第八章细胞增殖和凋亡异常与疾病-杨惠玲

1总字数：23,521图：4表：2第八章细胞增殖和凋亡异常与疾病第一节细胞增殖异常与疾病一、细胞周期的概述二、细胞周期的调控三、细胞周期调控异常与疾病四、调控细胞周期与疾病的防治第二节细胞凋亡异常与疾病一、细胞凋亡的概述二、细胞凋亡的调控三、细胞凋亡调控异常与疾病四、调控细胞凋亡与疾病的防治2第八章细胞增殖和凋亡异常与疾病多细胞生物从组织到器官的结构形成和功能执行取决于细胞的数量和质量。正常情况下，细胞通过分裂增加细胞的数量，通过细胞分化(celldifferentiation)形成特定形态、结构和生理功能的子代细胞；通过凋亡参与胚胎的发育和形态的造就，清除体内无能的、有害的、突变的或受损的细胞，以保证细胞的数量和质量。细胞的增殖、分化和凋亡始终贯穿于生命的全过程，它们相互伴随，相互关联，在胚胎发育和机体的稳态调节中发挥重要的作用。它们既受细胞外信号的影响，又依靠细胞内的级联反应进行调控，使细胞的增殖、分化或凋亡有序地进行，如果其中的任一环节发生障碍，可使机体内特定的细胞、组织和器官的结构、功能和代谢异常，导致疾病的发生。本章节主要讨论细胞增殖和凋亡异常与疾病。第一节细胞增殖异常与疾病细胞增殖(cellproliferation)是指细胞分裂和再生的过程，细胞通过分裂进行增殖，使遗传信息传给子代，保持物种的延续性和数量增多。细胞增殖是通过细胞周期来实现的，细胞周期是多阶段和多因素参与的有序的调节过程。一、细胞周期的概述细胞周期(cellcycle)或称细胞增殖周期是指细胞从一次分裂结束到下一次分裂终了的过程或间隔时间。依不同时相特点细胞周期分为四个阶段，即G1期(firstgapphase，DNA合成前期)、S期(syntheticphase，DNA合成期)、G2期(secondgapphase，DNA合成后期)和M期(mitoticphase，有丝分裂期)。其中最关键的是S期，此期细胞进行DNA倍增和染色体复制。但并非所有细胞均处于增殖状态，根据细胞的增殖特性可将其分为三种：(1)周期性细胞：也称连续分裂细胞。这些细胞按G1→S→G2→M四个阶段循环，连续运转。如表皮细胞和骨髓细胞等，它们担负着组织生长和修复任务。周期性细胞始终处于增殖和死亡的动态平衡中，不断地增殖以补充衰老脱落或死亡的细胞，这种更新称为稳态更新(steady-staterenewing)。(2)G0期细胞：也称休眠细胞。这些细胞可暂时脱离细胞周期，不进行增殖，需要适当刺激方可重新进入细胞周期，如肝和肾细胞等。G0期细胞在遭遇损伤3或应激等刺激后可返回细胞周期，进行细胞增殖，这种更新称为条件性更新(conditionalrenewing)。(3)终端分化细胞：也称不分裂细胞。一般情况下这些细胞不可逆地脱离细胞周期、丧失增殖能力并具一定生理功能，如神经细胞和心肌细胞等。但最近有迹象表明这些细胞在特定的条件下可返回细胞周期，并进行增殖。细胞周期的特点：①单向性：即细胞只能沿G1→S→G2→M方向推进而不能逆行；②阶段性：各期细胞形态和代谢特点有明显差异，细胞可因某种原因而在某时相停滞下来，待生长条件适合后细胞又可重新活跃到下一时相；③检查点：各时相交叉处存在着检查点(checkpoint)，决定细胞下一步的增殖趋向；④细胞微环境：细胞周期是否顺利推进与细胞外信号和条件等密切相关。二、细胞周期的调控在多细胞生物体内，各类细胞周期存在一个非常严密的调控系统，使各类细胞可依机体的需要进行增殖或处于静止状态。细胞周期通过细胞内某些物质的合成、降解或活化来控制，还受细胞内外的各种信号的种类强度和持续时间的影响。(一)细胞周期自身调控细胞周期的运行主要是通过细胞周期素或称周期蛋白(cyclin)随细胞周期不同时相进行合成与降解，通过周期素依赖性激酶(cyclindependentkinase,CDK)有序地磷酸化和去磷酸化来调节，同时可由CDK抑制因子(cyclindependentkinaseinhibitor,CDI)时相变化，检查点对DNA损伤及复制和纺锤体组装作出反应加以调控等来实现(图8-1)。图8-11．Cyclin：已发现哺乳动物细胞中至少有8种cyclin，共14个成员，即cyclinA、cyclinB1-2、cyclinC、cyclinD1-3、cyclinE、cyclinF、cyclinG1-2、cyclinH、cyclinI、cyclinK和cyclinT1-2。分为三大类，即G1期、S期和G2/M期细胞cyclin，各成员分别在相应期高表达（图8-2）。Cyclin作为调节亚基，需要与催化亚基CDK形成复合物，激活相应的CDK和加强CDK对特定底物的作用，驱动该期前行（表8-1）。图8-24表8-1哺乳动物细胞主要的Cyclin-CDK复合物及其相关蛋白Cyclins相关CDKS细胞周期作用相关蛋白底物ACDK1，CDK2S﹢G2→MP107﹢E2F，P21，PCNARbB(B1，B2)CDK1（cdc2）G2→MP21,PCNARbD(D1-3)CDK4(2，5，6)G1Rb,P21,P27,P15-16,PCNARbECDK2G1﹢G1→SP107﹢E2F，P21,PCNARbHCDK7G1,S,G2,M-CDK1,4,6Cyclin在细胞周期中自始至终是以恒定的速度产生，有丝分裂时消失是因为降解大于合成，在间期时积累是由于合成大于降解。在各类细胞中CDK表达的分子浓度在细胞周期各阶段是稳定的，由于cyclin的周期性波动，以致CDK出现周期性的活性变化。另外，增殖细胞核抗原(proliferatingcellnuclearantigen,PCNA)也是一种细胞周期相关蛋白，它不与CDK结合，而作为DNA聚合酶的附属蛋白，促进DNA聚合酶延伸DNA，在S期浓度最高，故常作为S期标志物之一。2．CDK：是一组丝氨酸/苏氨酸(serine/threonine，Ser/Thr)蛋白激酶，各成员有不同程度的同源性，故称CDK家族，已发现CDK家族有9个成员CDKl-9。CDK激活依赖于与cyclin的结合和其分子中某些氨基酸残基的磷酸化状态。含催化亚基的CDK需要cyclin提供调节亚基才能显示活性，只有cyclin浓度升高达到阈值时，才能与相应的CDK结合形成cyclin/CDK复合体，这时CDK才能被激活；CDK分子中含有活化部位和抑制部位，只有前者处于磷酸化和后者处于去磷酸化状态，CDK才显活性。CDK的活性还受其上游的CDK活化激酶(CDK-activatingkinase,CAK)的影响。CAK正是通过使CDK分子中的活化部位的氨基酸残基磷酸化来参与调控CDK的活性。CDK的灭活，除了泛素(ubiquitin)介导的蛋白水解体系外，CDI也可特异性抑制CDK的活性(图8-3)。图8-33．CDI：是CDK的抑制物，分子量较小，哺乳类细胞的CDI主要包括Ink4(1nhibitorsofkinase4)和Kip(kinaseinhibitoryprotein，Kip)或称Cip(cdk-interacting5protein1)或Wafl(wild-typeP53activatedfragment1)等。①Ink是一组CDK4的抑制蛋白，分子量在15~20KD，含有一个重复的结构域ankyrin，可特异性地与CDK4/6结合，防止其与cyclin再结合或降低cyclin/CDK复合物的稳定性，以抑制其激酶活性。Ink4的成员包括P16Ink4a、P15Ink4b、P18Ink4c、P19Ink4d。其中研究较多的为P16Ink4a，在S期达高峰，是G1/S限制点负调控机制的重要组成部分。②Kip是一组CDK的抑制蛋白，N端含有一个保守的80个氨基酸序列，可经非共价键与cyclin/CDK复合物结合，形成三元体或四元体抑制CDK。Kip的成员包括P21kipl、P27kip1和P57kip2，它们在N-末端具有高度的结构和功能相似性，可特异性抑制几种cyclinD/CDK的蛋白酶活性；但其C-末端还具有各不相同的功能区。其中研究得较多的是P21kipl、P27kip1。P21kipl是作用较强，作用谱较广的一种CDI。它主要调控细胞周期确保遗传物质精确地传递给下一代，以消除由于DNA损伤而引发肿瘤，还参与细胞应激状态的信号转导。调节其合成主要有P53依赖性和P53非依赖性两条途径。P27kip1为停止细胞分裂所必需，在休止细胞内呈高表达，而在增殖细胞内呈低表达。P27kip1与G1后期所形成的cyclinE/CDK2复合物结合，通过C-末端抑制CDK2(T160)的磷酸化，灭活其活性，阻滞细胞周期。4．细胞周期检查点：在生物进化过程中，细胞发展出了一套保证细胞周期中DNA复制和染色体分配质量的检查机制，通常称为细胞周期检查点，这是一类负反馈调节机制。细胞周期检查点分为三种：①DNA损伤检查点：位于G/S交界处，如果DNA受损，则把细胞阻滞在G1期，先进行DNA修复，然后才能复制；②DNA复制检查点：位于S/G2交界处，负责检查DNA复制进度；③纺锤体组装检查点：通过检查有功能的纺锤体形成，管理染色体的正确分配。细胞周期中存在的这些检查点，可对细胞周期中前一事件(如DNA复制或DNA完整性和损伤)作出反应，例如发生细胞周期阻滞，以保证细胞增殖按质完成。因此，细胞周期中某一检查点失灵、检查点的组成部件受损或检查点控制回路的调节障碍与疾病和衰老等密切相关。检查点由三个部分构成：①探测器：负责检测上一期进展的质量问题；②传感器：将探测器所检获的“出了质量问题”信号下传，如磷酸激酶传递给效应6器；③效应器：由效应器去中断细胞周期进程并启动修复机制。细胞周期反应CDK既是细胞周期转折的主要调节因子，也是细胞周期检查点的效应器。因此，细胞周期中某一检查点失灵、检查点的组成部件受损或检查点控制回路的调节障碍与肿瘤和衰老等密切相关。(二)细胞外信号对细胞周期的调控细胞外信号包括细胞因子、激素、基质和营养等，可分为增殖和抑制信号。增殖信号如大多数肽类生长因子等可促使G0期细胞进入细胞周期。这些因子与细胞膜上的受体结合，启动细胞内的信号转导，促进cyclinD合成，同时下调CDI的合成，cyclinD与相应的CDK结合，使P105Rb磷酸化而失去抑制E2F的作用，游离的E2F激活DNA合成基因等，使细胞进入G1期，如丝裂原刺激持续存在，细胞继而进入S期。而MAPK若被磷酸化，则可抑制cyclin降解，使细胞停留在M期。抑制信号如转化生长因子β(transforminggrowthfactor-β，TGF-β)在体内外能广泛抑制正常细胞和肿瘤细胞生长，并使细胞阻滞于G1期。TGF-β对细胞周期的调节是下调cyclin和CDK等的表达，主要是在G1期抑制CDK4的表达，同时还诱导P21kipl、P27kip1和P15Ink4b等CDI产生。三、细胞周期调控异常与疾病细胞周期的调控是细胞在对不同信号进行整合后依靠细胞内的级联反应完成的，其任一环节发生异常则可导致细胞增殖过度或缺陷，同时也常常伴有细胞分化异常。本节主要讨论细胞增殖异常与疾病。(一)细胞增殖过度细胞增殖过度可致疾病如肿瘤、肝肺肾纤维化、前列腺肥大、原发性血小板增多症、家族性红细胞增多症、类风湿关节炎、银屑病、肾小管间质性病变、动脉粥样硬化等，其中研究最为深入的是肿瘤。下面以肿瘤为例，探讨肿瘤细胞恶性增殖与细胞周期调控异常的关系。1．Cyclin的异常肿瘤的发生与cyclin(主要是cyclinD、E)过量表达有关。CyclinD(又称为Bcl-1)是公认的原癌基因产物，同时也是生长因子感受器。研究显示在许多肿瘤中CyclinD1呈过表达，其机制为：①基因扩增：这是cyclinD17过量表达的主要机制，如在B细胞淋巴瘤、乳腺癌、胃肠癌及食道癌中，扩增程度可高达16倍以上；②染色体倒位：如在人甲状旁腺肿瘤发生倒位inv(11)(p15：q13)，使cyclinD1基因受控于bcl-1启动子，D1蛋白