疾病的細胞機制

1、Cellular Mechanism of Disease,疾病的細胞機制,Cellular Mechanism of Disease,疾病的細胞機制,細胞是生命活動的最基本單位：,(1)一切有機體都由細胞構成（病毒例外）。,(2)細胞具有獨立、有序的自控體系(代謝/功能/結構),(3)細胞是有機體生長與發(fā)育的基礎。,(4)細胞是遺傳的基本單位，細胞具有遺傳的全能性。,人類不斷進化/生長/發(fā)育/衰老 ——周而復始

2、 我們身體里在發(fā)生什么變化？,Cellular Mechanism of Disease,,細胞損傷形式,,病因的間接損傷,病因的直接損傷,Cellular Mechanism of Disease,,,,《細胞增殖異常與疾病》 Disease associated with cell proliferation 一、概念（Concept）,細胞分裂和再生的過程，細胞通過分裂進行增殖，把遺傳信息傳給子代

3、，保持物種的延續(xù)和數量增多。,【細胞周期】（Cell cycle ） 細胞周期分期（By stages） G1→S→G2→M,【細胞增殖過程】,Howard//Pelc1953年提出,細胞周期和其他的一些細胞生理過程就像多米諾骨牌,Cyclin的周期性變化,有絲分裂前中期,有絲分裂中期,有絲分裂后期,,【構成有機體的三大類活細胞】,1、周期性細胞（連續(xù)分裂細胞）： 按 G1→S→G2→M 四階段循環(huán)，不斷增殖

4、死亡， 維持穩(wěn)態(tài)更新（如表皮、骨髓細胞）。,2、GO期細胞（休眠細胞）： 暫時脫離細胞周期不進行增殖，有關刺激后才 增殖，這稱為條件性更新（如肝、腎細胞等）。,3、終端分化細胞（不分裂細胞）： 為永遠脫離細胞周期，喪失分裂能力的細胞。 （如神經細胞、心肌細胞等）。,【細胞周期的特點】,1、單向性：只能按 G1→S→G2→M 方向推進,2、階段性：可停止，條件合適繼續(xù),3、檢查點：存在于各時相交叉處，決定增殖否

5、,4、細胞微環(huán)境影響：與細胞外信號、條件相關,2001年諾貝爾生理醫(yī)學獎獲得者,2001年度諾貝爾生理學或醫(yī)學獎，授予了美國科學家利蘭·哈特韋爾（L. Hartwell） 、英國科學家蒂莫西·亨特（T. Hunt）和保羅·納斯（P. Nurse），以表彰他們發(fā)現(xiàn)了細胞周期的關鍵調控因子的調節(jié)機制。 他們的發(fā)現(xiàn)對研究細胞的發(fā)育有重大的影響，特別是對開辟治療癌癥新途徑將具有極其深遠的意義，因為細胞周期控制

6、過程中出現(xiàn)的缺陷可以導致癌細胞中染色體變異。,二、細胞周期的控制 (Controlled of cell cycle),1. 細胞周期自身控制 (Cell cycle self-control),,細胞周期素(Cyclin)：隨周期不同時相合成與降解 細胞周期素依賴性蛋白激酶(Cyclin dependent kinase, CDKs)： 有序磷酸化和去

7、磷酸化來調節(jié) CDK抑制因子（CKI）：隨時相變化來影響細胞周期 檢查點：對DNA損傷及復制和紡錘體組裝作出反應,Key words：Cyclin//CDKs//CKI//Checkpoint of cell cycle,■Cyclin【Classification 】 (Cyclin至少有11種,16個成員) Cyclin：A / B1-2 / C / D1-3 / E / F / G1-2 / H / I / K /

8、T1-2,,Cyclins降解主要是泛素-蛋白酶體進行泛素化降解,,,,,,,【CDK活化啟動cell cycle】,,,,,,■CDKs家族 CDKs是一組絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶。稱為CDK1~9。,,CDK活化激酶（CDK activation kinase CAK）,,【CDKs活化部位與抑制部位】,CAK對CDK活化部位活化，進而參與和調控CDK的活性。,Rb：視網膜母細胞瘤基因，是第一個被克隆也是最為重要的腫瘤抑癌基

9、因。,,【抑制途徑】▲ CKIs通過直接結合CDK-cyclin復合物的磷酸化活化部位，抑制CDK的激酶活性?！?P16INK4a通過結合CDK4單體，阻斷它與cyclins的結合( 多腫瘤抑制基因1，MST1 )。,■ 細胞周期檢查點（Checkpoint of cell cycle）,三個組成部分：①探測器②傳感器③效應器,【Check mechanism】,疾病的細胞機制,,,人類腫瘤p53基因突變熱點和頻率,2. 細胞

10、外信號對細胞周期的調控 G1期存在一個“限定點”（restriction point）， 它決定細胞是否進入周期。 這“限定點”主要受細胞外信號的調控。,■細胞生長條件不具備 能使P16INK4a和 P15INK4b增加并 均能抑制Cyclin D-CDK4/6復合物 的功能，細胞阻 滯G1期。,■抑制信號（TGF-β） 可以下調cy

11、clin和CDK4的表達和促進P21wafl、P27kipl和P15ink4b等CKI產生，使細胞阻滯在G1期。,三、細胞周期調控異常與疾病 (Cell proliferation dysregulation and disease),（一）細胞增殖過度 ■ 細胞周期驅動機制失控 （Cyclin、CDK和CKI表達異常） ■ 細胞周期監(jiān)控機制受損 （檢查點功能障礙）,細胞增殖分化異常與相關疾病

12、,肝癌晚期,腹中大腫瘤,美《國家癌癥法案》1971-2011 （40年900億）,1、細胞周期驅動機制失控 ? cyclins的異常 腫瘤的發(fā)生與cyclin（D、E）過量表達有關。 【Cyclin D1(Bcl-1)過表達原因】(原癌基因),▲ 染色體易位

13、 Bcl-1 t（11:14）（q13:q32）易位 Cyclin D1受Ig重鏈基因增強子影響 Cyclin D1表達↑,,,? CKI 表達不足和突變 腫瘤細胞中常出現(xiàn)CKI（腫瘤抑制基因）表達

14、不足或突變。,▲ InK4失活,【p16 InK4基因失活原因】 突變或缺失、染色體易位、p16 InK4高度甲基化。,Ink直接抑制cyclinD競爭結合G1期激酶CDK4/6Ink抑制E2F-1與未磷酸化的P105Rb結合,黑色素瘤，膠質瘤，胰腺癌，食管癌，乳腺癌，直腸癌，非小細胞肺癌，急性白血病等,▲ Kip/Cip含量減少,P21：肝癌/黑色素瘤/骨肉瘤等P27：乳腺癌/前列腺癌/肺癌/胃癌/大腸癌/卵巢癌等,?

15、主要原因：G1/S、G2/M檢查點異常 ? 失察結果：探測DNA損傷功能降低 ? 如發(fā)現(xiàn)不了DNA損傷，會導致： 基因缺失、易位、染色體重排等,2．細胞周期監(jiān)控機制受損,■ G1/S交界處失察,■ G2/M 交界處失察,染色體發(fā)生重排、丟失,?原發(fā)性血小板增多癥（PT）,?良性前列腺增生,?銀屑病,（二）細胞增殖缺陷,細胞增殖缺陷與相關疾病,,,再生障礙性貧血 Alzheime

16、r disease(AD) 白癜風 Parkinson disease 遺傳性血紅蛋白病 基因缺陷無汗癥 糖尿病腎病 胚胎發(fā)育障礙先天畸形 X-連鎖-球蛋白缺乏癥 衰老,增殖缺陷可導致許多疾病，其發(fā)生機制各不相同。但是均有不同程度的cyclin/CDK/C

17、KI及相關蛋白的表達異常。,,白癜風皮膚表現(xiàn),衰老的分子機制,衰老細胞中CDK/cyclin均有異常表達:,cyclinD/E的mRNA>>正常休眠細胞,cyclin-CDK活性↓<< 正常休眠細胞,缺乏cyclinA/B和CDK4/2 mRNA產物,cyclinD/E-CDK中的磷酸化水平↓,細胞停滯于G1期。,《細胞分化異常與疾病》 Diseases associated with cell diffe

18、rentiation,一、細胞分化特征與特點,（一）細胞分化特征,①單細胞? 分裂/分化 ?特定功能細胞?成熟個體,②潛能細胞 ? 分裂/分化 ? 終末分化狀態(tài)細胞,,1、判斷指標：形態(tài)/生化特征/功能,2、細胞分化方式：,①通過已分化細胞簡單倍增，形成新的分化細胞；②由未分化的干細胞產生。,一、細胞分化特征與特點,3、細胞分化形式,①時間上的分化： 一種細胞在不同的發(fā)育階段有不同的形態(tài)和功能變化。（如：骨髓造血細胞的發(fā)生過程

19、，單細胞生物只有時間上的分化）,②空間上的分化 來源于一種細胞的子細胞因所處空間位置不同，其形態(tài)和功能也不一樣。（如：外胚層來源細胞可發(fā)育成表皮細胞或神經細胞）,（一）細胞分化特征,一、細胞分化特征與特點,4、人體干細胞,①全能干細胞：具有形成完整個體的分化潛能。如胚胎干細胞，亦稱永生干細胞。可以分化為200多種細胞類型,②多能干細胞：具有分化出多種細胞組織的潛能，但失去發(fā)育成完整個體的能力。如骨髓造血干細胞,③專能干細胞：

20、只能向1種或2種密切相關類型的細胞分化，亦稱定向干細胞。如表皮干細胞/精原細胞,位于成體組織的干細胞常是后2種干細胞。,一、細胞分化特征與特點,?穩(wěn)定性：分化一旦確立，分化狀態(tài)穩(wěn)定，但分化細胞失去了獨立生 存的能力。（必須相互依賴）,,?可逆性：具有增殖能力的組織中已分化的細胞在一定條件下可以逆 轉到胚胎狀態(tài)，形成去分化現(xiàn)象。,干

21、細胞由全能限制為多能最后定向為專能的趨勢， 是細胞分化過程中的一個普遍規(guī)律。,?全能性：子代細胞保留親本細胞的全部信息，并在一定條件下可以 表達出來。分化細胞的遺傳物質即基因組無增減和改變。,?選擇性：分化細胞的基因選擇性表達，出現(xiàn)不同的表型；產生特定 Pr，具有特定形態(tài)結構，執(zhí)行特定功能。,（二）細胞分化特點,二、細胞分化機制,細胞分化從本質

22、上講是細胞內不同基因在不同發(fā)育階段被選擇激活，也是基因在時空上的有序表達。導致這種選擇有三方面機制：,1、“決定”先于分化,細胞決定(determination)：是指細胞內某些基因永久地關閉，而另一些基因順序表達，具備向某一特定方向分化的能力。這種決定是穩(wěn)定的、可遺傳的。 如：胚胎早期的外(神經/上皮)、中(泌尿/生殖)、內(呼吸/消化)三胚層在細胞形態(tài)上并無差別，但已預定要分化出各自不同的組織細胞。,二、細胞分化機制,干細胞分

23、裂時，由于細胞質分配不均，致子代干細胞的胞質組分不同，即不同的子代干細胞所持有的細胞質組分（稱為細胞質決定子）也不同，導致子細胞產生差別，這種差別就是分化的表現(xiàn)。,2、細胞質在決定細胞差別中作用,細胞分化還與細胞所在位置及與其他細胞的聯(lián)系有關，也就是說細胞分化存在位置效應，這種效應可以是細胞間直接接觸所進行信息轉導，也可以是細胞外物質（細胞因子）的作用結果。,3、細胞間相互作用,三、細胞分化的調控,?管家基因( house keepin

24、g genes ) ：是編碼細胞基本結構和功能蛋白的基因(如線粒體和核糖體蛋白)，與細胞分化關系不大(協(xié)調作用)。,1、基因水平的調控,?轉錄水平調控：對專一基因的啟動子和增強子進行調控 ?轉錄后水平調控：對 mRNA前體處理/加工和 iRNA調節(jié),2、轉錄和轉錄后水平調控,?組織特異性基因(奢侈基因,luxury gene)：編碼細胞特異性蛋白。它與細胞本身的生存無關，但對細胞分化起重要作用。(如胰島素/ Ig /白蛋白/凝血因

25、子等),三、細胞分化的調控,細胞分化的物質基礎是蛋白質分子的專一合成。,3、翻譯和翻譯后水平的調控,細胞外信號物質、基質和營養(yǎng)因素等，都可影響核轉錄因子活性和細胞信號的轉導。（如激素、細胞因子、黏附分子、藥物、 Ca2+ 可以影響細胞的分化）。,4、細胞外因素調控,四、細胞分化調控異常與疾病,細胞分化的調控異常可以在胚胎發(fā)育期和成年人機體細胞中發(fā)生，并引起相應的疾病。,四、細胞分化調控異常與疾病,,?肝癌細胞不能合成白蛋白//癌胚抗原

26、表達↑（AFP/CEA）?癌基因突變、外源基因插入、基因擴增、染色體易位、基因重排和甲 基化程度降低等引起癌基因激活?抑癌基因缺失、失活和突變，削弱調節(jié)系統(tǒng)的顯性負調節(jié)信號，使細 胞分化和增殖失控,四、細胞分化調控異常與疾病,細胞死亡對于活的生命體而言完全是一個正常的過程。1842年，Carl Vogt首先描述了apoptosis。1885年，Walther Flemming對PCD進行了精確描述。1965年，學界

27、才開始重視細胞凋亡。1972年，Kerr確立apoptosis概念。,《細胞凋亡異常與疾病》 Diseases associated with cell apoptosis,一、細胞凋亡的概述,NPCD：,細胞死亡,,細胞壞死,PCD,,凋亡：1型細胞死亡,自噬：2型細胞死亡 自噬小體形成,副凋亡：無caspase活化,脹亡：oncosis,有絲分裂災變：不依賴p53或依賴,巨泡式死亡：methuosis,細胞死亡概貌圖,,【C

28、oncept of apoptosis】,■由體內外因素觸發(fā)細胞內預存的死亡程序而導致的細胞死亡過程。 ■ 特定時空中發(fā)生的，受機體嚴密調控的細胞“自殺”現(xiàn)象。,■ 確保組織器官正常發(fā)育、生長。■ 維持內環(huán)境穩(wěn)定。■ 發(fā)揮積極的防御功能。,【生理學意義】,（一）細胞凋亡的過程,二、細胞凋亡的過程與主要改變,■ 凋亡細胞與周圍細胞脫離接觸，胞膜空泡化（Blebbing）■ 細胞固縮（Condensation）■

29、發(fā)芽（buding）■ 核固縮/染色質邊集（Margination）■ 凋亡小體（Apoptotic body）,■ DNA片段化,2、生化改變,細胞凋亡過程中DNA的片段化斷裂及蛋白質降解尤為重要。,,,■ Caspases激活,凋亡蛋白酶(caspases)是一組對底物天冬氨酸部位有特異水解作用，其活性中心富含半胱氨酸的蛋白酶。目前已發(fā)現(xiàn)該蛋白酶家族至少有14個成員。,誘導性因素激活核酸內切酶,核小體連接區(qū)發(fā)生DNA降解,

30、,,,,,誘導性因素（Inducers） 抑制性因素（Inhibitors）理化因素 射線、高溫、強酸、 細胞因子 IL-2、NGF等 強堿、應激、抗癌藥 激素 ACTH、睪丸酮、雌激素激素和因子 糖皮質激素、TNF 其它 Zn2+/苯巴比妥、半胱氨病原體因素 HIV、HCV

31、 酸蛋白酶抑制劑、EBV、 牛痘病毒、中性氨基酸,,,,,,,,,三、細胞凋亡的調控,（一）凋亡信號（apoptosis signal）,【Influence of factors of apoptosis】,有生理性和病

32、理性凋亡信號以及誘導和抑制性因素的不同。,【Caspases 】■ 概念：Caspase屬于半胱氨酸蛋白酶家族有14個成員(Caspase 1-14).,（二）細胞凋亡的信號傳導 （Caspases依賴的pathway）,1．死亡受體(Death receptor, DR)通路(外通路) ■ 死亡受體 TNFR、Fas、DR3、DR4、DR5

33、等 是一類通過與相應配體結合，傳遞細胞凋亡信號的細胞膜蛋白。 ■ 通路機制：,,,（三）細胞凋亡的發(fā)生機制 (Mechanism of cell apoptosis),【Mechanism】激活p53基因/消耗ATP/生物膜脂 質過氧化/膜破壞致Ca2+內流↑/激活核酸內切酶/ 活化核轉錄因子NF-?B和AP-1。,1、氧化損傷,氧自由基破壞了機體正常的氧化/還原動態(tài)平衡，造成生物大分子的氧化損傷，形

34、成嚴重的氧化應激狀態(tài)。,（四）細胞凋亡的基因調控 （The regulation of cell apoptosis）,【調控基因】,細胞凋亡的調控基因,■ Bcl-2（Bcl-XL）能夠抑制線粒體MPT開放，Cyt.c 、AIF釋放↓,■ Bcl-2也能特異地結合細胞色素C,■ Bcl-2能夠結合和滅活Apaf-1，阻斷對caspase-9

35、活化,1．bcl-2基因家族(癌基因),■ P53通過與Bcl-2基因相互作用，下調Bcl-2的表達?！?P53誘導細胞凋亡的靶蛋白表達(線粒體和死亡受體介導)。■ P53誘導線粒體內凋亡的相關蛋白(Bax/NOXA/PUMA) 表達，并觸發(fā)細胞色素C釋放和Caspase活化?！?P53誘導死亡受體Fas表達。■ P53能使死亡受體再定位于細胞膜上。,2、p53基因（抑癌基因，分子警察） 野生型p53是非常

36、重要的促凋亡基因，突變型則否。,【促凋亡機制】,（五）細胞凋亡異常和疾病 （The diseases associated with apoptosis ）,與細胞凋亡異常相關的疾病,（乳腺癌、肝癌、膀胱癌、肺癌、膠質瘤等也存在Bcl-2高水平表達）,1、細胞凋亡不足與腫瘤,■ bcl-2基因過表達,■ p53基因缺失或突變,（50%以上惡性腫瘤中存在P53異常，非小細胞肺癌 p53基因的突變率為50％以上，

37、在小細胞肺癌甚至高達80％）,HBV編碼的HBX蛋白是p53的強效抑制物，與肝癌發(fā)生密切相關。,■ 病毒的癌基因,■ 異常融合蛋白,■ 自身免疫?。篠LE/多發(fā)性硬化/慢性甲狀腺炎等,2、細胞凋亡過度,■ 神經退行性疾病：Alzheimer disease(AD) Parkinson disease (PD),■ 心臟疾?。盒募∪毖?心肌梗死/心力衰竭等,,

38、感染HIV的宿主細胞膜上可表達一種名為gp120的糖蛋白，CD4+淋巴細胞的表面存有這種蛋白的受體，當gP120與CD4+受體分子結合后即可觸發(fā)CD4+淋巴細胞凋亡。,（1）糖蛋白120(gP120)：,■ AIDS,被感染的CD4+ 細胞gp120 陽性,未感染的CD4+ 細胞gp120 陰性,CD4,(2) 合胞體形成,gp120,CD4細胞融合形成多核巨細胞，其壽命明顯縮短。,細胞融合,受HIV感染的大部分CD4+淋巴細胞(約

39、80％-90％)逐步融合形成合胞體(syncytia)或多核巨細胞，合胞體在形成過程中或形成后即可發(fā)生凋亡而解體。,(3)Fas基因表達上調,,,,,,,促進凋亡,激活誘導的細胞死亡 (activation-induced cell death，AICD),(4)T 細胞激活：,HIV,HIV,受HIV感染的巨噬細胞分泌腫瘤壞死因子(TNF)增多，TNF可通過與TNF受體-1(死亡受體)結合而啟動死亡程序，也可刺激CD4+淋巴細胞大量產

40、生氧自由基，通過氧化應激而觸發(fā)細胞凋亡。,（5）細胞因子：,HIV(紅色)感染的T細胞,Tat蛋白是HIV-1編碼的重要調控蛋白，在病毒復制和感染致病中起重要作用。這種蛋白可自由透過細胞膜。tat蛋白進入CD4+淋巴細胞后，可誘導細胞產生氧自由基，增強Fas抗原表達而提高對細胞凋亡的易感性。,(6) Tat 蛋白(反式激活蛋白)：,HIV中tat蛋白在啟動病毒自我繁殖的過程中具有重要作用,慢性HIV感染時CD4+淋巴細胞數量減少的

41、主因,,(7) 自相殘殺,,健康人外周血中CD4+T細胞數量為1000/ml，晚期AIDS患者則在100/ml↓,在AIDS發(fā)病過程中，細胞凋亡具有一定的保護意義。(不成功,便成仁,但是最終自己逐漸摧毀了整個免疫系統(tǒng)) 因此，在積極抗病毒治療的同時，如何阻止免疫細胞的凋亡是AIDS病人免疫重建的關鍵所在。,生命的渴望,,在神經系統(tǒng)疾病中有一類以特定神經元進行性喪失為其病理特征的疾病，如： Alzheimer di

42、sease(AD) Parkinson disease Huntington病 多發(fā)性硬化癥等,■ 神經元退行性疾病,Dennis J. Selkoe. (2012) Preventing Alzheimer’s Disease. Science, 337:1488-1491.,■ 神經元退行性疾病,AD造成神經元喪失的主要機制是細胞凋亡。其因素包括? — 淀粉樣蛋白、鈣超載、氧化應激及NGF分泌不足等。近期，施一

43、公教授揭示了AD發(fā)病直接相關的人源γ分泌酶復合物的精細三維結構。大腦中淀粉樣斑塊是由膜整合蛋白酶復合物γ分泌,復合酶異常切割“淀粉樣前體蛋白”APP 而產生過量易聚集的Aβ42肽所致。 （垃圾粉碎機）,（2014）,▲ 老年撒切爾夫人,1986年2月6日妻子南希慶祝里根75歲生日,《百年孤獨》作者馬爾克斯,1994年患病后，里根（前）深居簡出,?,?,2、從某一方面舉例說明細胞增殖、分化異常和凋亡異常引發(fā)疾病的機制。,1、

44、就你的理解，簡述細胞與疾病發(fā)生之間的關系。,,①探測器,③效應器,②傳感器,,TNF-α、抗CD3抗體、TCDD等,胞漿[Ca2+] ↑,■ 激活Ca2+/Mg2+依賴的核酸內切酶，降解DNA鏈；■ 激活谷氨酰胺轉移酶，促使細胞骨架分子之間發(fā)生廣泛 交聯(lián)，有利于凋亡小體形成；■ 激活核轉錄因子，加速細胞凋亡相關基因的轉錄；■ 在ATP參與下，暴露出核小體之間的連接區(qū)，有利于 DNA內切酶切割DNA。,鈣超載引起凋亡機制

45、,細胞凋亡,,,,▲pRb、P53、c-myc、UPP、磷酸酶等參與對CDK的調控。,,泛素化是對特異的靶蛋白進行泛素修飾的過程。一些特殊的酶將細胞內的蛋白分類,從中選出靶蛋白分子。泛素化修飾涉及三酶級聯(lián)的一系列反應：泛素激活酶E1泛素結合酶E2泛素連接酶E3首先在ATP(紅色所示)供能的情況下酶E1粘附在泛素分子尾部(淡黃色所示)的Cys殘基上(綠色所示,注意在這個結構中,Cys突變?yōu)锳la)激活泛素,接著,E1將激活的泛素分

46、子轉移到E2酶上，隨后,E2酶和一些種類不同的E3酶共同識別靶蛋白,對其進行泛素化修飾。根據E3與靶蛋白的相對比例可以將靶蛋白單泛素化修飾和多聚泛素化修飾。E3酶的外形就像一個夾子,靶蛋白連接在中間的空隙內(星號所示)。酶的左側結構域決定靶蛋白的特異性識別,右側結構域定位E2酶以轉移泛素分子。,,,,朊病毒（prion，普里昂） 是只有蛋白質而沒有核酸的蛋白質病毒?？梢砸鹜N或異種蛋白質構象改變而致病或功能改變的蛋白質。最常見的是引