细胞应激-参考.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,广州医学院病理生理学教研室,董伟华,细胞应激,Cellular Stress,细胞应激,概述,细胞应激反应,常见细胞应激的类型及机制,细胞应激与疾病的关系,概 述,细胞应激,细胞处于不利环境和遇到有害刺激时所产生的防御或适应性反应。,高度保守,在进化中形成；应激导致的选择性压力也有益于物种的进化,应激原,物理因素：压力,化学物质、药物、毒物,生物：病毒、细菌等,细胞必须物质缺乏：低氧、蛋白质或各种物质缺乏,内环境失衡：体内产生的活性氧、渗透压改变等,细胞应激反应,(cellular stress),包括,JNK/SAPK,、,p38,、,ERK,途径。激活的级联反应类似：,MAPKKK,MAPKK,MAPK,效应：激活转录因子,保护性蛋白质生成,增强细胞对应激原的抵抗力、或介导细胞调亡的信号转导,激活因素,:JNK/SAPK,：紫外线、,DNA,损伤剂、活性氧、高渗状态、促炎细胞因子；,p38,：高渗状态、,LPS,、细胞因子等；,ERK,：多种应激原,(一)丝裂原活化的蛋白激酶,(,mitogen-activited protein kinase,MAPK）,磷脂酶,C(PLC),、磷脂酶,D(PLD),：,产生,:,二酰甘油,(,DAG,),PKC,，拮抗细胞调亡；,三磷酸肌醇,(,IP3,),Ca,2+,i,增高（如：炎症细胞被激活的重要标志）,磷脂酶,A,2,(PLA,2,),：炎症反应中发挥重要作用,激活因素：,TNF,、凝血酶、缓激肽,(二)激活多种磷脂酶,PLA2 与炎症和器官组织损害,PLA2 催化磷脂水解，促使前列腺素、白三烯等炎症介质形成，在炎症过程中发挥重要作用,与各种病症如急性胰腺炎、败血性休克、多种器官损伤有关，血中的PLA2活性可用于这些疾病的诊断和预后,IL-1能以时间依赖和剂量依赖的方式诱导PLA2 的表达和分泌,PLA2 基因表达机制：涉及一些转录因子激活状态的修饰，包括核转录因子(NF-B),鞘磷脂酶,(,SMase,),：,作用,：降解鞘磷脂,生成神经酰胺（,CM,重要的第二信使）,鞘磷脂,-,神经酰胺通路；,分类,：,中性,SMase,：分布于细胞膜上，与,ERK,通路及促进细胞增殖、炎症反应的发生有关；,酸性,SMase,：分布于溶酶体，与,SAPK,通路和细胞调亡密切相关；,诱导因素：紫外线、电离辐射、,DNA,损伤剂,激活酶类：,DNA,活化的蛋白激酶,(,DNA-activated protein,kinase,DNA-PK),、毛细血管扩张共济失调突变（,ATM,）激酶,作用：活化多种转录因子：,P53,、,c-Jun,、,c-Fos,、,c-myc,等；使热休克蛋白,90(HSP90),磷酸化,(三)DNA损伤激活的蛋白激酶,(四)其他的信号转导通路,PI3K-蛋白激酶(PKB)：促进细胞生存、抗凋亡作用,其他,二.应激引发的生物效应,热休克反应：应激原,热休克蛋白,对细胞的非特异性保护作用,1.,应激原,蛋白质变性,变性蛋白与,HSP70,结合,热休克因子,(,heat shock factor,HSF),活化,调节热休克基因,HSP70,表达,。,其他,HSP,表达也增多，但以,HSP70,最多,2.HSP70,的作用：,参与新合成蛋白质的正确折叠和运输；,识别变性蛋白质并与之结合，促使其重新形成天然构象或加速其降解,（,一）产生非特异性防御反应,特异性防御反应：除产生,HSP,之外，依据应激原的不同产生不同的特异性蛋白，对细胞产生特异性的保护作用。如：,缺氧性应激,基因毒应激,氧化应激,（,二）产生特异性防御反应,（,三）对细胞增殖的影响,促进细胞增殖：通过,MAPK/ERK,通路。,心肌负荷过重，机械牵拉刺激,心肌肥厚；,慢性炎症：炎症介质,细胞增殖,抑制细胞增殖：,通过,JNK/SAPK,通路和,P38,细胞周期阻滞、增殖抑制；,DNA,损伤,P53,通路,G1,期或,G2,期阻滞，修复损伤的,DNA,（四）诱导细胞调亡,抑制细胞增殖的通路均与调亡有关。如：,SAPK通路,P38通路,神经酰胺信号转导通路,P53通路,内质网应激,内质网(endoplasmic reticulum，ER)内膜表面积占细胞所有膜结构的50%，体积占细胞总体积的10%，参与重要的生理功能的维持,内质网巨大的膜结构为细胞内活性物质的反应提供了一个广阔的平台，在许多信号调控中起到关键作用,基本生理功能,：负责蛋白质的合成转运、信号肽识别、糖基化修饰、钙离子的贮存和调节、信号转导及细胞内钙的再分布,内质网是,细胞凋亡,调节中的重要环节,内质网的功能,内质网在,蛋白质转运和折叠,中起重要作用,内质网腔是一个独特的环境,内质网中Ca,2+,浓度是细胞内最高的,内质网腔是一个氧化性环境：这对于二硫键的形成和分泌蛋白以及细胞表面蛋白的正确折叠至关重要,内质网中富含使蛋白质折叠稳定的介质,Ca,2+,依赖性分子伴侣,如葡萄糖调节蛋白78(GRP78)以及钙网蛋白等,使其在蛋白质转运和折叠中发挥作用,ER stress,内质网是细胞中加工蛋白质及贮存Ca,2+,的主要细胞器，对应激原的刺激十分敏感,内质网是完成蛋白质四级结构折叠形成的部位，在内质网内存在着多种相关的酶系统,这些蛋白质中的大部分功能与Ca,2+,浓度的动态变化密切相关,内质网应激对于增强细胞对损伤的抵抗及适应能力具有重要意义，对,细胞存亡,具有重要影响,内质网应激,（endoplasmic reticulum stress，ER stress）,各种应激原作用于细胞后，通过诱发内质网腔中错误折叠和未折叠蛋白质的堆积以及Ca,2+,平衡紊乱而激活,未折叠蛋白反应,（unfolded protein response,UPR,）及,细胞凋亡信号通路,等内质网反应,，,称为。,Conditions interfering with the function of ER are collectively called ER stress.,引起ER应激的因素,细胞内氧化还原调节紊乱,葡萄糖耗竭：干扰蛋白质N末端的糖基化而导致内质网应激,Ca,2+,调节紊乱：由于GRP78、GRP94以及钙网蛋白的Ca,2+,依赖性分子伴侣的性质，内质网内Ca,2+,调节紊乱将导致蛋白质不能折叠,病毒感染：内质网应激导致细胞死亡是为了防止病毒扩散的一种古老而有效的机制,蛋白酶体功能受损：内质网内本身存在一定数量的蛋白质错误折叠,被转运至胞浆,在蛋白酶体中降解。蛋白酶体功能受损,蛋白质转运障碍,ER应激(如：导致神经退行性变中常见的包涵体疾病）,ER应激的诱导途径,未折叠蛋白反应(unfold protein response，,UPR,):accumulation of unfolded protein aggregates,内质网超负荷反应(ER overload response,EOR,)：excessive protein traffic usually caused by,viral infection,固醇调节级联反应,前两者由于蛋白质加工紊乱引起，后者是由于在ER表面合成的胆固醇损耗所致,未折叠蛋白反应,（unfolded protein response,UPR,）,蛋白质在内质网内的正确折叠需要许多分子伴侣蛋白协助，包括Bip/,GRP78,(immunoglobulin binding protein78)和,GRP94,(glucose regulated protein94)、折叠酶类等,当内质网中未折叠或错误折叠的蛋白增多时，应激信号通过内质网膜传递到细胞核中，继而引起一系列特定的靶基因转录和蛋白质翻译水平下调，以利于内质网蛋白折叠形成，使细胞继续存活，这种反应就是未折叠蛋白反应(UPR),葡萄糖调节蛋白(glucose regulated proteins，GRPs）,一种内质网分子伴侣，是细胞为适应内质网应激状态所产生的一类,应激蛋白,，与热休克蛋白（heat shock proteins，HSPs）有高度的同源性,1977年，Shiu等发现，在,无葡萄糖介质中,培养鸡胚成纤维细胞的过程中，可诱导产生两种分子质量分别为78kD和94kD的蛋白质，分别将其命名为GRP78和GRP94。,GRP94只存在于真核生物中，是内质网内数量最多的糖蛋白，可结合未折叠的多肽链，阻止蛋白质聚集，协助蛋白质折叠、伸展、组装和转运，抑制错误折叠蛋白质的分泌,GRP94可促进肿瘤细胞增殖、转移及耐药，在肿瘤的治疗及预后方面具有重要的临床意义,Role of,GRP(glucose regulated protein):GRP78,GRP94,preventing protein aggregation(keeping the unfolded proteins in a folding-competent state),binding and keeping Ca,2+,in the ER lumen,UPR信号传导途径,哺乳动物中有,三条途径,涉及UPR信号传导,PERK-elF2磷酸化-ATF4路径,IRE1-XBP1路径,ATF6路径,Science 2006,313:1564-1566）相关信号转导蛋白,：,PERK,：,RNA,激活蛋白激酶的内质网类似激酶,elF2,：,真核翻译因子,IRE1,（,inositol,requiring enzyme1,肌醇必需酶,-1,属丝苏氨酸激酶）,XBP1,（,X-box,binding,protein1,，,X,盒结合蛋白,1,）：转录因子，促进多种基因的表达,ATF6(avtiviting transcription factor,：激活作用转录因子,),PERK-elF2磷酸化-ATF4路径,IRE1-XBP1路径,ATF6路径,1.PERK-elF2磷酸化-ATF4路径,IRE1和PERK是内质网膜上的跨膜蛋白激酶,无应激情况，IRE1和PERK与GRP78/Bip形成稳定的复合物,当蛋白错误折叠或未折叠蛋白增多时促使GRP78/Bip与其解离 PERK二聚,真核翻译因子(eIF2)的磷酸化,终止翻译或阻止新合成的蛋白持续进入内质网,；上调应激相关信号(如ATF4),2.IRE1-XBP1路径,IRE1具有核酸内切酶功能,Bip耗尽IRE1二聚磷酸化激活切割XBP1 premRNA生成XBP1,结合ERSE(ER stress response element，应激反应元件)刺激内质网伴侣蛋白的基因转录,ATF6路径,ATF6：含有bZip转录因子结构域的,型跨膜蛋白，在非内质网应激状态下ATF6主要以酶原形式(P90ATF6)存在于内质网,未折叠蛋白在内质网聚集增多ATF6从ER进入Golgi,被S1P(site1 protease)和S2P酶切成p50bZip转录因子到细胞核激活XBPI转录增加结合ERSEUPR gene表达内质网伴侣蛋白合成,UPR效应,内质网伴侣蛋白基因转录的上调，内质网伴侣蛋白合成,蛋白质翻译减少,非折叠蛋白由内质网移入胞浆，并在蛋白酶体中降解,UPR的生物学意义,适应环境变化、重建ER的正常功能,适应性机制：,转录水平的调节：通过诱导相关基因表达而提高ER的蛋白质折叠能力,增强ER中蛋白降解，清除错误折叠的蛋白质,上述适应性机制失效后，通过激活NFB，ER开始进入警报信号途径,ER应激的两个环节,适应性改变：恢复稳态,诱导细胞凋亡,一.适应性改变：恢复稳态,寡聚化的IRE1与TRAF2结合激活NF-B激活Ask1而激活c-Jun（AP-1）和p38 MAPK信号转导通路宿主防御相关的基因表达,IRE1转录因子XBP-1产生诱导与恢复蛋白质折叠和降解非折叠蛋白有关的基因表达,PERK自身激活eIF2磷酸化而失活抑制细胞mRNA的翻译。而另外一些mRNA被翻译，如ATF4（ATF4诱导某些恢复ER稳态基因的表达）,ATF6被酶解成50kD的活性片断(转录因子)进入细胞核，结合至UPR靶基因启动子区的内质网应激反应元件（ER stress response element,ERSE）导致内质网应激蛋白表达增多,内质网应激蛋白,具有促进错误折叠及未折叠蛋白质的正确折叠、恢复内质网Ca,2+,转运、清除活性氧等功能,有助于增强细胞对损伤的抵抗力，促进细胞存活,类型：,内质网分子伴侣（如GRP78、GRP94、ERp29、ERp72等）、,蛋白二硫键异构酶（protein disulfide isomerase,PDI）、,血红素加氧酶-1、,内质网Ca,2+,-ATP酶等,二.ER应激诱导细胞凋亡,当蛋白的错误折叠反应程度过强或持续时间过长，ER应激将导致以细胞凋亡为特征的细胞死亡,（一）ER应激诱导细胞凋亡的相关因素,蛋白酶,:,caspase-12,与,ER,相结合。,Caspase-12,是,ER,应激介导细胞凋亡的主要因素之一,ER,应激激活,caspase-12,机制：,通过,IRE1,激活,caspase-12,：活化的,IRE1,水解,caspase-12,前体而激活,caspase-12,通过,Ca,2+,依赖性蛋白酶（,calpain,）激活,caspase-12:,在,ER,应激时，细胞内,Ca,2+,水平升高引起胞质中,Ca,2+,依赖性蛋白酶的活化并转位于,ER,膜，剪切定位于,ER,膜上的,caspase-12,前体，使之活化并释放入细胞质,Caspase-7,可能通过移位至,ER,激活,caspase-12,CHOP,ER,应激可以诱导其高表达,CHOP,基因启动子中包含所有,UPR,诱导蛋白（如,ATF4,、,ATF6,和,XBP-1,）的结合位点，并且这些转录因子与,CHOP,基因的诱导表达具有因果关系,过表达,CHOP,通过抑制,Bcl-2,而诱导细胞凋亡,（一）ER应激诱导细胞凋亡的相关因素,ER 应激的效应,常见细胞应激的类型及机制,一、基因毒应激,(,genotoxic stress,),（一）DNA损伤的原因和类型,紫外线照射：,DNA,形成嘧啶二聚体，不能与嘌呤配对,DNA,损伤,电离辐射：产生活性氧和自由基,DNA,碱基损伤、双链和单链断裂,化学诱变剂：烷化剂,DNA,烷基化修饰,基因突变；碱基类似物,替代正常碱基，干扰,DNA,合成,病毒感染：,RNA,病毒、,DNA,病毒,DNA,活化的蛋白激酶,(,DNA-PK,),：位于细胞核内的丝,/,苏氨酸蛋白激酶,作用,：主要识别,DNA,双链断裂,调节亚基识别,DNA,损伤并结合到双链,DNA,断裂的末端,与催化亚基结合并激活其活性,磷酸化转录因子,P53,、,c-Jun,和,c-Fos,效应,ATM,激酶：监控,DNA,损伤的激酶。在细胞周期检查点的作用位于,P53,蛋白的上游,（二）DNA损伤激活的信号转导通路和靶蛋白,聚腺苷二磷酸核糖基聚合酶,(,poly ADP-ribose polymerase,PARP,),：,DNA,损伤感应及检测分子。功能与,DNA-PK,相似，但对,DNA,单、双链断裂均能识别。,DNA,损伤,上述通路,p53,激活,P53,蛋白增多、活性增强,P21/WAF1,、,GADD45(,生长抑制和,DNA,损伤,45,基因产物,),等靶蛋白转录增加,前者负调控细胞周期、后者抑制细胞进入,S,期,细胞周期,G1,期阻滞，,进行损伤,DNA,的,修复,；或启动,调亡,（二）DNA损伤激活的信号转导通路和靶蛋白,DNA,损伤激活的其他信号转导通路：,MAPK,家族的蛋白激酶激活：,ERK,、,SAPK/JNK,、,P38,激活,NF-,B,、,AP-1,、,c-myc,等,NF-,B,：紫外线和电离辐射活化的主要转录因子。静止细胞中,NF-,B,位于细胞质。基因毒制剂刺激细胞,NF-,B,活化，进入细胞核,与,B,增强子及启动子相互作用,促进基因表达,AP-1,：,c-fos,、,c-Jun,的转录活性增高，二者产物的二聚体为,AP-1,（二）DNA损伤激活的信号转导通路和靶蛋白,AP-1(activator protein 1,激活子蛋白-1),由c-jun蛋白和c-fos蛋白家族成员之间相互作用而形成多种形式的同源二聚体或异源二聚体AP-1,细胞内一种重要的转录因子,被誉为细胞内信号传导的第三信使,在细胞增殖，分化，凋亡，胚胎发育，炎症及其它病理过程中起着重要作用,诱导因素：激素、生长因子、细胞因子、神经介质、热休克、电休克、紫外线、氧应激、以及过表达的癌基因等,活化的AP-1启动基因转录的分子开关,调控IL-1、TNF-、IL-6、IL-8、MIP-1、MCP-1、ICAM-1、VCAM-1和Pascel等基因的表达,细胞周期阻滞、,DNA,修复,G1,期阻滞：,check point,；,P53,G2,期阻滞：,DNA,损伤,Cdc2,激活受抑,G2,检查点阻滞,细胞不能进入,M,期（,G2,期阻滞也必须有,P53,的参与）,DNA,修复：,P53,吸引和活化,DNA,损伤修复蛋白，促进,DNA,修复,细胞调亡,P53,诱导的调亡：,P53,非依赖的调亡：SAPK/JNK,通路、,TNF,（三）DNA损伤引发的细胞反应,二、缺氧性应激,(,hypoxia cellular stress,),（一）缺氧的识别及信号转导通路,缺氧的识别：氧感受器。位于细胞表面，辅酶,氧化酶,(NADPH,氧化酶,),是最可能的氧感受器,低氧的信号转导：,Ca,2+,、,NO,、,CO,都在信号转导过程中发挥作用,HIF,1,的结构：由,2,个亚基,、,组成异二聚体,HIF,1,的诱导：低氧时，,HIF,1,合成增加、降解减少，而,HIF,1,不受低氧诱导。,生物效应及作用机制：,HIF,1,的,靶基因,有：,促红细胞生成素,(EPO),基因：导致红细胞增多,VEGF,基因：促进血管形成,改善缺氧,血管新生,葡萄糖转运子,-1,和糖酵解酶基因：增强糖酵解,血红素加氧酶,(HO-1),和诱导型一氧化氮合酶,(,iNOS,),基因：,NO,产生增多，舒张血管，增加血流量和血管通透性，增加组织供氧,（二）缺氧诱导因子HIF1及其生物学效应,The key molecule in oxygen sensing is the transcription factor,hypoxia induced factor-1 alpha,(缺氧诱导因子，,HIF-1a,).,Under normoxic conditions HIF-1a is constantly produced and constantly ubiquitinated,This,ubiquitination is mediated by a protein called Von Hippel-Lindau protein(,pVHL,).,pVHL can only do this when a particular,proline(脯氨酸),residue in HIF-1a is hydroxylated(羟基化),This hydroxylation is carried out by a particular prolyl hydroxylase(,脯氨酸羟化酶,)which is only active under,normoxic,conditions,When the oxygen concentration,drops,this enzyme is no longer efficient,the proline residue in HIF-1a,doesnt get hydroxylated,pVHL can no longer mediate ubiquitination of HIF-1a,HIF-1a,accumulates,in the cell and activates gene expression,三、氧化应激,(oxidative stress,OS),氧化应激,氧化应激(oxidative stress，OS)是指机体活性氧产生过多或/和机体抗氧化能力降低，,前氧化系统,和,抗氧化系统,平衡紊乱，从而导致潜在性损伤的病理过程。,活性氧,中性粒细胞、巨噬细胞,线粒体,嘌呤分解代谢,Cyto,P450,花生四烯酸代谢,儿茶酚胺降解,铁和其他金属离子,辐射作用,前氧化系统,二级抗氧化防御系统,DNA,修复,蛋白修复和降解,解毒系统,膜修复,再生系统,一级抗氧化防御系统,过氧化氢酶,超氧化物岐化酶,谷胱甘肽系统,其他抗氧化剂,抗氧化系统,脂质过氧化,DNA,损伤,蛋白质氧化,细胞损伤和死亡,细胞的前氧化系统和抗氧化系统,由活性氧,(ROS),或自由基超负荷引起,ROS,：激活,MAPK,家族成员的,ERK1,、,ERK2,和,JNK,信号转导通路,激活转录因子,AP-1,、,NF-,B,诱导氧化应激基因,SOD,、,CAT,和,GSH-,Px,等的表达,表达产物清除自由基,特异性地保护细胞,其他化学物质引起的氧化应激,细胞应激与疾病的关系,细胞应激与呼吸系统疾病,细胞应激与心血管系统疾病,细胞应激与神经退化性疾病,细胞应激与感染性疾病,细胞应激与肿瘤,.,氧化应激与疾病的关系,氧,化应激与心血管疾病,氧,化应激与神经系统疾病,氧,化应激与肠道疾病,1.,氧化应激与心血管疾病,氧化应激与血管内皮功能异常,氧化应激与高血压,氧化应激与动脉粥样硬化,氧化应激与心力衰竭,氧化应激和心肌缺血再灌注损伤,氧化应激与心力衰竭,ROS在心肌肥大的发生中起信号分子的作用,ROS直接或间接激活下游信号通路，使其对细胞外因子产生应答，进而诱导心肌肥大,信号通路：PKC、MAPKs、p38、JNK、ASK21和 ERK1/2、NF-、某些酪氨酸激酶（如:src和 FAK）以及依赖钙调蛋白的磷酸酯酶等,ROS对心肌的损伤效应：,直接损伤效应,心肌细胞及其超微结构膜完整性破坏，酶活性下降，心肌舒缩功能障碍,胶原酶原激活，降解胶原蛋白，破坏心脏胶原网络,环加氧酶激活，释放 TXA、LTs等，增强血小板聚集和冠脉收缩，恶化心肌缺血缺氧。,氧化应激与心力衰竭,ROS对心肌的损伤效应：,ROS诱导心肌细胞凋亡，使心肌细胞数量减少,晚期心衰心功能进行性下降的主要机制之一,心衰时，大量儿茶酚胺分泌，其自氧化过程中产生大量氧自由基并诱导心肌细胞凋亡,氧化应激是否诱导心肌细胞凋亡依赖于 ROS的浓度水平,氧化应激与心力衰竭,