1、1會計學發育生物學五周簡發育生物學五周簡程序性細胞死亡程序性細胞死亡PCD（programmed cell death）又稱又稱細胞凋亡細胞凋亡 ( (apoptosis) ) （在體內外因素誘導下，由在體內外因素誘導下，由基因嚴格調控基因嚴格調控而發生的而發生的自主自主性性細胞細胞有序死亡有序死亡。）。）1、概念、概念 一個固有的遺一個固有的遺傳程序即生物鐘，在一傳程序即生物鐘，在一個受控制的時間和空間個受控制的時間和空間內激活，從而導致細胞內激活，從而導致細胞死亡。死亡。第1頁/共71頁 意義大致相同，二者可交互意義大致相同，二者可交互使用。使用。比較說來程序性細胞死亡側重比較說來程序性細

2、胞死亡側重于于發育學功能上描述；強調死發育學功能上描述；強調死亡發生的時間；適用于胚胎細亡發生的時間；適用于胚胎細胞胞。細胞凋亡偏重于細胞凋亡偏重于病理形態描述病理形態描述；強調細胞死亡的方式；適用；強調細胞死亡的方式；適用于所有細胞。于所有細胞。第2頁/共71頁中手中手和足和足的成的成形過形過程程第3頁/共71頁 2、簡史18851885年，年，FlemmingFlemming第一個描述有第一個描述有關細胞凋亡的關細胞凋亡的 特征；（染色質濃縮形成半月特征；（染色質濃縮形成半月形）形）19141914年，年，GraperGraper用這種死亡現象解用這種死亡現象解釋胚胎發育釋胚胎發育 中器官

3、收縮等現象中器官收縮等現象19511951年，年，GlucksmannGlucksmann發現在胚胎發發現在胚胎發育中存在這育中存在這 種死亡，并詳細描述；種死亡，并詳細描述；6060年代，年代，LockshinLockshin和和WilliamsWilliams首次首次提出提出程序性細胞死亡程序性細胞死亡這一這一概念概念第4頁/共71頁19861986年，年， Robert Horvitz等發現線等發現線蟲中蟲中ced3 ced3 （caspasecaspase），），ced4 ced4 （Apaf-Apaf-1 1） 是促凋亡基因。是促凋亡基因。19801980年，年，WyllieWyll

4、ie等發現細胞凋亡與等發現細胞凋亡與內源性核酸內源性核酸 內切酶激活有關。內切酶激活有關。 “DNA ladderDNA ladder”是細胞凋亡發是細胞凋亡發生的標志；生的標志；19651965年，年，John KerrJohn Kerr提出提出“固縮性固縮性壞死壞死”概念；概念；19721972年，年，KerrKerr，WyllieWyllie，CurrieCurrie提提出出“細胞凋細胞凋 亡亡” （apoptosisapoptosis）的概的概念；念；第5頁/共71頁二二、 PCD/ PCD/細胞凋亡的細胞凋亡的形態變化形態變化(1)(1)細胞皺縮變圓，微絨毛、復合體細胞皺縮變圓，微絨

5、毛、復合體消失；消失； 出芽出芽( (budding)budding)膜空泡化（膜空泡化（blebbing)blebbing) (2) (2)胞質濃縮、細胞器結構保留胞質濃縮、細胞器結構保留(3)核濃縮；核濃縮；染色質凝聚染色質凝聚(4) (4) 凋亡小體形成凋亡小體形成 胞膜皺縮內陷，分割包裹胞質胞膜皺縮內陷，分割包裹胞質( (內含內含DNA物質及細胞器物質及細胞器) )，形成的，形成的膜包顆粒即凋亡小體膜包顆粒即凋亡小體（apoptosis body） (5) (5) 吞噬吞噬第6頁/共71頁DNA片段第7頁/共71頁第8頁/共71頁一般過程：一般過程：因補體反應或烈性病毒因補體反應或烈性

6、病毒感染破壞了質膜，或者能量依賴性離感染破壞了質膜，或者能量依賴性離子泵被破壞產生的鈉鉀等離子沿著各子泵被破壞產生的鈉鉀等離子沿著各自的濃度梯度進入細胞，從而導致細自的濃度梯度進入細胞，從而導致細胞吸水膨脹，最終破膜而死。胞吸水膨脹，最終破膜而死。第9頁/共71頁細胞凋亡與細胞壞死是多細胞生細胞凋亡與細胞壞死是多細胞生物細胞死亡的兩種不同形式，在物細胞死亡的兩種不同形式，在形態學、生化代謝、分子機制、形態學、生化代謝、分子機制、結局和意義等方面都有本質的區結局和意義等方面都有本質的區別。別。 細胞壞死特征：溶酶體釋放酶，細胞細胞壞死特征：溶酶體釋放酶，細胞器瓦解，細胞骨架降解，細胞核破裂器瓦解

7、，細胞骨架降解，細胞核破裂、降解，蛋白質合成終止，由于膜破、降解，蛋白質合成終止，由于膜破裂，出現炎癥反應裂，出現炎癥反應第10頁/共71頁小體小體第11頁/共71頁三、胚胎發育中的程序性細胞死三、胚胎發育中的程序性細胞死亡（亡（PCDPCD） （一）一） PCDPCD參與了各器官的形態發參與了各器官的形態發生和發育。生和發育。1 1、肢體的發生、肢體的發生 2 2、中樞神經系統的發、中樞神經系統的發生、發育生、發育3 3、腭的發生、腭的發生 4 4、管（腔）道的形成、管（腔）道的形成5 5、晶狀體的發育、晶狀體的發育 6 6、心的發育、心的發育7 7、生殖細胞的發生、生殖細胞的發生 8 8、

8、免疫、造血系、免疫、造血系統的發生統的發生 9 9、無用結構的退化消失（弓動脈、前腎、無用結構的退化消失（弓動脈、前腎、中腎、尾芽、鰓膜等）、中腎、尾芽、鰓膜等）第12頁/共71頁第13頁/共71頁（二）胚胎發育中（二）胚胎發育中PCDPCD的意義的意義1 1、系統匹配、系統匹配 淘汰沒有作用或不再起作用的細胞，淘汰沒有作用或不再起作用的細胞，以確保有以確保有 功能細胞的營養和空間。功能細胞的營養和空間。2 2、除去短暫結構：人胚尾芽、除去短暫結構：人胚尾芽3 3、雕刻軀體、雕刻軀體 從而形成正常、精細復雜的生物體。從而形成正常、精細復雜的生物體。4 4、保護機體：如胸腺的發育、損、保護機體：

9、如胸腺的發育、損傷的胚胎細胞傷的胚胎細胞第14頁/共71頁四、四、PCD/PCD/細胞凋亡的調細胞凋亡的調節節（一）激素水平的調節：（一）激素水平的調節：甲狀腺素（蝌甲狀腺素（蝌 蚪）、糖皮質激素蚪）、糖皮質激素（胸腺（胸腺cell）、苗勒抑制物質（）、苗勒抑制物質（中腎旁管）等誘導中腎旁管）等誘導PCD雌激素及卵泡刺激素（顆粒細胞雌激素及卵泡刺激素（顆粒細胞）、胰島素（晶狀體上皮細胞）、胰島素（晶狀體上皮細胞）等抑制）等抑制PCD（二）細胞因子調節（二）細胞因子調節主要是生長因子：主要是生長因子：NGF，FGF，TGF，G-CSF等缺乏導致等缺乏導致PCD第15頁/共71頁（三）（三）PCD

10、PCD相關基因相關基因/ /蛋白蛋白的調節的調節1 1、TNFTNF死亡受體超家族死亡受體超家族（1 1）死亡受體：）死亡受體：FasFas、TNFR ITNFR I等等（2 2）與死亡受體有關的含死）與死亡受體有關的含死亡結構亡結構域的域的信號蛋白信號蛋白：FADDFADD（FASFAS相關死亡蛋白）、相關死亡蛋白）、TRADDTRADD（TNFR ITNFR I相關死亡蛋白）相關死亡蛋白）等等第16頁/共71頁（1 1）死亡受體：）死亡受體：FasFas、TNFR ITNFR I等等 結構特點：結構特點： 胞內胞內C-C-端：端：胞內功能胞內功能區由區由8080個氨基酸構成個氨基酸構成的的

11、死亡結構域死亡結構域 （death domaindeath domain，DDDD） 跨膜區跨膜區 胞外胞外N-N-端：端：胞外功能胞外功能區內含數個半胱氨酸區內含數個半胱氨酸第17頁/共71頁（2 2）含有死亡結構域的）含有死亡結構域的信號蛋白信號蛋白TRADD TRADD （TNFRTNFR相關死亡蛋白）相關死亡蛋白）：34kD34kD，C C端端 的的DDDD與與TNFR ITNFR I， FADD FADD的的DDDD結合結合FADD FADD （FasFas相關死亡蛋白）相關死亡蛋白） （MORT-1MORT-1）： 23kD 23kD，C-C-端含有一個端含有一個DD(DD(dea

12、th death domain domain ) )，可與可與FasFas結合；結合；N-N-端端含有含有 MORTMORT結構域或死亡效應結構結構域或死亡效應結構域（域（DED DED : : death effector domain death effector domain ），），可與可與 proCaspase-8 proCaspase-8（FLICEFLICE）的的DEDDED結合結合第18頁/共71頁nFas(Apo-1,CD95):Fas(Apo-1,CD95): 43kD 43kD （三聚體（三聚體FasL-Fas-FADDFasL-Fas-FADD（Fas Fas 相關死相

13、關死 亡蛋白）亡蛋白）- -proCaspase-8-proCaspase-8）( ( DISC/DISC/死亡死亡 誘導信號誘導信號復合物復合物): ): 活化活化BidBid、caspase-caspase-3 3 DED: death effector domainDED: death effector domainnTNFR ITNFR I（ TNFR55TNFR55）：）：55-60kD55-60kD， TNFR I-TNFR I- -TRADD -TRADD（TNFRTNFR相關死亡蛋白）相關死亡蛋白）- - FADD- proCaspase-8 FADD- proCaspase-

14、8 D DD DDEDED DD DD DD DD DDEDED D第19頁/共71頁Fas/FaFas/FasLsLDD: death domain第20頁/共71頁凋亡誘導凋亡誘導因素因素死亡受體（死亡受體（Fas)Fas)配體（配體（FasL)FasL)的表達的表達、結合、結合Caspase-8活化活化Caspase-3活化活化apoptosisFADDFADD第21頁/共71頁2. 2. 凋亡蛋白酶凋亡蛋白酶Caspase: cysteine-containing aspartate-specific protease（含（含半胱氨酸半胱氨酸的的天冬氨酸天冬氨酸特異蛋特異蛋白水解酶）白

15、水解酶） 一組對底物的一組對底物的天冬氨酸天冬氨酸部部位有特異水解作用，其活性中位有特異水解作用，其活性中心富含心富含半胱氨酸半胱氨酸的蛋白酶。的蛋白酶。(1) (1) 定義定義第22頁/共71頁（2）Caspase Caspase 的的分類及功分類及功能能凋亡啟動亞類(DED、CARD)凋亡效應亞類細胞因子加工亞類（ICE亞類）第23頁/共71頁第24頁/共71頁CARD: Caspase Activation and Recruitment Domain第25頁/共71頁Active enzymeCatalytic sites第26頁/共71頁(4)(4) CaspaseCaspase的作

16、用的作用底物底物 凋亡蛋白酶激活的凋亡蛋白酶激活的DNADNA酶抑制物酶抑制物(ICAD)CAD: Caspase Activated DNaseCAD: Caspase Activated DNase由由CaspaseCaspase激活的核酸酶激活的核酸酶( (具有內切具有內切酶活性酶活性) )ICADCADDNACaspase第27頁/共71頁 核纖層核纖層（lamina）蛋白蛋白細胞細胞核核lamina染色染色體體第28頁/共71頁 細胞骨架蛋白：導致細胞細胞骨架蛋白：導致細胞解體，解體， 形成凋亡小體形成凋亡小體 其他的其他的caspases 滅活細胞凋亡的抑制物滅活細胞凋亡的抑制物第

17、29頁/共71頁3 3、凋亡蛋白酶活化因子凋亡蛋白酶活化因子-1 -1（Apaf-1)Apaf-1) 130kD130kD，N-N-端含有一半胱氨酸蛋白端含有一半胱氨酸蛋白酶募集域（酶募集域（CARDCARD），），C-C-端由端由1212個個WD-40WD-40重復片段組成。重復片段組成。凋亡體凋亡體/ /死亡復合體：死亡復合體： Cytc -Apaf-1-dATP Cytc -Apaf-1-dATP （閉合的單體聚合成開放的七聚體）Cytc -Apaf-1-dATP-proCaspase-9Cytc -Apaf-1-dATP-proCaspase-9第30頁/共71頁凋亡復合體凋亡復合體C

18、ARD: Caspase Activation and Recruitment Domain第31頁/共71頁4 4、線粒體膜間隙蛋白（線粒體釋放線粒體膜間隙蛋白（線粒體釋放的凋亡相關因子）的凋亡相關因子） 細胞色素細胞色素C C，凋亡誘導因子，凋亡誘導因子， Apaf-Apaf-1 1 , , CaCa2+ 2+ , , Smac/DIABLOSmac/DIABLO等等5 5、自由基、自由基活性氧自由基（活性氧自由基（超氧陰離子自由基、羥自由基及單線態氧，H2O2等）：誘導）：誘導PCDPCD的發生。的發生。活性氮自由基：活性氮自由基：NONO高濃度促高濃度促PCDPCD，低濃度抑制低濃度抑

19、制PCDPCD第32頁/共71頁6 6、P53基因基因阻滯細胞阻滯細胞G G1 1期，修復受損的期，修復受損的DNA，如修復失敗則通過多種途徑誘導，如修復失敗則通過多種途徑誘導細胞凋亡。細胞凋亡。（射線、毒素（射線、毒素）第33頁/共71頁P53P53的促凋亡機的促凋亡機制：制：（1 1） DNA結合蛋白，結合蛋白，調控基因（調控基因（BAXBAX等等) )轉錄轉錄（細胞核途徑）（細胞核途徑）（2 2）激活線粒體途徑）激活線粒體途徑（3 3）誘導）誘導FasFas增加增加 （4 4）誘導溶酶體的不）誘導溶酶體的不穩定性穩定性第34頁/共71頁基本結構特征：跨膜結構域基本結構特征：跨膜結構域 B

20、HBH）第35頁/共71頁第36頁/共71頁第37頁/共71頁 BcL-2BcL-2基因家族成員自身基因家族成員自身或彼此之間有形成二聚體或或彼此之間有形成二聚體或多聚體的能力，多聚體的能力，BcL-2BcL-2家族家族通過蛋白與蛋白相互作用調通過蛋白與蛋白相互作用調節著細胞的存活與凋亡。節著細胞的存活與凋亡。第38頁/共71頁第39頁/共71頁Bcl-2 Bcl-2 （B cell lymphoma/leukemia-2） ： Bcl-2 是第一個被確認有抗凋亡是第一個被確認有抗凋亡作用，由作用，由 229 229aaaa構成（鼠構成（鼠236236）分）分布在線粒體膜布在線粒體膜, , 內

21、質網，核膜等處內質網，核膜等處。 Bcl-2 和和C. elegans 中的中的ced-9 有有很高的同源性，具有促進細胞存很高的同源性，具有促進細胞存活的功能。活的功能。第40頁/共71頁BcL-2BcL-2抗凋亡機制：抗凋亡機制：直接抗氧化；直接抗氧化；調節調節PTPPTP（線粒體通透性轉換（線粒體通透性轉換孔）開放；孔）開放；抑制抑制Bax，Bak的促凋亡作用的促凋亡作用；抑制抑制Caspases激活；激活；維持細胞鈣穩態。維持細胞鈣穩態。第41頁/共71頁8 8、凋亡抑制蛋白家族（、凋亡抑制蛋白家族（IAP家族）家族） IAP家族是一組抑制凋亡的蛋家族是一組抑制凋亡的蛋白。白。IAP家

22、族蛋白的主要結構域：家族蛋白的主要結構域：BIR （baculoviral IAP repeat), ,鋅指鋅指結構域、結構域、CARDCARD。 BIR2BIR2是是IAP 抑制抑制凋亡的結構基礎。凋亡的結構基礎。 作用機制：抑制作用機制：抑制caspase-3,7,9-3,7,9等等的活性的活性。第42頁/共71頁Figure 1 Schematic diagram of domain structure in representative IAPs第43頁/共71頁凋亡凋亡細胞細胞DNADNA的斷的斷裂裂形成高分子量形成高分子量的的DNADNA大片斷大片斷（5050kb)kb)形成形成1

23、80180200200bpbp整數倍整數倍的的DNADNA小片斷小片斷非非CaspaseCaspase依賴的內源依賴的內源性核酸內切性核酸內切酶的激活酶的激活CaspaseCaspase依依賴的內源賴的內源性核酸酶性核酸酶激活激活( (CAD)CAD)9. 9. 核酸內切核酸內切酶酶第44頁/共71頁 Caspase 8 Caspase 3 Caspase 9 Cleavage of substrates Nucleus Degradation of DNA細胞細胞膜膜第45頁/共71頁DNADNA斷裂與斷裂與“梯狀條梯狀條帶帶”第46頁/共71頁細 胞 凋 亡 的 三 條 主 要 途 徑膜膜

24、 受受 體體 途途 徑徑線線 粒粒 體體 途途 徑徑細細胞胞核核途途徑徑第47頁/共71頁（二）、（二）、PCDPCD的主要途徑的主要途徑1. 1. 膜受體通路膜受體通路( (死亡受體通路死亡受體通路/ /外外源性通路源性通路) )腫瘤壞死因子腫瘤壞死因子死亡死亡受體受體(TNFR)(TNFR)家族中的家族中的死亡受體：死亡受體：FasFasCD95CD95，TNFRTNFR第48頁/共71頁Fas/FaFas/FasLsLDD: death domain第49頁/共71頁死亡受體通路死亡受體通路凋亡誘導凋亡誘導因素因素死亡受體（死亡受體（Fas)Fas)配體（配體（FasL)FasL)的表達

25、的表達、結合、結合Caspase-8活化活化Caspase-3活化活化apoptosisFADDFADD第50頁/共71頁2. 2. 線粒體通路（內源性線粒體通路（內源性途徑）途徑）線粒體通透性轉換孔（線粒體通透性轉換孔（MPTPMPTP）：由內膜的腺苷轉）：由內膜的腺苷轉位因子和外膜的電壓依賴性位因子和外膜的電壓依賴性陰離子通道）構成的蛋白復陰離子通道）構成的蛋白復合體。合體。第51頁/共71頁第52頁/共71頁第53頁/共71頁? ? ? 線粒體信號通線粒體信號通路路smacSmac: second mitochondria-derived activator of caspaseIAPs

26、(-)Apoptosis Apoptosis inducing inducing factorfactorInhibitoInhibitors of rs of apoptosiapoptosis s proteinproteinapoptotiapoptotic c protease protease activiatactiviation ion factorfactor第54頁/共71頁凋亡誘導因凋亡誘導因素素死亡受體死亡受體/ /配體的表達配體的表達、結合、結合Caspase-8活活化化Caspase-3活化活化apoptosisBid活活化化線粒體通線粒體通路路 活化活化死亡受體通路

27、與線粒體通死亡受體通路與線粒體通路的聯系路的聯系Caspase-3活化活化第55頁/共71頁第56頁/共71頁第57頁/共71頁第58頁/共71頁第59頁/共71頁小小結結第60頁/共71頁磷脂酰絲氨酸（磷脂酰絲氨酸（PS)的的外翻外翻PS第61頁/共71頁磷脂酰絲氨酸磷脂酰絲氨酸（PS)的外翻的外翻第62頁/共71頁三、胚胎發育中的程序性細胞死三、胚胎發育中的程序性細胞死亡（亡（PCDPCD） （一）一） PCDPCD參與了各器官的形態發參與了各器官的形態發生和發育。生和發育。1 1、肢體的發生、肢體的發生 2 2、中樞神經系統的發、中樞神經系統的發生、發育生、發育3 3、腭的發生、腭的發生 4 4、管（腔）道的形成、管（腔）道的形成5 5、晶狀體的發育、晶狀體的發育 6 6、心的發育、心的發育7 7、生殖細胞的發生、生殖細胞