細胞生物學_15程序性細胞死亡與細胞衰老

1、機體結(jié)構(gòu)機體結(jié)構(gòu)細胞增殖細胞增殖細胞分化細胞分化細胞凋亡細胞凋亡細胞信號轉(zhuǎn)導細胞信號轉(zhuǎn)導染色體染色體（DNADNA與蛋白質(zhì)的相互作用）與蛋白質(zhì)的相互作用）衰老衰老第十三章第十三章 程序性細胞死亡與細胞衰老程序性細胞死亡與細胞衰老第一節(jié)第一節(jié) 程序性細胞死亡程序性細胞死亡 一、動物細胞的程序性死亡一、動物細胞的程序性死亡 細胞凋亡細胞凋亡 概念和特征概念和特征 由基因決定的主動結(jié)束生命的過程。由于細由基因決定的主動結(jié)束生命的過程。由于細胞凋亡受到嚴格的由遺傳機制決定的程序性調(diào)控。胞凋亡受到嚴格的由遺傳機制決定的程序性調(diào)控。它普遍地存在于動物和植物中。它普遍地存在于動物和植物中。 20022002

2、年年1010月月7 7日英國人悉尼日英國人悉尼布雷諾爾、布雷諾爾、美國人羅伯特美國人羅伯特霍維茨和英國人約霍維茨和英國人約翰翰蘇爾斯頓，因在器官發(fā)育的遺傳調(diào)蘇爾斯頓，因在器官發(fā)育的遺傳調(diào)控和細胞程序性死亡方面的研究，獲諾控和細胞程序性死亡方面的研究，獲諾貝爾生理與醫(yī)學獎。貝爾生理與醫(yī)學獎。1090 131= 959(cells)脊椎動物的神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育脊椎動物的神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育蝌蚪尾的消失蝌蚪尾的消失發(fā)育過程中手的成形過程發(fā)育過程中手的成形過程B為敲除了細胞為敲除了細胞凋亡的基因，小凋亡的基因，小鼠發(fā)育不正常，鼠發(fā)育不正常，死亡。死亡。細胞凋亡的特征：細胞凋亡的特征： 細胞首先變圓，與鄰近細胞脫

3、離。細胞首先變圓，與鄰近細胞脫離。 染色質(zhì)固縮，分離沿核膜分布，細胞質(zhì)染色質(zhì)固縮，分離沿核膜分布，細胞質(zhì)也發(fā)生固縮。也發(fā)生固縮。 DNADNA在核小體連接區(qū)被酶降解為片段。在核小體連接區(qū)被酶降解為片段。 細胞膜反折，包圍細胞碎片，形成芽狀細胞膜反折，包圍細胞碎片，形成芽狀突起脫落后形成凋亡小體或細胞固縮形成凋亡突起脫落后形成凋亡小體或細胞固縮形成凋亡小體。小體。 凋亡小體被周圍細胞吞噬，無細胞內(nèi)容凋亡小體被周圍細胞吞噬，無細胞內(nèi)容物外泄，故無炎癥反應。物外泄，故無炎癥反應。凋亡細胞的形態(tài)變化凋亡細胞的形態(tài)變化細胞凋亡的形態(tài)學特征細胞凋亡的形態(tài)學特征 在細胞凋亡過程中，形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生了明在細胞凋亡

4、過程中，形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化。顯的變化。 凋亡的起始凋亡的起始 凋亡小體形成凋亡小體形成 凋亡小體逐漸為鄰近的細胞吞噬凋亡小體逐漸為鄰近的細胞吞噬細胞凋亡的生理意義細胞凋亡的生理意義 在有機體生長發(fā)育過程中具有極其重要的意在有機體生長發(fā)育過程中具有極其重要的意義。義。 如在生理條件下，許多退化過程都與之相關(guān)，如在生理條件下，許多退化過程都與之相關(guān)，象斷奶后乳房恢復靜息狀態(tài)；許多昆蟲，兩棲類象斷奶后乳房恢復靜息狀態(tài)；許多昆蟲，兩棲類動物發(fā)育過程中的變態(tài)現(xiàn)象等。動物發(fā)育過程中的變態(tài)現(xiàn)象等。 已衰老或病變已衰老或病變的細胞發(fā)生凋亡而被清除，這對于維持體內(nèi)細胞的細胞發(fā)生凋亡而被清除，這對于維持體內(nèi)

5、細胞的新陳代謝有重要意義。的新陳代謝有重要意義。 細胞凋亡的檢測細胞凋亡的檢測 形態(tài)上判斷（顯微鏡觀察）形態(tài)上判斷（顯微鏡觀察） 熒光素染色法：用熒光染料熒光素染色法：用熒光染料DAPIDAPI染色可觀染色可觀察到細胞核的形態(tài)變化察到細胞核的形態(tài)變化 有無凋亡小體有無凋亡小體有無炎癥反應有無炎癥反應 核周邊有無半圓形或三角形的凝聚塊。核周邊有無半圓形或三角形的凝聚塊。 DNADNA電泳電泳 電泳結(jié)果有無電泳結(jié)果有無“梯狀梯狀”條帶（條帶（DNA DNA ladders) ladders) TUNELTUNEL測定法（末端標記法）測定法（末端標記法） DNADNA分子斷裂缺口中的分子斷裂缺口中的

6、3-OH3-OH進行原位標進行原位標記。記。 慧星電泳法慧星電泳法 DNADNA降解片段電泳速度快。降解片段電泳速度快。 流式細胞分析流式細胞分析 檢測檢測DNADNA含量的變化是否介含量的變化是否介于二倍體和多倍體之間于二倍體和多倍體之間。DNA電泳電泳（生化特征）（生化特征） 細胞凋亡的最主要特征是細胞凋亡的最主要特征是DNADNA發(fā)生核小體間的發(fā)生核小體間的斷裂，結(jié)果產(chǎn)生數(shù)量不同的斷裂，結(jié)果產(chǎn)生數(shù)量不同的核小體核小體片段，在進行片段，在進行瓊脂糖凝膠電游泳時，形成特征性瓊脂糖凝膠電游泳時，形成特征性DNADNA梯狀條帶。梯狀條帶。 DNADNA電泳形成的梯狀條帶是細胞凋亡的典型特電泳形成

7、的梯狀條帶是細胞凋亡的典型特征，征，到目前為止，梯狀條帶仍是鑒定細胞凋亡最到目前為止，梯狀條帶仍是鑒定細胞凋亡最可靠的方法?？煽康姆椒?。 病毒誘導細胞凋亡病毒誘導細胞凋亡細胞壞死細胞壞死 定義定義細胞壞死細胞壞死(necrosis) (necrosis) ：是極端的物理、化學因：是極端的物理、化學因素或嚴重的病理性刺激（如局部缺血、高熱及素或嚴重的病理性刺激（如局部缺血、高熱及物理化學損傷和微生物的侵襲等）引起的細胞物理化學損傷和微生物的侵襲等）引起的細胞損傷和死亡。損傷和死亡。 壞死的特征：壞死的特征： 細胞膜通透性增加，細胞外形變得規(guī)則。細胞膜通透性增加，細胞外形變得規(guī)則。 細胞核及線粒體

8、腫脹，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)擴張，溶細胞核及線粒體腫脹，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)擴張，溶酶體破裂，最終細胞膜破壞，胞漿外溢，細胞酶體破裂，最終細胞膜破壞，胞漿外溢，細胞解體，引起炎癥反應。解體，引起炎癥反應。 壞死細胞的形態(tài)變化壞死細胞的形態(tài)變化過去認為，過去認為，細胞壞死是一種被動的死亡方式。細胞壞死是一種被動的死亡方式?，F(xiàn)在認為可能是細胞程序性死亡的另一種形式。現(xiàn)在認為可能是細胞程序性死亡的另一種形式。細胞壞死與凋亡的形態(tài)區(qū)別細胞壞死與凋亡的形態(tài)區(qū)別 圖圖 左，正常胸腺細胞；右，凋亡胸腺細胞（注意凋亡小體）左，正常胸腺細胞；右，凋亡胸腺細胞（注意凋亡小體） 細胞壞死和細胞凋亡的區(qū)別細胞壞死和細胞凋亡的區(qū)別區(qū)別點區(qū)別點細胞凋

9、亡細胞凋亡細胞壞死細胞壞死起因起因生理或病理性病理性變化或劇烈損傷范圍范圍單個散在細胞大片組織或成群細胞細胞膜細胞膜保持完整，一直到形成凋亡小體破損染色質(zhì)染色質(zhì)凝聚在核膜下呈半月狀 呈絮狀細胞器細胞器無明顯變化腫脹、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)崩解細胞體積細胞體積固縮變小腫脹變大凋亡小體凋亡小體有，被鄰近細胞或巨噬細胞吞噬無，細胞自溶，殘余碎片被巨噬細胞吞噬基因組基因組DNA有控降解，電泳圖譜呈梯狀隨機降解，電泳圖譜呈涂抹狀蛋白質(zhì)合成蛋白質(zhì)合成有無調(diào)節(jié)過程調(diào)節(jié)過程受基因調(diào)控被動進行炎癥反應炎癥反應無，不釋放細胞內(nèi)容物 有，釋放內(nèi)容細胞自噬細胞自噬定義定義細胞自噬是細胞受到刺激后吞噬自身的細胞質(zhì)或細胞自噬是細胞受到刺

10、激后吞噬自身的細胞質(zhì)或細胞器細胞器，最終將吞噬物在溶酶體內(nèi)降解的過程最終將吞噬物在溶酶體內(nèi)降解的過程。細胞自噬可能是細胞凋亡的補充途徑。細胞自噬可能是細胞凋亡的補充途徑。二、植物細胞與酵母細胞的程序性死亡植物細胞的程序性死亡植物細胞的程序性死亡 死亡細胞的殘余體被細胞壁固定在原位，不死亡細胞的殘余體被細胞壁固定在原位，不被周圍細胞吞噬，而被自身液泡中的水解酶消化。被周圍細胞吞噬，而被自身液泡中的水解酶消化。酵母細胞的程序性死亡酵母細胞的程序性死亡 與動物細胞凋亡機制類似。與動物細胞凋亡機制類似。 認為單細胞生物的主動自殺能夠清除適應不認為單細胞生物的主動自殺能夠清除適應不良的個體以及控制群體的

11、數(shù)量，特別是在應急狀良的個體以及控制群體的數(shù)量，特別是在應急狀態(tài)下能夠?qū)⒂邢薜臓I養(yǎng)供給最佳適應性的個體。態(tài)下能夠?qū)⒂邢薜臓I養(yǎng)供給最佳適應性的個體。第二節(jié)第二節(jié) 細胞衰老細胞衰老一、細胞衰老的概念及特征一、細胞衰老的概念及特征 細胞衰老：指細胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)、化學成分和細胞衰老：指細胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)、化學成分和生理功能逐漸衰退的現(xiàn)象。生理功能逐漸衰退的現(xiàn)象。 細胞核的變化：核膜內(nèi)折，細胞核固縮細胞核的變化：核膜內(nèi)折，細胞核固縮 。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的變化：糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)趨于解體，總量趨于減少。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的變化：糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)趨于解體，總量趨于減少。 線粒體的變化：數(shù)量減少，膨大。線粒體的變化：數(shù)量減少，膨大。 致密體的生成：由

12、溶酶體或線粒體轉(zhuǎn)化而來。致密體的生成：由溶酶體或線粒體轉(zhuǎn)化而來。膜系統(tǒng)的變化：常處于凝膠相或固相，細胞膜功能下膜系統(tǒng)的變化：常處于凝膠相或固相，細胞膜功能下降。降。其它：細胞間隙連接減少等。其它：細胞間隙連接減少等。機體衰老機體衰老 機體的衰老表現(xiàn)為有一定的壽命。機體的衰老表現(xiàn)為有一定的壽命。 因為因為 “ “生生- -老老- -死死”是生命活動的必然規(guī)律。是生命活動的必然規(guī)律。 機體衰老機體衰老細胞衰老細胞衰老 細胞衰老是機體衰老的基礎(chǔ)；細胞衰老是機體衰老的基礎(chǔ)； 機體衰老是細胞衰老的結(jié)果。機體衰老是細胞衰老的結(jié)果。 細胞衰老也表現(xiàn)為有一定的壽命：細胞衰老也表現(xiàn)為有一定的壽命： 機體內(nèi)總有細

13、胞在不斷地衰老與死亡，同時又機體內(nèi)總有細胞在不斷地衰老與死亡，同時又有細胞增殖產(chǎn)生新生細胞進行補償，不同類型有細胞增殖產(chǎn)生新生細胞進行補償，不同類型細胞壽命不同，如：細胞壽命不同，如： 神經(jīng)元、胃酶原細胞、脂肪細胞、骨細胞等為緩慢神經(jīng)元、胃酶原細胞、脂肪細胞、骨細胞等為緩慢更新細胞（與機體幾乎等壽）。更新細胞（與機體幾乎等壽）。 肝細胞等壽命長于肝細胞等壽命長于3030天，為短于機體壽命的細胞。天，為短于機體壽命的細胞。 皮膚表皮細胞、角膜上皮細胞、血細胞等為快速更皮膚表皮細胞、角膜上皮細胞、血細胞等為快速更新的細胞，壽命短于新的細胞，壽命短于3030天。天。二、體外培養(yǎng)細胞的衰老與二、體外培

14、養(yǎng)細胞的衰老與HayflickHayflick界限界限 HayflickHayflick等人的研究證實：關(guān)于細胞增殖能力和壽等人的研究證實：關(guān)于細胞增殖能力和壽命是有限的觀點。細胞，至少是培養(yǎng)的細胞，不是不死的，命是有限的觀點。細胞，至少是培養(yǎng)的細胞，不是不死的，而是有一定的壽命；細胞的增殖能力不是無限的，而是有而是有一定的壽命；細胞的增殖能力不是無限的，而是有一定的界限，這就是著名的一定的界限，這就是著名的HayflickHayflick界限。界限。 他們的工作是對細胞他們的工作是對細胞“不死性不死性”學說的徹底否定。研學說的徹底否定。研究發(fā)現(xiàn)，物種壽命與培養(yǎng)細胞之間存在著正相關(guān)的關(guān)系，究發(fā)

15、現(xiàn)，物種壽命與培養(yǎng)細胞之間存在著正相關(guān)的關(guān)系，即壽命愈長，其培養(yǎng)細胞的傳代次數(shù)愈多。反之，其培養(yǎng)即壽命愈長，其培養(yǎng)細胞的傳代次數(shù)愈多。反之，其培養(yǎng)細胞的傳代次數(shù)愈少。細胞的傳代次數(shù)愈少。 癌細胞或培養(yǎng)的細胞系是不正常細胞，其染色體數(shù)目癌細胞或培養(yǎng)的細胞系是不正常細胞，其染色體數(shù)目或形態(tài)已經(jīng)不同于原先的細胞?；蛐螒B(tài)已經(jīng)不同于原先的細胞。細胞的增殖能力與供體年齡有關(guān)。細胞的增殖能力與供體年齡有關(guān)。物種壽命與培養(yǎng)細胞壽命之間存在著一定的關(guān)系。物種壽命與培養(yǎng)細胞壽命之間存在著一定的關(guān)系。細胞來源人胚肺成纖維細胞中年人成纖維細胞老年人成纖維細胞可增殖代數(shù)40-60202-4不同年齡來源的人成纖維細胞的增

16、殖代數(shù)不同年齡來源的人成纖維細胞的增殖代數(shù)由體外培養(yǎng)不同物種的胚胎成纖維細胞，可見：由體外培養(yǎng)不同物種的胚胎成纖維細胞，可見： 小鼠細胞可傳小鼠細胞可傳1212代，而其個體壽命約代，而其個體壽命約3 3年；年； 小雞細胞可傳小雞細胞可傳2525代，其個體壽命近代，其個體壽命近3030年；年； 龜細胞可傳龜細胞可傳140140代，其個體壽命約代，其個體壽命約200200年。年。對于在體外培養(yǎng)的二倍體細胞，是細胞核決定細胞的衰對于在體外培養(yǎng)的二倍體細胞，是細胞核決定細胞的衰老；就細胞內(nèi)外環(huán)境因素而言，是細胞內(nèi)部因素決定細老；就細胞內(nèi)外環(huán)境因素而言，是細胞內(nèi)部因素決定細胞的衰老。胞的衰老。 三、細胞

17、在體內(nèi)條件下的衰老三、細胞在體內(nèi)條件下的衰老 在生活的有機體內(nèi)，細胞的衰老和死亡是常見的生在生活的有機體內(nèi)，細胞的衰老和死亡是常見的生命現(xiàn)象，甚至在個體發(fā)育的早期也會發(fā)生。例如蝌蚪發(fā)命現(xiàn)象，甚至在個體發(fā)育的早期也會發(fā)生。例如蝌蚪發(fā)育時尾和鰓的消失。育時尾和鰓的消失。 體內(nèi)細胞類型不同，其增殖狀況各異：如神經(jīng)元及體內(nèi)細胞類型不同，其增殖狀況各異：如神經(jīng)元及心肌細胞在發(fā)育的早期已停止分裂心肌細胞在發(fā)育的早期已停止分裂 肝細胞、軟骨細胞屬于回復性分裂后細胞。肝細胞、軟骨細胞屬于回復性分裂后細胞。 骨髓細胞、上皮細胞等終生保持分裂。骨髓細胞、上皮細胞等終生保持分裂。衰老動物體內(nèi)，細胞分裂速度減慢，其原

18、因主要是衰老動物體內(nèi)，細胞分裂速度減慢，其原因主要是G1G1期期明顯延長，明顯延長，S S期的長度變化不大。期的長度變化不大。 四、衰老細胞的變化四、衰老細胞的變化 形態(tài)變化形態(tài)變化 細胞在衰老過程中，其結(jié)構(gòu)發(fā)生一系列的變化，包細胞在衰老過程中，其結(jié)構(gòu)發(fā)生一系列的變化，包括：細胞核增大，核膜內(nèi)折，染色質(zhì)固縮；糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)括：細胞核增大，核膜內(nèi)折，染色質(zhì)固縮；糙面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)減少；線粒體變大并且數(shù)量減少；產(chǎn)生致密體；膜常處減少；線粒體變大并且數(shù)量減少；產(chǎn)生致密體；膜常處于凝膠相或固縮相；細胞間間隙連接減少，組成間隙連于凝膠相或固縮相；細胞間間隙連接減少，組成間隙連接的膜內(nèi)顆粒聚集體變小等。這些形態(tài)結(jié)構(gòu)的

19、變化直接接的膜內(nèi)顆粒聚集體變小等。這些形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化直接導致其相應的功能下降。導致其相應的功能下降。 增大、染色深、核內(nèi)有包含物增大、染色深、核內(nèi)有包含物 凝聚、固縮、碎裂、溶解凝聚、固縮、碎裂、溶解 粘度增加、流動性降低粘度增加、流動性降低 色素積聚、空泡形成色素積聚、空泡形成 數(shù)目減少、體積增大數(shù)目減少、體積增大 碎裂碎裂 消失消失 糖原減少、脂肪積聚糖原減少、脂肪積聚 內(nèi)陷內(nèi)陷 衰老細胞與衰老細胞與“青年期青年期”細胞的比細胞的比較較 生長旺盛細胞富有生長旺盛細胞富有微絨毛微絨毛衰老細胞缺乏微絨毛，衰老細胞缺乏微絨毛，體積縮小，呈園球形。體積縮小，呈園球形。分子水平的變化分子水平的變化D

20、NADNA：復制與轉(zhuǎn)錄受到抑制，但也有個別基因會異常：復制與轉(zhuǎn)錄受到抑制，但也有個別基因會異常激活，端粒激活，端粒DNADNA丟失，線粒體丟失，線粒體DNADNA特異性缺失，特異性缺失，DNADNA氧化、氧化、斷裂、缺失和交聯(lián)，甲基化程度降低。斷裂、缺失和交聯(lián)，甲基化程度降低。RNARNA：mRNAmRNA和和tRNAtRNA含量降低。含量降低。蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)：含成下降，細胞內(nèi)蛋白質(zhì)發(fā)生糖基化、氨甲：含成下降，細胞內(nèi)蛋白質(zhì)發(fā)生糖基化、氨甲酰化、脫氨基等修飾反應，導致蛋白質(zhì)穩(wěn)定性、抗原性，?；?、脫氨基等修飾反應，導致蛋白質(zhì)穩(wěn)定性、抗原性，可消化性下降，自由基使蛋白質(zhì)肽斷裂，交聯(lián)而變性。氨可消化性下

21、降，自由基使蛋白質(zhì)肽斷裂，交聯(lián)而變性。氨基酸由左旋變?yōu)橛倚；嵊勺笮優(yōu)橛倚?。酶分子酶分子：活性中心被氧化，金屬離子：活性中心被氧化，金屬離子CaCa2+2+、ZnZn2+2+、MgMg2+2+、FeFe2+2+等丟失，酶分子的二級結(jié)構(gòu)，溶解度，等電點發(fā)生改等丟失，酶分子的二級結(jié)構(gòu)，溶解度，等電點發(fā)生改變，總的效應是酶失活。變，總的效應是酶失活。脂類脂類：不飽和脂肪酸被氧化，引起膜脂之間或與脂蛋：不飽和脂肪酸被氧化，引起膜脂之間或與脂蛋白之間交聯(lián)，膜的流動性降低。白之間交聯(lián)，膜的流動性降低。五、細胞衰老的機理五、細胞衰老的機理：細胞衰老是各種細胞成分在受到內(nèi)外環(huán)境細胞衰老是各種細胞成分在受到

22、內(nèi)外環(huán)境的損傷作用后，因缺乏完善的修復，使的損傷作用后，因缺乏完善的修復，使“差錯差錯”積累，積累，導致細胞衰老。導致細胞衰老。 ：細胞代謝產(chǎn)物積累至一定量后會危害：細胞代謝產(chǎn)物積累至一定量后會危害細胞，引起衰老。如脂褐質(zhì)細胞，引起衰老。如脂褐質(zhì) 、-淀粉樣蛋白淀粉樣蛋白 積累。積累。 ：如：如DNADNA交聯(lián)和膠原交聯(lián)均可損害其功能，交聯(lián)和膠原交聯(lián)均可損害其功能，引起衰老。引起衰老。 ：自由基含有未配對電子，具有高度反應：自由基含有未配對電子，具有高度反應活性，可引發(fā)鏈式自由基反應，引起活性，可引發(fā)鏈式自由基反應，引起DNADNA、蛋白質(zhì)和脂、蛋白質(zhì)和脂類，尤其是多不飽和脂肪酸等大分子物質(zhì)變性和交聯(lián)，類，尤其是多不飽和脂肪酸等大分子物質(zhì)變性和交聯(lián)，損傷損傷DNADNA、生物膜、重要的結(jié)構(gòu)蛋白和功能蛋白，引起、生物膜、重要的結(jié)構(gòu)蛋白和功能蛋白，引起衰老各種現(xiàn)象的發(fā)生。衰老各種現(xiàn)象的發(fā)生。