疾病的细胞中机制ppt课件.ppt

Cellular Mechanism of Disease,疾病的细胞机制,Cellular Mechanism of Disease,疾病的细胞机制,细胞是生命活动的最基本单位：,(1)一切有机体都由细胞构成（病毒例外）。,(2)细胞具有独立、有序的自控体系(代谢/功能/结构),(3)细胞是有机体生长与发育的基础。,(4)细胞是遗传的基本单位，细胞具有遗传的全能性。,人类不断进化/生长/发育/衰老 周而复始 我们身体里在发生什么变化？,Cellular Mechanism of Disease,细胞损伤形式,病因的间接损伤,病因的直接损伤,Cellular Mechanism of Disease,细胞增殖异常与疾病 Disease associated with cell proliferation 一、概念（Concept）,细胞分裂和再生的过程，细胞通过分裂进行增殖，把遗传信息传给子代，保持物种的延续和数量增多。,【细胞周期】（Cell cycle ） 细胞周期分期（By stages） G1SG2M,【细胞增殖过程】,Howard/Pelc1953年提出,细胞周期和其他的一些细胞生理过程就像多米诺骨牌,Cyclin的周期性变化,有丝分裂前中期,有丝分裂中期,有丝分裂后期,【构成有机体的三大类活细胞】,1、周期性细胞（连续分裂细胞）： 按 G1SG2M 四阶段循环，不断增殖死亡， 维持稳态更新（如表皮、骨髓细胞）。,2、GO期细胞（休眠细胞）： 暂时脱离细胞周期不进行增殖，有关刺激后才 增殖，这称为条件性更新（如肝、肾细胞等）。,3、终端分化细胞（不分裂细胞）： 为永远脱离细胞周期，丧失分裂能力的细胞。 （如神经细胞、心肌细胞等）。,【细胞周期的特点】,1、单向性：只能按 G1SG2M 方向推进,2、阶段性：可停止，条件合适继续,3、检查点：存在于各时相交叉处，决定增殖否,4、细胞微环境影响：与细胞外信号、条件相关,2001年诺贝尔 生理医学奖获得者,2001年度诺贝尔生理学或医学奖，授予了美国科学家利兰·哈特韦尔（L. Hartwell） 、英国科学家蒂莫西·亨特（T. Hunt）和保罗·纳斯（P. Nurse），以表彰他们发现了细胞周期的关键调控因子的调节机制。 他们的发现对研究细胞的发育有重大的影响，特别是对开辟治疗癌症新途径将具有极其深远的意义，因为细胞周期控制过程中出现的缺陷可以导致癌细胞中染色体变异。,二、细胞周期的控制 (Controlled of cell cycle),1. 细胞周期自身控制 (Cell cycle self-control),细胞周期素(Cyclin)：随周期不同时相合成与降解 细胞周期素依赖性蛋白激酶(Cyclin dependent kinase, CDKs)： 有序磷酸化和去磷酸化来调节 CDK抑制因子（CKI）：随时相变化来影响细胞周期 检查点：对DNA损伤及复制和纺锤体组装作出反应,Key words： Cyclin/CDKs/CKI/Checkpoint of cell cycle,Cyclin 【Classification 】 (Cyclin至少有11种,16个成员) Cyclin：A / B1-2 / C / D1-3 / E / F / G1-2 / H / I / K / T1-2,Cyclins降解主要是泛素-蛋白酶体进行泛素化降解,【CDK活化启动cell cycle】,CDKs家族 CDKs是一组丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。称为CDK19。,CDK活化激酶（CDK activation kinase CAK）,【CDKs活化部位与抑制部位】,CAK对CDK活化部位活化，进而参与和调控CDK的活性。,Rb：视网膜母细胞瘤基因，是第一个被克隆也是最为重要的肿瘤抑癌基因。,【抑制途径】 CKIs通过直接结合CDK-cyclin复合物的磷酸化活化部位，抑制CDK的激酶活性。 P16INK4a通过结合CDK4单体，阻断它与cyclins的结合( 多肿瘤抑制基因1，MST1 )。, 细胞周期检查点（Checkpoint of cell cycle）,三个组成部分： 探测器 传感器 效应器,【Check mechanism】,疾病的细胞机制,人类肿瘤p53基因突变热点和频率,2. 细胞外信号对细胞周期的调控 G1期存在一个“限定点”（restriction point）， 它决定细胞是否进入周期。 这“限定点”主要受细胞外信号的调控。,细胞生长条件不具备 能使P16INK4a和 P15INK4b增加并 均能抑制Cyclin D-CDK4/6复合物 的功能，细胞阻 滞G1期。,抑制信号（TGF-） 可以下调cyclin和CDK4的表达和促进P21wafl、P27kipl和P15ink4b等CKI产生，使细胞阻滞在G1期。,三、细胞周期调控异常与疾病 (Cell proliferation dysregulation and disease),（一）细胞增殖过度 细胞周期驱动机制失控 （Cyclin、CDK和CKI表达异常） 细胞周期监控机制受损 （检查点功能障碍）,细胞增殖分化异常与相关疾病,肝癌晚期,腹中大肿瘤,美国家癌症法案1971-2011 （40年900亿）,1、细胞周期驱动机制失控 cyclins的异常 肿瘤的发生与cyclin（D、E）过量表达有关。 【Cyclin D1(Bcl-1)过表达原因】(原癌基因), 染色体易位 Bcl-1 t（11:14）（q13:q32）易位 Cyclin D1受Ig重链基因增强子影响 Cyclin D1表达, CKI 表达不足和突变 肿瘤细胞中常出现CKI（肿瘤抑制基因）表达 不足或突变。, InK4失活,【p16 InK4基因失活原因】 突变或缺失、染色体易位、p16 InK4高度甲基化。,Ink直接抑制cyclinD竞争 结合G1期激酶CDK4/6 Ink抑制E2F-1与未磷酸化 的P105Rb结合,黑色素瘤，胶质瘤，胰腺癌，食管癌，乳腺癌，直肠癌，非小细胞肺癌，急性白血病等, Kip/Cip含量减少,P21：肝癌/黑色素瘤/骨肉瘤等P27：乳腺癌/前列腺癌/肺癌/胃癌/大肠癌/卵巢癌等, 主要原因：G1/S、G2/M检查点异常 失察结果：探测DNA损伤功能降低 如发现不了DNA损伤，会导致： 基因缺失、易位、染色体重排等,2细胞周期监控机制受损, G1/S交界处失察, G2/M 交界处失察,染色体发生重排、丢失,原发性血小板增多症（PT）,良性前列腺增生,银屑病,（二）细胞增殖缺陷,细胞增殖缺陷与相关疾病,再生障碍性贫血 Alzheimer disease(AD) 白癜风 Parkinson disease 遗传性血红蛋白病 基因缺陷无汗症 糖尿病肾病 胚胎发育障碍先天畸形 X-连锁-球蛋白缺乏症 衰老,增殖缺陷可导致许多疾病，其发生机制各不相同。 但是均有不同程度的cyclin/CDK/CKI及相关蛋白的 表达异常。,白癜风皮肤表现,衰老的分子机制,衰老细胞中CDK/cyclin均有异常表达:,cyclinD/E的mRNA正常休眠细胞,cyclin-CDK活性 正常休眠细胞,缺乏cyclinA/B和CDK4/2 mRNA产物,cyclinD/E-CDK中的磷酸化水平,细胞停滞于G1期。,细胞分化异常与疾病 Diseases associated with cell differentiation,一、细胞分化特征与特点,（一）细胞分化特征,单细胞 分裂/分化 特定功能细胞成熟个体,潜能细胞 分裂/分化 终末分化状态细胞,1、判断指标：形态/生化特征/功能,2、细胞分化方式：,通过已分化细胞简单倍增，形成新的分化细胞； 由未分化的干细胞产生。,一、细胞分化特征与特点,3、细胞分化形式,时间上的分化： 一种细胞在不同的发育阶段有不同的形态和功 能变化。（如：骨髓造血细胞的发生过程，单细胞生物只有时间上的分化）,空间上的分化 来源于一种细胞的子细胞因所处空间位置不同，其形态和功能也不一样。 （如：外胚层来源细胞可发育成表皮细胞或神经细胞）,（一）细胞分化特征,一、细胞分化特征与特点,4、人体干细胞,全能干细胞：具有形成完整个体的分化潜能。如胚胎干细胞，亦称永生干细胞。可以分化为200多种细胞类型,多能干细胞：具有分化出多种细胞组织的潜能， 但失去发育成完整个体的能力。如骨髓造血干细胞,专能干细胞：只能向1种或2种密切相关类型的细胞分化，亦称定向干细胞。如表皮干细胞/精原细胞,位于成体组织的干细胞常是后2种干细胞。,一、细胞分化特征与特点,稳定性：分化一旦确立，分化状态稳定，但分化细胞失去了独立生 存的能力。（必须相互依赖）,可逆性：具有增殖能力的组织中已分化的细胞在一定条件下可以逆 转到胚胎状态，形成去分化现象。,干细胞由全能限制为多能最后定向为专能的趋势， 是细胞分化过程中的一个普遍规律。,全能性：子代细胞保留亲本细胞的全部信息，并在一定条件下可以 表达出来。分化细胞的遗传物质即基因组无增减和改变。,选择性：分化细胞的基因选择性表达，出现不同的表型；产生特定 Pr，具有特定形态结构，执行特定功能。,（二）细胞分化特点,二、细胞分化机制,细胞分化从本质上讲是细胞内不同基因在不同发育阶段被选择激活，也是基因在时空上的有序表达。导致这种选择有三方面机制：,1、“决定”先于分化,细胞决定(determination)：是指细胞内某些基因永久地关闭，而另一些基因顺序表达，具备向某一特定方向分化的能力。这种决定是稳定的、可遗传的。 如：胚胎早期的外(神经/上皮)、中(泌尿/生殖)、内(呼吸/消化)三胚层在细胞形态上并无差别，但已预定要分化出各自不同的组织细胞。,二、细胞分化机制,干细胞分裂时，由于细胞质分配不均，致子代干细胞的胞质组分不同，即不同的子代干细胞所持有的细胞质组分（称为细胞质决定子）也不同，导致子细胞产生差别，这种差别就是分化的表现。,2、细胞质在决定细胞差别中作用,细胞分化还与细胞所在位置及与其他细胞的联系有关，也就是说细胞分化存在位置效应，这种效应可以是细胞间直接接触所进行信息转导，也可以是细胞外物质（细胞因子）的作用结果。,3、细胞间相互作用,三、细胞分化的调控,管家基因( house keeping genes ) ：是编码细胞基本结构和功能蛋白的基因(如线粒体和核糖体蛋白)，与细胞分化关系不大(协调作用)。,1、基因水平的调控,转录水平调控：对专一基因的启动子和增强子进行调控 转录后水平调控：对 mRNA前体处理/加工和 iRNA调节,2、转录和转录后水平调控,组织特异性基因(奢侈基因,luxury gene)：编码 细胞特异性蛋白。它与细胞本身的生存无关，但对 细胞分化起重要作用。(如胰岛素/ Ig /白蛋白/凝血因子等),三、细胞分化的调控,细胞分化的物质基础是蛋白质分子的专一合成。,3、翻译和翻译后水平的调控,细胞外信号物质、基质和营养因素等，都可影响核转录因子活性和细胞信号的转导。 （如激素、细胞因子、黏附分子、药物、 Ca2+ 可以影响细胞的分化）。,4、细胞外因素调控,四、细胞分化调控异常与疾病,细胞分化的调控异常可以在胚胎发育期和成年人机体细胞中发生，并引起相应的疾病。,四、细胞分化调控异常与疾病,肝癌细胞不能合成白蛋白/癌胚抗原表达（AFP/CEA） 癌基因突变、外源基因插入、基因扩增、染色体易位、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、失活和突变，削弱调节系统的显性负调节信号，使细 胞分化和增殖失控,四、细胞分化调控异常与疾病,细胞死亡对于活的生命体而言完全是一个正常的过程。 1842年，Carl Vogt首先描述了apoptosis。 1885年，Walther Flemming对PCD进行了精确描述。 1965年，学界才开始重视细胞凋亡。 1972年，Kerr确立apoptosis概念。,细胞凋亡异常与疾病 Diseases associated with cell apoptosis,一、细胞凋亡的概述,NPCD：,细胞 死亡,细胞坏死,PCD,凋亡：1型细胞死亡,自噬：2型细胞死亡 自噬小体形成,副凋亡：无caspase活化,胀亡：oncosis,有丝分裂灾变：不依赖p53或依赖,巨泡式死亡：methuosis,细胞死亡概貌图,【Concept of apoptosis】,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。 特定时空中发生的，受机体严密调控的细胞“自杀”现象。, 确保组织器官正常发育、生长。 维持内环境稳定。 发挥积极的防御功能。,【生理学意义】,（一）细胞凋亡的过程,二、细胞凋亡的过程与主要改变, 凋亡细胞与周围细胞脱离接触，胞膜空泡化（Blebbing） 细胞固缩（Condensation） 发芽（buding） 核固缩/染色质边集（Margination） 凋亡小体（Apoptotic body）, DNA片段化,2、生化改变,细胞凋亡过程中DNA的片段化断裂及蛋白质降解尤为重要。, Caspases激活,凋亡蛋白酶(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。目前已发现该蛋白酶家族至少有14个成员。,诱导性因素激活核酸内切酶,核小体连接区发生DNA降解,诱导性因素（Inducers） 抑制性因素（Inhibitors） 理化因素 射线、高温、强酸、 细胞因子 IL-2、NGF等 强碱、应激、抗癌药 激素 ACTH、睾丸酮、雌激素 激素和因子 糖皮质激素、TNF 其它 Zn2+/苯巴比妥、半胱氨 病原体因素 HIV、HCV 酸蛋白酶抑制剂、EBV、 牛痘病毒、中性氨基酸,三、细胞凋亡的调控,（一）凋亡信号（apoptosis signal）,【Influence of factors of apoptosis】,有生理性和病理性凋亡信号以及诱导和抑制性因素的不同。,【Caspases 】 概念：Caspase属于半胱氨酸蛋白酶家族有14个成员(Caspase 1-14).,（二）细胞凋亡的信号传导 （Caspases依赖的pathway）,1死亡受体(Death receptor, DR)通路(外通路) 死亡受体 TNFR、Fas、DR3、DR4、DR5等 是一类通过与相应配体结合，传递细胞凋亡信号的细胞膜蛋白。 通路机制：,（三）细胞凋亡的发生机制 (Mechanism of cell apoptosis),【Mechanism】激活p53基因/消耗ATP/生物膜脂 质过氧化/膜破坏致Ca2+内流/激活核酸内切酶/ 活化核转录因子NF-B和AP-1。,1、氧化损伤,氧自由基破坏了机体正常的氧化/还原动态平衡，造成生物大分子的氧化损伤，形成严重的氧化应激状态。,（四）细胞凋亡的基因调控 （The regulation of cell apoptosis）,【调控基因】,细胞凋亡的调控基因, Bcl-2（Bcl-XL）能够抑制线粒体MPT开放，Cyt.c 、AIF释放, Bcl-2也能特异地结合细胞色素C, Bcl-2能够结合和灭活Apaf-1，阻断对caspase-9活化,1bcl-2基因家族(癌基因), P53通过与Bcl-2基因相互作用，下调Bcl-2的表达。 P53诱导细胞凋亡的靶蛋白表达(线粒体和死亡受体介导)。 P53诱导线粒体内凋亡的相关蛋白(Bax/NOXA/PUMA) 表达，并触发细胞色素C释放和Caspase活化。 P53诱导死亡受体Fas表达。 P53能使死亡受体再定位于细胞膜上。,2、p53基因（抑癌基因，分子警察） 野生型p53是非常重要的促凋亡基因，突变型则否。,【促凋亡机制】,（五）细胞凋亡异常和疾病 （The diseases associated with apoptosis ）,与细胞凋亡异常相关的疾病,（乳腺癌、肝癌、膀胱癌、肺癌、胶质瘤等也存在Bcl-2高水平表达）,1、细胞凋亡不足与肿瘤, bcl-2基因过表达, p53基因缺失或突变,（50%以上恶性肿瘤中存在P53异常，非小细胞肺癌 p53基因的突变率为50以上，在小细胞肺癌甚至高达80）,HBV编码的HBX蛋白是p53的强效抑制物，与肝癌发生密切相关。, 病毒的癌基因, 异常融合蛋白, 自身免疫病：SLE/多发性硬化/慢性甲状腺炎等,2、细胞凋亡过度, 神经退行性疾病：Alzheimer disease(AD) Parkinson disease (PD), 心脏疾病：心肌缺血/心肌梗死/心力衰竭等,感染HIV的宿主细胞膜上可表达一种名为gp120的糖蛋白，CD4+淋巴细胞的表面存有这种蛋白的受体，当gP120与CD4+受体分子结合后即可触发CD4+淋巴细胞凋亡。,（1）糖蛋白120(gP120)：, AIDS,被感染的CD4+ 细胞 gp120 阳性,未感染的CD4+ 细胞 gp120 阴性,CD4,(2) 合胞体形成,gp120,CD4细胞融合形成多核巨细胞，其寿命明显缩短。,细胞融合,受HIV感染的大部分CD4+淋巴细胞(约80-90)逐步融合形成合胞体(syncytia)或多核巨细胞，合胞体在形成过程中或形成后即可发生凋亡而解体。,(3)Fas基因表达上调,促进凋亡,激活诱导的细胞死亡 (activation-induced cell death，AICD),(4)T 细胞激活：,HIV,HIV,受HIV感染的巨噬细胞分泌肿瘤坏死因子(TNF)增多，TNF可通过与TNF受体-1(死亡受体)结合而启动死亡程序，也可刺激CD4+淋巴细胞大量产生氧自由基，通过氧化应激而触发细胞凋亡。,（5）细胞因子：,HIV(红色)感染的T细胞,Tat蛋白是HIV-1编码的重要调控蛋白，在病毒复制和感染致病中起重要作用。这种蛋白可自由透过细胞膜。tat蛋白进入CD4+淋巴细胞后，可诱导细胞产生氧自由基，增强Fas抗原表达而提高对细胞凋亡的易感性。,(6) Tat 蛋白(反式激活蛋白)：,HIV中tat蛋白在启动病毒自我 繁殖的过程中具有重要作用,慢性HIV感染时 CD4+淋巴细胞 数量减少的主因,(7) 自相残杀,健康人外周血中CD4+T细胞数量为1000/ml，晚期AIDS患者则在100/ml,在AIDS发病过程中，细胞凋亡具有一定的保护意义。(不成功,便成仁,但是最终自己逐渐摧毁了整个免疫系统) 因此，在积极抗病毒治疗的同时，如何阻止免疫细胞的凋亡是AIDS病人免疫重建的关键所在。,生命的渴望,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，如： Alzheimer disease(AD) Parkinson disease Huntington病 多发性硬化症等, 神经元退行性疾病,Dennis J. Selkoe. (2012) Preventing Alzheimers Disease. Science, 337:1488-1491., 神经元退行性疾病,AD造成神经元丧失的主要机制是细胞凋亡。其因素包括 淀粉样蛋白、钙超载、氧化应激及NGF分泌不足等。近期，施一公教授揭示了AD发病直接相关的人源分泌酶复合物的精细三维结构。大脑中淀粉样斑块是由膜整合蛋白酶复合物分泌,复合酶异常切割“淀粉样前体蛋白”APP 而产生过量易聚集的A42肽所致。 （垃圾粉碎机）,（2014）, 老年撒切尔夫人,1986年2月6日妻子南希 庆祝里根75岁生日,百年孤独作者 马尔克斯,1994年患病后，里根（前）深居简出,2、从某一方面举例说明细胞增殖、分化异常和凋亡异常引发疾病的机制。,1、就你的理解，简述细胞与疾病发生之间的关系。,探测器,效应器,传感器,TNF-、抗CD3抗体、TCDD等,胞浆Ca2+ , 激活Ca2+/Mg2+依赖的核酸内切酶，降解DNA链； 激活谷氨酰胺转移酶，促使细胞骨架分子之间发生广泛 交联，有利于凋亡小体形成； 激活核转录因子，加速细胞凋亡相关基因的转录； 在ATP参与下，暴露出核小体之间的连接区，有利于 DNA内切酶切割DNA。,钙超载引起凋亡机制,细胞凋亡,pRb、P53、c-myc、UPP、磷酸酶等参与对CDK的调控。,泛素化是对特异的靶蛋白进行泛素修饰的过程。一些特殊的酶将细胞内的蛋白分类,从中选出靶蛋白分子。泛素化修饰涉及三酶级联的一系列反应： 泛素激活酶E1 泛素结合酶E2 泛素连接酶E3 首先在ATP(红色所示)供能的情况下酶E1粘附在泛素分子尾部(淡黄色所示)的Cys残基上(绿色所示,注意在这个结构中,Cys突变为Ala)激活泛素,接着,E1将激活的泛素分子转移到E2酶上，随后,E2酶和一些种类不同的E3酶共同识别靶蛋白,对其进行泛素化修饰。根据E3与靶蛋白的相对比例可以将靶蛋白单泛素化修饰和多聚泛素化修饰。E3酶的外形就像一个夹子,靶蛋白连接在中间的空隙内(星号所示)。酶的左侧结构域决定靶蛋白的特异性识别,右侧结构域定位E2酶以转移泛素分子。,朊病毒（prion，普里昂） 是只有蛋白质而没有核酸的蛋白质病毒。可以引起同种或异种蛋白质构象改变而致病或功能改变的蛋白质。最常见的是引起传染性海绵样脑病(疯牛病)的蛋白质。,人朊病毒病已发现4种： 库鲁病（Kuru） 克-雅氏综合症（CJD） 格斯特曼综合症（GSS） 致死性家庭性失眠（FFI）,Daniel Carleton Gajdusek 获1976年的诺贝尔奖,