醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)第13章細(xì)胞衰老與凋亡

1、 細(xì)胞衰老細(xì)胞衰老 (cellular aging或或cell senescence) 細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡(Apoptosis)Hayflick界限界限(Hayflick Limitation）細(xì)胞在體內(nèi)條件下的衰老細(xì)胞在體內(nèi)條件下的衰老衰老細(xì)胞結(jié)構(gòu)的變化衰老細(xì)胞結(jié)構(gòu)的變化細(xì)胞衰老的分子機(jī)理細(xì)胞衰老的分子機(jī)理概念：關(guān)于細(xì)胞增殖能力和壽命是有限的觀(guān)點(diǎn)。 細(xì)胞，至少是培養(yǎng)的二倍體細(xì)胞，不是不死的，而是有一定的 壽命；它們的增殖能力不是無(wú)限的，而是有一定的界限，這就 是 Hayflick界限 癌細(xì)胞或培養(yǎng)的細(xì)胞系是不正常細(xì)胞，其染色體數(shù)目或形態(tài) 已經(jīng)不同于原先的細(xì)胞 細(xì)胞的增殖能力與供體年齡有關(guān) 物種

2、壽命與培養(yǎng)細(xì)胞壽命之間存在著一定的關(guān)系二倍體細(xì)胞的衰老是由細(xì)胞本身決定的 決定細(xì)胞衰老的因素在細(xì)胞內(nèi)部，而不是外部的環(huán)境 是細(xì)胞核而不是細(xì)胞質(zhì)決定了細(xì)胞衰老細(xì)胞來(lái)源人胚肺成纖維細(xì)胞中年人成纖維細(xì)胞老年人成纖維細(xì)胞可增殖代數(shù) 40-60 20 2-4不同年齡來(lái)源的人成纖維細(xì)胞的增殖代數(shù)在機(jī)體內(nèi)，細(xì)胞的衰老和死亡是常見(jiàn)的現(xiàn)象，甚至在 個(gè)體發(fā)育的早期也會(huì)發(fā)生;正常情況下終生保持分裂的細(xì)胞，其分裂能力是否隨 著有機(jī)體年齡的增高而下降？它們 會(huì)不會(huì)衰老？ 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(zhǎng); 衰老個(gè)體內(nèi)的環(huán)境因素影響了細(xì)胞的增殖和衰老; 骨髓干細(xì)胞移植實(shí)驗(yàn)說(shuō)明隨著年齡的增加

3、，干細(xì)胞 增殖速度也趨緩慢. 細(xì)胞核的變化 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的變化: 衰老動(dòng)物內(nèi)質(zhì)網(wǎng)成分彌散性地分散于核 周胞質(zhì)中，粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的總量似乎是減少了 線(xiàn)粒體的變化: 通常，細(xì)胞中線(xiàn)粒體的數(shù)量隨齡減少， 而其體積則隨齡增大 致密體的生成 膜系統(tǒng)的變化 體外培養(yǎng)的二倍體細(xì)胞，細(xì)胞核 隨著細(xì)胞分裂次數(shù)的增加不斷增大細(xì)胞核的核膜內(nèi)折（invagination）、 染色質(zhì)固縮化 衰老的細(xì)胞，其膜流動(dòng)性降低、韌性減小衰老細(xì)胞間間隙連接; 細(xì)胞膜內(nèi)（P面）顆粒的分布也發(fā)生變化氧化性損傷學(xué)說(shuō)氧化性損傷學(xué)說(shuō)：代謝過(guò)程中產(chǎn)生的活性氧基團(tuán)或分子（ROS- O2-， OH- ， H2O2 ），引發(fā)的氧化性損傷的積累，最終導(dǎo)致衰老。

4、 端粒與衰老端粒與衰老：發(fā)現(xiàn)端粒長(zhǎng)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(shuō)（Harley,1990） rDNArDNA與衰老與衰老: 酵母染色體外rDNA 環(huán)（ERC）的積累，導(dǎo)致細(xì)胞衰老。 沉默信息調(diào)節(jié)蛋白復(fù)合物（沉默信息調(diào)節(jié)蛋白復(fù)合物（Sir complexSir complex）與衰老）與衰老：Sir complex 存在于異染色質(zhì)區(qū)，其作用在于阻斷所在位點(diǎn)DNA轉(zhuǎn)錄。 SGS1SGS1基因和基因和WRNWRN基因與衰老：基因與衰老： SGS1基因和WRN基因同源,編碼解旋酶; 酵母sgs1突變體壽命明顯短于野生型（平均9.5代:24.5代）; wrn突變 引發(fā)早老

5、癥. 發(fā)育程序與衰老發(fā)育程序與衰老: : 線(xiàn)粒體線(xiàn)粒體DNADNA與衰老與衰老: : Sen-DNA(80年代);mtDNA突變積累與細(xì)胞衰老有關(guān).細(xì)胞凋亡的概念及其生物學(xué)意義細(xì)胞凋亡的概念及其生物學(xué)意義細(xì)胞凋亡的形態(tài)學(xué)和生物化學(xué)特征細(xì)胞凋亡的形態(tài)學(xué)和生物化學(xué)特征細(xì)胞凋亡的分子調(diào)控機(jī)理細(xì)胞凋亡的分子調(diào)控機(jī)理概念：細(xì)胞凋亡是一個(gè)主動(dòng)的由基因決定的自動(dòng)結(jié)束生命的 過(guò)程，所以也常常被稱(chēng)為細(xì)胞編程死亡（programmed cell death, PCD）。凋亡細(xì)胞將被吞噬細(xì)胞吞噬。生物學(xué)意義：細(xì)胞凋亡對(duì)于多細(xì)胞生物個(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

6、用：蝌蚪尾的消失，骨髓和腸的細(xì)胞凋亡，脊椎動(dòng)物的神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育，發(fā)育過(guò)程中手和足的成形過(guò)程。細(xì)胞凋亡與壞死(necrosis)細(xì)胞凋亡的形態(tài)學(xué)特征細(xì)胞凋亡的生化特征誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的因子細(xì)胞凋亡的檢測(cè)二者的主要區(qū)別是，細(xì)胞凋亡過(guò)程中，細(xì)胞質(zhì)膜反折，包裹斷裂的染色質(zhì)片段或細(xì)胞器，然后逐漸分離，形成眾多的凋亡小體（apoptotic bodies），凋亡小體則為鄰近的細(xì)胞所吞噬。整個(gè)過(guò)程中，細(xì)胞質(zhì)膜的整合性保持良好，死亡細(xì)胞的內(nèi)容物不會(huì)逸散到胞外環(huán)境中去，因而不引發(fā)炎癥反應(yīng)。相反，在細(xì)胞壞死時(shí)，細(xì)胞質(zhì)膜發(fā)生滲漏，細(xì)胞內(nèi)容物，包括膨大和破碎的細(xì)胞器以及染色質(zhì)片段，釋放到胞外，導(dǎo)致炎癥反應(yīng)凋亡的起始：細(xì)胞

7、表面的特化結(jié)構(gòu)如微絨毛消失，細(xì)胞間接觸的消失，但細(xì)胞膜依然完整；線(xiàn)粒體大體完整，但核糖體逐漸從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上脫離，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)囊腔膨脹，并逐漸與質(zhì)膜融合；染色質(zhì)固縮，形成新月形帽狀結(jié)構(gòu)等形態(tài)，沿著核膜分布 凋亡小體的形成：核染色質(zhì)斷裂為大小不等的片段，與某 些細(xì)胞器如線(xiàn)粒體一起聚集，為反折的細(xì)胞質(zhì)膜所包圍。細(xì)胞表面產(chǎn)生了許多泡狀或芽狀突起，逐漸形成單個(gè)的凋亡小體 凋亡小體逐漸為鄰近的細(xì)胞吞噬并消化細(xì)胞凋亡的主要特征是形成大小為 180200bp特征性的DNA ladders 凋亡細(xì)胞組織轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶tTG （tissue Transglutaminase）積累并達(dá) 到較高水平物理性因子，包括射線(xiàn)（紫外線(xiàn)，

8、 射線(xiàn)等）， 較溫和的溫度刺激（如熱激，冷激）等化學(xué)及生物因子：包括活性氧基團(tuán)和分子，DNA 和蛋白質(zhì)合成的抑制劑，激素，細(xì)胞生長(zhǎng)因子，腫 瘤壞死因子（TNF），抗Fas/Apo-1/CD95抗體等形態(tài)學(xué)觀(guān)測(cè)：染色法、透射和掃描電鏡觀(guān)察DNA電泳：DNA片段就呈現(xiàn)出梯狀條帶TUNEL測(cè)定法，即DNA斷裂的原位末端標(biāo)記法彗星電泳法（comet assay）流式細(xì)胞分析 根據(jù)凋亡細(xì)胞DNA斷裂和丟失，采用碘化丙啶使DNA 產(chǎn)生激發(fā)熒光，用流式細(xì)胞儀檢出凋亡的亞二倍體細(xì) 胞，同時(shí)又能觀(guān)察細(xì)胞的周期狀態(tài)。線(xiàn)蟲(chóng)(C.elegans)凋亡研究發(fā)現(xiàn)ced3,ced4基因促進(jìn) 細(xì)胞凋亡，ced9基因阻止ced

9、3/ced4的激活，抑制 細(xì)胞凋亡。Ced3哺乳類(lèi)同源物是ICE(Interleukin- 1-converting enzyme)，即Caspase1Caspase家族與凋亡Bcl-2家族、線(xiàn)粒體與細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡的分子機(jī)理Caspase家族Caspase活性位點(diǎn)是半胱氨酸(Cysteine)，裂解靶蛋白位點(diǎn)是天冬氨酸殘基后的肽鍵，因此稱(chēng)為Cysteine aspartic acic specific protease，即CaspaseCaspase活化胞外信號(hào)分子誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡途徑 Caspase自身以非活化的Procaspase存在，其激活依賴(lài)于其他的Caspase在它的天冬氨酸位點(diǎn)裂解

10、活化或自身活化凋亡信號(hào)通路 當(dāng)細(xì)胞接受凋亡信號(hào)分子(Fas,TNF等)后，凋亡細(xì)胞表面信號(hào)分子受體相互聚集并與細(xì)胞內(nèi)的銜接蛋白(Adaptor protein)結(jié)合，這些銜接蛋白又募集Procaspases聚集在受體部位，Procaspase相互活化并產(chǎn)生級(jí)聯(lián)反應(yīng)，使細(xì)胞凋亡下游Caspases活化后，作用底物： 裂解核纖層蛋白，導(dǎo)致細(xì)胞核形成凋亡小體； 裂解DNase結(jié)合蛋白，使DNase釋放，降解DNA形成DNA Ladder; 裂解參與細(xì)胞連接或附著的骨架和其他蛋白，使凋亡細(xì)胞皺縮、 脫落，便于細(xì)胞吞噬； 導(dǎo)致膜脂PS重排，便于吞噬細(xì)胞識(shí)別并吞噬。Bcl-2是一種原癌基因，是ced-9在

11、哺乳類(lèi)中的同源物，能抑制細(xì)胞凋亡；與線(xiàn)粒體及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜相結(jié)合；Bcl-2蛋白的羧基末端有一穿膜的結(jié)構(gòu)域；Bcl-2家族成員的基因中，常常含有三個(gè)保守的Bcl-2同源區(qū)，即BH1，BH2和BH3Bcl-2、線(xiàn)粒體與細(xì)胞凋亡哺乳動(dòng)物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的Apaf2即是CytC當(dāng)Caspase8活化后，它一方面作用于Procaspase3，另 一方面使Bid裂解成2個(gè)片段，其中含BH3結(jié)構(gòu)域的C-端 片段被運(yùn)送到線(xiàn)粒體，與Bcl-2/Bax的BH3結(jié)構(gòu)域形成 復(fù)合物，導(dǎo)致細(xì)胞色素C釋放。CytC與胞質(zhì)中Ced4同源 物Apaf-1(凋亡蛋白酶活化因子apoptosis protease activating f

12、actor)結(jié)合并活化Apaf-1，活化的Apaf-1再活 化Procaspase9，最后引起細(xì)胞凋亡a 正常T細(xì)胞雜交瘤細(xì)胞 b 凋亡細(xì)胞(掃描電鏡) c 凋亡細(xì)胞(透射電鏡)名稱(chēng)及其別名 底物caspase-1（ICE）Pro-IL ； pro-caspase 3，7caspase-2（Nedd-2/ICH1）caspase-3（apopain/CPP32/Yama）PARP ； SREBP ； DFF ； DNA-PKcaspase-4（Tx/ICH2/ICE rel-II）caspase-5（ICE rel-III/TY）caspase-6（Mch2）Lamin A ； keratin

13、 18caspase-7（ICE-LAP3/Mch3/CMH-1）PARP ； pro-caspase 6 ； DFFcaspase-8（FLICE/MACH/Mch5）caspase-9（ICE-LAP6/Mch6）caspase-10（Mch4/FLICE2）PARPcaspase-11（ICH3）caspase 超家族成員及其相應(yīng)底物基因產(chǎn)物功 能BCL-2凋亡抑制劑，可和 Bax 及 Bak 結(jié)合BCL-x其 L 型抑制凋亡，S 型促進(jìn)凋亡，與 Bax 及 Bak 結(jié)合BCL-w凋亡抑制劑Bax凋亡促進(jìn)劑，可與 BCL-2，BCL-XL，EIB19K 結(jié)合Bak凋亡促進(jìn)劑，亦可作抑制劑，可與 BCL-2，BCL-X 和 E1B19K 結(jié)合MC