疾病的细胞功能异常 (Cellular dysfunction in diseases) 浙江大学医学院 陈莹莹 病理生理学 1
细胞增殖 细胞分化 生 死 细胞凋亡 增 殖 通过有丝分裂，达到细胞数量增加、组织 和器官增大及个体生长 分 化 通过细胞形态、结构和功能的特化，实现 表型差异、组织和器官的功能及个体成熟 凋 亡 体内外生理或病理因素激活细胞内死亡程 序，导致细胞主动死亡 2
• 疾病的细胞机制：细胞“生”的过程和/或“死”的过 程的失控 – 细胞增殖异常 – 细胞分化异常 – 细胞凋亡异常 3
第一节 细胞增殖异常 (Abnormal cell proliferation) • 细胞增殖：细胞分裂和再生的过程 – 细胞生长→DNA复制→细胞分裂 细胞周期 4
一、细胞周期（Cell cycle）的概述 – 定义：增殖细胞从一次有丝分裂结束到下一次有丝分裂的结束所 经历的时期和顺序变化 – 分期 G 1期 (first gap phase, DNA合成前期 ) S期（synthetic phase, DNA合成期） G 2期（second gap phase, DNA合成后期） M期（mitotic phase, 有丝分裂期） 5
Mitosis Interphase Prometaphase Anaphase Telophase Cytokinesis Metaphase
– 特点 • 单向性：G 1 → S → G 2 → M • 阶段性：细胞周期停滞 （cell cycle arrest） • 检查点（check point） ：细胞内存在的监控机制 ，只有通过 检查点的检查，细胞才能进入下一个时相 • 微环境影响 7
– 人体细胞的分类 • 周期性细胞（Cycling cells）：表皮细胞、骨髓干细胞、生殖 细胞等 • G 0期细胞（G 0 cells） ：肝细胞、肾细胞 • 终端分化细胞（Terminally differentiated cells）：神经细胞、 心肌细胞 8
二、细胞周期的调控（Regulation of Cell Cycle） • 自身调控（Self-control） – 周期蛋白（Cyclin） – 周期素依赖性蛋白激酶（Cyclin dependent kinase, CDK ） – 检查点（check point） • 细胞外信号（ Extracellular signals ） 9
1、周期蛋白（Cyclin） – cyclin A、B 1 -2、C 、D 1 -3、E、F、G 1 -2、H、I、K、T 1 -2 – 作用：活化CDK，使不同底物磷酸化而实现对细胞周期不同时 相的推进和转换作用 – 结构：周期蛋白框（cyclin box） Regulatory subunit Cyclin box cyclin Combine CDK PSTAIRE Cyclin/CDK Catalytic subnuit 10
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– 周期蛋白的降解：通过泛素-蛋白酶体系统进行降解 • M期周期蛋白：降解盒（destruction box） • G 1期周期蛋白：PEST site 12
– 降解第一步: 泛素结合（Ubiquitin Conjugation） Ubiquitin-activating enzyme E 1（泛素激活酶） Ubiquitin-conjugating enzyme E 2（泛素结合酶） Ubiquitin-protein ligase E 3（泛素连接酶） 13
– 降解第二步: 泛素化蛋白被蛋白酶体（proteasome ）水解 14
2、周期素依赖性蛋白激酶（Cyclin dependent kinase , CDK ） – 丝氨酸 / 苏氨酸蛋白激酶，CDK 1~9 – 作用：CDK与不同cyclin结合后活化，调控细胞周期 15
– 主要底物--视网膜母细胞瘤蛋白（Retinoblastoma protein，Rb) • 抑癌蛋白 (tumor suppressor protein) • Rb家族包括Rb protein、p 107和p 130三种 • 调节细胞从G 1→S期的转变：RB-E 2 F pathway 16
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• CDK活性的调控 (1)周期蛋白 (2)磷酸化和去磷酸化的调节 CDK 1的激活需要Thr 14和Tyr 15去磷酸化和Thr 161的磷酸化 CDK 活化激酶（CDKactivating kinase, CAK ） Wee 1 激酶 Cdc 25 18
(3) CDK 抑制因子（cyclin dependent kinase inhibitor, CDI /CKI） – INK 4（inhibitors of kinase 4）家族 • 成员：p 16 INK 4 A, p 15 INK 4 B, p 18 INK 4 C, p 19 INK 4 D • 主要抑制 CDK 4、CDK 6 – CIP (Cdk inhibitory protein) /KIP (kinase inhibitory protein)家 族 • 成员：p 21 Cip 1, p 27 Kip 1, and p 57 Kip 2 • 主要抑制 CDK 2 19
• p 21 – 一种广泛作用的CDI – 与PCNA（proliferating cell nuclear antigen）结合，直接抑制DNA的合 成 – 中介了在p 53蛋白的细胞周期DNA 损伤检查点的调控 20
（4）癌基因和抑癌基因（Oncogen and Tumor suppressor gene） – 癌基因：src，ras，sis，myc，myb – 抑癌基因：Rb、p 53 21
3、细胞周期检查点（Checkpoint） – DNA 损伤检查点(DNA damage checkpoint) ：G 1/S交界处 – DNA 复制检查点：S/G 2交界处 – 纺锤体组装检查点 (Spindle assembly checkpoint): G 2/M交界处 22
– G 1/S检测点检测主要通过肿 瘤抑制蛋白 p 53 分子完成 23
– Cdc 25 被认为是G 2/M 期检查点反应的主要效应子 24
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4、细胞外信号对细胞周期的调控 26
（1）增殖信号：大多数肽类生长因子 – Ras/Raf/ERK 途径是必需的 27
（2）抑制信号：TGF-β，细胞的微环境 28
三、细胞周期调控异常（Dysregulation of cell cycle） – 细胞周期的驱动失控（Cyclin、CDK和CDI表达异常） – 监控（检查）机制受损 细胞增殖异常与相关疾病 增殖过度 增殖分化异常 恶性肿瘤、前列腺肥大 糖尿病肾病 银屑病、原发性血小板增多症 神经退行性疾病 家族性红细胞增多症、类风湿关节炎再生障碍性贫血 肝肺肾纤维化、肾小管间质性病变 动脉粥样硬化 29
1、恶性肿瘤: 生物学特征是恶性增殖 （1）周期蛋白异常 • 与 cyclin（D 、E）过量表达有密切的关系 – Cyclin D 1（bcl-1） ： 295个氨基酸，由染色体 11 q 13上的CCND 1 基因编码 Amplification (基因扩增) Inversion (染色体倒位) 如 inv (11) (p 15：q 13) Translocation (染色体易位) 如t (11: 14) (q 13: q 32) 30
（ 2 ） CDK 增多 • CDK 4 和 CDK 6 过表达 （ 3 ） CDI 表达不足和突变 • p 16蛋白失活 – p 16 In. K 4 基因缺失 – p 16 In. K 4 基因突变 – p 16 In. K 4 基因Cp. G 岛高度甲基化 • p 21 、 P 27蛋白失活 31
（4）细胞周期监控机制受损 • G 1/S 交界处失察： p 53突变或丢失 • G 2/M 交界处失察 32
2、银屑病 – 临床表现：皮肤出现大小不等、境界清楚的红斑鳞屑性斑块，上覆 大量干燥的银白色鳞屑 – 原因：表皮细胞过度增生 – 机制：表皮生长因子受体的增加、c. AMP水平下降 33
3、原发性血小板增多症（ primary throbocythemia） – 临床特征：出血倾向及血栓形成 – 机制：骨髓巨核细胞过度增殖，外周血血小板持续明显增多 – 病因：与X染色体遗传有关，血小板生成抑制因子TGF- 1减少、 血液微环境中辅助细胞的缺乏等。 34
第二节 细胞分化异常（Abnormal Cell Differentiation） 一、细胞分化的概述 • 定义：指在细胞增殖时，子代细胞在形态、结构和生理功能上产生差 异的过程 – 受精卵：全能性→多能性→单能性→成熟定型 – 干细胞（stem cell） 35
• 细胞分化的结果 – 时间上的分化 – 空间上的分化 36
• 人体干细胞分类 – 全能干细胞：胚胎干细胞 – 多能干细胞：骨髓造血干细胞 – 定向干细胞：精原细胞、红细胞系、白细胞系等 37
• 细胞分化特点 – – 稳定性 全能性 选择性 细胞分化条件的可逆性 Skin cells Reprogram into ES like i. PS cells 2007年 11月，美国和日本科学家分别宣布独立发现 将普通皮肤细胞诱导成为具备类似胚胎干细胞的功 能，即为诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cells, i. PS cells） 38
二、细胞分化机制 • “决定”先于分化 – 细胞决定（ determination ）是指细胞内某些基因永久地关闭， 而另一些基因顺序表达，具备向某一特定方向分化的能力 • 细胞质在决定细胞差别中作用 • 细胞间相互作用 • 微环境：niche（壁龛） 39
三、细胞分化的调控 • 基因水平的调控 – 管家基因（ house keeping genes ）：是编码维持细胞基本生命活 动所必须的结构和功能蛋白的基因 – 组织专一基因表达 • 转录和转录后水平调控 – 转录水平调控：调节蛋白（转录因子）对专一基因的启动子和增 强子进行调控 – 转录后水平调控：对 m. RNA 前体的处理和加 • 翻译与翻译后水平调控 • 细胞外因素调控 40
四、细胞分化异常（ Abnormal Cell Differentiation ） 1、肿瘤 • 恶性肿瘤细胞分化的特点 – 低分化 – 去分化（dedifferentiation）或反分化(retrodifferentiation) – 趋异性分化（divergent differentiation）：肿瘤细胞分化程度和 分化方向的差异性 41
• 恶性肿瘤细胞异常分化的机制 – 细胞的增殖和分化脱耦联 – 基因表达时空上失调 • 特异性基因表达受到抑制 • 胚胎性基因重现表达 – 癌基因和抑癌基因的协同失衡 42
2、肺纤维化（Pulmonary fibrosis） • 肺间质纤维化 • 肺血管损伤释放的纤维蛋白酶，促进成 肌纤维细胞向胶原细胞分化 3、肥胖症（Morbid obesity） • 脂肪细胞体积增大，分化异常 • 前脂肪细胞大量向脂肪细胞分化，导致 脂肪细胞数量增加 43
4、畸胎瘤（teratoma） • 在胚胎不同时期，某些多能细胞脱落下来，分化发生异常 • 具有内胚层、中胚层和外胚层三个胚层的异常分化组织 44
第三节 细胞凋亡异常 一、细胞死亡形式 1．细胞凋亡（ apoptosis ） – 是指细胞在体内外因素的诱导下，在严格和复杂的信号网络调控 下，发生的一种主动的有序的死亡 – 生理学意义：确保组织器官正常发育、生长；维持内环境稳定； 发挥积极的防御功能 2．细胞坏死（ Necrosis ） – 细胞在严重损伤因素刺激时，所发生的一种被动的死亡 – 特点：在此过程中无新蛋白合成、不耗能、 DNA 呈弥漫性降解 45
二、细胞凋亡的特征性表现 – 细胞皱缩、核固缩、胞膜空泡化，形成凋亡小体 – 核酸内切酶激活→DNA 的片段化（180～ 200 bp的倍数） 46
三、细胞凋亡的过程 接受凋亡信号的转导 • 生理性凋亡信号：许多激 素和细胞因子；生存信号 的缺乏或不足 • 病理性凋亡信号：病毒感 染、生物和化学毒素、射 线、应激和化疗药等 凋亡的执行 凋亡细胞的清除
三、细胞凋亡的过程 接受凋亡信号的转导 凋亡的执行 • 胞内Ca 2+信号系统 • c. AMP/ PKA信号系统 • Fas /Fas. L信号系统 • 神经酰胺信号系统 • 二酰甘油／PKC信号系统 • 酪氨酸蛋白激酶信号系统 • 等等 凋亡细胞的清除
三、细胞凋亡的过程 接受凋亡信号的转导 凋亡的执行 • Caspases • 属于半胱氨酸蛋白酶家族，14个成员 • 分为启动型caspases (caspase-8，-9， -10， -12)，效应型caspases（ caspase-3，-6，-7） • 核酸内切酶 凋亡细胞的清除
外在途径(Extrinsic pathway)或死亡受体途径（Death receptor pathway ） 50
内在途径(Intrinsic pathway)或线粒体途径(Mitochondrial pathway)
内质网应激途径 (Endoplasmic reticulum stress pathway) 52
三、细胞凋亡的过程 接受凋亡信号的转导 凋亡的执行 凋亡细胞的清除 • 凋亡后细胞产生凋亡小体，后者可以被邻 近巨噬细胞识别，并将其吞噬后分解。 磷脂酰丝氨酸(phosphatidylserine，PS)外翻 53
四、细胞凋亡的调控机制 功能 基因 抑制凋亡基因 Bcl-2 Bcl-XL、A 1/Bfl-1、Bcl-w、Bcl-G和Mcl-1等 促凋亡基因 P 53、Bax、Bad、Bak、Bid、Bim、Bik、Bok、 Bcl. B、Bcl-Xs、Krk、Mtd、Nip 3、Nix、Noxa等 双向调控基因 c-myc、Bel-x
1、Bcl-2家族 2、p 53 55
五、细胞凋亡异常与疾病
（一）细胞凋亡不足 • 肿瘤 – Bcl-2基因高表达 – p 53基因突变或缺失 • 自身免疫病 – 未能将针对自身抗原的免疫细胞以细胞凋亡的方式有 效清除
（二）细胞凋亡过度 • 心血管疾病 （1）心肌缺血与缺血-再灌注损伤 – 缺血早期以凋亡为主，晚期以细胞的坏死为主。 – 在梗死灶的中心以坏死为主，梗死灶周边以凋亡为主； – 轻度缺血以凋亡为主，重度缺血以坏死为主； – 缺血-再灌注损伤时发生的细胞凋亡单纯缺血更严重 – 急性、严重的心肌缺血以心肌坏死为主，而慢性、轻度的心肌缺 血则发生细胞凋亡 （2）心力衰竭
（三）细胞凋亡不足与过度并存 • 动脉粥样硬化 氧化型LDL↑ 血小板激活 AgⅡ 内皮细胞凋亡↑ 高血压 平滑肌细胞增殖 平滑肌细胞凋亡
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