细胞凋亡与癌症发生.ppt

分子肿瘤学分子肿瘤学第五节第五节 细胞凋亡与肿瘤细胞凋亡与肿瘤 一、概述一、概述 1、细胞凋亡名称的由来：、细胞凋亡名称的由来：英国英国AberdeenAberdeen大学病理系大学病理系KerrKerr教授：教授：19721972年我和年我和WyllieWyllie在研究中观察到一种不同于在研究中观察到一种不同于坏死的细胞死亡方式，联想到秋日落叶，把它坏死的细胞死亡方式，联想到秋日落叶，把它称作称作 ApoptosisApoptosis2 2、细胞凋亡的概念、细胞凋亡的概念 细胞凋亡细胞凋亡由内外源因素触发细胞内由内外源因素触发细胞内预存的死亡程序而导致的细胞死亡过程预存的死亡程序而导致的细胞死亡过程。3 3、细胞坏死与凋亡的差异、细胞坏死与凋亡的差异 坏死坏死 凋亡凋亡 性质性质病理性、非特异性病理性、非特异性生理性或病理性，特异性生理性或病理性，特异性 诱导因素诱导因素强烈刺激，随机发生强烈刺激，随机发生较弱刺激，非随机发生较弱刺激，非随机发生 生化特点生化特点被动过程，无新蛋白质合成，不耗能被动过程，无新蛋白质合成，不耗能主动过程，有新蛋白质合成，耗能主动过程，有新蛋白质合成，耗能 DNADNA电泳电泳 形态变化形态变化弥散性降解，电泳呈均一弥散性降解，电泳呈均一DNADNA片状片状 细胞结构全面溶解、破坏、细胞肿胀细胞结构全面溶解、破坏、细胞肿胀DNADNA片片段段化化（180200 180200 bpbp），电电泳泳呈呈“梯梯”状状条条带带 胞膜及细胞器相对完整细胞皱缩，核固缩胞膜及细胞器相对完整细胞皱缩，核固缩 炎症反应炎症反应溶酶体破裂，局部炎症反应溶酶体破裂，局部炎症反应溶酶体相对完整，局部无炎症反应溶酶体相对完整，局部无炎症反应 凋亡小体凋亡小体无无有有 基因调控基因调控无无有有4 4、细胞凋亡的生理意义、细胞凋亡的生理意义 （1 1）确保正常发育、生长）确保正常发育、生长 （2 2）修复功能）修复功能 如：清除受损、突如：清除受损、突 变或衰老的细胞变或衰老的细胞 （3 3）防御功能）防御功能 如：使受到病毒感如：使受到病毒感 染的细胞凋亡染的细胞凋亡二、细胞凋亡的诱发机制氧化损伤氧化损伤 1.1.氧化应激（氧化应激（oxidative stressoxidative stress）的概念的概念 指机体活性氧产生过多或抗氧化能力下降，活性氧的清除不足，指机体活性氧产生过多或抗氧化能力下降，活性氧的清除不足，导致活性氧在体内积聚并引起氧化损伤的病理过程。导致活性氧在体内积聚并引起氧化损伤的病理过程。氧化损伤的后果之一就是诱导凋亡。氧化损伤的后果之一就是诱导凋亡。2.2.氧化应激引起细胞凋亡的可能机制氧化应激引起细胞凋亡的可能机制 DNADNA受损激活受损激活P53P53基因基因 膜通透性膜通透性 CaCa内流内流 DNaseDNase 生物膜损伤生物膜损伤 mm 脂质过氧化产物脂质过氧化产物 多聚多聚ADPADP核糖合成酶活化，核糖合成酶活化，NADNAD耗竭，耗竭，ATPATP大量消耗大量消耗 可活化可活化NF-NF-kBkB、AP-1AP-1，加速细胞凋亡相关的一些基因表达加速细胞凋亡相关的一些基因表达 钙稳态失衡钙稳态失衡 CaCa2 2作为许多细胞生命活动的第二信使，在细胞凋亡中的作作为许多细胞生命活动的第二信使，在细胞凋亡中的作用也倍受关注，凋亡发生时胞浆中用也倍受关注，凋亡发生时胞浆中CaCa2 2 ，并激活凋亡过程中的并激活凋亡过程中的关键酶类，其诱导细胞凋亡的机制为：关键酶类，其诱导细胞凋亡的机制为：激活激活CaCa2 2 /Mg/Mg2 2 依赖的依赖的DNaseDNase 激活谷氨酰胺转移酶（激活谷氨酰胺转移酶（GTaseGTase），），促进凋亡细促进凋亡细 胞胞中蛋白广泛交联，有利于凋亡小体的形成中蛋白广泛交联，有利于凋亡小体的形成 激活激活CaCa2 2 敏感的蛋白酶敏感的蛋白酶 核骨架蛋白酶核骨架蛋白酶 核基质蛋白核基质蛋白 丝氨酸蛋白酶丝氨酸蛋白酶 膜蛋白膜蛋白 激活核转录因子，加速促凋亡基因的转录激活核转录因子，加速促凋亡基因的转录 线粒体损伤线粒体损伤 目前证据显示，线粒体的目前证据显示，线粒体的功能改变功能改变在细胞凋亡在细胞凋亡 的发生中起重要作用的发生中起重要作用 线粒体内膜通透性线粒体内膜通透性 线粒体内膜的跨膜电位线粒体内膜的跨膜电位m 能量合成水平能量合成水平线粒体功能和结构破坏引起细胞凋亡的可能机制：线粒体功能和结构破坏引起细胞凋亡的可能机制：凋亡诱导因素作用于细胞后引起凋亡诱导因素作用于细胞后引起 线粒体内膜跨膜电位（线粒体内膜跨膜电位（mm）下降，下降，线粒体内外膜线粒体内外膜之间的通透性转换孔之间的通透性转换孔PTPPTP开放；开放；使细胞凋亡启动因子（使细胞凋亡启动因子（CytCyt.C.C）,凋亡蛋白酶激活因子凋亡蛋白酶激活因子（ApafApaf）和凋亡诱导因子（和凋亡诱导因子（AIFAIF）释放释放凋亡诱导因素凋亡诱导因素线粒体线粒体跨膜电跨膜电位位线粒体线粒体PTP开放开放Cyt.C,Apaf,等释放等释放AIF激活激活Caspases潜在潜在Dnase活化活化Dnase细胞凋亡细胞凋亡线线粒粒体体损损伤伤三、细胞凋亡的形态及生化改变三、细胞凋亡的形态及生化改变（一）凋亡细胞的形态学改变（一）凋亡细胞的形态学改变 早期：早期：胞浆脱水，胞膜空泡化，细胞固缩胞浆脱水，胞膜空泡化，细胞固缩 晚期：晚期：染色质边集，凋亡小体染色质边集，凋亡小体凋亡的起始：细胞器、染色质等开始变化凋亡的起始：细胞器、染色质等开始变化 凋亡小体的形成：质膜包裹染色质和细胞器凋亡小体的形成：质膜包裹染色质和细胞器 凋亡小体的消化：被吞噬细胞消化凋亡小体的消化：被吞噬细胞消化Normal Cell Apoptotic cell Scanning electron micrographs of apoptotic bodies（二）凋亡细胞的生化改变（二）凋亡细胞的生化改变1.1.内源性核酸内切酶内源性核酸内切酶(Dnase)激活激活 切割染色质切割染色质DNADNA，CaCa2+2+/Mg/Mg2+2+(+)(+)，ZnZn2+2+(-)(-)2.DNA2.DNA片段化片段化 内切酶在核小体切开内切酶在核小体切开DNADNA，形成形成180-200180-200bpbp为倍为倍数的片段数的片段 3.3.凋亡蛋白酶激活凋亡蛋白酶激活 CaspasesCaspases的活性中心富含半胱氨酸的活性中心富含半胱氨酸，对底物天对底物天 冬氨酸部位有特异的水解作用冬氨酸部位有特异的水解作用 生物化学特征生物化学特征胞浆内胞浆内CaCa2+2+浓度升高。浓度升高。细胞内活性氧增多。细胞内活性氧增多。质膜通透性变大。质膜通透性变大。DNADNA内切酶活性被激活内切酶活性被激活 升高，双升高，双链链DNADNA在核小体在核小体 之间切断形成之间切断形成180200180200bpbp 为基数的有序片段。为基数的有序片段。型谷氨酰胺转移酶和需钙型谷氨酰胺转移酶和需钙 蛋白酶（蛋白酶（CalpainCalpain）活性升高。活性升高。典型凋亡细胞典型凋亡细胞DNADNA琼脂糖凝胶电泳琼脂糖凝胶电泳呈现梯状条带呈现梯状条带典型凋亡细胞DNA琼脂糖凝胶电泳（呈现梯状条带）CaspaseCaspase家族家族凋亡的执行者凋亡的执行者CaspaseCaspase活性位点是半胱氨酸，裂解靶蛋白位点是活性位点是半胱氨酸，裂解靶蛋白位点是天冬氨酸残基后的肽键，因此称为天冬氨酸残基后的肽键，因此称为Cysteine Cysteine aspartic acicaspartic acic specific protease specific protease，即即CaspaseCaspase特点：前体形式存在特点：前体形式存在,级联反应级联反应作用：作用：灭活凋亡抑制物灭活凋亡抑制物水解蛋白质结构，形成凋亡小体水解蛋白质结构，形成凋亡小体水解凋亡相关活性蛋白水解凋亡相关活性蛋白DNA ladderDetection of DNA fragmentation 四、凋亡发生途径与调控四、凋亡发生途径与调控（一）凋亡发生途径（一）凋亡发生途径1.1.死亡受体介导的细胞凋亡途径死亡受体介导的细胞凋亡途径 FasFas-FasLFasL,TNF-TNFR1,TNF-TNFR1,TRAIL-TRAIL-DRsDRs (TNF-related apoptosis inducing(TNF-related apoptosis inducing ligandligand)2.2.以线粒体释放细胞色素以线粒体释放细胞色素C C为中心环节的细胞凋为中心环节的细胞凋亡途径亡途径3.3.不依赖不依赖caspasecaspase的的细胞凋亡细胞凋亡Apoptosis protein activiting factor 1p53DNA damageBaxFas associated protein with death domaincaspase3Growth factorGrowth inhibitor cytokines不依赖不依赖caspasecaspase的细胞凋亡：的细胞凋亡：线粒体释放的核酸内切酶G(EndoG)可不依赖caspase而降解凋亡细胞的染色体DNA 位于线粒体的凋亡诱导因子（AIF)以某种未知的途径从线粒体转移到核中，诱导染色体凝聚，导致DNA大片段断裂，此过程不依赖caspase（二）细胞凋亡的调控 1 1、BcLBcL-2-2族分子族分子 BcLBcL-2-2 :bcL-2基因是细胞凋亡研究中最受重视的癌基因之一,其表达的蛋白质BcL-2蛋白最初发现于B-淋巴细胞瘤/白血病-2（B cell B cell lymphoma/Leukemia-2,lymphoma/Leukemia-2,BcLBcL-2)-2)而得名，与线虫ced9基因表达的Ced-9分子在结构上有同源性，具有抗凋亡作用。BcLBcL-2-2的高表达能阻抑多种凋亡诱导因素所引发的细胞凋亡。如-射线、糖皮质激素、热休克、多种化疗药物。1）BcL-2的同源基因和蛋白的同源基因和蛋白 BcLBcL-2-2家族有近家族有近3030种不同的蛋白分子，这些成员中共种不同的蛋白分子，这些成员中共有有4 4种种BcLBcL-2-2同源结构域（同源结构域（BH1-4)BH1-4)，每种蛋白含有至少每种蛋白含有至少一个一个BHBH 抗凋亡抗凋亡BcLBcL-2-2蛋白蛋白 BcLBcL-2-2，BcLBcL-w-w，BcLBcL-X-XL L、BFL-1BFL-1、Brag-1Brag-1、MCL-1 MCL-1，AIAI。促凋亡促凋亡BcLBcL-2-2蛋白蛋白 BaxBax，BakBak,Bok Bok，BcLBcL-X-X等。等。BH3-onlyBH3-only亚家族亚家族(促凋亡）促凋亡）Bid，Bad,，Bim，Bik，Blk，Hrk,Bnip3等等,BH3BH3BH1BH1BH2BH2TMTMBH3BH3TMTMBH3BH3TMTMBH4BH4BH3BH3BH1BH1BH2BH2抗凋亡成员抗凋亡成员促凋亡成员促凋亡成员Bcl2 homodimerBcl2.BAX heterodimerBAX homodimerBlocks apoptosis Promotes survivalInactiveSimulates apoptosis Preventts survivalResponse is determined by the dimerisation state of Bcl2 and BAX BcL BcL-2-2基因家族成员自身或彼此之间有形成二聚体基因家族成员自身或彼此之间有形成二聚体或多聚体的能力或多聚体的能力 BcLBcL-2-2家族的蛋白与蛋白相互作用调节着细胞的存家族的蛋白与蛋白相互作用调节着细胞的存活与凋亡活与凋亡2 2）BcLBcL-2-2抗凋亡机制：抗凋亡机制：直接抗氧化直接抗氧化抑制线粒体释放促凋亡蛋白质抑制线粒体释放促凋亡蛋白质抑制凋亡调节蛋白的细胞毒作用抑制凋亡调节蛋白的细胞毒作用抑制凋亡蛋白酶的激活抑制凋亡蛋白酶的激活维持细胞钙稳态维持细胞钙稳态2 2、P53P53基因的调节基因的调节修复受损修复受损的的DNADNA，如修复失败则诱导细胞凋亡如修复失败则诱导细胞凋亡 P53蛋白蛋白+细胞凋亡细胞凋亡突变的突变的P53P53 失活的失活的P53P53丧失监视丧失监视DNADNA损伤的功能损伤的功能射线，毒素射线，毒素3 3、原癌基因与细胞凋亡调控、原癌基因与细胞凋亡调控 多种原癌基因参与细胞凋亡的调节多种原癌基因参与细胞凋亡的调节 c-c-mycmyc是一种癌基因，是调控细胞周期的主是一种癌基因，是调控细胞周期的主要基因。编码的蛋白是要基因。编码的蛋白是DNADNA结合蛋白，调控基结合蛋白，调控基因转录，在因转录，在GFGF充足时主要激活介导细胞增殖的充足时主要激活介导细胞增殖的基因；反之激活凋亡基因基因；反之激活凋亡基因 c-c-ablabl激活后，其激酶活性能促进激活后，其激酶活性能促进statstat转录转录因子上调因子上调BcL-XL，抑制细胞凋亡。抑制细胞凋亡。STI571STI571是该是该激酶的抑制剂，能杀死激酶的抑制剂，能杀死CMLCML白血病细胞白血病细胞4 4、CaspaseCaspase 天然抑制物的调节天然抑制物的调节 细胞内存在天然的Caspase抑制物-IAP(Inhibitor of Apoptosis Proteins)发现几种不同的IAP:XIAP(X-Linked IAP);C-IAP1;C-IAP2;Survivin等。XIAP，C-IAP1，C-IAP2能直接结合活化的caspase3,7和9，并抑制其酶活性，但不能抑制caspase1,6,8和10五、细胞凋亡失衡与癌症五、细胞凋亡失衡与癌症 凋亡不足：凋亡不足：癌症 自身免疫性疾病 病毒感染等 凋亡过度：凋亡过度：神经元退行性疾病 造血衰竭性疾病 心肌缺血/再灌注损伤已知的凋亡相关性疾病1 1、细胞凋亡与癌症细胞凋亡与癌症发生发生 细胞凋亡的信号感受、整合和执行的相关分子的异常都可能导致肿瘤的发生 细胞凋亡的缺乏在癌症发生中发挥了重要的作用。细胞凋亡的缺乏在癌症发生中发挥了重要的作用。TNFTNF受受 体家族的突变与癌症发生有关；体家族的突变与癌症发生有关；实验发现过度表达实验发现过度表达Bcl2Bcl2的转基因鼠造血细胞过度增生，并的转基因鼠造血细胞过度增生，并 由于凋亡抑制而最终发生淋巴瘤。由于凋亡抑制而最终发生淋巴瘤。Bcl2 Bcl2 家族蛋白促凋亡和抑制凋亡分子的平衡失常，可致细家族蛋白促凋亡和抑制凋亡分子的平衡失常，可致细 胞获得生存优势，有助于癌症的发生。胞获得生存优势，有助于癌症的发生。P53P53的遗传缺陷因不能通过凋亡去除异常细胞而引发癌症。的遗传缺陷因不能通过凋亡去除异常细胞而引发癌症。CaspaseCaspase功能失活与癌症的发生有一定关系。功能失活与癌症的发生有一定关系。CaspaseCaspase抑制因子（抑制因子（IAP)IAP)表达水平的升高能阻止肿瘤细胞的表达水平的升高能阻止肿瘤细胞的 凋亡，使肿瘤细胞具有生存优势，癌症得以发生和发展凋亡，使肿瘤细胞具有生存优势，癌症得以发生和发展 衰老细胞由于过度丢失染色体端粒而导致细胞的基因组不稳定和衰老细胞由于过度丢失染色体端粒而导致细胞的基因组不稳定和 细胞凋亡。但如果细胞凋亡和衰老机制的破坏，细胞有可能演细胞凋亡。但如果细胞凋亡和衰老机制的破坏，细胞有可能演 变为癌症变为癌症 细胞凋亡与肿瘤DamagedDNAbaseStop proliferationDNArepairNormalDNAApoptosisproliferationcontinuesError passedto one daughter cellThe link between DNA damage,repare,proliferation and apoptosis 2 2、细胞凋亡在癌症形成后的影响、细胞凋亡在癌症形成后的影响 凋亡抑制或减弱是多种癌症的共同表现凋亡抑制或减弱是多种癌症的共同表现 许多化疗药物发挥作用与诱导癌细胞凋亡有关许多化疗药物发挥作用与诱导癌细胞凋亡有关 在肿瘤的治疗中，凋亡承担了清除损伤细胞的功能。在肿瘤的治疗中，凋亡承担了清除损伤细胞的功能。诱导凋亡是目前靶向治疗的主要策略之一，其手段包括激活诱导凋亡是目前靶向治疗的主要策略之一，其手段包括激活 凋亡或阻断抑制凋亡的信号通路。例如抑制凋亡或阻断抑制凋亡的信号通路。例如抑制Bcl2Bcl2，激活激活 TRAILTRAIL、BaxBax、caspasecaspase等基因的策略等基因的策略 细胞凋亡的缺乏与肿瘤的预后、治疗等密切相关。在实体瘤细胞凋亡的缺乏与肿瘤的预后、治疗等密切相关。在实体瘤（如前列腺癌）和弥散性肿瘤（如白血病）中，（如前列腺癌）和弥散性肿瘤（如白血病）中，Bcl2Bcl2过表达者预过表达者预 后差，且对化疗耐药。后差，且对化疗耐药。P53P53缺陷的细胞对放疗、化疗具有抗性。缺陷的细胞对放疗、化疗具有抗性。病毒感染、细胞凋亡与肿瘤病毒感染、细胞凋亡与肿瘤 病毒感染宿主细胞后有两种结局：病毒感染宿主细胞后有两种结局：一是诱导细胞一是诱导细胞 凋亡从而限制病毒生长（肝炎凋亡从而限制病毒生长（肝炎病毒）；病毒）；二是由病毒基因表达的蛋白抑制宿主细胞凋亡，二是由病毒基因表达的蛋白抑制宿主细胞凋亡，造成持续性感染或增加某些病毒的致癌可能性。造成持续性感染或增加某些病毒的致癌可能性。