疾病细胞机制.

2019/12/20第五章真核生物的转录与转录调控第四章疾病的细胞机制第一节概述第二节细胞增殖及其调控紊乱第三节细胞分化调控异常与疾病第四节细胞凋亡异常与疾病人们喜欢用生老病死这四个字来形容人的生命历程。这是生命运行的基本规律。我们正在经历“生”，也将毫无悬念的离开这个世界。2019/12/20我们从什么地方来？为什么能够生长？为什么会衰老？为什么会离开这个世界？人能够长生不老吗？尽管目前不能从个体水平给出满意的答案，但是我们可以在细胞水平上寻求最基本的一些答案。2019/12/202019/12/20早在1925年，生物学大师Wilson就提出：“一切生命的关键问题都要到细胞中去寻求答案。”E.B.Wilson(1856~1939)2019/12/20细胞是生命的基本单位。关注人的生老病死就要从关注细胞的命运（Fatesofacell）开始。细胞为什么能分裂增殖？为什么可以分化执行不同的特定功能？为什么衰老、死亡？2019/12/20细胞学发展史•1665年，RobertHooke观察到植物细胞（实际上是软木上的植物死细胞壁）•列文虎克•1839年，施旺•细胞学说：•所有生物都是由单个或多个细胞构成的；•细胞是所有生物体结构和功能的基本单位；•细胞是从已有的细胞通过分裂而来（德国威尔肖1858）2019/12/20第一节疾病细胞机制的概述细胞：是生命的基本单位。细胞正常形态结构、功能和代谢是维系机体正常生命活动的重要前提。（人有200多种细胞，数量达1014个。）目前，普遍认为在临床上许多疾病的发生与细胞损伤（细胞代谢，信息调控）有密切的关系。各种致病因子作用于机体常常直接或间接造成组织细胞形态结构、功能、代谢的异常。2019/12/20细胞直接损伤原因：有理化因素（外力、高温、低氧、氰化物中毒），病原微生物（肝炎病毒、疟原虫）等对细胞造成直接损伤。另外，细胞自身的增殖、分化、调亡的异常也是细胞损伤的重要原因。细胞间接损伤原因：主要是指在疾病的发生发展过程中造成细胞的损伤。例如，CO中毒、休克时有效循环血量不足和微循环障碍引起的组织细胞的缺氧和代谢异常等造成细胞间接损伤，细胞的间接损伤反过来又推动疾病的发展和转归。2019/12/20疾病的细胞机制所谓疾病的细胞机制在很大程度上是探讨造成细胞损伤的原因和细胞损伤后引起疾病发生的机制。尤其是细胞的直接损伤，当然也包括细胞的生物信号失控导致的细胞增殖、分化和凋亡的异常。细胞的不同部位损伤或功能异常可以引起不同的疾病或病理变化，如：细胞膜损伤，线粒体异常等。2019/12/20细胞内、外离子的转运失衡细胞膜上的钠泵、钙泵功能失调细胞水肿，死亡2019/12/20损坏的溶酶体释放大量溶酶体酶引起细胞及周围组织的溶解、坏死。细胞膜上粘连蛋白缺失肿瘤细胞脱落、转移•能量缺乏•线粒体（细胞的能量制造工厂）损伤或功能障碍•严重的细胞损害2019/12/20•线粒体跨膜转运异常•细胞凋亡•人体特定组织器官中的细胞类型、数量是相对恒定的。•这种恒定取决于三大基本细胞生物学活动间的动态平衡。①细胞增殖proliferation②细胞分化differentiation③细胞凋亡apoptosis•在疾病的发病学上具有重要意义。2019/12/20第二节细胞增殖及其调控紊乱细胞增殖：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，保持物种的延续和数量增多。意义：是子代生成、细胞生长发育的基础；更新衰老、凋亡、受损的细胞或组织（例如：血红细胞，每120天更新一次，1011。造血干细胞负责生成新的红细胞；又如表皮细胞的更新换代由皮肤基底层的皮肤干细胞来完成；上皮细胞…）；2019/12/202019/12/20细胞周期CellcycleCellcycleisdefinedasaperiodfromtheendofonedivisiontothebeginningofnextdivisionofaproliferativecell.细胞周期分期G1→S（DNA合成）→G2→M间期Interphase分裂期Mphase细胞增殖过程细胞生长DNA复制细胞分裂细胞周期长度Cell-cycletimeEarlyfrogembryocells30minYeasecells1.5-3hIntestinalepithelialcells12hHumanlivercells~1yearCHOcells14hHelacells21hE.coli20~30min2019/12/20•细胞周期的长度主要差别位于：G1期•小鼠食管上皮细胞T=115hG1=103h•十二指肠上皮细胞T=15hG1=6h2019/12/202019/12/20流式细胞术分析细胞周期2019/12/202019/12/20根据细胞增殖状态的不同•周期细胞（Cyclingcells）：持续分裂增殖的细胞，如干细胞，部分骨髓细胞；•G0期细胞（G0cells）：休眠细胞，正常情况下不分裂，适当刺激后重新进入细胞周期进行分裂。如肝脏细胞（切除肝脏的一部分不超1/3后，细胞通过快速增殖，在短时间内会恢复到原来大小。）如淋巴细胞；•终端分化细胞（Terminallydifferentiatedcells）：不再增殖，高度分化，失去增殖能力，如神经细胞，肌肉细胞，血红细胞。2019/12/20一．细胞周期的调控二．细胞周期调控障碍和疾病（驱动机制、监控机制）2019/12/20RegulationofthecellcycleRegulationofthecellcyclebyintracellularsignalsRegulationofthecellcyclebyextracellularsignals一、细胞周期的调控促使细胞从一个时相进入下个时相（有序性）；保证细胞在每个时相中完成相应事件（完整性）；2019/12/201.细胞周期检验点Checkpoint（一）细胞周期自身调控2019/12/20G1Checkpoint:Restrictionpoint（animalcells）Startpoint（yeastcells）检测机制P53肿瘤抑制基因；在G1/S检测点中起关键作用；能与DNA损伤部位结合，上调p21Cipl基因的转录，P21Cipl能与多种CDK-cyclin复合物结合，抑制CDKs的激活，阻滞G1/S的过渡，为DNA修复提供足够时间。2019/12/202.促成熟因子MPF2019/12/20染色质形成PCC(提前凝集染色体)提示：M期细胞的细胞质成分中有一种物质，可以使间期细胞（G1、S、G2）提前进入M期。MPFPCC:prematurelycondensedchromsome2019/12/202019/12/20MPF显微注射实验2019/12/20MPF活性与细胞周期之间的关系MPF活性的变化程波动性，与细胞周期吻合。MPFactivityundergoesdramaticfluctuationsincleavingeggsthatcorrelatewithchangesinthecellcycle.----19792019/12/20Over-expressiondeletion2019/12/20Cdc2基因编码蛋白：p34cdc2，一种蛋白激酶，34kD是细胞进入分裂期所必需的。是第一个被发现的细胞周期调控系统中的蛋白激酶。Nurse也因此获得了Nobel奖。CDKs是一组周期素依赖性蛋白激酶（Cyclindependentkinase,CDKs）是周期性活化的蛋白激酶。在细胞周期中起到关键作用，它的活性高低决定细胞周期是否顺利进行。2019/12/20酿酒酵母：芽殖酵母Hartwellfoundcdc282019/12/20HeLa细胞中观察到的早期染色体凝聚和非洲爪蟾卵母细胞成熟过程发现的MPF能促使细胞从G2期进入到M期。这些酵母中发现的激酶CDC2、CDC28，能够促使细胞从G2期进入M期。CDC2MPF?2019/12/20海胆卵受精后，用35S标记的蛋氨酸作为蛋白质合成的前体物，跟受精卵进行孵育，不同时间点取样，跑电泳，放射自显影。发现：有些条带有时很亮，有时很弱。周期性的出现与降解，称周期性蛋白,Cyclin2019/12/202019/12/20CyclinMPF?CDC2MPF?尽管实验材料不同，实验结果是一致的。即高度统一性。2019/12/20MPF由两个亚基组成：周期蛋白----CyclinB激酶----Cdc2MPF从非洲爪蟾中提纯MPF2019/12/20催化亚基调节亚基2019/12/20MPF必须结合Cyclin才具有激酶活性。2019/12/20ActivationofMPFMPF活化生物进化形成的精细调控，调控位点越多越好。CDC25磷酸酶激酶CDC25活化MPF以后，活化后的MPF又可以活化更多的CDC25，是一个正反馈调控过程。M期MPF活性陡然增加正在于此。活化后的MPF有什么功能？•G2---M转换•诱导纺锤体装配；•促发染色体凝聚；•核被膜解体；•细胞骨架重排；•高尔基体重排；所有这些事件的发生都是由M期的Cdk磷酸化靶蛋白而激发；除M-Cdk外，还有一些激酶（Polo-likekinase,Aurorakinase）也对有丝分裂早期事件有重要贡献；这些激酶本身的活化依赖M-Cdk。人cyclin有至少8种：CyclinB1、CyclinA、CyclinE、CyclinD1,D2,D3.F,G,H,T。cyclinCDKCyclin/CDK图Cyclinbox结构与功能催化亚基调节亚基CDKPSTAIRECombine100aa组成cyclinboxCyclin-COOHH2N-Cyclin2019/12/20不同种类的Cyclin可以分别在不同的细胞周期出现高表达。在不同的细胞周期cyclin浓度水平是不一样的，正因为这种不一样，使不同的细胞周期的不同的CDK活化，进而推动细胞周期进行和细胞增殖。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低物降解ACDK1，CDK2S+G2,Mp107+E2F，p21，PCNARbubiquitinB(B1,B2)CDK1(cdc2)G2,Mp21,PCNARbubiquitinCCDK8G1--PESTD(D1-3)CDK4(2,5,6)G1Rb,p21,p27,p15,p16,PCNARbPESTECDK2G1+G1,Sp107+E2F,p21,PCNARbPESTF-S---G-G1---HCDK7G1,S,G2,M-CDK1,4,6-Cyclin周期变化图cyclin分别在不同的细胞周期出现高表达主要是泛素-蛋白酶体进行泛素化降解泛素蛋白质降解的蛋白质SUMOCyclin的降解PEST短寿命蛋白C-末端都有一个(或一个以上)富含Pro(P),Glu(E),Ser(S)和Thr(T)的序列(脯氨酸（P），谷氨酸（E），丝氨酸（S），及苏氨酸（T）残基)的40个aa残基组成的结构域，简称PEST序列，它可以影响到某些蛋白的稳定性。PEST样序列中3个赖氨酰残基可能是其泛素化结合位点。2019/12/20CDKs是一组丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，目前至少发现该家族存在9个成员，分别称为CDK1~9。其中，主要有CDK1、CDK2、CDK4和CDK6。CDKs与相应的cyclins结合是激活CDKs，并推动细胞周期进展的重要前提。不同的CDKs与相应的cyclins结合在细胞增殖不同周期有不同的调控作用。CDKs家族2019/12/20▲CDK2与cyclinE和A结合后识别染色体特殊序列促进S期▲CDK1与cyclinB1结合(Maturationpromotingfactor,MPF)启动M期▲CDK1与cyclinA结合启动G2期磷酸酶P80cdc25CDK活化与调控细胞周期▲CDK2与cyclinE