2009研究生细胞凋亡-PPT课件.ppt
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1、有丝分裂 细胞增多 动态平衡 细胞凋亡 细胞减少 新生细胞出现,产生相应功能 机体 正常生 原有的、不必要的、有害的细胞除去 长发育,细胞程序性死亡的概念是1956年提出的,PCD是个功能性概念,描述在一个多细胞生物体中某些细胞死亡是个体发育中的一个预定的,并受到严格程序控制的正常组成部分。例如蝌蚪变成青蛙,其变态过程中尾部的消失伴随大量细胞死亡,高等哺乳类动物指间蹼的消失、视网膜发育以及免疫系统的正常发育都必须有细胞死亡的参与。细胞程序性死亡是一个发育学概念,而细胞凋亡则是一个形态学的概念,描述一件有着一整套形态学特征的与坏死完全不同的细胞死亡形式。但是一般认为凋亡和程序性死亡两个概念可以交
2、互使用,具有同等意义。,凋亡概念的形成 1965年澳大利亚科学家发现,结扎鼠门静脉后,电镜观察到肝实质组织中有一些散在的死亡细胞这些的溶酶体并未被破坏,显然不同于细胞坏死。这些细胞体积收缩、染色质凝集,从其周围的组织中脱落并被吞噬,机体无炎症反应。 1972年Kerr等三位科学家首次提出了细胞凋亡的概念,宣告了对细胞凋亡的真正探索的开始,在此之前,关于胚胎发育生物学、免疫系统的研究,肝细胞死亡的研究都为这一概念的提出奠定了基础。,细胞凋亡的形态学及生物化学研究阶段 (1972-1987) 1)利用光镜和电镜对形态学特征进行了详细的研究。 2)染色体DNA的降解:细胞凋亡的一个显著特征就是细胞染
3、色质的DNA降解。 3)RNA/蛋白质大分子的合成。 4)钙离子变化,细胞内钙离子浓度的升高是细胞发生凋亡的一个重要条件。 5)内源性核酸内切酶:细胞发生凋亡是需要这种核酸内切酶参与的。,细胞凋亡的分子生物学研究阶段,最近几年研究热点 1)与细胞凋亡的相关基因及调控 2)细胞凋亡的信号转导 3)与细胞凋亡的各种分子及其相互作用及相互关系 4) 细胞凋亡的临床应用基础研究阶段,细胞的生长、增殖、分化和死亡是细胞的4大特点,细胞死亡分为细胞凋亡和细胞坏死。细胞凋亡是细胞主动的,在基因严格调控下的细胞“自杀”行为,也称为细胞程序性死亡(programmed cell death, PCD),与细胞坏
4、死不同。,第一节 概述,一、细胞凋亡概念和特征,细胞坏死(necrosis)是在各种致病因素(如缺氧、物理、化学和生物学因素)的剧烈刺激下的病理性死亡。其特点是: 引起死亡的因素剧烈,死亡迅速。能量代谢下降膜通透性增加细胞水肿细胞器破裂,细胞溶解,DNA不断裂内含物释放引起炎症反应。,细胞凋亡:细胞在一定的生理或病理条件下,遵循自身的程序,结束其生命的生理性死亡,是受基因严格调控的细胞自杀现象.凋亡过程中,细胞骨架蛋白分解细胞和细胞器浓缩而不裂解染色体DNA断裂和形成凋亡小体细胞内含物不外泄,不引起炎症反应。最后凋亡小体被巨噬细胞识别和吞噬。,细胞凋亡Apoptosis 和细胞坏死Necros
5、is,细胞凋亡的形态学特征,细胞:首先变圆,体积缩小,与邻近细胞的连接丧失,失去微绒毛,胞浆浓缩。 细胞核的变化:胞核内染色质浓缩形成密集颗粒呈帽状或新月形),位于核被膜下。核被膜下核纤层(nuclear lamina)分解,随后细胞核内染色质固缩为不均一点状结构。 细胞质和细胞膜:相邻细胞间连接复合体普遍消失,其他细胞膜特有结构如微绒毛等亦随之消失。此时,细胞膜结构仍保持完整。,细胞器: 线粒体:保持完整呈正常状态 溶酶体:保持完整,内容物不外泄 形成凋亡小体: 内质网、高尔基复合体及核被膜膨大,形成泡状结构与细胞膜融合,以出泡方式离开正在死亡的细胞,将所包含的完整细胞器和核碎片等细胞内容物
6、以细胞质膜包被成凋亡小体(apoptosis bodies)释放到细胞外。凋亡小体之间在体积上差异很大,与细胞产生的凋亡小体数目和细胞的大小有关。凋亡小体很快被周围邻近间质细胞或巨噬细胞吞噬,而不引起周围组织的炎症反应。,胸腺细胞,正常,凋亡,生物化学方面: 核酸内切酶活化与DNA电泳呈梯子状改变是Apoptosis的生物化学标志。 核酸内切酶在核小体连接处将DNA链切断,从而最终产生寡聚核小体。这些寡聚核小体的大小均是DNA长度为180 - 200个碱基对(bp)的倍数,因此用琼脂糖凝胶电泳测定细胞DNA时出现特征性的“梯状”(ladder)带纹。,Ladder Pattern of Apo
7、ptotic Cells,二、细胞凋亡的生理意义,1 维持组织器官细胞类型和细胞总量的基本平衡:清 除衰老损伤的细胞:皮肤、粘膜细胞的更新等。 2 在胚胎发育中起重要作用 a 手指和脚趾的形成等。 b 大脑神经元之间形成连接时多余的神经细胞通过凋亡清除掉。 c 在淋巴细胞发育成熟中起重要作用。d 心脏发育过程中左右心室、房的形成以及左右心室的厚度,通过细胞凋亡调节。 3 细胞凋亡异常可引起肿瘤和神经退行性病变等疾病。,一、半胱天冬酶(胱冬酶,caspase,天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶,cysteine-containing aspartate-specific protease),第二节 与
8、细胞凋亡有关的基因和蛋白质,Caspase的含义表现在两个方面()它们为半胱氨酸蛋白酶类,并且把半胱氨酸作为对底物裂解时的亲核基团,()它们为天冬氨酸蛋白酶类,切割天冬氨酸的羧基与下一个氨基酸的氨基形成的肽键。,Asp特异性半胱氨酸蛋白酶 是一类促进细胞凋亡的蛋白水解酶,在诱导细胞凋亡中起关键作用,成为细胞凋亡的“中心处理器”,即各种细胞凋亡信号通过传递最终激活胱冬酶,胱冬酶通过水解不同的蛋白质引起细胞凋亡。 人体caspase基因是细胞凋亡的活化基因。,1 Caspase的结构和功能,Caspase 共有10多种,结构相似,都以酶原的形式分泌。酶原水解激活后产生前结构域,大亚基和小亚基三部分
9、,然后大小亚基聚合形成有活性的四聚体。 N端结构域参与酶功能激活调节; 大、小亚基提供与底物结合及催化所需的氨基酸。Caspase 可专一、高效地特异性水解一系列蛋白质底物,并导致蛋白质功能丧失或改变 。,caspase 酶原 前结构域 + 大亚基 + 小亚基 大 异二聚体 小 大 大 异四聚体 活性形式 小 小,Crystal Structures of Human Caspases,Structure of Caspase-7 with Inhibitor,Caspase 作用: 是一类蛋白水解酶,可特异水解底物蛋白分子中天冬氨酸残基羧基侧的肽键,且对此Asp前面的4个氨基酸残基有要求。从
10、而激活该蛋白质或改变蛋白质的活性,从而促进细胞凋亡。 N A-B-C-D-Asp-X C 不同的Caspase对ABCD种类要求不同。,Caspase是细胞凋亡的执行者,引起细胞凋亡的各种因素通过凋亡信息传递途经最终激活caspase,caspase通过水解不同的蛋白质改变细胞特性,引起细胞凋亡。其中caspase 3 的作用最重要。但并非所有的凋亡过程都有caspase 的参与。,2 Caspase 的分类,(1)上游/启动型caspase: 2、8、9、10,12 处于细胞凋亡信号传递途径的上游,在凋亡信号的刺激下首先被激活,然后再水解激活下游的caspase. (2)下游/执行型casp
11、ase: 3、 6 、7 处于细胞凋亡信号传递途径的下游,被上游caspase激活后直接水解与细胞凋亡有关的底物蛋白,引起细胞形态学和生物化学改变以及DNA的断裂。,3 Caspase的底物,1、细胞骨架蛋白:核纤层蛋白、肌动蛋白、核分裂相关蛋白等十几种蛋白。 2、与DNA损伤修复相关的蛋白质和酶,阻止DNA损伤的修复。 如:DNA依赖性蛋白激酶、DNA复制相关蛋白。 3、激活DNA酶,促进DNA断裂。,二、死亡受体及相关蛋白 是一类参与外源性细胞凋亡途经的蛋白质: * 死亡配体(细胞外)死亡受体(细胞膜)相关蛋白(中介蛋白,细胞内)激活caspase 诱导细胞凋亡,1 死亡受体(death
12、receptor, DR),死亡受体是一类跨膜蛋白,与其配体结合后可把凋亡信号传递到细胞内部。 主要的死亡受体是TNF-R超家族; 配体 死亡受体 TNF- TNF-R1 FasL Fas(CD95/APO-1) APO-3L DR-3(WOL-1) APO-2 DR-4(TRAIL-R1) TRAIL DR-5(TRAIL-R2) (TNF相关的凋亡诱导配体,TNF-related apoptosis-inducing ligand,称Apo-2配体 ),死亡受体相关蛋白 (中介蛋白/接头蛋白),是连接死亡受体和caspase的中介蛋白,把凋亡信号从死亡受体传递给caspase。 (1) F
13、ADD(Fas相关的死亡结构域蛋白,Fas associated death domain protein)由两部分构成,介导Fas和TNFR1两种受体的细胞凋亡信号: A 死亡结构域:与Fas的DD相互作用 B 死亡效应区:与启动型caspase2、8、9、10作用,(2) TRADD(TNFR-1 相关死亡结构域蛋白) 从TNFR-1接受死亡信号,然后传递给FADD. This protein can also interact with receptor FAS, and is involved in the Fas-induced cell death pathway,(3)RIP(受
14、体相互作用蛋白,Receptor interaction protein, RIP) RIP能与Fas和TNFR-1两种受体结合。其C-端是死亡结构域,N-端与FADD蛋白具有同源性。RIP在细胞中的过表达可引起细胞凋亡。,(4)DAXX DAXX在体内外均可与Fas特异结合。DAXX在细胞中过表达可产生两种生物学效应:激活JNK途径和诱导细胞凋亡。DAXX本身没有死亡结构域,它的C-端存在能够和Fas的死亡结构域结合的区域,其N-端具有诱导细胞凋亡及激活JNK/SAPK途径的作用。最近研究发现,DAXX和FADD分别与Fas的不同部位结合,激活不同的信号传递途径。,三、凋亡蛋白酶激活因子类
15、(apoptosis protease activation factor, Apaf),存在于线粒体内的一类促进细胞凋亡的蛋白因子,参与细胞凋亡的线粒体信息传递途经。 细胞凋亡与线粒体膜电位及通透性改变有关。凡是诱导细胞凋亡的因素,都可使线粒体的膜电位下降,膜通透性增加,线粒体膜通透性转运孔(MPT)开放,释放出多种可激活caspase的蛋白因子,包括细胞色素c(Cytc ),凋亡蛋白酶激活因子-1(Apaf-1),凋亡诱导因子(AIF)。,1 细胞色素C(Cytc),细胞色素C是呼吸链的重要成员,是由线粒体DNA编码的蛋白质。 细胞凋亡信号 线粒体膜通透性增加,CytC 释放到胞浆 与Ap
16、af-1和caspase-9结合成复合体,诱导凋亡。,2 凋亡蛋白酶激活因子-1(Apoptotic protease activating factor-1, Apaf-1),在正常情况下Apaf-1以无活性的单体存在于细胞质,在凋亡信号的作用下,其N-端与Caspase-9结合,其C端与细胞色素C结合。形成Cytc-Apaf-1-Caspase-9 复合体-凋亡酶体(apoptosome)。首先激活caspase-9,然后激活下游的caspase 3,6,7等,诱导细胞凋亡。,3 凋亡诱导因子(Apoptosis inducing factor, AIF),凋亡诱导因子是一类存在于线粒体内
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