生开始得很突然，受致死刺激后不久，被攻击的细胞突然皱缩,冒泡并凋亡，这时期仅仅持续数分钟，然后产生皱缩的凋亡小体。凋亡小体一旦形成，停留在组织中被辩认出来的时间约4-9小时，这段时间与巨噬细胞在体内吞噬大生物结构完全被降解的时间相符，由于这一过程很短，因此在组织切片中，所见到的凋亡小体即便是少量的增加，也可能隐藏着较大的细胞丧失率，例如在历经3天细胞数目已丧失一半的萎缩组织中，这时在光镜下见到的凋亡小体数还不到细胞总数的5%。4、定时电动摄像研究发现，凋亡发生开始得很突然，受致死刺激后不久，被攻击的细胞突然皱缩,冒泡并凋亡，这时期仅仅持续数分钟，然后产生皱缩的凋亡小体。凋亡小体一旦形成，停留在组织中被辩认出来的时间约4-9小时，这段时间与巨噬细胞在体内吞噬大生物结构完全被降解的时间相符，由于这一过程很短，因此在组织切片中，所见到的凋亡小体即便是少量的增加，也可能隐藏着较大的细胞丧失率，例如在历经3天细胞数目已丧失一半的萎缩组织中，这时在光镜下见到的凋亡小体数还不到细胞总数的5%。
凋亡发生迅速，在几小时内即完成主要的二个阶段：细胞死亡阶段（the dying process）和细胞被清除过程（the elimination process）。凋亡细胞迅速被吞噬，其空隙由周围细胞来填充，因此不留痕迹，凋亡小体的完整膜，使之缺乏炎症反应。
5、尽管凋亡对细胞死亡来说是非常有意义的生物行为，但仍含糊不清的概念，其后果是凋亡表现在不同组织中，有不同的名称，如：5、尽管凋亡对细胞死亡来说是非常有意义的生物行为，但仍含糊不清的概念，其后果是凋亡表现在不同组织中，有不同的名称，如： ①着色体的巨噬细胞（tingible body macrophages）在淋巴滤泡生发中心中存在的含有凋亡淋巴细胞的巨噬细胞； ②civattebodies在牛皮癣时所见到的凋亡性角化细胞; ③councilman bodies凋亡的肝细胞等。
civattebodies在牛皮癣时所见到的凋亡性角化细胞civattebodies在牛皮癣时所见到的凋亡性角化细胞
镜下 肝细胞嗜酸性小体 H.E 10 × 50
镜下 凋亡小体 apoptotic body H.E 10 × 40
四、凋亡发生的机制 主要通过受体介导的信号途径（receptor-mediated cellular signalling pathways）诱导细胞凋亡因子或刺激因素通过第二信使系统传递信号，信号传递途径决定了细胞的命运。 核酸内切酶 180-200bpDNA片段 各种内源性 细胞内钙离子浓度增加 蛋白酶 细胞骨架崩解 细胞皱缩 和外源性刺激 （细胞内降解级联） 转谷氨酰胺酶 胞浆蛋白交联 细胞固缩
1、核酸内切酶（endonuclease）的活化将DNA在核小体间连接区（internucleosomal linkage region） 切成缺口(Nick),使核内DNA断成片断，而胞浆DNA保留完好。DNA断点都是规律性的发生于核小体之间，因此出现180-200bp及其倍数的DNA片段。 2、组织转谷氨酰胺酶（tissue tranglutaninase TTG)活化催化εlr-谷氨酰赖氨酸交联形成僵硬而不溶性蛋白，在老化与终末分化的角化上皮中TTG活化形成包鞘蛋白（involucrin)，这些蛋白可以网络住细胞内细胞器等容物，不易溢出。
3、钙依赖蛋白酶（calcium-dependent proteinase)活化破坏细胞骨架结构，形成细胞表面泡状起。 如果阻断胞浆钙浓度可以抑制凋亡发生，增加胞浆钙浓度可以促进凋亡。 所谓自发性（spontaneous）凋亡的发生，是组织内区域对各种致畸物（teratogen）异体生物素（Xenobiotics）十分敏感，这也是细胞衰老的特征，是对许多损伤性刺激的极度脆性。所以在生化水平上凋亡细胞可以发生一系列基因表达和蛋白合成。
细胞凋亡的途径 来自细胞内外的各种信号可诱导不同的细胞发生凋亡，但凋亡的不同类型细胞却呈现一致的特征性形态和生化改变，这些改变由半胱氨酸蛋白酶家族(caspases)蛋白降解所造成。 按启动caspase酶和信号转导机制的不同，将凋亡的发生分为两条途径： 外源性：即死亡受体（death receptor，DR）介导途径； 内源性：也称为线粒体介导途径。 它们通过一系列分子和生物化学途径导致两个途径共同的“中央处理器”分子即caspase的活化，并诱导许多细胞核和细胞浆内相关底物的降解。
1、外源性途径及其主要成分的结构、功能与激活1、外源性途径及其主要成分的结构、功能与激活 ⑴死亡配体（death ligands）结合DR而促发的凋亡，这些配体包括TNF，FasL，TRAIL，Apo3L，也称为死亡因子，相应的死亡受体包括TNF-R，Fas，CD40，OX40，4-1BB，它们胞内区都具有一约80个氨基酸残基组成的保守的蛋白结合域，是传导细胞死亡信号所必须的，称之为死亡功能域(death domain，DD)
Fas/FasL系统 FasL与Fas结合可以导致Fas胞内的死亡域形成三聚体而活化，并引起与之结合的FADD构象改变，使caspase-8前体激活，从而激发一系列下游的caspase级联反应，诱发细胞凋亡。这是一条基本的通过DD和FADD的细胞凋亡调控途径。Fas L和Fas系统除了大家已熟知的诱导死亡的功能外，还有导致细胞活化和增生的功能 。
⑶ 肿瘤坏死因子（TNF）系统 TNF是由157个氨基酸亚单位组成的同源三聚体，主要是由因为感染而活化的巨噬细胞和T细胞产生， 通过TNF-R1， TNF可以诱导细胞凋亡。 TNF三聚体与TNF-R1的胞外功能域结合，启动信号转导，募集TNF - R1 启动的信号转导中的关键酶与蛋白结构域的活化。
2、线粒体途径及其主要成分的结构、功能与激活2、线粒体途径及其主要成分的结构、功能与激活 ⑴ 线粒体结构及基本激活途径 启动凋亡的关键因素是线粒体功能紊乱。线粒体是双层膜包裹的囊状结构其上含有丰富的腺苷酸载体(adenine nucleotide transporter，ANT)、电压依赖性离子通道(voltage-dependent anion channel，VDAC)、bcl-2分子等。外膜通透性较大，容许分子量在15KD以下的物质自由通过，内膜通透性小，大于1.5KD物质不易通过。该双层膜通透性的改变在细胞凋亡中起重要作用，而外膜通透性改变与内膜相比更具有凋亡特征。
线粒体调节细胞凋亡有3 种机制: ①线粒体电子传递与能量代谢的破坏; ②细胞氧化状态的改变; ③线粒体膜通透性改变导致介导细胞凋亡的分子的释放。
线粒体膜通透性的改变可释放多种分子启动凋亡线粒体膜通透性的改变可释放多种分子启动凋亡 caspase 前体 细胞色素c（Cyt-c，caspase的激活剂) 第二个线粒体来源促凋亡的caspases激活剂/低等电点的直接结合IAP蛋白(Smac/Diablo ，caspase 的协同激活剂) 凋亡诱导因子(apoptosis inducing factor，AIF，激活核酸酶裂解DNA成小片段)、 凋亡蛋白抑制剂(inhibitor of apoptosis proteins，IAP，caspase的直接抑制剂)、 内核酸酶-G(endonuclease G) 等。
⑵ 细胞色素c （Cyt-c） Cyt-c是线粒体呼吸链的重要组成之一。 细胞损伤后，线粒体膜通透性增高是释放Cyt-c，并与细胞凋亡激活因子1(apoptotic protease activating factor 1，Apaf-1，线虫ced-4的同源物) 结合，并活化caspase-9前体，进而激活caspase-3，引发caspases级联反应，从而诱发细胞凋亡。 在脊椎动物细胞凋亡过程中， 线粒体被认为是处于凋亡调控的中心位置。
⑶ 凋亡体( apoptosome) 凋亡体也称为死亡复合体(death complexes)，是细胞线粒体对凋亡性死亡作出反应的关键步骤，它是由线粒体通透性增高而释放的某些线粒体蛋白如Cyt-c、Smac/Diablo等启动的，由Cyt-c和Apaf-1形成七聚体的凋亡体(heptameric apoptosome)，再通过它的caspase募集功能域(caspase recruitment domain，CARD)募集并激活caspase-9前体，激活caspase-3，caspase-6，caspase-7，使凋亡达到了顶峰。
六、凋亡与增生、萎缩 在静止细胞和终末期细胞中诱导细胞凋亡是困难的，因为细胞内不出现凋亡分子，细胞凋亡分子不会在所有的细胞类型和内环境稳定的条件下出现。
2、细胞因子（Cytokines）的作用: 细胞因子是由多种细胞合成和释放的，是有生物活性的蛋白和多肽之统称。主要有5类： （1）、生长因子（growth factors）； （2）、克隆刺激因子（colony stimulating factors） （3）、白介素 （interleukin）； （4）、肿瘤坏死因子（tumor necrosis fctors TNF） （5）、干扰素 （interferon）。
七、凋亡与炎症 炎症的基本病变中，渗出是最重要的，没有渗出就不称为炎症。炎症时从血管渗出的中性白细胞，在病灶中完成抗炎功能后，不能重回血管，需要启动细胞凋亡的机制，使炎症终止。 创口修复中的肉芽组织，成纤维细胞增生与胶原分泌，以及随后纤维母细胞转变为纤维细胞，及疤痕形成，凋亡机制也可能参与愈合。
研究自身免疫性疾病、病毒感染中自身反应性T、B淋巴细胞、对某些病毒感染细胞、细胞毒性靶细胞和一些肿瘤细胞，通过凋亡的方式，来清除与消退。研究自身免疫性疾病、病毒感染中自身反应性T、B淋巴细胞、对某些病毒感染细胞、细胞毒性靶细胞和一些肿瘤细胞，通过凋亡的方式，来清除与消退。 淋巴细胞发育成熟过程中，约有95%的细胞发生凋亡，TC抗原受体（TCR）基因发生重排时，TCR基因某一连接点上发生等位基因无意义突变，细胞即走向凋亡。即使产生正确TCR分子的细胞还必须经过进一步的严格选择机制，使可能导致自身免疫性疾病的细胞凋亡，这就是胸腺的阴性选择机制。
B淋巴细胞的发育过程与TC相似，编码免疫球蛋白的基因片断要经过基因重排，才能在细胞表面产生独特的个体型免疫球蛋白的受体。如果发生错误重组，表面免疫球蛋白（SIG）就不能正常表达，引起克隆消除，从而把可能引起自身反应性的BC清除掉，这就是BC的阴性选择机制。 成熟的WBC的寿命以天计算，死一批，生一批，互相交替，严格有序，若细胞凋亡障碍，只生不死，就会发生WBC堆积，WBC增生症。 对自身抗原反应的细胞该死的不死，还会发生自身免疫性疾病。
八、凋亡与肿瘤 肿瘤形成除癌基因激活外，还伴有一个或多个抑癌基因功能的丧失，而且凋亡理论的研究无疑对肿瘤研究产生了重大的影响，并使人们对肿瘤发生机制的认识有了一个观念上的更新。原来肿瘤形成不仅是瘤细胞的过度增生，还存在死亡过少，凋亡机制障碍，细胞凋亡参与癌症起始过程，并对癌症发生负调控作用。
（一）凋亡对肿瘤的影响 1、细胞增生↑↑ 凋亡↓ 2、细胞增生↑凋亡变化不显著 3、细胞增生↑↑ 凋亡↑ 增生>凋亡,
