細胞凋亡的分子機制

細胞凋亡的分子機制第一頁，共十六頁，編輯于2023年，星期三細胞凋亡從形態(tài)學上看從細胞功能上看第二頁，共十六頁，編輯于2023年，星期三

細胞凋亡(apoptosis)或程序性細胞死亡(programmedcelldeath,PCD)是指在一定的條件下,細胞遵循固定的程序,自己結束生命的過程。從細胞功能上看,一個多細胞生物體中,在正常條件下,某些細胞的死亡是細胞個體發(fā)育的一個階段(最后階段的正常個體發(fā)育過程,稱之為程序性死亡(PCD)。從形態(tài)上看,上述細胞死亡有其特定的形態(tài)學變化,染色質濃縮和DNA降解等等;)。這種死亡是一種預定的、并受到嚴格程序控制例如細胞產(chǎn)生膜泡、具有上述形態(tài)學特點的細胞死亡稱之為凋亡。由于在絕大多數(shù)情況下,程序性死亡具有與凋亡相同的形態(tài)學變化,因此,這兩個概念或名詞可以看成是從不同角度描述的同一過程,可以混用。第三頁，共十六頁，編輯于2023年，星期三

從形態(tài)學上看(圖1),細胞凋亡是一變化的過程。首先細胞變圓,隨即與周圍細胞脫離;細胞失去微絨毛,胞漿濃縮,內(nèi)質網(wǎng)擴張呈泡狀并與細胞膜融合,核染色質密度增高,凝聚在核膜周邊;然后核染色質斷裂為大小不等的片段,與某些細胞器如線粒體聚集在一起,被反折的細胞膜包圍。從外觀上看,細胞表面產(chǎn)生了許多泡狀或芽狀突起;接著這些突起逐漸分隔,形成單個的凋亡小體(apoptoticbody);最后凋亡小體被鄰近的正常細胞吞噬并消化。細胞凋亡過程中有一些標志性的生物化學變化:細胞膜上的磷脂酰絲氨酸(PS)由膜內(nèi)側面翻到外側面;胞質內(nèi)蛋白酶活化,發(fā)生級聯(lián)反應(cascade),同時有能量消耗、新基因轉錄或蛋白質合成等變化;細胞核內(nèi)染色質DNA被核酸酶酶切成以核小體180～200bp為重復單位的片段,如果將從凋亡細胞中提取的DNA進行瓊脂糖凝膠電泳,會形成梯狀的DNA條帶(DNAladder)。PS:磷脂酸與絲氨酸酯化生成的化合物。是血小板膜帶負電荷的酸性磷脂(即血小板第三因子)。當血小板因組織受損而被激活時，其膜的這些磷脂轉向外側，作為表面催化制與其他凝血因子一起導致凝血酶原的活化。Cascade:細胞內(nèi)信號傳遞途徑關聯(lián)蛋白質的系列反應，即通過多次的逐級放大使較弱的輸入信號轉變?yōu)闃O強的輸出信號，導致各種生理響應的過程。一般包括磷酸化和去磷酸化反應。第四頁，共十六頁，編輯于2023年，星期三從細胞功能上看,細胞凋亡對多細胞生物體具有重要的意義。一方面在生物發(fā)育過程中細胞凋亡可以清除沒有功能的、不需要的、不正常的和有害的細胞,優(yōu)化組織器官的結構和細胞數(shù)目,確保正常個體發(fā)育。另一方面在生物體整個生命過程中,每天都會產(chǎn)生許多功能異常的細胞,如癌變細胞、衰老細胞、被微生物侵襲的細胞等。細胞凋亡可以將這些細胞清除,并且由新誕生的功能正常的細胞替換。因此,體內(nèi)細胞的誕生和死亡處于動態(tài)平衡,從而維持機體組織器官中細胞數(shù)量穩(wěn)定和功能正常。第五頁，共十六頁，編輯于2023年，星期三早在1896年科學家就已經(jīng)在魚類神經(jīng)元的發(fā)育過程中觀察到細胞凋亡的現(xiàn)象,細胞凋亡的概念最早是由英國阿伯丁大學的病理學家科爾(Kerr)提出的,同時他還詳盡描述了死亡過程中細胞的形態(tài)學變化。進入20世紀60年代后,細胞凋亡的研究進入到基因水平,先后有三位科學家,即美國加州伯克萊科學研究所的悉尼·布雷內(nèi)(1927年出生)、英國劍橋桑格(Sanger)研究中心的約翰·蘇爾斯頓(1942年出生)和美國麻省理工學院的羅伯特·霍維茨(1947年出生)(圖2),他們用秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditiselegans,C.elegans)作為動物模型做了開創(chuàng)性的工作,為此共同獲得了2002年諾貝爾生理或醫(yī)學獎。公報稱,由于他們發(fā)現(xiàn)了器官發(fā)育的基因調控和細胞的程序性死亡(geneticregulationoforgandevelopmentandprogrammedcelldeath)而獲獎。第六頁，共十六頁，編輯于2023年，星期三凋亡基本的分子機制及其發(fā)現(xiàn)C.elegans細胞凋亡的分子機制ydneyBrenner將C.elegans作為模型動物為凋亡研究提供絕好材料JohnE.Sulston完成C.elegans細胞譜系繪制,使研究凋亡分子機制成為可能H.RobertHorvitz對凋亡分子機制的闡明

第七頁，共十六頁，編輯于2023年，星期三第八頁，共十六頁，編輯于2023年，星期三基本的分子機制C.elegans的細胞凋亡過程比較簡單,現(xiàn)已鑒定并得到確認的是共有四個基因編碼的蛋白質參與了凋亡過程,它們分別具有抑制、啟動或產(chǎn)生效應的作用,包括egl-1、ced-3,ced-4和ced-9。Ced-9(celldeathabnormal)與哺乳動物Bcl-2蛋白家族中的Bcl-2蛋白(見后述)在結構和功能上同源,具有抑制凋亡啟動的作用。Egl-1(egglayingdefective)與Bcl-2蛋白家族中的唯BH3域蛋白(BH3-onlyproteins)同源(見后述),具有啟動凋亡的作用。ced-4與哺乳動物的銜接蛋白apaf-1(見后述)同源,具有推動凋亡進程的作用。而ced-3則與哺乳動物胱天蛋白酶蛋白家族(caspases)同源(見后述),具有執(zhí)行凋亡的作用,使細胞表現(xiàn)出典型的凋亡形態(tài)變化。C.elegans的凋亡信號通路如圖3所示。在正常細胞中,ced-9結合在線粒體膜上,并且與ced-4牢固結合形成復合體而抑制ced-4的功能。當細胞接收到凋亡信號后,egl-1蛋白開始高表達,它直接與ced-9結合,而使ced-4與ced-9脫離進入胞漿;而后ced-4與ced-3結合形成ced-3/ced-4蛋白復合體并移向核膜,同時ced-4與ced-3的結合使得ced-3在局部的濃度升高,有助于ced-3聚合和自我活化;最后被活化的ced-3催化水解細胞中的各種底物,使細胞表現(xiàn)出典型的凋亡形態(tài)變化。C.elegans的凋亡信號通路看似簡單,然而它的發(fā)現(xiàn)卻是由三位科學家前后30年承前啟后的艱辛工作才得以完成,以下就三位科學家30年來的研究歷程作一簡要回顧。第九頁，共十六頁，編輯于2023年，星期三第十頁，共十六頁，編輯于2023年，星期三悉尼·布雷內(nèi)將C.elegans作為模型動物

為凋亡研究提供絕好材料1974年,悉尼·布雷內(nèi)發(fā)表了他學術生涯中第一篇重要論文“ThegeneticsofCaenorhabditiselegans”,在這篇文章中,他報道了用C.elegans作為模型動物考察基因對神經(jīng)系統(tǒng)的分化發(fā)育以及對生物行為調控的分子機制。悉尼·布雷內(nèi)指出C.elegans作為模型動物有諸多的優(yōu)點:(1)自然存在的C.elegans有自我受精的雌雄共體(hermaphrodite)和雄性體(male)兩種形態(tài),其中雌雄共體細胞核內(nèi)有5對常染色體和一對性染色體XX,雄性體有5對常染色體和一條性染色體X,這對于雜交實驗進行基因定位很有利;(2)C.elegans成蟲體長1毫米,便于顯微鏡觀察;(3)C.elegans在20℃條件下生活周期為3.5天,從受精卵發(fā)育為成蟲經(jīng)歷L1～4共四個階段,在瓊脂糖培養(yǎng)基上以大腸桿菌(E.coli)喂養(yǎng)可以使其大量生長繁殖,這樣就可以在較短時間里獲得大量不同表型的動物以供研究。Brenner用乙基甲烷磺酸鹽(Ethylmethanesulphonate,EMS)做突變劑篩檢出了約300種與C.elegans形態(tài)和行為有關的突變體,涉及約100個不同的基因。同年Brenner還與JohnE.Sulston合作對C.elegans的DNA做了測定.第十一頁，共十六頁，編輯于2023年，星期三約翰·蘇爾斯頓完成C.elegans細胞譜系繪制,使研究凋亡分子機制成為可能

C.elegans胚后發(fā)育階段細胞譜系的繪制C.elegans胚胎發(fā)育階段的細胞譜系繪制第十二頁，共十六頁，編輯于2023年，星期三此后,Sulston將主要的研究精力轉到對C.ele2gans細胞譜系的研究上。他利用當時Brenner實驗室現(xiàn)有的微分干涉差顯微鏡觀察幼蟲的發(fā)育,繪制胚后發(fā)育的細胞圖譜。由于需要觀察幼蟲的動態(tài)變化過程,不能將其處死做成壓片,而應保證其活力狀態(tài),然而活動的幼蟲勢必到處游走,給觀察帶來了巨大的麻煩。于是Sulston改進制片的方法,他先在載玻片涂上一層極薄而又平整的瓊脂糖,將幼蟲置于其上,再在蓋玻片的下面抹上大腸桿菌后蓋在瓊脂糖層上,這樣幼蟲就可以在瓊脂糖層與蓋玻片之間的狹小空間里自由蠕動,既保持了其活性狀態(tài),又便于顯微鏡下的觀察及作圖。由于觀察方法的改進,加之Sulston極其耐心和嚴謹?shù)目茖W態(tài)度,使得研究的進程大大加快。第十三頁，共十六頁，編輯于2023年，星期三12個命運細胞例如,C.elegans雌雄共體發(fā)育進入L1中期時在腹部神經(jīng)索的位置上共產(chǎn)生12個前體細胞P1～P12,在之后的胚后發(fā)育過程中,這12個細胞將發(fā)育為腹部神經(jīng)索及相關的神經(jīng)節(jié)。在L1期,12個細胞每個都按相同的模式分裂產(chǎn)生5個神經(jīng)元和1個皮下細胞,接近分裂完成時有9個固定的細胞發(fā)生程序性死亡。進入發(fā)育的L3期后,由P3～P8分裂而來的皮下細胞互相靠攏發(fā)育為雌雄共體的性腺,其中由P5、6、7分裂而來的三個皮下細胞經(jīng)過一系列的細胞分裂最終產(chǎn)生22個細胞構成陰門,而由P3、4、8分裂而來的三個皮下細胞的子代細胞則成為神經(jīng)皮下細胞,在成蟲這些細胞位于皮下合胞體內(nèi)(圖4)。Sulston在他的研究論文中還詳細描述了發(fā)生凋亡細胞的形態(tài)學改變:細胞發(fā)生凋亡的最早表現(xiàn)是其折光性略有增加,接著胞核的折光性增加直至成為類似扁平紐扣樣的形態(tài),最后胞核折光性減弱,皺縮并最終消失,整個過程在1小時內(nèi)完成。Sulston早年在英國劍橋大學醫(yī)學研究委員會分子生物學實驗室完成的C.elegans細胞譜系的繪制工作,尤其是131個凋亡細胞的確認為研究凋亡的分子機制奠定了堅實的基礎,也使他贏得了2002年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。第十四頁，共十六頁，編輯于2023年，星期三羅伯特