【精品课件】细胞凋亡分子机制及检测

细胞凋亡与检测原理细胞凋亡（apoptosis）是一种由体内分子机制调控的程序性死亡过程。

细胞凋亡对于维持身体健康和发展正常的组织功能至关重要。

它在多种生理和病理过程中发挥重要作用，包括胚胎发育、免疫监视和应答、细胞数量调节、损伤修复和肿瘤的发展等。

因此，对细胞凋亡的检测与研究对于了解细胞凋亡的机制和应用于治疗疾病具有重要意义。

细胞凋亡的检测可以通过多种方法和实验手段进行，下面将介绍几种常用的细胞凋亡检测方法及其原理。

1.形态学检测法：细胞凋亡在形态上表现为细胞体积的缩小、细胞核染色质的凝结、细胞核的畸变和断裂等特征。

这些特征可以通过光学显微镜观察到。

常用的形态学检测方法有苏木精-伊红染色、核小体染色和电镜观察等。

2.核酸染色检测法：细胞凋亡过程中，细胞核内的DNA分子发生明显的断裂和畸变，这可以通过核酸染色荧光探针来检测。

常用的核酸染色方法有荧光染料染色、DNA单断链检测和TUNEL（转移酶介导的末端标记化反应）法等。

TUNEL法是最常用的细胞凋亡检测方法之一，它通过用荧光标记亲和剂连接到DNA断裂末端的3'-OH基团来检测细胞凋亡的程度。

3. 蛋白质检测法：细胞凋亡过程中，许多蛋白质的表达水平会发生明显变化。

比如，细胞凋亡会导致Bax、Caspase家族蛋白的活化和表达增加，而抑制凋亡的蛋白质Bcl-2则会下调。

因此，通过Western blot 和免疫组化等方法，可以检测细胞凋亡相关蛋白质的表达水平的变化。

4.流式细胞术：流式细胞术是一种通过光电探测器测定细胞数量和特征的方法。

流式细胞术可以通过筛选和排序上述染色体和蛋白质等特征，来确定细胞凋亡发生的程度和类型。

比如，通过测定细胞的细胞质内的卵磷脂翻转（PS）外露与细胞核DNA染色剂（如PI）结合的比例，可以鉴定凋亡细胞和坏死细胞。

细胞凋亡的检测原理是基于细胞凋亡的特征改变。

比如，形态学检测法通过观察细胞的形态学变化来鉴定细胞凋亡；核酸染色检测方法通过检测DNA断裂和畸变来判断细胞凋亡；蛋白质检测法则通过检测细胞凋亡相关蛋白质的表达水平变化来鉴定细胞凋亡。

实验14 细胞凋亡的诱导和检测20世纪60年代人们注意到细胞存在着两种不同形式的死亡方式：凋亡（apoptosis）和坏死（necrosis）。

细胞坏死指病理情况下细胞的意外死亡，坏死过程细胞膜通透性增高，细胞肿胀，核碎裂，继而溶酶体、细胞膜破坏，细胞容物溢出，细胞坏死常引起炎症反应。

细胞凋亡apoptosis一词来源于古希腊语，意思是花瓣或树叶凋落，意味着生命走到了尽头，细胞到了一定时期会像树叶那样自然死亡。

凋亡是细胞在一定生理或病理条件下遵守自身程序的主动死亡过程。

凋亡时细胞皱缩，表面微绒毛消失，染色质凝集并呈新月形或块状靠近核膜边缘，继而核裂解，由细胞膜包裹着核碎片或其他细胞器形成小球状凋亡小体凸出于细胞表面，最后凋亡小体脱落被吞噬细胞或邻周细胞吞噬。

凋亡过程中溶酶体及细胞膜保持完整，不引起炎症反应。

细胞凋亡时的生化变化特征是核酸切酶被激活，染色体DNA被降解，断裂为50～300 kb长的DNA片段，再进一步断裂成180～200bp整倍数的寡核苷酸片断，在琼脂糖凝胶电泳上呈现“梯状”电泳图谱(DNA Ladder)。

细胞凋亡在个体正常发育、紫稳态维持、免疫耐受形成、肿瘤监控和抵御各种外界因素干扰等方面都起着关键性的作用。

1．细胞凋亡的检测方法凋亡细胞具有一些列不同于坏死细胞的形态特征和生化特征，据此可以鉴别细胞的死亡形式。

细胞凋亡的机制十分复杂，一般采用多种方法综合加以判断，同时不同类型细胞的凋亡分析方法有所不同，方法选择依赖于具体的研究体系和研究目的（表？）。

形态学观察方法：利用各种染色法可观察到凋亡细胞的各种形态学特征：（1）DAPI时常用的一种与DNA结合的荧光染料。

借助于DAPI染色，可以观察细胞核的形态变化。

（2）Giemsa染色法可以观察到染色质固缩、趋边、凋亡小体形成等形态。

（3）吖啶橙(AO)染色，荧光显微镜观察，活细胞核呈黄绿色荧光，胞质呈红色荧光。

凋亡细胞核染色质呈黄绿色浓聚在核膜侧，可见细胞膜呈泡状膨出及凋亡小体。

细胞凋亡的分子机制和调控细胞凋亡是机体中常见的一种细胞死亡方式，有利于维持机体内细胞种类的平衡。

细胞凋亡过程中，细胞内部的某些表现会发生变化，包括细胞体积的缩小、色素颗粒的凝聚、细胞核的碎裂等。

这些过程都需要经过严格的分子机制的调节和控制。

本文将探讨细胞凋亡分子机制和调控的相关知识。

一、细胞凋亡的分子机制1.细胞凋亡的两条途径根据通路的不同，细胞凋亡可以分为内源性和外源性两种途径。

内源性途径是通过一种叫作线粒体途径的过程触发的，又称为内部途径。

该途径受到一些生化环境变化，如氧化应激、DNA损伤以及蛋白质累积等因素的影响。

外源性途径是由一些细胞外的因素引起，比如受到外部放射线的照射、化学物质毒性的刺激等。

2.细胞凋亡的相关分子细胞凋亡过程中有许多分子参与了其中的调控和作用，比如凋亡相关蛋白（Apoptosis‐related proteins）、细胞因子（Cytokines）、Bcl‐2家族蛋白等。

其中，Bcl‐2家族蛋白是调控细胞死亡的最重要因素之一，负责机体细胞凋亡的平衡。

而Bcl‐2相似蛋白Bax则是Bcl‐2家族蛋白的最主要致死分子之一。

3.线粒体线粒体是调控机体细胞凋亡的重要器官。

细胞死亡途径的一部分——内部途径的第一步就是线粒体的程序性释放。

线粒体复合物能够从线粒体的膜中输送Bax蛋白至亚粒子结构中，并刺激激活细胞周期免疫原p53。

激活p53后，它进一步激活下游的信号通路，从而出发内部途径。

二、细胞凋亡的调控1.生存信号的影响生命信号是影响机体细胞存活状态的最主要因素之一。

当生存信号充足时，细胞内部便会对凋亡分子进行调控，从而保持生命活力。

当生存信号过少时，会导致细胞内部凋亡途径的开启，从而引发细胞凋亡。

2.凋亡相关蛋白的调节凋亡相关蛋白是调节细胞凋亡的最主要的因素之一。

Bcl‐2和Bax是该蛋白家族的重要代表成员。

Bcl‐2能够通过控制线粒体内钙离子的释放来防止细胞凋亡。

而Bax则是促进细胞凋亡的重要因素，经它介导的线粒体复合物的形成，让程序性细胞死亡途径开启。

细胞凋亡及其分子机制细胞凋亡是指细胞在一定的生理或病理情况下主动死亡的过程，也称为程序性细胞死亡。

与坏死不同的是，细胞凋亡在细胞膜完整的情况下进行，其特点是细胞色素减少、核染色体凝聚、细胞膜凹陷、细胞体积萎缩、细胞核碎裂成大小不等的小碎片等。

细胞凋亡在生理上具有维持组织稳态、代谢物质回收利用、修复受损细胞等重要作用，而在病理上则与癌症、自身免疫性疾病等有着密切的关系。

细胞凋亡发生的分子机制包括两个主要途径：线粒体途径和死受体途径。

一、线粒体途径线粒体途径也称为内质网途径，它的本质是在细胞内部信号传导通路中通过线粒体的激活导致一系列阈值被触发进而导致细胞凋亡。

该途径受到严格的调控，存在多个向下途径，因此是目前研究较为深入的途径之一。

1、内质网蛋白的释放在发生细胞应激及凋亡信号诱导后，线粒体膜内部的多种蛋白发生改变，例如内质网蛋白如Cytochrome c和APIAF1等进入细胞质，这时候线粒体的电荷和隧道颗粒大小都发生了改变，导致附近离线长链多糖等原始粒子的吸附和聚合，大量的内质网蛋白系统被激活，此时对细胞凋亡的启动信号已经传递到了其它细胞死亡通路。

2、活化卵白酶原线粒体内的腐蚀酸酶通过对多种蛋白的酸解离活化卵白酶去活化卵白酶原，激活卵白酶变得比较敏感，进而活化内质网蛋白系，引起细胞凋亡。

二、死受体途径死受体途径是指通过“受体—配体”相互作用，向内质网和其他信号转导途径中传递信号，从而达到引起线粒体途径激活的目的。

1、TNF信号的传递TNF受体（TNF-R）激活后就向下途径传递信号。

这种传递的信号是通过与逐渐逐渐鸟嘌呤二聚体结构磷酸酶激活紧密相关，最终是将这一信号传递到形式蛋白之中，这样一来大脑可与细胞膜进行分析，减弱交错作用，细胞凋亡的精致环节也跟着实现。

2、色素脱落蛋白在病毒感染、死受体等情况下，色素脱落蛋白Caspase-8敏锐受到诱导，此时它会被进行联结，这个联结的结果是色素脱落蛋白能够强制将双生体细胞内部的发生变异的基因进行打击。

实验14-细胞凋亡的诱导和检测实验14 细胞凋亡的诱导和检测20世纪60年代人们注意到细胞存在着两种不同形式的死亡方式：凋亡（apoptosis）和坏死（necrosis）。

细胞坏死指病理情况下细胞的意外死亡，坏死过程细胞膜通透性增高，细胞肿胀，核碎裂，继而溶酶体、细胞膜破坏，细胞内容物溢出，细胞坏死常引起炎症反应。

细胞凋亡apoptosis一词来源于古希腊语，意思是花瓣或树叶凋落，意味着生命走到了尽头，细胞到了一定时期会像树叶那样自然死亡。

凋亡是细胞在一定生理或病理条件下遵守自身程序的主动死亡过程。

凋亡时细胞皱缩，表面微绒毛消失，染色质凝集并呈新月形或块状靠近核膜边缘，继而核裂解，由细胞膜包裹着核碎片或其他细胞器形成小球状凋亡小体凸出于细胞表面，最后凋亡小体脱落被吞噬细胞或邻周细胞吞噬。

凋亡过程中溶酶体及细胞膜保持完整，不引起炎症反应。

细胞凋亡时的生化变化特征是核酸内切酶被激活，染色体DNA被降解，断裂为50～300 kb长的DNA片段，再进一步断裂成180～200bp整倍数的寡核苷酸片断，在琼脂糖凝胶电泳上呈现“梯状”电泳图谱(DNA Ladder)。

细胞凋亡在个体正常发育、紫稳态维持、免疫耐受形成、肿瘤监控和抵御各种外界因素干扰等方面都起着关键性的作用。

1．细胞凋亡的检测方法凋亡细胞具有一些列不同于坏死细胞的形态特征和生化特征，据此可以鉴别细胞的死亡形式。

细胞凋亡的机制十分复杂，一般采用多种方法综合加以判断，同时不同类型细胞的凋亡分析方法有所不同，方法选择依赖于具体的研究体系和研究目的（表？）。

表凋亡的检测方法（引自DL 斯佩克特等，2001）方法细胞类型特点说明形态学/细胞旋转不限简单、快速、低廉、贮存无限制略带主观性，但可靠Hoechst染色不限极快，不能贮存略带主观性，但可靠吖啶橙/溴化乙锭不限极快，不能贮存凋亡初期可用，略带主观性，但可靠FACS/FSC X SSC 非贴壁细胞简单，须及时进行客观，仅能提示凋亡FACS/PI吸收非贴壁细胞简单，需及时进行客观，不能辨别凋亡于坏死；早期凋亡的细胞呈阴性膜联蛋白V(锚定蛋白) 最好非贴壁细胞快速简单；细胞可以被固定并非所有细胞在膜整合损失前受PS影响；测定已知的显著性的反应DNA片段（琼脂糖电泳）不限很快、低廉定性，不能确定凋亡；某些细胞不适用DNA片段(PI染色) 不限很快，低廉定量；用于估计凋亡程度DNA片段(JAM 分析) 循环细胞低廉，可分析多种类混合定量，不能确定凋亡含量；不能用于所有细胞TUNEL 不限昂贵，耗时定量，常被认为可靠（尽管应该结合形态学评价）线粒体膜电位损不限低廉，不能确定凋失快速亡，并非次生坏死前的所有细胞都适用caspase活化(蛋白酶活性) 不限中等花费，很快目前不能确定凋亡，但适用于监测器；不能鉴别特定激活的caspasescaspase活化(caspase免疫印迹) 不限中等花费可以鉴别特定激活的caspases；依赖于抗体的有效性caspase活化(基质免疫印迹) 不限中等花费通过特异切割反应测定caspase活化；如这些反应功能可确定形态学观察方法：利用各种染色法可观察到凋亡细胞的各种形态学特征：（1）DAPI时常用的一种与DNA结合的荧光染料。

细胞凋亡的分子机制细胞凋亡是正常细胞死亡的一个重要过程，对于维持机体的稳态及发育起着至关重要的作用。

研究表明，细胞凋亡的分子机制涉及多种因素的调控，包括信号通路、蛋白质调控和基因表达等。

本文将系统地讨论细胞凋亡的分子机制。

一、细胞凋亡的信号通路1.细胞凋亡的外部启动因子细胞凋亡的外部启动因子包括细胞因子、趋化因子、免疫因子等，它们通过与受体结合，激活细胞内的信号转导通路，引发细胞凋亡。

其中，TNF家族受体和Fas受体等是细胞凋亡信号通路中的重要组成部分。

2.细胞凋亡的内部启动因子细胞凋亡的内部启动因子主要包括线粒体，它们在细胞内受到一系列的刺激后，释放过氧化氢、细胞色素 c 等信号分子，激活半胱天冬氨酸蛋白酶（caspase）家族酶，最终引发细胞凋亡。

值得注意的是，Bcl-2家族蛋白在这一过程中起到了关键的调控作用，它们能够调节线粒体膜通透性，控制细胞凋亡的进程。

二、细胞凋亡的蛋白质调控1.半胱天冬氨酸蛋白酶（caspase）家族caspase家族是细胞凋亡执行者的核心，包括启动caspase、执行caspase和效应caspase等各种类型。

它们通过顺序激活，逐步执行细胞凋亡过程。

例如，caspase-8和caspase-3分别是启动caspase和执行caspase，它们对于细胞凋亡的调控起到了至关重要的作用。

2.细胞凋亡抑制蛋白（IAPs）IAPs是一类抑制caspase活性的蛋白，能够通过与caspase结合，抑制其活性，从而阻断细胞凋亡的进程。

然而，在一些情况下，IAPs也被某些信号分子调节，使其失去对caspase的抑制作用，细胞凋亡过程得以进行。

三、细胞凋亡的基因表达调控1.p53基因p53是一个重要的肿瘤抑制基因，在细胞受到DNA损伤等刺激后，能够被激活，并调控多个靶基因的表达，从而抑制细胞生长和促进细胞凋亡。

p53的调控能力和稳定性对于细胞凋亡的正常进行至关重要。

2.miRNA调控miRNA是一类小分子RNA，在基因表达调控中起到了重要的作用。

细胞凋亡的分子机理细胞凋亡是一种重要的生物学过程，它在正常的发育、维持组织的稳态以及免疫反应中发挥着关键作用。

相对于细胞不断分裂的增殖，凋亡是一个精确而有选择性的过程，只消耗了相对较少的能量，因此被认为是一种高效的细胞死亡方式。

在细胞发生重大损伤、受到异物侵入或某些信号的刺激等情况下，凋亡将成为细胞自我保护的重要途径。

凋亡的分子机理主要与三类分子相关：Bcl-2家族的蛋白、异源性死亡因子受体（Fas、TNF-α受体等）及其配体、及胞内酶系统。

Bcl-2家族的蛋白Bcl-2家族共有18个成员，其中包括两类蛋白家族：抑制凋亡的Bcl-2相似蛋白（Bcl-2、Bcl-XL、Bcl-w等）和促进凋亡的Bax-like蛋白（Bax、Bak等）。

Bcl-2相似蛋白在细胞凋亡过程中发挥重要的抗凋亡作用。

它们主要通过两个机制抑制凋亡：第一，它们可以结合到线粒体的外膜上，阻止线粒体膜通透性转移蛋白（TDP），从而防止线粒体膜通透性的增加和线粒体膜电位的下降。

第二，它们可以结合到细胞质中的凋亡调节酶（caspase）上，抑制凋亡酶的激活，从而防止凋亡的进一步发生。

相反，Bax-like蛋白是P53介导的PTEN磷酸酶的下游因子，它们在凋亡过程中扮演了关键的促凋亡作用。

Bax-like蛋白本身在非凋亡细胞中处于未活化状态，可以与Bcl-2相似蛋白相互作用。

当细胞受到一定信号（如DNA损伤）时，P53与MDM2分子之间的相互作用被抑制，P53得以积累。

积累的P53可以激活促凋亡蛋白Bax/Bak，从而释放Bcl-2相似蛋白的抑制作用，P53也可以通过调节Bax/Bak在线粒体膜上的定位来促进外膜通透性的改变，释放线粒体细胞色素C(Cyt c)等含有凋亡的蛋白质到细胞质中，进而引发凋亡酶（caspase）的活化，最终导致细胞的凋亡。

异源性死亡因子受体及其配体细胞凋亡也可以通过外源性成分来触发。

异源性死亡因子受体（又称死亡受体，DR）和其配体（如Fas配体和TNF超家族配体等）是调节外源性信号介导凋亡的关键分子。