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1、第十一章 细胞衰老与凋亡,第一节 细胞衰老（aging，senescence，senility）,细胞衰老（cell senescence),人体的自然寿命约120岁 细胞衰老是细胞内部结构的衰变，细胞生理功能的衰退或丧失。,正常的动物细胞无论是在体内生长还是在体外培养，其分裂次数总存在一个“极限值”。此值被称为“Hayflick”极限，亦称最大分裂次数。,Hayflick界限(Hayflick limitation),细胞体外传代次数与物种的寿命有关细胞体外传代次数与来源个体的年龄成反比.,体外培养的细胞分裂能力逐渐降低,组织培养细胞的分裂次数的限制（Hayflick limitation）
2、：50代左右人的成纤维细胞：胎 儿：80代成年人：40代老年人：20代,分裂次数,不同物种的最长寿命,一、衰老细胞的形态变化,二、细胞衰老的机理,主要有遗传学派（Genetic/Programmed theories）和差错学派（Error theories）遗传学派强调衰老是遗传决定的自然演进过程差错学派强调衰老是由于细胞中的各种错误积累引起的，两者是相互统一的。,（一）遗传学派,1程序性衰老（programmed senescence）,程序性衰老理论认为，生物的生长、发育、衰老和死亡都由基因程序控制的衰老实际上是某些基因依次开启或关闭的结果。,2.复制性细胞衰老(replicative
3、cell senescence):,认为是端粒不断变短所致，一般体细胞中端粒酶是没有活性的。,细胞增殖次数与端粒DNA长度有关。体细胞染色体的端粒DNA会随细胞分裂次数增加而不断缩短。细胞DNA每复制一次端粒就缩短一段，当缩短到一定程度至Hayflick点时，可能会启动DNA损伤检测点（DNA damage checkpoint），激活p53，引起p21表达，导致不可逆地退出细胞周期，走向衰亡。,人的成纤维细胞端粒每年缩短14-18bp，可见染色体的端粒有细胞分裂计数器的功能，能记忆细胞分裂的次数。引进端粒酶可以增加培养细胞的传代次数,3长寿基因（longevity genes）,统计学资料表
4、明，子女的寿命与双亲的寿命有关，各种动物都有相当恒定的平均寿命和最高寿命 物种的寿命主要取决于遗传物质，DNA链上可能存在一些“长寿基因”或“衰老基因”来决定个体的寿限。当细胞衰老时，一些衰老相关基因（SAG）表达特别活跃,一个37岁的成人早衰症患者,正常儿童（左）和婴幼儿早衰症患者（右）,（二）差错学派,1.代谢废物积累（waste product accumulation）细胞代谢产物积累至一定量后会危害细胞，引起衰老如：哺乳动物脂褐质(又称致密体、残质）的沉积脂褐质是一些长寿命的蛋白质和DNA、脂类共价缩合形成的巨交联物,次级溶酶体是形成脂褐质的场所由于脂褐质结构致密，不能被彻底水解，又
5、不能排出细胞，结果在细胞内沉积增多，阻碍细胞的物质交流和信号传递，最后导致细胞衰老，如老年性痴呆（AD）就是由-淀粉样蛋白沉积引起的。,2.自由基学说（free radical theories）,自由基是一类瞬时形成的含不成对电子的原子或功能基团 自由基含有未配对电子，具有高度反应活性，可引发链式自由基反应引起DNA、蛋白质和脂类等大分子物质变性和交联损伤DNA、生物膜、重要的结构蛋白和功能蛋白，从而引起衰老各种现象的发生。,主要包括：氧自由基（如羟自由基OH）、氢自由基（H）、碳自由基、脂自由基等，其中OH的化学性质最活泼。,人体内自由基的产生有两方面：,一是环境中的高温、辐射、光解、化学
6、物质等引起的外源性自由基；二是体内各种代谢反应产生的内源性自由基。主要途径有：由线粒体呼吸链电子泄漏产生；由过氧化物酶体的多功能氧化酶（MFO）等催化底物羟化产生。,清除自由基的防御系统,在正常细胞内存在，包括酶系统和非酶系统前者如：超氧化物歧化酶（SOD），过氧化氢酶（CAT）非酶系统如：维生素E,3线粒体DNA突变（mitochondrial DNA mutation）,mtDNA最容易发生突变。在线粒体氧化磷酸化生成ATP的过程中，大约有1-4%氧转化为氧自由基，因此线粒体是自由基浓度最高的细胞器。mtDNA裸露于基质，缺乏结合蛋白的保护，最易受自由基伤害,催化mtDNA复制的DNA聚合
7、酶不具有校正功能，复制错误频率高缺乏有效的修复酶，故mtDNA最容易发生突变。mtDNA突变使呼吸链功能受损，进一步引起自由基堆积，如此反复循环。,4.重复基因失活,主要基因的选择性重复是基因组的保护性机制 重复基因的一个拷贝受损或选择关闭后，其它拷贝被激活，直到最后一份拷贝用完，这时细胞因缺少某种重要产物而衰亡。,第二节 细胞坏死与凋亡(cell death),细胞死亡是指细胞生命现象的终结，是细胞生命现象不可逆的停止。,细胞死亡的方式通常有3种：,细胞坏死（necrosis）。细胞凋亡（apoptosis）。细胞程序性死亡（programmed cell death，PCD）。,PCD和细
8、胞凋亡常被做为同义词使用，但两者实质上是有差异的。凋亡是一个形态学概念，指与细胞坏死不同 PCD是一个功能性概念，描述在一个多细胞生物体中，某些细胞的死亡是个体发育中一个预定的，并受到严格控制的正常组成部分，PCD的最终结果是细胞凋亡，但细胞凋亡并非都是程序化的。,2002年10月7日英国人悉尼布雷诺尔、美国人罗伯特霍维茨和英国人约翰苏尔斯顿，因在器官发育的遗传调控和细胞程序性死亡方面的研究，获诺贝尔生理与医学奖。,一、细胞坏死,坏死是极端的物理，化学因素或严重的病理性刺激引起的细胞损伤和死亡,染色质团块状染色体形成串状片断细胞器肿胀,细细胞坏死的形态,膜不完整内容物释放引起周围组织炎症反应,
9、二、细胞凋亡,细胞凋亡(apoptosis,programmed cell death,PCD)是指细胞在生理或病理条件下由基因控制的自主有序的死亡过程，又称程序化细胞死亡(programmed cell death，PCD)。,细胞增殖和细胞死亡对生物体具有同样重要的意义,细胞死亡是发育过程中经常发生的蝌蚪的变态、哺乳动物胚胎指（趾）的形成、神经细胞的死亡,蝌蚪变态 成蛙，尾部的细胞发生细胞程序性死亡，通过血液中甲状腺激素增加来刺激。,a小鼠的趾间细胞程序性死亡（红色）,B 1天后发育的小鼠的爪。,凋亡细胞的主要特征,染色质聚集、分块、位于核膜上，胞质凝缩，最后核断裂，细胞通过出芽的方式形成
10、许多凋亡小体 凋亡小体的形成：核染色质断裂为大小不等的片断，与某些细胞器如线粒体一起聚集，被反折的细胞膜所包围，细胞表面产生了泡状或芽状的突起，逐渐分隔形成凋亡小体凋亡小体内有结构完整的细胞器，还有凝缩的染色体，可被邻近细胞吞噬消化，因始终有膜封闭，没有内溶物释放，故不会引起炎症；,凋亡细胞中仍需要合成一些蛋白质，但是在坏死细胞中ATP和蛋白质合成受阻或终止；核酸内切酶活化，导致染色质DNA在核小体连接部位断裂，形成约200bp整数倍的核酸片段，凝胶电泳图谱呈梯状凋亡通常是生理性变化，而细胞坏死是病理性变化。,球形致密的染色质,染色质边缘化，细胞核和细胞质碎片化形成凋亡小体，被周围细胞吞噬,正
11、常细胞,左，正常胸腺细胞；右，凋亡胸腺细胞（注意凋亡小体）,A坏死：细胞膜破裂,B C细胞程序性死亡：细胞膜完整细胞核膜变皱染色质边缘化,巨噬细胞,被吞入的死亡细胞,细胞膜完整，鼓泡，形成凋亡小体,DNA碎片化染色质凝集,核碎片化,细胞碎片化,细胞膜完整,正常细胞,染色质凝集核碎片化,细胞凋亡的一种特征性变化：DNA电泳呈阶梯状核酸内切酶的作用结果,正常核DNA,细胞坏死与凋亡的形态区别,染色质边缘化，染色体固缩，形成星目形，帽状结构的形态沿着核膜分布细胞核和细胞质碎片化形成凋亡小体，被周围细胞吞噬,细胞凋亡和细胞坏死的区别,第三节 细胞凋亡的分子机理,细胞凋亡和细胞增殖是维持体内细胞数量动态
12、平衡的基本措施。胚胎发育阶段通过细胞凋亡清除多余的和已完成使命的细胞，保证了胚胎的正常发育；在成年阶段通过细胞凋亡清除衰老和病变的细胞，保证了机体的健康。和细胞增殖一样细胞凋亡也是受基因调控的精确过程，,由于各种原因引起的细胞一类特殊的蛋白酶激活（CASPASE），使细胞中一些关键性的蛋白降解，造成凋亡。凋亡酶 CASPASE（cysteine aspartate-specific protease）半胱氨酸-天冬氨酸特异蛋白酶又称半胱天冬酶或切冬酶，此酶的活性中心含有半胱氨酸，它特异性切割ASP羧基形成的肽键。,caspase分为两类,一类为启动者（initiator），如caspase-8
13、、9，受到信号后，能通过自剪接而激活，然后引起caspase级联反应，如caspase-8可依次激活caspase-3、6、7。另一类为执行者（executioner或effector），如caspase-3、6、7，它们可直接降解胞内的结构蛋白和功能蛋白，引起凋亡，但不能通过自催化（autocatalytic）或自剪接的方式激活,细胞中还具有caspase的抑制因子，称为IAPs（inhibitors of apoptosis proteins），属于一个庞大的蛋白家族Bcl-2家族，线虫中的ced-9。,细胞凋亡的途径主要有两条，一条是通过胞外信号激活细胞内的凋亡酶caspase、一条是通
14、过线粒体释放凋亡酶激活因子激活caspase。,CASPASE,caspase以酶原形式合成（procaspase，前-CASPASE），被酶切后而激活。,切割位点,细胞凋亡是一个级联反应，一些caspases依次激活，使反应放大,Caspase x1个分子的激活，能切割许多Y 或Z前-caspase,从而使更多caspase 激活切割许多关键的蛋白。导致细胞凋亡,启动者,执行者,执行者,（一）细胞外部信号活化的凋亡,这种信号称为刺杀信号（Killer signal)或死亡配体（death ligand),细胞表面上有可同死亡配体专一性结合的死亡受体（death receptor),死亡受体被
15、激活，信号传至细胞内部，启动了细胞凋亡。如FasL与fas蛋白的作用引起procaspase8的聚集和切割，产生活化的caspase8,procaspase 通过与接头蛋白（adaptor)的结合而被激活,接头蛋白（adaptor):可以与procaspase结合，使其形成聚集体，从而相互激活（或构型发生改变而激活）。,caspase-8、通过自身剪切激活，它们启动caspase的级联反应，使caspase-3、-6、-7激活，这几种Caspase可降解胞内结构蛋白和功能蛋白，最终导致细胞凋亡。,Caspase 可激活名叫CAD（caspase-activated DNAse）的存在于胞质中的
16、核酸酶，使它进入细胞核降解DNA。能在核小体的连接区将其切断，形成约为200bp整数倍的核酸片段。正常情况下，CAD存在于胞质中，不能进入细胞核。,线粒体与细胞凋亡 凋亡：细胞程序性死亡 死亡：受损伤而死亡 当线粒体接受凋亡刺激的早期cytc从线粒体向细胞质移位，cytc能活化与凋亡相关的酶类，引起凋亡。在正常情况下定位在线粒体外膜等处的Bcl2则可阻止cytc从线粒体释放，从而抑制细胞的凋亡,（二）细胞内部的凋亡的活化：,细胞色素C从线粒体释放，与凋亡蛋白酶活化因子（apoptosis protease activating factor,Apaf-1)结合，后者聚集并与procaspase
17、9（启动者)结合，导致caspase9 的活化。,Apaf-1被称为凋亡酶激活因子-1（apoptotic protease activating factor-1），能召集caspase-9，,激活caspase-3，启动caspase级联反应。,一个核心的问题是细胞色素c究竟通过哪一种途径释放到细胞质中由于大部分凋亡细胞中很少发生线粒体肿胀和线粒体外膜破裂的现象，所以目前普遍认为细胞色素是通过线粒体PT孔或Bcl-2家族成员形成的线粒体跨膜通道释放到细胞质中的。,我们可以看出线粒体既是细胞的能量工厂，也是细胞的凋亡控制中心，可是为什么线粒体会担负起如此重要的双重功能呢？目前还很难作出一个较
18、好的解释，只能留在以后再完善。,线虫Caenorhabditis elegans是研究个体发育和细胞程序性死亡的理想材料。其生命周期短，Caenorhabditis elegans的平均寿命仅3.5天，细胞数量少,细胞凋亡(apoptosis),共有14 个基因在C.elegans 细胞凋亡中起作用，ced（cell death）基因：其中对Ced-3、Ced-4和Ced-9三个基因的作用研究得最为清楚。Ced-3和 Ced-4有促进细胞凋亡的作用Ced-9抑制Ced-3、Ced-4的作用，使凋亡不能发生。,线虫中有关细胞凋亡的基因：,有三个重要的基因：ced-3，ced-4，ced-9ced-3：编码蛋白酶ced-4:接头蛋白（adaptor)ced-9：调节子（regulator),抑制ced3的效应,调控子,凋亡蛋白酶活化因子-接头蛋白,效应蛋白,线虫,脊椎动物,Bcl-2：ced-9 的同源物，实际上是一个家族（Bcl-2 家族）,CED-4与CED-3结合，激活CED-3.通常CED-9是与CDE-3和CED-4结合成复合物存在，故CDE-3无活性。程序性细胞死亡信号引起CED-9与CDE-3和CDE-4解离，CDE-3得以被激活，细胞进入凋亡途径。,抑制,抑制,抑制,抑制,哺乳动物神经元,哺乳动物淋巴细胞,促凋亡蛋白如Bax Bik。,线虫,
