細胞的衰老凋亡

細胞的衰老與凋亡細胞的衰老Cellularaging

衰老（aging，senescence，senility）通常指生物發(fā)育成熟后，在正常情況下隨著年齡的增加，機能減退，內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定性下降，結構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、個體水平、細胞水平以及分子水平等不同的層次。至少從細胞水平來看，死亡是不可避免的。衰老是細胞的基本生命活動之一。大多數(shù)細胞都要經(jīng)歷增殖、分化、衰老直至死亡的過程。細胞衰老：細胞對環(huán)境變化的適應能力減弱和維持細胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定能力降低,同時發(fā)生的形態(tài)結構的改變。細胞衰老是一個不可逆的過程

細胞衰老是客觀存在的。同新陳代謝一樣,細胞衰老是細胞生命活動的客觀規(guī)律。對多細胞生物而言,細胞的衰老和死亡與機體的衰老和死亡是兩個不同的概念,

機體的衰老并不等于所有細胞的衰老,但是細胞的衰老又是同機體的衰老緊密相關的。

細胞衰老的主要表現(xiàn):●針對環(huán)境變化適應能力降低●維持細胞內(nèi)環(huán)境恒定的能力降低●細胞內(nèi)原生質與水分的減少，細胞收縮、失去正常形態(tài)●細胞核收縮、結構不清、染色加深●核質比減少●細胞內(nèi)有色素或蠟樣物質沉積●氨基酸與蛋白質合成速率下降●不溶性蛋白質的增多使得細胞的硬度增加●酶的活性與含量改變●細胞增殖有關參數(shù)特有改變。衰老細胞的形態(tài)變化核增大、染色深、核內(nèi)有包含物染色質凝聚、固縮、碎裂、溶解質膜粘度增加、流動性降低細胞質色素積聚、空泡形成線粒體數(shù)目減少、體積增大、mtDNA突變或丟失高爾基體碎裂包含物糖原減少、脂肪積聚核膜內(nèi)陷一、細胞的壽命與增殖能力和分化程度密切相關1、機體細胞的壽命

各類細胞本身的壽命很不一樣,一般說來,能夠保持持續(xù)分裂能力的細胞是不容易衰老的。分化程度高又不分裂的細胞壽命卻是有限的。機體細胞根據(jù)細胞的壽命分4類●恒久組織細胞在機體出生后便永久失去了分裂能力,是高度分化的專業(yè)工作細胞。衰老變化的特點是細胞的數(shù)量減少和細胞內(nèi)結構發(fā)生變化。主要包括：心肌、骨骼肌、骨、腎上腺髓質、腎髓質和神經(jīng)細胞等。細胞壽命較長，可觀察到衰老變化的現(xiàn)象，是研究細胞衰老的良好對象。人類心肌細胞骨骼肌細胞骨細胞光鏡●穩(wěn)定組織細胞在機體出生后便停止分裂、但終生保留分裂能力、具有較高分化程度的專業(yè)工作細胞。主要包括皮膚結締組織、呼吸道上皮、腎上腺皮質、腎皮質、唾腺細胞、胰腺及胰島、胃壁和肝細胞。這類細胞在正常情況下沒有明顯的衰老死亡，但最終也將發(fā)生衰老和死亡?！窀陆M織細胞執(zhí)行某種功能的特化細胞，經(jīng)過一定時間后衰老死亡，由新細胞分化成熟補充如上皮細胞、血細胞，構成更新組織的細胞可分為３類：①干細胞，能進行增殖又能進入分化過程②過渡細胞，來自干細胞，是能伴隨細胞分裂趨向成熟的中間細胞③成熟細胞，不再分裂，經(jīng)過一段時間后衰老和死亡

●可耗盡組織細胞是一種專業(yè)工作細胞,在機體一生的某一階段逐漸減少,但得不到補充,最后消耗殆盡。如卵巢實質細胞2、體外培養(yǎng)細胞的壽命●Hayflik界限體外培養(yǎng)的細胞也有一定的壽命。

1961年，Hayflick和Moorhead實驗，培養(yǎng)的人二倍體細胞表現(xiàn)出明顯的衰老、退化和死亡的過程。

將細胞數(shù)以1：2的比率連續(xù)進行傳代，則平均只能傳代40-60次，此后細胞就逐漸解體并死亡。

細胞，至少是培養(yǎng)的細胞，不是不死的，而是有一定的壽命；它們的增殖能力不是無限的，而是有一定的界限——“Hayflick界限”。體外培養(yǎng)成纖維細胞來自胎兒可傳代50次（與供體年齡

來自成人可傳代20次有關）來自小鼠可傳代14－28次（與供體物種來自烏龜可傳代90－125次特性有關）物種壽命與培養(yǎng)細胞壽命之間存在著確定的相互關系體外培養(yǎng)的人和動物細胞的壽命與他們個體壽命的關系物種成纖維細胞傳代數(shù)個體最長壽命（年）龜90－125175（？）水貂30－3410雞15－3530小鼠14－283.5人胚胎40－60110

出生至15歲20－4015歲以上10－30早老病患者2－1010－20●細胞在體內(nèi)條件下的衰老

人體和動物的各種器官和組織都是由細胞組成的，整體水平的老化是機體各部分組織細胞老化的總的反映。從五官的感覺功能的老年性退化，到老年性疾病引起死亡率的提高，都是以細胞發(fā)生的變化為基礎的。

那些出生后不再進行有絲分裂的細胞所組成的器官和組織，其細胞以及基質的衰老變化必然會顯示出該器官功能的衰退。細胞的衰老學說遺傳程序說(geneticprogramtheory)體細胞突變論(somaticmutationtheory)錯誤成災說(errorcatastrophetheory)自由基理論(freeradicaltheory)線粒體損傷論

(mitochondrialdamagetheory)衰老基因(senescencegene)和衰老相關基因(senescence-associatedgene)●遺傳程序說（geneticprogramtheory）

機體從生命一開始，其生長、發(fā)育、衰老與死亡都按遺傳密碼中規(guī)定的程序進行，在生命過程中隨著時間的推延，有關基因啟動與關閉的命令按時發(fā)生，細胞“自我摧毀”的計劃按期執(zhí)行。

有三方面的證據(jù)：①Hayflick的細胞培養(yǎng)實驗②發(fā)現(xiàn)人從30歲開始，人體各種器官的功能有1%的減退③衰老基因控制的早老綜合癥（symptomsofearlyaging）早衰癥是人體衰老中的一種病癥遺傳結構在衰老過程中作用的幾種假說：①重復基因利用枯竭說②DNA修復能力下降說③細胞衰老的端粒假說④長壽基因說37歲

研究表明當細胞衰老時，一些衰老相關基因（SAG）表達特別活躍，其表達水平大大高于年輕細胞，已在人1號染色體、4號染色體及X染色體上發(fā)現(xiàn)SAG?！窦毎麚p傷積累說（wearandteartheory）

細胞衰老是各種細胞成分在受到內(nèi)外環(huán)境的損傷作用后，因缺乏完善的修復，使“損傷”積累，導致細胞衰老。根據(jù)對導致“損傷”的主要因子和主導因子的認識不同，可分為不同的學說，這些學說各有實驗證據(jù)。①代謝廢物積累②大分子交聯(lián)說③自由基說④線粒體損傷論⑤體細胞突變與DNA修復⑥差錯災難學說⑦微量元素減少說⑧神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)功能減退說細胞的凋亡programmedcelldeathPCD

死亡意味著生命的終止是生物界普遍的現(xiàn)象。細胞的死亡有兩種不同形式：一種是壞死（性）或意外（性）死亡（necrosis），它是由某些外界因素比如局部貧血，高熱以及物理、化學損傷和生物侵襲等造成細胞急速死亡，是一種被動性死亡。

另一種稱之為程序性死亡（programmedcelldeathPCD）是由基因控制的自殺程序引起的主動性死亡。例如鼠的爪在胚胎發(fā)育過程中成形，起初是一種類似鏟狀的結構，只有當爪間的細胞死亡后爪才能分開。其實人的手和足在胚胎發(fā)育過程中的成形也與鼠類似。多細胞生物隨時都在進行著有規(guī)律的程序化細胞死亡，如人類的淋巴細胞系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)等。

細胞凋亡是指為維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定，由基因控制的細胞自主的有序的死亡。細胞壞死：細胞腫脹、解體，釋放出內(nèi)容物，引起炎癥反映。細胞凋亡：細胞核和細胞質收縮，染色質常斷裂。凋亡與壞死的主要特征比較區(qū)別點細胞凋亡細胞壞死起因生理或病理性病理性變化或劇烈損傷范圍單個散在細胞大片組織或成群細胞細胞膜保持完整，一直到形成凋亡小體破損染色質凝聚在核膜下呈半月狀呈絮狀細胞器無明顯變化腫脹、內(nèi)質網(wǎng)崩解細胞體積固縮變小腫脹變大凋亡與壞死的主要特征比較凋亡小體有，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合成有無調節(jié)過程受基因調控被動進行炎癥反應無，不釋放細胞內(nèi)容物有，釋放內(nèi)容物。細胞凋亡（apoptosis），（細胞編程死亡programmedcelldeath）：一種有次序、受控制并按某種預定程序發(fā)展的生理性的自然死亡過程。特征：形成凋亡小體(apoptoticbody)。最主要特征：DNA凝膠電泳時呈現(xiàn)出特征性的梯形帶。

程序化細胞死亡具有明顯的形態(tài)學特征,包括細胞變圓，染色質聚集、分塊，胞質皺縮。正常胸腺細胞凋亡胸腺細胞●梯帶電泳

程序化細胞死亡最突出的生化特征是染色質DNA的有控裂解，并且是由于內(nèi)源性內(nèi)切核酸酶基因的活化和表達而造成的結果。這種由內(nèi)源性內(nèi)切核酸酶切割的染色質DNA斷片大小是有規(guī)律的，即都為200bp的倍數(shù)。因此，抽提其中的DNA，進行瓊脂糖凝膠電泳時，或進行氯化銫溴化乙錠超速離心時，呈現(xiàn)出梯狀(1adder)譜型，可作為鑒別是否發(fā)生程序化細胞死亡的一個重要的生化標志?！竦蛲龅纳砉δ?/p>

①成熟個體中，組織細胞的自然更新如骨髓和腸中，每小時約有10億個細胞凋亡②清除已完成生理功能的細胞③清除多余的、發(fā)育不正常的細胞（如大腦中沒有正確連接的神經(jīng)元）④清除對機體有害的細胞（如對自身抗原起反應的胸腺T細胞）⑤清除受損的、有癌前病變或受病毒等感染的細胞■程序性細胞死亡的過程●程序性細胞死亡分為兩個階段：①死亡激活期,此階段主要是接受來自內(nèi)部或外部的死亡信號并做出反應,即接受指令并決定死亡。②死亡執(zhí)行期,即執(zhí)行一套死亡程序，包括發(fā)生染色質凝縮,并逐步分布在核膜周圍；接著發(fā)生細胞質濃縮,此時橋粒和中間纖維的連接被破壞，膜泡形成凋亡小體，最后被吞噬細胞吞噬和降解等?！癯绦蛐运劳龅募毎阅軌虮煌淌杉毎R別和吞噬，是因為這些細胞的表面具有的信號，這種信號在正常細胞的表面是不存在的。研究得最清楚的被吞噬信號是存在于程序化死亡細胞質膜脂雙層外葉的磷脂酰絲氨酸分子，它一般存在于正常細胞質膜脂雙層的內(nèi)葉。

●細胞凋亡的分子機制細胞凋亡的基因調控機制最先是從線蟲（c.elegas）研究開始的。線蟲在個體發(fā)育中，成體的1090個體細胞中，有131個注定是要自然凋亡。在線蟲中已發(fā)現(xiàn)14個與細胞凋亡相關的基因。其中研究得比較深入的有促進細胞凋亡的ced-3和ced-4基因，以及抑制細胞凋亡的ced-9基因。

秀麗隱桿線蟲(Caenorbabditis

Elegans)秀麗隱桿線蟲(Caenorbabditis

Elegans)1090個細胞，131個細胞凋亡找到一系列與細胞凋亡有關的基因

ced-3、ced-4誘發(fā)、啟動凋亡

ced-9抑制凋亡①ced-3、ced-4基因突變或缺失，使凋亡受阻②移入ced-9使凋亡受阻③失去ced-9使細胞凋亡

細胞凋亡的途徑主要有兩條：★通過胞外信號激活細胞內(nèi)的凋亡酶caspase★通過線粒體釋放凋亡酶激活因子激活caspase。

這些活化的caspase可將細胞內(nèi)的重要蛋白降解，引起細胞凋亡。（1）caspase蛋白家族與凋亡①caspase蛋白家族的基因，是哺乳動物中克隆出的與線蟲細胞凋亡基因ced-3的同源基因。

caspase蛋白是一個半胱氨酸蛋白酶。迄今已發(fā)現(xiàn)了11個同源基因，它能選擇性地切割蛋白質使其失活或激活。②Caspase屬于半胱氨酸蛋白酶，相當于線蟲中的ced-3，這些蛋白酶是引起細胞凋亡的關鍵酶，一旦被信號途徑激活，能將細胞內(nèi)的蛋白質降解，使細胞不可逆的走向死亡。Caspase家族成員均有以下特點：①總是在天冬氨酸之后切斷底物，所以命名為caspase（cysteine

aspartate-specificprotease）②都是由兩大、兩小亞基組成的異四聚體，大、小亞基由同一基因編碼，前體被切割后產(chǎn)生兩個活性亞基。★caspase家族成員基本功能①執(zhí)行者（executioner或effector），如caspase-3、6、7，它們可直接降解胞內(nèi)的結構蛋白和功能蛋白，引起凋亡，但不能通過自催化（autocatalytic）或自剪接的方式激活②啟動者（initiator），如caspase-8、9，收到信號后，能通過自剪接而激活，然后引起caspase級聯(lián)反應，如caspase-8可依次激活caspase-3、6、7。炎癥反應執(zhí)行者啟動者caspase3Caspase3的活化

Caspase

可激活名叫CAD（caspase-activatedDnase）的核酸酶，CAD能在核小體的連接區(qū)將其切斷，形成約為200bp整數(shù)倍的核酸片段。正常情況下CAD存在于胞質中，并且與抑制蛋白結合，不能進入細胞核。Caspase活化后可以降解抑制蛋白結合，釋放出CAD，使它進入細胞核降解DNA。（2）caspase的抑制因子，稱為IAPs（inhibitorsofapoptosisproteins），屬于一個龐大的蛋白家族。它們能與caspase結合，抑制其活性。

（3）Apaf-1

凋亡酶激活因子-1（apoptoticproteaseactivatingfactor-1），在線蟲中的同源物為ced-4，在線粒體參與的凋亡途徑中具有重要作用，該基因敲除后，小鼠神經(jīng)細胞過多，腦畸形發(fā)育。Apaf-1含有3個不同的結構域：①CARD（caspaserecruitmentdomain）結構域，能召集caspase-9②ced-4同源結構域，能結合ATP/dATP③C端結構域，含有色氨酸/天冬氨酸重復序列，當細胞色素c結合到這一區(qū)域后，能引起Apaf-1多聚化而激活。

Apaf-1具有激活Caspase-3的作用，而這一過程又需要細胞色素c（Apaf-2）和caspase-9（Apaf-3）參與。Apaf-1/細胞色素c復合體與ATP/dATP結合后，Apaf-1就可以通過其CARD結構域召集caspase-9，形成凋亡體（apoptosome），激活caspase-3，啟動caspase級聯(lián)反應。Apaf-1+細胞色素cATPdATPcaspase9凋亡小體激活caspase3（4）bcl2家族

細胞凋亡抑制基因，名稱來源于B細胞淋巴瘤/白血病-2(B-celllymphoma/Leukemia-2，bcl-2)，最早由Tsujimoto（1985）從伴有14、18染色體易位的淋巴瘤細胞中發(fā)現(xiàn)，在正常人體內(nèi)位于18號染色體。

bcl-2基因是抑制細胞程序性死亡的基因，可抑制多種原因誘導的細胞凋亡

Bcl-2為凋亡抑制基因，是膜的整合蛋白，其功能相當于線蟲中的ced-9?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)至少19個同源物，它們在線粒體參與的凋亡途徑中起調控作用，能控制線粒體中細胞色素c等凋亡因子的釋放。

Bcl-2是一個不斷擴增的多基因家族的原型（prototypes），其在哺乳類中的家族成員有Bcl-x,Mcl-1,Bax,Bak,Bad,A1和Bik-1。大量實驗證明它是多細胞動物中普遍存在的“長壽”基因。神經(jīng)元壽命長，bcl-2的表達則高于其他類型細胞。根據(jù)功能和結構可將Bcl-2基因家族分為兩類：一類是抗凋亡的（anti-apoptotic），如：Bcl-2、Bcl-xl、Bcl-w、Mcl-1；一類是促進凋亡的（pro-apoptotic），如：Bax、Bak、Bad、Bid、Bim，Bid、Bad。Bcl-2蛋白家族成員概況家族成員與Bcl-2同源性Bcl-2抑制凋亡

Bcl-xl44抑制凋亡Bcl-x

促進凋亡Bax21促進凋亡Bak28促進凋亡Bad促進凋亡A140抑制凋亡Mcl-135抑制凋亡

Bcl-2蛋白存在于線粒體膜、內(nèi)質網(wǎng)膜以及外核膜上，但主要定位于線粒體外膜，它拮抗促凋亡蛋白的功能。大多數(shù)促凋亡蛋白則主要定位于細胞質，一旦細胞受到凋亡因子的誘導，它們可以向線粒體轉位，通過寡聚化在線粒體外膜形成跨膜通道，或者開啟線粒體的PT孔，從而導致線粒體中的凋亡因子釋放，激活caspase，導致細胞凋亡。

（5）Fas

Fas又稱作APO-1/CD95，屬TNF受體家族。Fas基因編碼產(chǎn)物為分子量45KD的跨膜蛋白，分布于胸腺細胞，激活的T和B淋巴細胞，巨噬細胞，肝、脾、肺、心、腦、腸、睪丸和卵巢細胞等。Fas蛋白與Fas配體結合后，會激活caspase，導致靶細胞走向凋亡。細胞表面的凋亡受體是屬于腫瘤壞死因子受體（TNFR）家族的跨膜蛋白，它們包括Fas（Apo-1/CD95）、TNFR1、DR3/WSL、DR4/TRAIL-R1和DR5/TRAIL-R2。其配體屬于TNF家族，目前已比較清楚的是Fas介導的細胞凋亡途徑。

Fas具有三個富含半胱氨酸的胞外區(qū)和一個稱為死亡結構域（Deathdomain，DD）的胞內(nèi)區(qū)。

Fas的配體FasL（Fas

ligand）與Fas結合后，F(xiàn)as三聚化使胞內(nèi)的DD區(qū)構象改變，然后與接頭蛋白FADD（Fasassociateddeathdomain）的DD區(qū)結合，而后FADD就能與Caspase-8（或10）前體蛋白結合，形成DISC(death-inducingsignalingcomplex)，引起caspase-8、10通過自身剪激活，它們啟動caspase的級聯(lián)反應，使caspase-3、6、7激活，這幾種Caspase可降解胞內(nèi)結構蛋白和功能蛋白，最終導致細胞凋亡。（6）p53p53是腫瘤抑制基因，可以阻斷細胞周期和誘導細胞凋亡。這是P53蛋白表達并進一步上調一系列基因表達的結果。

P21便是其中之一。如果損傷不能修復，P53就激活誘導細胞凋亡的基因轉錄，使細胞進入凋亡狀態(tài)。

（7）myc

在許多人類惡性腫瘤細胞中都發(fā)現(xiàn)有c-myc的過度表達，它能促進細胞增殖、抑制分化。在凋亡細胞中c-myc也是高表達，作為轉錄調控因子，一方面它能激活那些控制細胞增殖的基因，另一方面也激活促進細胞凋亡的基因，給細胞兩種選擇：增殖或凋亡。當生長因子存在，Bcl-2基因表達時，促進細胞增殖，反之細胞凋亡。

（8）ATM

ATM（ataxiatelangiectasia-mutatedgene）是與DNA損傷檢驗有關的一個重要基因。正常細胞經(jīng)放射處理后，DNA損傷會激活修復機制，如DNA不能修復則誘導細胞凋亡。ATM是DNA損傷檢驗點的一個重要的蛋白激酶

●線粒體與細胞凋亡細胞應激反應或凋亡信號