細(xì)胞程序性死亡與細(xì)胞衰老

1、第十三章第十三章 程序性細(xì)胞死亡與細(xì)胞衰老程序性細(xì)胞死亡與細(xì)胞衰老第一節(jié)第一節(jié) 程序性細(xì)胞死亡程序性細(xì)胞死亡一個(gè)主動(dòng)的有基因決定的自動(dòng)結(jié)束生命的過程。由于受到嚴(yán)格的由遺傳機(jī)制決定的程序性調(diào)控，所以常常被稱為細(xì)胞程序性死亡（programmed cell death,pcd）機(jī)體結(jié)構(gòu)機(jī)體結(jié)構(gòu)細(xì)胞增殖細(xì)胞增殖細(xì)胞分化細(xì)胞分化細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)染色體染色體（dnadna與蛋白質(zhì)的相互作用）與蛋白質(zhì)的相互作用）衰老衰老一.動(dòng)物細(xì)胞的程序性死亡三種方式:凋亡壞死自噬(一)細(xì)胞凋亡概念:受基因控制的主動(dòng)的結(jié)束生命的過程,是一自然的生理過程.形態(tài)學(xué)特征:凋亡的起始:特化結(jié)構(gòu)消失（微絨毛

2、），細(xì)胞間接觸消失，但質(zhì)膜依然完整，有選擇透性，線粒體大而完整，核糖體與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)脫落，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔膨大，并逐漸與質(zhì)膜融合，染色質(zhì)固縮化，形成新月形帽狀結(jié)構(gòu)，沿核膜分布凋亡小體的形成：染色質(zhì)斷裂成大小不等的片段，與某些細(xì)胞器（線粒體）聚集在一起，被反折的質(zhì)膜包圍，形成凋亡小體，從外觀上看，細(xì)胞表面發(fā)泡，產(chǎn)生了許多泡狀或芽狀突起，隨后逐漸分離，形成凋亡小體。凋亡小體被臨近的細(xì)胞或體內(nèi)吞噬細(xì)胞所吞噬,殘余物質(zhì)被消化后重新利用。整個(gè)過程最大的特點(diǎn)是質(zhì)膜始終保持完整，內(nèi)含物不發(fā)生細(xì)胞外泄露，不引發(fā)機(jī)體的炎癥反應(yīng)。 morphologi changes: early : chromosome condensat

3、ion, cell body shrink later : blebbing and nucleus and cytoplasm fragment apoptotic bodies at last: phagocytosed染色質(zhì)聚集分塊染色質(zhì)聚集分塊胞質(zhì)凝縮胞質(zhì)凝縮染色質(zhì)集聚染色質(zhì)集聚細(xì)胞器腫脹細(xì)胞器腫脹線粒體變?yōu)榫€粒體變?yōu)樾鯛钚鯛詈似扑楹似扑樾纬傻蛲鲂◇w形成凋亡小體 破裂破裂內(nèi)含物釋放內(nèi)含物釋放炎癥炎癥被吞噬消化被吞噬消化終有膜封閉終有膜封閉 不引起炎癥不引起炎癥a、normal cell b、apoptosis: apoptotic bodiesapoptosisnecrosisdeat

4、h by apoptosis is a neat, orderly process意義：細(xì)胞凋亡對(duì)于多細(xì)胞生物的個(gè)體發(fā)育的正常進(jìn)行，自穩(wěn)平衡的保持以及抵御外界各種因素的干擾方面都起著非常關(guān)鍵的作用1）清除有機(jī)體不再需要的細(xì)胞，而不引起炎癥反應(yīng)。2）細(xì)胞的自然更新，清除被病原體感染的細(xì)胞3）免疫細(xì)胞對(duì)靶細(xì)胞的攻擊并引起死亡，也是基于細(xì)胞 凋亡4）細(xì)胞凋忘失調(diào)會(huì)導(dǎo)致疾病prized horvitz, and sulston share physiology or medicine nobel （2002） “for their discoveries concerning genetic regu

5、lation of organ development and programmed cell death”1090 131= 959(cells)2002年諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者年諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者2002年的諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予了在器官發(fā)育和程序性細(xì)年的諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予了在器官發(fā)育和程序性細(xì)胞死亡研究領(lǐng)域中做出奠基性貢獻(xiàn)的胞死亡研究領(lǐng)域中做出奠基性貢獻(xiàn)的3位科學(xué)家位科學(xué)家:英國的英國的 sydney brenner、美國的、美國的 h. robert horvitz、英國的、英國的 john e. sulston他們創(chuàng)造性地用線蟲作為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ退麄儎?chuàng)造性地用線蟲作為實(shí)驗(yàn)?zāi)?/p>

6、型,實(shí)現(xiàn)了對(duì)器官發(fā)育過程中細(xì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)器官發(fā)育過程中細(xì)胞分裂、分化的原位觀察胞分裂、分化的原位觀察,完成了細(xì)胞圖譜的繪制完成了細(xì)胞圖譜的繪制,在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)并研究了調(diào)控器官發(fā)育程序性細(xì)胞死亡的關(guān)鍵在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)并研究了調(diào)控器官發(fā)育程序性細(xì)胞死亡的關(guān)鍵基因及其功能并進(jìn)一步在高等哺乳動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)了相關(guān)功能基因。基因及其功能并進(jìn)一步在高等哺乳動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)了相關(guān)功能基因。 sydney brenner h. robert horvitz john e. sulstonapoptosis induced by cyto clane 10 h 21 h 32 h 43 h 54 h 6control 7mark

7、er 2.0kbp1.00.50.2180200bp dna ladder細(xì)胞凋亡的檢測(cè)方法形態(tài)學(xué)觀測(cè)：臺(tái)盼藍(lán)、dapi、giemsa，dna電泳，tunel測(cè)定法，彗星電泳法，流式細(xì)胞分析細(xì)胞凋亡的分子機(jī)制early researches (mit: robert horrid , 1986)c. elegans:1090 cells, the finding of ced3 mutantwithout losing any of theircells to apoptosis.ced3 gene play a crucial role in the process of apoptosis

8、.c elegans: a millimeter long, transparent body only a few cell types, from zygote to mature adult only in 3.5days.131 cells death.線蟲體細(xì)胞凋亡研究：線蟲體細(xì)胞凋亡研究：pcd相關(guān)基因相關(guān)基因15個(gè)，分為四組：個(gè)，分為四組：1、與pcd有關(guān)的基因，負(fù)責(zé)pcd控制：ced-3、ced-4和ced-9。2、與pcd過程吞噬作用有關(guān)：ced-1、ced-2、ced-5-8 和 ced-10。3、核酸酶基因（nuc-1）, 控制dna降解，但非pcd所必須。4、影響特異細(xì)

9、胞類型pcd的基因：ces-1、ces-2、cgl-1、和 her-1. 保守性高，在哺乳動(dòng)物中有相應(yīng)同源物： ced-3=ice, ced-4=apaf-1, ced-9=bcl-2.誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的因子:物理因子:射線、較溫和的溫度刺激化學(xué)及生物因子：活性氧基團(tuán)和分子、鈣離子載體、維生素k、視黃酸、細(xì)胞毒素、dna和蛋白質(zhì)合成的抑制劑、正常生長因子的失調(diào)及凋亡因子的處理。 apoptosis is carried out by a proteolytic system caspase (1) why called caspase?active site: cysteinecleavage s

10、ite: asparatic acid cysteine asparatic acid specific proteaseaps-xxx天冬氨酸特異性的半光氨酸蛋白水解酶,負(fù)責(zé)選擇性的切割某些蛋白質(zhì),切割的結(jié)果是使其活化或失活,非完全降解.分為兩類,一類為凋亡的起始者,一類為凋亡的執(zhí)行者.caspase依賴性的細(xì)胞凋亡依賴性的細(xì)胞凋亡apoptosis can be divided into two phases：activation phase： the cell responds to “death signals” that commit it to undergoing self-de

11、struction.execution phase： the death sentence is carried out. apoptosis cells are recognized by phagocytes because they carry exposed markers, called “eat me” signals. the best studied “eat me” signal is the presence of phosphatidylserine molecules in the outer leaflet of pm of apoptotic cells (by f

12、lop-flipase). how to activate caspases?all caspases expressed as proenzymes procaspasesprocaspasenh2-terminal prodomain: highly variablelarge subunit (20kd)small subunit (10kd)how are procaspases activated to initiate the caspase cascade?the activation is triggered by adaptor proteins that bring mul

13、tiple copies of specific procaspases. 3 groups of caspase:1、apoptotic initiators: caspase-2, caspase-8, caspase-9 and caspase-10 2、apoptotic executioners: caspase-3, caspase-6 ，caspase-7 and 14 (morphology change) 3、inflammatory mediateors: caspase-1, and caspase-11 procaspases are activated by bind

14、ing to adaptor proteinsthe caspase cascade involved in apoptosisa. procaspase activation by proteolytic cleavage.b. caspase cascadethe target proteins of caspase are the following: more than a dozen protein kinase, including fak, pkc, and raf1. fak disrupt cell adhesion for the apoptotic cell.lamins

15、. cleavage of lamins leads to the disassembly of the nuclear lamina and shrinkage of the nucleus.proteins required for cell structure. such as if, actin, and gelsilin. cleavage and inactivation of these proteins lead to changes in cell shape. induce cell display signals marked it for phagocytosis .t

16、he inhibitor of cad (caspase-activated dnase, an endonuclease). cleavage of cad inhibitor lead to activation of cad, once activated, cad translocates from the cytosol to the nucleus severing dna into fragments.enzymes involved in dna repair. which are inactivated by caspase cleavage. dna repair is a

17、 homeostatic activity that is inappropriate in an apoptotic cell. caspase依賴性細(xì)胞凋亡的兩條途徑：由死亡受體起始的外源途徑：死亡配體主要是腫瘤壞死因子家族成員由線粒體起始的內(nèi)源途徑：細(xì)胞色素c molecular pathways of apoptosistwo principle pathways extrinsic pathwayintrinsic pathway(1) extrinsic pathway: fas signaling pathwayfas (also called apo-1 or cd95) is

18、 a member of the tumor necrosis factor receptor (tnfr) superfamily. receptor-mediated pathway of apoptosisbcl-2 family(cytoplasmic factors): bad,bid,and bax: promote apoptosis; bcl-x, bcl-w,and bcl-2: prevent apoptosis.internal stimuli: dna damage, high ca2+ , oxidative stress死亡受體死亡受體(tnfr)：tnf/ngf受

19、體超家族，胞外段具有半光氨酸富集的重復(fù)區(qū)；tnfr-1和fas的胞內(nèi)段含68aa的死亡結(jié)構(gòu)域(death domain, dd)死亡信號(hào)死亡信號(hào)(death ligands): tnf超家族（tnf, cd5/fas.）接頭蛋白（接頭蛋白（adaptor）: fadd (fas associated protein with death domain)； tradd(tnfr associated death domain);adaptor n端的ded(death effector domain): 誘導(dǎo)caspase8活化。apaf-1: (apoptotic protease-activ

20、ating factor) 線粒體途徑的胞質(zhì)蛋白，含3個(gè)功能域個(gè)功能域： n端端85aa, 稱稱card(caspase recruiment domain); ced-4 同源區(qū)（同源區(qū)（320aa）; c端，介導(dǎo)蛋白與蛋白相互作用端，介導(dǎo)蛋白與蛋白相互作用。(2) intrinsic pathway: mitochondrial pathwaythe mitochondria-mediated pathway of apoptosisvarious types of cellular stressbcl-2 family: bad or bax to become inserted int

21、o om of mitrelease of cytochrome c from i-o space of mit.form a multisubunit complex; and caspase cascade,caspase非依賴性的細(xì)胞凋亡:凋亡誘導(dǎo)因子,限制性內(nèi)切核酸酶g細(xì)胞凋亡的調(diào)控 細(xì)胞中存在caspase抑制因子,能夠直接與caspase活性分子結(jié)合,阻止對(duì)底物的切割作用 細(xì)胞存活因子(有絲分裂原和生長因子)nf-kb,抗凋亡,促存活.p53,促凋亡 病毒抑制凋亡（二）細(xì)胞壞死 是細(xì)胞受到急性強(qiáng)力傷害時(shí)立即出現(xiàn)的反應(yīng)。 早期表現(xiàn)為細(xì)胞膜破壞，線粒體腫脹。 繼而溶酶體破裂,細(xì)胞內(nèi)容物

22、流出, 引起炎癥。 細(xì)胞凋亡的一種替補(bǔ)方式。（三）細(xì)胞自噬 個(gè)體遭遇營養(yǎng)危機(jī)時(shí)，是細(xì)胞凋亡的一種補(bǔ)充途徑二.植物細(xì)胞與酵母細(xì)胞的程序性死亡衰老（aging，senescence，senility）：又稱老化，通常指生物發(fā)育成熟后，在正常情況下隨著年齡的增加，機(jī)能減退，內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定性下降，結(jié)構(gòu)中心組分退行性變 化 ， 趨 向 死 亡 的 不 可 逆 的 現(xiàn) 象 。衰老和死亡是生命的基本現(xiàn)象，衰老過程發(fā)生在生物界的整體水平、種群水平、個(gè)體水平、細(xì)胞水平以及分子水平等不同的層次。生命要不斷的更新，種族要不斷的繁衍。而這種過程就是在生與死的矛盾中進(jìn)行的。至少從細(xì)胞水平來看，死亡是不可避免的。第二節(jié)第二節(jié)

23、 細(xì)胞衰老（細(xì)胞衰老（cellular aging ;cell senescence）一、早期的細(xì)胞衰老研究（細(xì)胞一、早期的細(xì)胞衰老研究（細(xì)胞“不死性不死性”觀點(diǎn)）觀點(diǎn)）1、100年前，魏斯曼曾提出種質(zhì)不死而體質(zhì)會(huì)衰老和死亡的學(xué)說（將原生動(dòng)物的衰老除外），但原生動(dòng)物的“不死性”也是不成立的，因?yàn)樾录?xì)胞中存在著老化的結(jié)構(gòu)成分。2、carrel和ebeling宣稱培養(yǎng)的雞心臟細(xì)胞可以無限制地生長和分裂（已連續(xù)培養(yǎng)34年）認(rèn)為細(xì)胞本身不會(huì)衰老,衰老是由于環(huán)境的影響造成的。（后來hayflick認(rèn)為carrel每次向培養(yǎng)基中加入的雞胚提取物中可能混有新鮮的細(xì)胞）3、20世紀(jì)40-50年代， l系小鼠細(xì)

24、胞和hela細(xì)胞系的建立使細(xì)胞不死性的觀點(diǎn)更加鞏固。（l系小鼠細(xì)胞和hela細(xì)胞系是不正常的細(xì)胞）二、二、hayflick界限（細(xì)胞增殖能力和壽命有限的界限（細(xì)胞增殖能力和壽命有限的觀點(diǎn)）觀點(diǎn)）60年代初，hayflick等人的出色工作提出了細(xì)胞增殖能力和壽命有限的觀點(diǎn)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)物種壽命和培養(yǎng)細(xì)胞壽命之間存在著確切的相互關(guān)系。hayflick界限：細(xì)胞,至少是體外培養(yǎng)的細(xì)胞，不是不死的，而是有一定壽命的，它們的增殖能力不是無限的，而是有一定的界限。（適用于很多種類型的細(xì)胞）l1961，hayflick & moorhead報(bào)告：人成纖維細(xì)胞培養(yǎng)只能傳代4060次。l該結(jié)果后來被其他研究

25、者所證實(shí)。l細(xì)胞的增殖能力和供體的壽命正相關(guān)：lhayflick：胎兒的肺成纖維細(xì)胞可傳50代，成人的只能傳20代。 lgalapagos龜：壽命175歲，傳代90-125次；小鼠：壽命：3.5歲，傳代14-28次。lgoldstein：兒童早老癥（hutchinson-gilford syndrome）患者的成纖維細(xì)胞體外培養(yǎng)只能傳代24次（壽命只有12-18歲）。werners syndrome患者具有類似現(xiàn)象。werners syndrome 頭發(fā)灰色、 細(xì)弱 、鷹鉤鼻。werners syndrome (a japanese)14歲48歲hutchinson-gilford syndr

26、ome progeria disease體外培養(yǎng)細(xì)胞的衰老控制體外培養(yǎng)細(xì)胞的衰老控制l決定因素在細(xì)胞內(nèi)部：hayflickl老年男性的細(xì)胞和年輕女性的細(xì)胞（間期有barr body)混合培養(yǎng)：年輕女性的細(xì)胞傳代次數(shù)多。（培養(yǎng)環(huán)境相同）l細(xì)胞核決定了細(xì)胞衰老：wright & hayflickl老年胞質(zhì)體年輕細(xì)胞核：雜交細(xì)胞分裂能力強(qiáng)；l年輕胞質(zhì)體老年細(xì)胞核：雜交細(xì)胞分裂能力弱。三、細(xì)胞在體內(nèi)條件下的衰老三、細(xì)胞在體內(nèi)條件下的衰老1、在機(jī)體內(nèi)，細(xì)胞的衰老和死亡是常見的現(xiàn)象，甚至在個(gè)體發(fā)育的早期也會(huì)發(fā)生；2、衰老動(dòng)物體內(nèi)，細(xì)胞分裂速度顯著減慢，其原因主要是g1期明顯延長；3、衰老個(gè)體內(nèi)的環(huán)

27、境因素影響了細(xì)胞的增殖和衰老；四、細(xì)胞衰老的特征四、細(xì)胞衰老的特征1、形態(tài)變化l 細(xì)胞核l 體積增大；核膜內(nèi)折；染色質(zhì)固縮化l rer減少（尼氏體消失）l 線粒體數(shù)量減少，體積增大l 致密體dense body積累l 又叫脂褐質(zhì)、老年色素、殘?bào)w、血褐質(zhì)等。l 來自溶酶體和線粒體l 膜系統(tǒng)：流動(dòng)性下降，常處于凝膠相或固相。l 間隙連接減少，組成間隙連接的膜內(nèi)顆粒聚集體變小。2、分子水平的變化衰老細(xì)胞會(huì)出現(xiàn)脂類、蛋白質(zhì)和dna等細(xì)胞成分損傷，細(xì)胞代謝能力降低五、細(xì)胞衰老的分子機(jī)制（原因及假說）五、細(xì)胞衰老的分子機(jī)制（原因及假說）90年代以來，細(xì)胞衰老分子機(jī)制研究的重大進(jìn)展：?jiǎn)位虻耐蛔儗?dǎo)致壽命的顯

28、著延長；端粒和端粒酶與細(xì)胞衰老關(guān)系的發(fā)現(xiàn)等。60年代起開始出現(xiàn)的一系列衰老理論：1、氧化性損傷學(xué)說（自由基理論）harman 50年代（1956）提出。認(rèn)為代謝過程中產(chǎn)生的活性氧基團(tuán)或分子（reactiveoxygenspecies,ros）引起脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和核酸分子的氧化性損傷的累積，引起細(xì)胞功能的多方面異常。正常細(xì)胞內(nèi)存在清除自由基的防御系統(tǒng)，如超氧化物歧化酶(sod)、過氧化氫酶(cat)等。根據(jù)該理論：清除ros，就可以減緩衰老。超級(jí)表達(dá)sod和過氧化氫酶的轉(zhuǎn)基因果蠅的壽命延長了34%;將人的sod基因轉(zhuǎn)入果蠅體內(nèi)，其壽命延長一倍。反例：將小鼠的谷胱苷肽過氧化物酶或sod酶剔除一種，并未引起細(xì)胞衰老的加速。2、端粒與衰老 harley,1990發(fā)現(xiàn)端粒的長度確實(shí)與衰老有著密切的關(guān)系，提出細(xì)胞衰老的“有絲分裂鐘”學(xué)說。端粒長度隨細(xì)胞衰老過程而逐漸縮短，但端粒酶卻可維持端粒的長度。 1990，harley等人發(fā)現(xiàn)，體內(nèi)端粒長度隨人的年齡增長而縮短；體外培養(yǎng)的細(xì)胞中，端粒長度隨分裂次數(shù)增加而減小。1998，wright等人，將人的端粒酶基因轉(zhuǎn)入人的2n的體細(xì)胞，結(jié)果發(fā)現(xiàn)細(xì)胞端粒長度增加，分裂旺盛，細(xì)胞衰老指標(biāo)的酶含量降低，細(xì)胞壽命延長20代。1998，carman，2n倉鼠的胚細(xì)胞