細胞生物學第十三章程序性細胞死亡與細胞衰老

1、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v一、動物細胞的程序性死亡一、動物細胞的程序性死亡 二、植物細胞與酵母的程序性死亡二、植物細胞與酵母的程序性死亡 第二節(jié)第二節(jié) 細胞衰老細胞衰老v 一、細胞衰老的概念及特征一、細胞衰老的概念及特征v 二、細胞衰老的分子機制二、細胞衰老的分子機制 三、細胞衰老與個體衰老和癌癥的關系三、細胞衰老與個體衰老和癌癥的關系第一節(jié) 程序性細胞死亡v程序性細胞死亡：細胞死亡受到細胞內部程序性細胞死亡：細胞死亡受到細胞內部某種由遺傳機制決定的某種由遺傳機制決定的“死亡程序死亡程序”控制?？刂?。v動物細

2、胞的死亡方式：凋亡、壞死、自噬動物細胞的死亡方式：凋亡、壞死、自噬v一、細胞凋亡一、細胞凋亡v（一）細胞凋亡的概念與特征（一）細胞凋亡的概念與特征v1、細胞凋亡的概念：是受基因調控的生理、細胞凋亡的概念：是受基因調控的生理性細胞自殺行為。性細胞自殺行為。第一節(jié) 程序性細胞死亡v2、細胞凋亡的特征、細胞凋亡的特征v凋亡起始：染色質固縮并沿核膜分布，細凋亡起始：染色質固縮并沿核膜分布，細胞質發(fā)生皺縮，細胞表面特化結構消失。胞質發(fā)生皺縮，細胞表面特化結構消失。 v凋亡小體形成凋亡小體形成: 細胞質膜反折，包圍染色細胞質膜反折，包圍染色質片段和細胞器等，形成芽狀突起并逐漸質片段和細胞器等，形成芽狀突起

3、并逐漸分隔，形成凋亡小體。分隔，形成凋亡小體。 v凋亡小體被吞噬凋亡小體被吞噬: 凋亡小體被鄰近的細胞凋亡小體被鄰近的細胞或吞噬細胞所吞噬，并被消化后重新利用。或吞噬細胞所吞噬，并被消化后重新利用。 v（二）、細胞凋亡的檢測方法（二）、細胞凋亡的檢測方法1、形態(tài)學觀察：染色法、透射和掃描電鏡、形態(tài)學觀察：染色法、透射和掃描電鏡 觀察觀察2、DNA電泳：電泳：DNA片段呈現(xiàn)出梯狀條帶片段呈現(xiàn)出梯狀條帶3、TUNEL測定法：即測定法：即DNA斷裂的原位末端斷裂的原位末端標記法標記法4、彗星電泳法、彗星電泳法5、流式細胞分析、流式細胞分析 彗星電泳法v（三）、細胞凋亡的生化特征（三）、細胞凋亡的生化

4、特征 細胞凋亡的主要特征是形成大小為細胞凋亡的主要特征是形成大小為180180200bp200bp特征性的特征性的DNA laddersDNA ladders。 凋亡細胞組織轉谷氨酰胺酶凋亡細胞組織轉谷氨酰胺酶tTGtTG（tissue tissue TransglutaminaseTransglutaminase）積累并達到較高水平。）積累并達到較高水平。第一節(jié) 程序性細胞死亡v（四）、細胞凋亡的生物學意義（四）、細胞凋亡的生物學意義 對動物個體的正常發(fā)育、自穩(wěn)態(tài)的維對動物個體的正常發(fā)育、自穩(wěn)態(tài)的維持、免疫耐受的形成、腫瘤監(jiān)控等多持、免疫耐受的形成、腫瘤監(jiān)控等多種生理及病理過程具有重要意義。

5、種生理及病理過程具有重要意義。1 1 有利于清除多余細胞有利于清除多余細胞 胚胎發(fā)育的某個胚胎發(fā)育的某個階段，特定區(qū)域的多余細胞發(fā)生凋亡，利階段，特定區(qū)域的多余細胞發(fā)生凋亡，利于器官的形態(tài)形成。如指和趾的形成。神于器官的形態(tài)形成。如指和趾的形成。神經元細胞的凋亡。經元細胞的凋亡。2 2 有利于清除無用細胞有利于清除無用細胞 形態(tài)發(fā)生時，一形態(tài)發(fā)生時，一些遺跡隨發(fā)育而凋亡。如尾芽和鰓的定期些遺跡隨發(fā)育而凋亡。如尾芽和鰓的定期消亡、蝌蚪退尾、人體性別的分化。消亡、蝌蚪退尾、人體性別的分化。3 3 有利于清除發(fā)育不正常的細胞有利于清除發(fā)育不正常的細胞、有害細有害細胞。胞。 作為自身的一種保護機制。作

6、為自身的一種保護機制。 4 4 有利于清除完成正常使命的衰老細胞有利于清除完成正常使命的衰老細胞 如人紅細胞、動物表皮細如人紅細胞、動物表皮細胞、胃腸道細胞胞、胃腸道細胞 5 5 維持器官、組織細胞數目相對平衡維持器官、組織細胞數目相對平衡 細細胞凋亡和細胞增殖是一個相反的過程，細胞凋亡和細胞增殖是一個相反的過程，細胞增殖低下和胞增殖低下和/ /或凋亡過盛，引起器官萎或凋亡過盛，引起器官萎縮，腫瘤發(fā)生既與細胞增殖過度有關，又縮，腫瘤發(fā)生既與細胞增殖過度有關，又與細胞凋亡不足有關。與細胞凋亡不足有關。v（五）、細胞凋亡的分子機制（五）、細胞凋亡的分子機制 誘導細胞凋亡的因素有多種，包括物理誘導細

7、胞凋亡的因素有多種，包括物理性因子、化學及生物因子。性因子、化學及生物因子。v1、線蟲的細胞凋亡相關基因、線蟲的細胞凋亡相關基因ced基因基因線蟲細胞凋亡的研究線蟲細胞凋亡的研究 線蟲（線蟲（C. elegansC. elegans) )是研究細胞凋亡的理想材料，提供了一是研究細胞凋亡的理想材料，提供了一個良好的模型。它蟲體透明，易于觀察。早期研究發(fā)現(xiàn)蟲體個良好的模型。它蟲體透明，易于觀察。早期研究發(fā)現(xiàn)蟲體在不同發(fā)育時期某些細胞定期死亡。在整個發(fā)育過程中，有在不同發(fā)育時期某些細胞定期死亡。在整個發(fā)育過程中，有131131個細胞陸續(xù)進入死亡程序，決定這些細胞進入死亡程序的個細胞陸續(xù)進入死亡程序，

8、決定這些細胞進入死亡程序的是一系列凋亡基因?，F(xiàn)已從中分離出是一系列凋亡基因?，F(xiàn)已從中分離出1010余個凋亡基因。余個凋亡基因。正常細胞正常細胞 走向死亡細胞走向死亡細胞 死細胞死細胞 降解細胞降解細胞起動死亡程序起動死亡程序執(zhí)行死亡程序執(zhí)行死亡程序被吞噬處理被吞噬處理Ced-2Ces-1cgl-1Ced-9ced-3 4Ced-125ced-567ced-810nec-1其中研究的較清楚的是其中研究的較清楚的是ced-9(抑制細胞凋亡）、抑制細胞凋亡）、ced-3,ced-4(促進細胞凋亡促進細胞凋亡)2002年諾貝爾生理或醫(yī)學獎獲得者Sydney BrennerH. Robert Horvi

9、tzJohn E. SulstonvCed3哺乳類同源物是哺乳類同源物是ICE(Interleukin-1-converting enzyme)，即，即Caspase1 v2、caspase 家族（殺手蛋白酶）與凋亡家族（殺手蛋白酶）與凋亡vCaspase活性位點是活性位點是半胱氨酸半胱氨酸(Cysteine)，裂解靶蛋白位點是裂解靶蛋白位點是天冬氨酸天冬氨酸殘基后的肽鍵，殘基后的肽鍵，因此稱為因此稱為Cysteine aspartic acid specific protease，即，即Caspase。Caspase并不完并不完全降解某一蛋白質全降解某一蛋白質。CaspaseCaspase的

10、種類的種類：現(xiàn)已確定：現(xiàn)已確定1515種種CaspaseCaspase。Caspase-1Caspase-1和和-11-11主要負責白介素前體的主要負責白介素前體的活化，不直接參與凋亡信號的傳遞?；罨恢苯訁⑴c凋亡信號的傳遞。凋凋亡起始者，亡起始者，Caspase-2Caspase-2，-8-8，-9-9，-10-10，負，負責切割執(zhí)行者的前體，活化執(zhí)行者。責切割執(zhí)行者的前體，活化執(zhí)行者。凋凋亡執(zhí)行者，亡執(zhí)行者，Caspase-3Caspase-3，-6-6，-7-7，活化后負，活化后負責切割細胞結構蛋白和調節(jié)蛋白。責切割細胞結構蛋白和調節(jié)蛋白。CaspaseCaspase的底物：的底物：裂

11、解核纖層蛋白，導致裂解核纖層蛋白，導致細胞核形成凋亡小體；裂解細胞核形成凋亡小體；裂解DNaseDNase結合蛋結合蛋白，使白，使DNaseDNase釋放，降解釋放，降解DNADNA形成形成DNA DNA Ladder;Ladder;裂解參與細胞連接或附著的骨架裂解參與細胞連接或附著的骨架和其他蛋白，使凋亡細胞皺縮、脫落，和其他蛋白，使凋亡細胞皺縮、脫落，便于細胞吞噬；導致膜脂便于細胞吞噬；導致膜脂PSPS重排，便于重排，便于吞噬細胞識別并吞噬。吞噬細胞識別并吞噬。細胞凋亡中caspase級聯(lián)效應v（3 3）CaspaseCaspase依賴性的細胞凋亡依賴性的細胞凋亡v主要通過兩條途徑引發(fā)：主

12、要通過兩條途徑引發(fā)：由死亡受由死亡受體起始的外源途徑；體起始的外源途徑；由線粒體起始由線粒體起始的內源途徑。的內源途徑。v外源途徑外源途徑：胞外配體（：胞外配體（FaslFasl或或TNFTNF）受體（質膜表面分子受體（質膜表面分子FasFas或或TNFTNF受體）受體）募集接頭蛋白和起始募集接頭蛋白和起始CaspaseCaspase酶原形酶原形成死亡誘導信號復合物（成死亡誘導信號復合物（DISCDISC）起起始始CaspaseCaspase活化活化執(zhí)行執(zhí)行CaspaseCaspase活化活化細胞凋亡。細胞凋亡。 v內源途徑內源途徑：內部或外部凋亡信號的刺激：內部或外部凋亡信號的刺激線粒體線粒

13、體外膜通透性改變外膜通透性改變向胞質釋放凋亡相關因子（細向胞質釋放凋亡相關因子（細胞色素胞色素c c）細胞色素細胞色素c c與與Apaf-1Apaf-1及及CaspaseCaspase- 9- 9前前體形成凋亡復合體（體形成凋亡復合體（apoptosomeapoptosome）Caspase-9Caspase-9活化活化執(zhí)行執(zhí)行CaspaseCaspase活化活化細胞凋亡。細胞凋亡。v 內源途徑中，細胞色素內源途徑中，細胞色素c c的釋放是關鍵步驟。線的釋放是關鍵步驟。線粒體通透性主要受粒體通透性主要受Bcl-2Bcl-2蛋白家族的調控。蛋白家族的調控。Bcl-2Bcl-2是線蟲抗凋亡蛋白是線

14、蟲抗凋亡蛋白Ced-9Ced-9在哺乳類中的同源物，在哺乳類中的同源物，Bcl-2Bcl-2蛋白家族通常含有蛋白家族通常含有BHBH結構域，根據功能分結構域，根據功能分為兩組：為兩組：Bcl-2Bcl-2，Bcl-xLBcl-xL，Bcl-wBcl-w等抑制細胞凋亡；等抑制細胞凋亡；BaxBax，BakBak，NoxaNoxa等促進細胞凋亡。等促進細胞凋亡。v4 4、生死抉擇、生死抉擇細胞凋亡的調控細胞凋亡的調控 v細胞中存在細胞中存在CaspaseCaspase抑制因子，能夠直接與抑制因子，能夠直接與CaspaseCaspase活性分子結合，阻抑對其底物的切割作活性分子結合，阻抑對其底物的切

15、割作用。如用。如c-IAPc-IAP（inhibitor of apoptosisinhibitor of apoptosis）家族、）家族、c-FLIPc-FLIP、BARBAR和和ARCARC等。等。v細胞存活因子包括多種有絲分裂原和生長因子。細胞存活因子包括多種有絲分裂原和生長因子。它們與細胞表面受體結合后，啟動細胞內信號通它們與細胞表面受體結合后，啟動細胞內信號通路，抑制凋亡的發(fā)生。在抗凋亡、促存活的信號路，抑制凋亡的發(fā)生。在抗凋亡、促存活的信號通路中，通路中，NF-kBNF-kB處于中心地位。處于中心地位。 vp53p53是細胞內的一種轉錄因子，它是重要的促凋是細胞內的一種轉錄因子，

16、它是重要的促凋亡因子和腫瘤抑制因子。亡因子和腫瘤抑制因子。 v二、細胞壞死二、細胞壞死v當細胞凋亡不能正常發(fā)生而細胞必須死亡當細胞凋亡不能正常發(fā)生而細胞必須死亡時，壞死作為凋亡的時，壞死作為凋亡的“替補替補”方式被細胞方式被細胞采用；此外，分裂旺盛細胞的采用；此外，分裂旺盛細胞的DNA被持續(xù)被持續(xù)損傷，也能引發(fā)細胞壞死，推測原因可能損傷，也能引發(fā)細胞壞死，推測原因可能是是RARP被活化。被活化。v特征特征：質膜破損，細胞內含物釋放，引起：質膜破損，細胞內含物釋放，引起周圍組織的炎癥反應。周圍組織的炎癥反應。細胞凋亡與壞死區(qū)別細胞凋亡與壞死區(qū)別 細胞凋亡細胞凋亡細胞壞死細胞壞死細胞膜發(fā)泡，膜仍完

17、整細胞膜發(fā)泡，膜仍完整細胞質膜受損、不完整細胞質膜受損、不完整細胞膜內陷將細胞分割成細胞膜內陷將細胞分割成凋亡小體凋亡小體細胞腫脹、溶解細胞腫脹、溶解不發(fā)生炎癥反應不發(fā)生炎癥反應發(fā)生嚴重炎癥反應發(fā)生嚴重炎癥反應被鄰近正常細胞或吞噬細被鄰近正常細胞或吞噬細胞所吞噬胞所吞噬被巨噬細胞所吞噬被巨噬細胞所吞噬溶酶體完整溶酶體完整溶酶體裂解溶酶體裂解染色質均一凝集染色質均一凝集染色質聚集成塊、不均一染色質聚集成塊、不均一染色質非隨機降解為染色質非隨機降解為DNA DNA ladderladder染色質染色質DNADNA被隨機降解被隨機降解v三、細胞自噬三、細胞自噬v細胞自噬是另一種程序性細胞死亡的方式。

18、細胞自噬是另一種程序性細胞死亡的方式。其特征是細胞中出現(xiàn)大的雙層膜包裹的自其特征是細胞中出現(xiàn)大的雙層膜包裹的自噬小體。雙層膜來自內質網或細胞質中的噬小體。雙層膜來自內質網或細胞質中的膜泡，包裹著整個的細胞器或部分細胞質，膜泡，包裹著整個的細胞器或部分細胞質，自噬小體與溶酶體融合后，內含物被溶酶自噬小體與溶酶體融合后，內含物被溶酶體中的水解酶消化。體中的水解酶消化。v細胞自噬是細胞凋亡的補充途徑。細胞自噬是細胞凋亡的補充途徑。v細胞自噬的分子機制。細胞自噬的分子機制。第二節(jié) 細胞衰老一、細胞衰老的概念與特征一、細胞衰老的概念與特征v1、概念：細胞衰老一般的含義是指復制衰老，、概念：細胞衰老一般的

19、含義是指復制衰老，指體外培養(yǎng)的正常細胞經過有限次數的分裂后，指體外培養(yǎng)的正常細胞經過有限次數的分裂后，停止分裂，細胞形態(tài)和生理代謝活動發(fā)生顯著改停止分裂，細胞形態(tài)和生理代謝活動發(fā)生顯著改變的現(xiàn)象。變的現(xiàn)象。v細胞不死性觀點細胞不死性觀點:（二十世紀（二十世紀30-60年代）年代） 證據：證據：Carrel認為，體外培養(yǎng)的細胞是能夠永認為，體外培養(yǎng)的細胞是能夠永生不死的。體外培養(yǎng)雞心臟成纖維細胞生不死的。體外培養(yǎng)雞心臟成纖維細胞34年。年。 第二節(jié) 細胞衰老vHayflickHayflick界限（界限（Hayflick 1imitationHayflick 1imitation） ：細胞，：細胞

20、，至少是培養(yǎng)的二倍體細胞，不是不死的，而是有至少是培養(yǎng)的二倍體細胞，不是不死的，而是有一定的一定的 壽命；它們的增殖能力不是無限的，而壽命；它們的增殖能力不是無限的，而是有一定的界限，這就是有一定的界限，這就 是是 HayflickHayflick界限。界限。v 細胞的增殖能力與供體年齡有關。細胞的增殖能力與供體年齡有關。v二倍體細胞的衰老是由細胞本身決定的二倍體細胞的衰老是由細胞本身決定的. . 決定細胞衰老的因素在細胞內部，不是外部的環(huán)決定細胞衰老的因素在細胞內部，不是外部的環(huán)境。境。細胞來細胞來源源人胚肺成人胚肺成纖維細胞纖維細胞中年人成中年人成纖維細胞纖維細胞老年人成老年人成纖維細胞纖維細胞可增殖可增殖代數代數 40-6040-60 2020 2-42-4不同年齡來源的人成纖維細胞的增殖代數不同年齡來源的人成纖維細胞的增殖代數Hutchinson-Gilford syndromev二、衰老細胞結構的變化二、衰老細胞結構的變化v1 1、細胞核的變化：、細胞核的變化：核增大、核膜內