1 第四章毒作用機制 MechanismsofToxicology 2 目的要求 掌握化學毒物增毒現象熟悉化學毒物主要毒性機制終毒物的種類與形成終毒物與靶分子的反應細胞功能障礙與毒性 3 內容 毒物的ADME過程和靶器官靶分子的反應細胞調節功能障礙修復障礙毒物毒作用的表觀遺傳機制 4 闡明毒作用機制的意義 1 解釋描述性資料 評估特定外源化學物引起有害效應的概率 制定預防策略 設計危害程度小的藥物和工業化學物 以及開發靶生物具有良好選擇性的殺蟲劑等提供依據 2 有利于對機體生理和生化過程及人類某些疾病重要疾病病理過程的進一步認識 5 毒物在體內的可能毒性過程 第一步 第二步 第三步 第四步 6 第一節毒物ADME過程與靶器官 7 毒性的強度主要取決于終毒物在其作用部位的濃度和持續時間 終毒物 ultimatetoxicant 是指與內源靶分子 如受體 酶 DNA 微絲蛋白 脂質 反應或引起機體生物學微環境改變 導致機體結構和功能紊亂 表現毒物毒性作用的化學物 終毒物可以為 原化學物 母化合物 代謝物活性氧 氮 內源化學物 8 一 從接觸部位進入血液循環 10 一 毒物的吸收 透過細胞擴散穿越上皮屏障到達毛細血管脂溶性是影響吸收的重要因素 二 毒物進入體循環前的消除 首過效應 胃腸道粘膜細胞 肝臟 肺腸上皮細胞和肝細胞 豐富的代謝酶和轉運蛋白 毒物經腸胃吸收進入血液循環之前 一部分經腸轉運蛋白泵回腸腔 一部分經腸肝代謝酶代謝 一小部分進入血液循環 11 二 從血液循環進入靶部位 一 促進毒物分布到靶部位的機制1 毛細血管內皮多孔性 肝竇 腎小管周圍毛細血管有較大孔道 利于化合物的蓄積 2 專一化的膜轉運 離子通道 膜轉運蛋白 鉈 百草枯3 細胞器內蓄積 可質子化的胺類和親脂特征的兩性化合物 溶酶體 線粒體4 可逆性細胞內結合 黑色素 12 二 從血液循環進入靶部位 二 妨礙毒物分布到靶部位的機制1 血漿蛋白結合 與高分子血漿蛋白或脂蛋白結合 影響擴散 2 專一化屏障 血腦屏障 血睪屏障 胎盤屏障阻止親水性化合物3 貯存部位分布 鉛取代羥磷灰石中的鈣離子沉積在骨骼 氯代烴蓄積脂肪細胞4 與細胞內結合蛋白結合 金屬硫蛋白與鎘結合5 從細胞內排出 mdr編碼的P蛋白將化合物泵回細胞間隙 13 二 從血液循環進入靶部位 三 排泄與重吸收1 排泄 主要排泄器官為肝和腎 毒物理化性質決定排泄途徑和速度 高親水性和離子化的化合物 2 重吸收 1 腎小管重吸收 需要化學物質有一定脂溶性的物質 2 經膽汁 胃腸排泄 及唾液腺和外分泌胰腺分泌而轉運到胃腸道的毒物 可穿越腸黏膜二重吸收 14 三 增毒與減毒 一 終毒物的形成 15 三 增毒與減毒 一 終毒物的形成增毒 toxication 外源化學物在體內經生物轉化為終毒物的過程 增毒過程主要是使外源化學物轉變為 親電子劑 electrophiles 自由基 freeradicals 親核物 nucleophiles 活性氧化還原性反應物 redox activereductants 16 一 終毒物的形成1 親電子劑的形成親電子劑 是指含有一個缺電子原子的分子 它能通過與親核物中的富含電子原子共享電子對而發生反應 親電子劑的形成通過插入一個氧原子而產生 共軛雙鍵形成 鍵異裂 金屬的氧化還原 17 常見親電物 無機離子的氧化與還原 18 異裂作用產生陽離子親電子劑 19 20 21 一 終毒物的形成2 自由基 1 自由基 freeradicals 是在其外層軌道中含有一個或多個不成對電子的分子片段 自由基主要是由于化合物的共價鍵發生均裂而產生 接受或丟失一個電子 22 2 幾種主要的自由基單線態氧 單線態氧 gO2 單線態氧 g O2 超氧陰離子自由基 O2 過氧化氫 H2O2 羥基自由基 OH 臭氧 O3 氮的氧化物 NO NO2 過氧亞硝基 ONOO 次氯酸 HOCl 23 3 自由基的來源 了解 1 外源化學物通過接受一個電子形成自由基 2 親核外源化學物在過氧化氫酶催化作用下丟失一個電子而形成自由基 3 電子向分子轉移引起的還原性鍵均裂過程形成自由基 24 25 26 一 終毒物的形成3 親核物的形成親核物的形成是毒物活化作用較少見的一種機制 氰化物苦杏仁經腸道 糖苷酶催化形成氰化物 丙烯腈環氧化后與谷胱甘肽結合形成氰化物 硝普鈉經巰基誘導降解后形成氰化物 等 27 一 終毒物的形成4 活性氧化還原反應物的形成特殊機制 引起高鐵血紅蛋白的亞硝酸鹽 既可在小腸中由硝酸鹽經細菌還原生成 也可由亞硝酸酯或硝酸酯與谷胱甘肽反應而生成 還原性化合物如抗壞血酸等以及NADPH依賴性黃素酶等還原酶可使Cr6 還原為Cr5 Cr5 反過來又可催化HO 生成 28 二 解毒解毒 detoxication 是指通過生物轉化而將終毒物消除 或者阻止毒性產物形成的過程 在某些情況下 解毒過程可能與代謝活化過程競爭同一外源化學物 無功能基團毒物的解毒 I II相代謝解毒 親核物的解毒 在親核功能基團上的結合反應解毒親電子劑的解毒 谷胱甘肽結合環氧化物水化酶催化金屬離子由金屬硫蛋白形成復合物自由基的解毒 SOD GSH Px蛋白質毒素的解毒 蛋白酶 29 二 解毒1 無功能基團毒物的解毒I II相代謝解毒 30 二 解毒2 親核物的解毒一般通過在親核功能基團上的結合反應來解毒如羥化的化合物通過硫酸化作用 葡萄糖醛酸化作用來結合3 親電子劑的解毒一般親電性毒物的解毒是通過與巰基親核物谷胱甘肽共軛結合而解毒此類反應可自發產生或由谷脫甘肽 s 轉移酶協同進行金屬離子如Ag2 Cd2 Hg2 和CH3Hg離子很容易與谷脫甘肽反應而解毒 31 二 解毒4 自由基的解毒沒有任何一種可以解除HO 預防HO 毒作用的最有效辦法是阻止其產生 超氧化物歧化酶 SOD 谷胱甘肽氧化酶 GPO 和過氧化氫酶 CAT 對超氧陰離子自由基 O2 的解毒作用 32 二 解毒5 蛋白質毒素的解毒硫氧環蛋白 蛇毒6 解毒過程失效解毒能力耗竭 解毒酶 共底物 抗氧化劑 解毒酶失活 某些結合反應被逆轉 肺部吸入甲基異氰酸鹽 不穩定的谷胱甘肽結合物解毒過程產生潛在的有害副產物 谷胱甘肽自由基 33 第二節靶分子的反應 34 35 一 靶分子的屬性所有的內源化合物都是毒物潛在的靶標 毒理學相關的靶標是大分子 如DNA 蛋白質 小分子中如膜脂質 輔因子如輔酶A和吡哆醛 內源性分子作為靶分子必須具有合適的反應性和 或空間構型 以容許終毒物發生共價或非共價反應 靶分子必須接觸足夠高濃度的終毒物 故處于反應活性化學物鄰近或接近它們形成部位的內源性分子常常是靶分子 活性代謝物的第一個靶分子常常是催化這些代謝物形成的酶或鄰近的細胞內結構 36 二 反應的類型 一 非共價結合 nonconvalentbinding 定義 通過非極性交互作用或氫鍵與離子鍵等非共價結合方式與膜受體 細胞內受體 離子通道和某些酶等靶分子結合 特點 毒物原子的空間排列使其與內源性分子的互補部位結合 非共價鍵結合的鍵能相對較低 因此是可逆的 舉例 番木鱉堿 strychnine 與脊髓運動神經元甘氨酸受體的結合 TCDD與芳烴受體的結合 哈蚌毒素 saxitoxin 與鈉通道的結合 37 二 共價結合 convalentbinding 是不可逆的 這種結合持久地改變內源分子 具有重要的毒理學意義親電子劑 如非離子和陽離子親電子劑以及自由基陽離子 中性自由基 如 HO NO2 和Cl3C DNA或脂質親核毒物 體內親電化合物罕見 胺類和肼類與吡哆醛 pyridoxal 的共價反應一氧化碳 氰化物 硫化氫和疊氮化物與各種血紅素蛋白中的鐵形成配位共價鍵 38 三 去氫反應 hydrogenabstraction 自由基作用 自由基引起內源性分子去氫 生成新的內源性自由基 R SH R S 為R SOH和R S S R等巰基氧化物的前身 使游離氨基酸或氨基酸殘基的CH2基團去氫 變為羰基化合物 并與胺類化合物反應 形成DNA或蛋白質交聯 自由基脫氧核糖去氫并產生C 4 自由基是引起DNA鏈斷裂的基礎脂肪酸去氫并產生脂質自由基最終啟動脂質過氧化 39 四 電子轉移 electrontransfer 如化學物能將血紅蛋白中的Fe2 氧化為Fe3 形成高鐵血紅蛋白血癥 五 酶促反應 enzymaticreaction 少數一些毒素 蓖麻蛋白 細菌毒素 白喉毒素等 通過酶促反應作用于特定靶蛋白上 40 三 毒物對靶分子的影響 41 三 毒物對靶分子的影響 一 靶分子功能失調模擬內源性配體 活化靶蛋白 嗎啡激活鴉片受體 氯貝丁酯為過氧化酶體增殖物激活劑受體的激動劑抑制靶分子功能 阿托品 箭毒及士的寧 阻斷神經遞質受體 DDT抑制鈉通道關閉改變蛋白質結構 催化中心和關鍵基團 與蛋白質巰基發生共價結合或氧化修飾 酪氨酸硝化影響信號通路 干擾DNA模板功能 黃曲霉素8 9 氧化物與鳥嘌呤共價結合 導致G A配對 導致某些基因堿基突變 42 三 毒物對靶分子的影響 二 靶分子結構破壞加合物形成 親電子劑 細胞骨架蛋白 DNA大分子交聯 OH 活性親電子劑 親核部位結合DNA斷裂 DNA堿基受 OH自由基攻擊形成咪唑環開放的嘌呤或環收縮的嘧啶 DNA復制障礙電離輻射 OH 斷裂較短的DNA雙鏈自發性降解 氧化損傷 自由基引起脂肪酸脫氫啟動脂質過氧化 與脂質 鄰近蛋白或DNA反應 43 三 毒物對靶分子的影響 三 新抗原形成 與外源化合物共價結合的蛋白質少數可以形成新抗原 激發免疫應激 硝基氯苯 青霉素和鎳本身具有蛋白質結合的能力 另一些化合物經轉化與蛋白有結合能力 藥物引起狼瘡和粒細胞減少癥是有藥物 蛋白質加合物才出發的免疫反應介導 44 第三節細胞調節功能障礙 45 細胞執行特定著特定的程序決定細胞命運 增殖 分化 凋亡或自噬控制細胞瞬息活動 分泌活性物質 轉運和代謝營養物質毒物引起細胞功能障礙 細胞功能障礙程序 細胞應激 細胞調節功能障礙 細胞穩態失調 細胞死亡 46 一 細胞應激細胞應激 指細胞處于不利環境和遇到有害刺激時所產生的防御或適應性反應 根據引起細胞應激的原因不同以及細胞應激反應的差異 熱應激 heatstress 氧化應激 oxidativestress 缺氧應激 hypoxicstress 內質網應激 endophasmicreticulumstress 遺傳毒性應激 genotoxicstress 47 一 細胞應激細胞應激過程高度有序 應激源誘發的細胞內信號轉導激活相關的轉錄因子和促進應激基因的快速表達 合成多種特異性和非特異性的且對細胞具有保護作用的應激蛋白質 從而對細胞產生特異性和非特異性保護作用 同時細胞內正常基因表達受抑制 若細胞損傷嚴重而導致損傷無法修復 則啟動細胞凋亡或自噬過程 加速細胞死亡 48 一 細胞應激應激原 能導致細胞應激的物理 化學和生物因素 DNA損傷性應激原介導的細胞應激稱為基因毒性應激 DNA損傷性應激原 紫外線 離子射線 活性氧 化學致畸劑 化學致癌劑 化學致突變劑非DNA損傷性應激原介導的細胞應激為非基因毒性應激 如熱應激 缺氧應激 氧化應激和內質網應激 非DNA損傷性應激原 創傷 感染 營養剝奪 滲透壓改變 缺氧和熱應激 49 一 熱應激熱應激的特征反應 是誘導細胞表達熱休克蛋白 heatshockprotein HSP HSP有稱應激蛋白 結構性HSP 為細胞的結構蛋白 正常時即存在于細胞內 幫助新生的蛋白質進行正確的折疊 移位 降解 稱為分子伴侶 Molecularchaperone 誘導性HSP 由各種應激原誘導生成 參與受損蛋白質的修復或移除 保護細胞免受嚴重損傷 加速修復 提高細胞對應激原的耐受性 50 二 氧化應激氧化應激 主要應激原主要為自由基 活性氧 reactiveoxygenspecies ROS 和活性氮 reactivenitrogenspecies RNS 自由基包括超氧陰離子 O2 羥自由基 OH 過氧自由基 ROO 氯離子自由基 CL 和一氧化氮分子自由基 NO ROS是一類由氧形成 并在分子組成上含有氧且化學性質比較活波的物質包括超氧陰離子 O2 羥自由基 OH 過氧自由基 ROO 等 RNS是NO及其體內繼發性產物的總稱 包括一氧化氮 NO 二氧化氮 NO2 和過氧化亞硝酸鹽 ONOO 等 51 1 ROS RNS 機體防御 吞噬細胞殺傷病原體 2 免疫細胞殺傷腫瘤細胞 與ROS有關 3 ROS RNS 參與解毒 4 ROS參與細胞信號轉導和基因表達調控 細胞增殖 分化 5 影響Ca2 穩態 蛋白質磷酸化 轉錄因子激活等多通路發揮調節作用 二 氧化應激ROS和RNS的生理功能 機體通過抗氧化防御系統 清除自由基 防止氧化應激 52 1 線粒體機制 作用于線粒體 導致位于線粒體的促凋亡蛋白Bcl 2家族成員激活 啟動凋亡程序 2 過量ROS通過激活內質網激活信號通路 啟動凋亡程序 二 氧化應激自由基 ROS和RNS過多 破壞氧化 還原平衡 發生氧化應激細胞調節功能 細胞維持功能障礙 甚至凋亡和自噬 ROS引起凋亡的機制 53 三 缺氧應激缺氧應激 細胞和組織為適應低氧壓力而誘導系列涉及血管生成 鐵代謝和糖代謝相關基因的表達 以維持細胞的增殖和存活 此過程稱缺氧應激 低氧是重要缺氧應激原 金屬暴露 脂多糖 IL 1 胰島素等引起缺氧應激 Ca2 NO和CO在低氧信號傳導中起重要作用 介導缺氧應激反應的關鍵因子為缺氧誘導因子1 HIF 1 由兩種亞基HIF 1 和HIF 1 HIF 1 穩定表達 HIF 1 在正常情況下檢測不到 但缺氧狀態下 降解受抑制 與HIF 1 形成有活性的HIF 1 轉移到細胞核調節多基因轉錄 54 HIF 1下游靶基因 1 EPO 2 VEGF 3 iNOS 4 MMP 5 GLUT 1 6 TGF 1 2 3 3 5 5 5 55 四 內質網應激內質網 蛋白質和脂質合成 加工 折疊和運輸 加工和包裝特異性的分子伴侶為糖調節蛋白78 glucoseregulatedprotein78 GRP78 細胞內質網受損或需要加工和包裝的蛋白質合成增加時 即引起內質網應激和非折疊蛋白反應 theunfoldedproteinresponse URP 由三個主要內質網跨膜蛋白介導 即IRE1 pERK和ATF6信號通路 內質網應激是一種保護機制 降低胞內未折疊蛋白濃度 阻礙聚集 56 四 內質網應激以下情況 出現內質網應激 1 內質網特異性分子伴侶減少或缺失 2 內質網Ca2 耗竭 3 氧化應激或缺氧應激 4 基因突變影響到基因產物蛋白質分子折疊 5 二硫鍵形成減少 57 五 遺傳毒性應激遺傳毒性應激 人體細胞啟動自身防御網絡系統以應對遺傳物質DNA免受外源遺傳毒性損傷的過程 應激原 遺傳毒性致癌劑和致突變物 紫外線和放射性核素 化療藥物 某些代謝產物 如自由基和活性氧 絲裂原活性蛋白激酶 MAPKs 途徑是細胞遺傳應激反應中主要信號轉導途徑之一 保證細胞正常生長和DNA復制保真度 58 六 毒理學意義細胞應激 細胞能量代謝 蛋白質合成和加工 細胞內環境建立和維持 細胞遺傳物質損傷的識別和修復 細胞增殖 細胞周期調控 細胞存活和凋亡等 1 是機體面對有害因素刺激的防御性反應 利于內環境穩定 2 過程引起信號轉導迅速改變 某些重要信號分子或信號通路改變可能損害細胞正常功能 二 細胞調節功能障礙細胞受信號分子所調節 受體激活最終可導致 1 改變基因表達 增加或減少特定蛋白的功能 2 通過磷酸化使特定蛋白發生化學修飾 磷酸化 甲基化 乙酰化和硝化 從而激活或抑制蛋白質 控制細胞命運的程序主要影響基因表達 而調節控制細胞瞬息活動的程序主要影響功能蛋白的活性 60 一 基因表達調節障礙 61 一 基因表達調節障礙1 基因轉錄調節障礙 轉錄因子 能結合在某基因上游特異核苷酸序列上的蛋白質 能調控其基因的轉錄 順式作用元件 位于基因旁側 可調控影響基因表達的核酸序列 包括啟動子 增強子等 應答元件 位于基因上游能被轉錄因子識別和結合 從而調控基因專一性表達的DNA序列 如熱激應答元件 金屬應答元件等 62 一 基因表達調節障礙1 基因轉錄調節障礙 63 一 基因表達調節障礙1 基因轉錄調節障礙 64 毒物影響轉錄因子 TFs 活性是毒物調節基因表達最主要方式 兩種類型TFs 即配體激活的TFs 和信號激活的TFs天然配體 激素 如類固醇 甲狀腺激素 和維生素 視黃醇和維生素D 通過結合與激活轉錄因子而影響基因的表達化學物 模擬天然配體而調節下游基因表達 一 基因表達調節障礙1 基因轉錄調節障礙 65 鄰苯二甲酸酯模擬多不飽和脂肪酸 模擬Zn2 66 細胞信號轉導的機制 信號轉導是通過細胞外的信號分子如生長因子 細胞因子 激素和神經遞質等利用細胞表面受體和細胞內的信號轉導網絡來完成的 一 基因表達調節障礙2 信號轉導調節障礙 68 細胞生長因子 細胞表面生長因子受體磷酸化 RAS 連續的激酶磷酸化 轉錄因子 調控影響細胞周期進展和決定細胞結局的基因 69 毒物引起細胞信號轉導異常的途徑改變蛋白質的磷酸化 干擾G蛋白 如Ras蛋白 的GTP酶活性 破壞正常的蛋白質 蛋白質交互作用建立異常的交互作用 改變信號蛋白的合成與降解 70 I B抑制性結合蛋白降解 促使NF B進入細胞核 MAPK PI3K AKT途徑激活 蛋白表達上調炎癥維持存活 抗凋亡 過量活性氧 71 一 基因表達調節障礙3 細胞外信號轉導產生的調節障礙 72 二 細胞瞬息活動的調節障礙1 電可興奮細胞的調節障礙 運動神經元電壓門控的Na 通道 中樞神經系統GABA受體 73 2 其他細胞活動的調節障礙信號轉導機制也在非可興奮細胞中起作用 但這些細胞信號轉導過程的失調通常不產生嚴重的后果 大鼠肝細胞表達 1 腎上腺素能受體 受體激活引起葡萄糖水解和谷胱甘肽輸出增加 可能對細胞有一定毒理學意義 74 三 細胞穩態失調細胞穩態 cellularhomeostasis 指在神經 內分泌和免疫系統共同調節下 細胞內各種成分和生理功能保持相對穩定的狀態 細胞穩態是細胞存活和正常代謝所必須的 生物膜的完整性是維持細胞穩態的關鍵 細胞穩態失調 機體生理性衰老狀態下 細胞穩態調節系統出現異常 導致細胞內物質轉運障礙和代謝功能喪失 甚至誘發細胞死亡 75 一 細胞穩態失調的機制外源性化合物通過啟動三種關鍵性生化代謝紊亂引起細胞穩態失調 1 ATP耗竭 2 細胞內Ca2 持續升高 3 ROS和RNS的過度產生 76 1 ATP耗竭 78 氧化磷酸化過程及外源化合物干擾物 氫以NADH形式傳遞給初始電子轉運復合物氧傳遞給終末電子轉運復合物ADP和無機磷轉運給ATP合酶電子沿電子傳遞鏈流向氧 伴有質子從基質腔膜逐出 質子返回基質腔驅動ATP合酶 79 外源化合物干擾氧化磷酸化 80 2 細胞內Ca2 持續升高 81 毒物促進Ca2 向細胞質內流或抑制細胞質之內Ca2 外流 而引起胞漿Ca2 水平升高 毒物可誘導Ca2 從線粒體或內質網漏出而增加胞漿Ca2 也可通過抑制Ca2 轉運蛋白或耗竭其驅動力而較少Ca2 外流 2 細胞內Ca2 持續升高 82 3 ROS和RNS過度產生 83 三 細胞穩態失調 二 細胞穩態失調各要素的相互關系ATP儲存耗竭胞漿Ca2 升高 細胞內高Ca2 ROS和RNS ROS與RNS巰基依賴的Ca2 泵發生氧化性失活加劇了高鈣 ROS與RNS也能消耗ATP儲備 過氧亞硝酸鹽陰離子ONOO 能誘發DNA單鏈斷裂 導致聚 ADP 核糖 合酶 PARP 激活 消耗ATP 最終引起壞死或凋亡的初級代謝紊亂 ATP耗竭 細胞內高鈣含量和ROS RNS過量產生 間的相互關系 ATP SYN ATP合酶 MET 線粒體電子傳遞 NOS 一氧化氮合酶 PARP 聚 ADP 核糖 聚合酶 ROS 活性氧 RNS 活性氮 XO 黃嘌呤氧化酶 m 線粒體膜電位 85 三 細胞穩態失調 三 細胞穩態失調的后果致死前時相 prelethalphase 可發生凋亡 apoptosis 脹亡 oncosis 和自噬 autophagy 改變 壞死時相壞死是指細胞死亡時發生的一系列變化 包括 腫脹性壞死 凋亡性壞死和自噬性壞死 86 87 三 細胞穩態失調的后果1 壞死 線粒體通透性轉換孔的高通透狀態即所謂的線粒體通透性轉變 mitochondrialpermeabilitytransition MPT MPT是由于一種跨越線粒體內外膜間的蛋白質孔 巨通道 開放而引起 其開放使質子自由地內流進入基質間隙 引起 m迅速和完全消散 ATP合成中斷及水滲透內流 導致線粒體膨脹 已蓄積于基質間隙的Ca2 通過孔流出 涌進胞質 88 三 細胞穩態失調的后果2 凋亡 決定細胞凋亡的線粒體事件 MPT和Cytc釋放細胞色素c Cytc 從線粒體進入胞漿 可導致 線粒體ATP合成受阻 增加O2 形成 導致細胞死亡 激活胱天蛋白酶 Caspases 啟動細胞凋亡 89 細胞凋亡途徑 線粒體途徑和死亡受體途徑 信號型Caspase效應型Caspase Fas 90 受損細胞命運的 決定方案 MPT 線粒體通透性轉變 RO N S 活性氧或活性氮 毒物在低暴露水平或高水平暴露后的早期階段傾向于誘發凋亡 而在高暴露水平后期則引起壞死 ATP利用度是決定細胞死亡形式的關鍵 發生MPT的線粒體數量影響到細胞ATP耗竭的嚴重性和細胞結局 存活 線粒體自體吞噬凋亡 天冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白酶激活壞死 ATP耗竭 91 有些毒物通過其他機制引起細胞死亡 1 直接損傷細胞膜 2 損傷溶酶體膜 3 破壞細胞骨架 4 引起微絲和其他細胞蛋白超磷酸化 5 抑制細胞蛋白質合成 92 三 細胞穩態失調的后果3 細胞程序性壞死 細胞壞死也是可調控的程序性細胞壞死 稱為細胞程序性壞死 programmednecrosis 或壞死性凋亡 necroptosis 細胞膜破裂 細胞器腫脹 細胞質形成透明樣結構等壞死樣形態特征 缺血再灌注損傷 物理和化學因素誘導的機體損傷 機體感染 神經退行性病變等伴有程序性死亡發生 化學藥物和細胞因子 如TNF FasL TRAIL 均可誘導 93 三 細胞穩態失調的后果3 細胞程序性壞死 受體相互作用蛋白1和3 RIPK1和RIPK3 是程序性壞死的關鍵信號分子 RIPK1 RIPK3形成的壞死復合體成為細胞程序性死亡起始階段的調控核心 執行階段 涉及因素包括細胞內ROS水平升高 Ca2 濃度升高 能量耗竭和組織蛋白酶激活 94 第四節修復障礙 95 96 一 損傷修復機制 一 分子修復1 蛋白質修復巰基被氧化使許多蛋白質功能受損 被氧化的蛋白巰基可通過酶促還原而逆轉 a氧化的巰基 酶促還原使其逆轉內源性還原劑硫氧還蛋白 谷氧還蛋白b受損蛋白 通過水解清除 97 2 脂質修復過氧化的脂質通過一系列還原劑以及谷胱甘肽過氧化物酶和還原酶共同協調運作的復雜過程來修復 含有脂肪酸氫過氧化物的磷酯首先為磷酯酶A2所水解 過氧化的脂肪酸為正常脂肪酸所取代 同時 需要NADPH來修復在該過程中被氧化的還原劑 98 3 DNA修復直接修復切除修復堿基的切除修復 BER 核苷酸切除修復 NER 錯配修復 MMR DNA雙鏈斷裂的修復 同源重組修復 HRR 和同源末端連接 NHEJ 99 二 細胞修復大多數組織 細胞受化學物傷害后死亡 而存活的細胞靠分裂來取代死亡的細胞 神經細胞成熟的神經細胞沒有繁殖能力 因此當其軸索損傷時 其修復主要靠巨噬細胞和施旺細胞 schwanncells 來完成 100 三 組織修復1 細胞凋亡 受損細胞的主動清除2 細胞增殖 細胞和細胞外的間質的再生 還涉及新元件的重新整合連接 細胞分裂 分裂周期的啟動受多種基因的調控 再生 細胞移動 3 細胞外基質的替代 101 二 修復障礙及其引起的毒作用 一 修復障礙修復的局限性 某些損傷的修復可能被遺漏 損傷程度超過機體修復能力時 修復失效 修復所必需的酶或輔因子被消耗時 修復能力耗竭 某些毒性損害不能被有效地修復 如毒物與蛋白質的共價結合 102 修復過程本身也可引起毒性 因DNA損傷修復過程消耗過量NAD 機體抗氧化過程消耗過量NAD P H均可危及氧化磷酸化過程 導致或加劇ATP耗竭 從而引發細胞損害 DNA的剪切修復和脂質的再酰化作用也因為消耗大量的ATP而導致細胞供能障礙和損傷 慢性組織損傷后 當修復過程偏離正確軌道 導致不可控制的增生形成腫瘤 細胞外間質的過度產生則導致組織纖維化 103 二 修復障礙引起的毒性炎癥 1 細胞與炎癥 微循環改變和炎性細胞聚集 2 活性氧和活性氮 聚集細胞釋放自由基和水解酶 損害鄰近組織 2 壞死 1 凋亡和增殖 可終止壞死 2 損傷程度超過機體修復能力 即壞死 104 二 修復障礙引起的毒性3 纖維化 1 組織修復不良 2 細胞增生和細胞外基質形成增多 致癌作用 1 DNA修復失效 原癌基因活化和抑癌基因失活 2 細胞凋亡失效 凋亡抑制劑 3 終止細胞增生失效 有絲分裂增加 原癌基因表達高 4 非遺傳毒性致癌物 有絲分裂促進劑和凋亡抑制劑 105 第五節毒物毒作用的表觀遺傳機制 106 一 表觀遺傳學調控機制表觀遺傳學 研究不涉及DNA序列改變的基因表達和調控的可遺傳變化的 或者說是研究從基因演繹為表型的過程和機制的一門遺傳學分支 表觀遺傳就是不基于DNA差異的核酸遺傳 即細胞分裂過程中 DNA序列不變的前提下 全基因組的基因表達調控所決定的表型遺傳 涉及染色質重塑 整體的基因表達調控 如DNA甲基化 組蛋白修飾等功能等 107 表觀遺傳學的研究內容 基因轉錄后的調控基因組中非編碼RNA微小RNA miRNA 反義RNA內含子 核糖開關等 基因選擇性轉錄表達的調控DNA甲基化基因印記組蛋白共價修飾染色質重塑 107 108 DNA甲基化 DNAmethylation 主要是基因組DNA上的胞嘧啶第5位碳原子和甲基間的共價結合 胞嘧啶由此被修飾為5甲基胞嘧啶 5 methylcytosine 5mC 胞嘧啶甲基化反應 S 腺苷甲硫氨酸 一 DNA甲基化 哺乳動物基因組中5mC占胞嘧啶總量的2 7 約70 的5mC存在于CpG二連核苷 在結構基因的5 端調控區域 CpG二連核苷常常以成簇串聯形式排列 這種富含CpG二連核苷的區域稱為CpG島 CpGislands 其大小為500 1000bp 約56 的編碼基因含該結構 基因調控元件 如啟動子 所含CpG島中的5mC會阻礙轉錄因子復合體與DNA的結合 DNA甲基化一般與基因沉默相關聯 一 DNA甲基化 109 以基因型為a a的母鼠及其孕育的基因型為AVY a的仔鼠作實驗對象 孕鼠分為兩組 試驗組孕鼠除喂以標準飼料外 從受孕前兩周起還增加富含甲基的葉酸 乙酰膽堿等補充飼料 而對照組孕鼠只喂飼標準飼料 結果實驗組孕鼠產下的仔鼠大多數在身體的不同部位出現了大小不等的棕色斑塊 甚至出現了以棕褐色為主要毛色的小鼠 而對照組孕鼠的仔鼠大多數為黃色 分析表明喂以富甲基飼料的孕鼠所產仔鼠的IAP所含CpG島的甲基化平均水平遠高于對照組 轉錄調控區的高甲基化使原該呈異位表達的基因趨于沉默 毛色也趨于棕褐色 111 二 組蛋白修飾 組蛋白與DNA組裝成核小體 是蛋白質中最保守的 112 組蛋白修飾是表觀遺傳研究的重要內容 組蛋白的N端是不穩定的 無一定組織的亞單位 其延伸至核小體以外 會受到不同的化學修飾 這種修飾往往與基因的表達調控密切相關 被組蛋白覆蓋的基因如果要表達 首先要改變組蛋白的修飾狀態 使其與DNA的結合由緊變松 這樣靶基因才能與轉錄復合物相互作用 因此 組蛋白是重要的染色體結構維持單元和基因表達的負控制因子 112 113 組蛋白修飾種類