醫(yī)學細胞生物學 第14講細胞衰老(口腔、醫(yī)實、醫(yī)檢適用)

細胞衰老

（cellularaging）

細胞生物學系

1細胞衰老概述第一節(jié)細胞的壽命第二節(jié)衰老在整體、組織器官和細胞水平的變化第三節(jié)細胞衰老的機制2概述機體的衰老（senescence）是基本生命現(xiàn)象之一，通常將衰老分為：

生理性衰老

病理性衰老3概述生理性衰老：生物體自成熟期開始，機體的形態(tài)結構與生理功能隨增齡而發(fā)生不可逆的退行性變化，表現(xiàn)出具有遺傳性、普遍性、累積性、持續(xù)漸進性和危害性的生命過程。4概述病理性衰老：由于疾病或異常因素所導致衰老的加速，也稱異常衰老。如早老癥(progeria)和werner氏綜合征。5一個37歲的成人早衰癥患者引自on

6正常人早老癥患者常見癥狀及體征：皮膚菲薄、蕁表靜脈顯露、前囟閉合遲、眉毛睫毛缺乏、鳥喙樣鼻、扇風耳、唇薄（Hutchinson-Gilford

progeria

syndrome，HGPS）郝吉早衰綜合癥常有高血脂癥、動脈硬化癥，進而引起心、腎、腦病變.人類早老癥患者，通常只能活到7歲到20歲.

患病率：1/800萬新生兒7概述

細胞衰老（celluaraging）：細胞對環(huán)境變化的適應能力和維持細胞內環(huán)境的穩(wěn)定能力降低，并以形態(tài)結構、化學成分與生物化學及生理功能改變?yōu)榛A的變化。細胞總體的衰老反映了機體的衰老,而機體的衰老是以總體細胞的衰老為基礎的。8第一節(jié)細胞的壽命人體細胞的動態(tài)分類細胞在體外培養(yǎng)條件下的壽命恒久性組織的細胞穩(wěn)定性組織的細胞更新性組織的細胞可耗盡組織的細胞9一人體細胞的動態(tài)分類恒久性組織的細胞屬高度分化類的細胞；細胞出生后便失去分裂和增殖能力；其細胞的壽命接近機體的壽命.如，心肌、骨骼肌、骨細胞、脂肪細胞、神經細胞等。10一人體細胞的動態(tài)分類恒久性組織的細胞隨機體衰老的進程，出現(xiàn)兩個顯著特點：一細胞數(shù)量減少；二細胞內部結構發(fā)生變化，表現(xiàn)出組織重量的減輕和功能的減退。11一人體細胞的動態(tài)分類穩(wěn)定性組織的細胞分化程度較高，細胞通常不分裂，但終生保留有分裂的能力。

例如，肝、腎細胞等。12一人體細胞的動態(tài)分類更新性組織的細胞功能細胞：不能繼續(xù)分裂、高度特化;在執(zhí)行特定功能后，以不同方式由新的同類細胞分化成熟所取代，直至個體生命結束。例如，如上皮細胞、血細胞等。13一人體細胞的動態(tài)分類更新性組織的細胞更新性組織細胞的來源：干細胞，能進行增殖又能進入分化過程；前體細胞，來自干細胞，是能伴隨細胞分裂趨向成熟的中間細胞。14一人體細胞的動態(tài)分類可耗盡組織的細胞在個體一生的某一階段逐漸消耗減少，不能得到補充，最后消耗殆盡。例如，卵巢的實質細胞。15二細胞在體外培養(yǎng)條件下的壽命Hayflick界限(Hayflick’sLimit)

1961年L.Hayflick首次報道，體外培養(yǎng)的人成纖維細胞(fibroblasts)具有增殖分裂的極限。

Hayflick,L.,Moorhead,P.S.(1961)."Theserialcultivationofhumandiploidcellstrains."ExpCellRes25:585-621.16二細胞在體外培養(yǎng)條件下的壽命Hayflick界限(Hayflick’sLimit)

正常的細胞在體外培養(yǎng)過程中，即使為之提供最適的營養(yǎng)條件，也只能維持一定時間的生長，之后生長停滯并逐漸衰老死亡。這種在細胞培養(yǎng)過程中出現(xiàn)的細胞增殖極限稱為“Hayflick”界限。Hayflick,L.,Moorhead,P.S.(1961)."Theserialcultivationofhumandiploidcellstrains."ExpCellRes25:585-621.17二細胞在體外培養(yǎng)條件下的壽命物種的壽命與體外培養(yǎng)時細胞傳代次數(shù)的關系

18二細胞在體外培養(yǎng)條件下的壽命體外培養(yǎng)的人成纖維細胞A年輕細胞B衰老細胞AB細胞衰老的生物學特征：形態(tài)學改變19二細胞在體外培養(yǎng)條件下的壽命細胞周期停滯是細胞衰老的一個關鍵特征20第二節(jié)衰老在整體、組織器官

和細胞水平的變化一、整體和組織器官水平的變化二、細胞水平的變化三、其它變化21一、衰老在整體水平的變化機體的衰老是各個細胞和器官功能出現(xiàn)不可逆轉地、全面地、逐漸地喪失；是成熟機體的形態(tài)和生理功能隨著年齡增加而發(fā)生進行性的老化，即整體衰老。22一、衰老在組織器官水平的變化膠原交聯(lián)學說/老化架橋學說：結締組織架橋的形成，是機體老化的重要原因之一：結締組織構成機體的骨、軟骨、皮膚、肌腱、血管壁等，還組成心、肝、肌肉等器官的支架和包膜；主要包括：膠原、彈性蛋白、糖蛋白和蛋白聚糖等;膠原是決定結締組織理化性質的最重要因素。23原膠原三股肽鏈膠原纖維膠原原纖維24一、衰老在組織器官水平的變化膠原交聯(lián)學說/老化架橋學說：膠原分子間形成的架橋數(shù)目伴隨增齡而逐漸增多;25膠原交聯(lián)學說/老化架橋學說：膠原分子間形成的架橋數(shù)目伴隨增齡而逐漸增多;纖維結構變硬，逐漸失去彈性及柔軟性;妨礙細胞與血管間的物質交換，削弱細胞的正常功能;與高血壓、關節(jié)硬化、皮膚皺紋等密切相關.一、衰老在組織器官水平的變化26一、衰老在組織器官水平的變化膠原交聯(lián)學說/老化架橋學說：結締組織中含量最高的氨基聚糖及蛋白聚糖隨衰老的進程含量顯著變化：27一、衰老在組織器官水平的變化膠原交聯(lián)學說/老化架橋學說：氨基聚糖：胚胎早期:透明質酸、硫酸軟骨素衰老階段：膠原纖維周圍的氨基聚糖含量顯著降低，硫酸皮膚素所占的比重顯著增多28一、衰老在組織器官水平的變化膠原交聯(lián)學說/老化架橋學說：蛋白聚糖：總量逐漸減少、糖鏈所占比重下降、肽鏈所占比重相對增加，導致組織的保水能力及彈性減弱29二、細胞水平的衰老變化（一）原生質和水分的改變細胞脫水，原生質濃縮或粘稠度增加，細胞體積變?。蝗苊阁w破裂，細胞內分子自我降解，離子累積，滲透壓增高，細胞體積膨脹（衰老的心肌、肝細胞等）。30二、細胞水平的衰老變化（二）膜體系及細胞表面化學成分的改變膜流動性降低細胞表面微絨毛數(shù)量增加31二、細胞水平的衰老變化（三）細胞骨架體系的改變微絲體系的結構、成分發(fā)生變化，G－actin含量下降，微絲數(shù)量減少32二、細胞水平的衰老變化（四）細胞器的改變內質網、高爾基體及溶酶體的改變：內質網數(shù)量減少、不規(guī)則、腫脹呈空泡狀；高爾基體囊泡腫脹、破碎、膜結構破裂崩解；溶酶體內蛋白水解酶活性下降，細胞內形成殘余小體。33A.正常細胞B.衰老細胞34二、細胞水平的衰老變化（四）細胞器的改變線粒體的老化能量的加工廠半自主性細胞器35線粒體的老化（1）線粒體膜的改變：

內膜的改變尤為顯著，表現(xiàn)為：通透性增強，線粒體內水分丟失，離子的張力增高，改變了分子的靜電作用，導致大分子凝聚，其功能發(fā)生空間障礙。

36線粒體的老化（1）線粒體膜的改變：

水分丟失導致代謝產物彌散受到限制，進一步引起內膜（腺嘌呤核苷酸載體）形態(tài)結構發(fā)生變化，ADP/ATP轉換活動顯著降低。37（2）線粒體基質的變化：出現(xiàn)不透明、含有顆粒或電子致密包含物；在橫切面上，基質空間被有序排列的管狀結構所分隔。線粒體的老化38（3）線粒體數(shù)目的改變：數(shù)目減少。（4）線粒體形態(tài)結構的改變：

平均體積增大，總體積下降

。線粒體的老化39衰老細胞內線粒體嵴排列紊亂40線粒體DNA突變（mitochondrialDNAmutation）mtDNA突變的主要原因：外部因素：環(huán)境及食物中化學因素導致核苷酸烷基化，高強度紫外線照射、離子輻射可使DNA鏈斷裂，X射線與化學性致癌劑引發(fā)DNA雙螺旋交聯(lián)。線粒體老化的機制41線粒體DNA突變（mitochondrialDNAmutation）mtDNA突變的內部因素：氧化應激，自由基增多。線粒體老化的機制42線粒體DNA突變（mitochondrialDNAmutation）mtDNA突變的內部因素：mtDNA裸露，最易受自由基傷害;

催化mtDNA復制的DNA聚合酶γ不具有校正功能，復制錯誤頻率高；缺乏有效的修復酶；

線粒體老化的機制43線粒體DNA突變（mitochondrialDNAmutation）mtDNA突變的內部因素：

mtDNA基因排列緊密利用率高；mtDNA序列進化速度快，有害突變出現(xiàn)頻率高；mtDNA內在熱不穩(wěn)定而引起自發(fā)的化學變化，如脫氨基、脫嘌呤、甲基化及水解等。線粒體老化的機制44線粒體DNA突變（mitochondrialDNAmutation）mtDNA突變，無活性的氧化磷酸化有關酶復合物日漸增多，呼吸鏈功能受損；線粒體數(shù)量減少；每一線粒體ATP產量及總產量顯著下降，導致細胞所需能量缺陷及程序性死亡，引起機體組織器官功能減退，而成為生物衰老的重要原因。線粒體老化的機制45二、細胞水平的衰老變化（四）細胞器的改變細胞核的改變：水分減少，核膜內陷細胞核的改變：衰老細胞的端粒長度丟失46端粒與細胞衰老果蠅遺傳學家HermannJ.Muller發(fā)現(xiàn)端粒（telomere）分裂中期的染色體端粒(telomere)47端粒與細胞衰老端粒的作用：防止染色體降解、斷端彼此發(fā)生融合、重排和丟失等穩(wěn)定染色體的功能；能夠補償染色體末端遺傳信息的丟失；參與染色體在核內的定位及基因的表達調控。

48DNA復制中存在的“末端復制問題”：DNA聚合酶不能從頭合成DNA，須由RNA引物引導來開始自身的復制過程，引物降解后，新合成的DNA鏈的5′端留下一段無法填補的缺口，使染色體末端的堿基對緩慢地丟失。端粒與細胞衰老49DNA復制中存在的“末端復制問題”：染色體末端有端粒，復制從端粒開始，可以避免有意義編碼序列的丟失；端粒序列隨著復制而縮短。端粒與細胞衰老50復制性衰老（replicativesenescence）人類正常體細胞端粒較短，隨著細胞分裂次數(shù)的增多，部分端粒序列發(fā)生丟失、長度縮短，當縮短到一定長度時，導致細胞停止分裂，進入老化過程。Harley等1991年提出端?？杀环Q為細胞有絲分裂的“生命時鐘”或遺傳的“定時炸彈”。端粒與細胞衰老51端粒長度伴隨細胞分裂次數(shù)的增加而縮短不同的細胞其端粒長度不同，分化程度越高，其端粒DNA長度越短；正常的體細胞大約4kb，人胚肺細胞大約10kb，人精子細胞大約15kb；影響端粒長度的因素：端粒結合蛋白、端粒帽蛋白、DNA聚合酶等，最重要的是端粒酶。端粒與細胞衰老52端粒長度與細胞分裂次數(shù)53端粒酶與細胞的壽命端粒酶（telomerase):1985年Blackburn等在四膜蟲中首次發(fā)現(xiàn)；1989年Morin等在人HeLa細胞中發(fā)現(xiàn)；54端粒酶與細胞的壽命端粒酶（telomerase):一種核糖核酸蛋白（ribonucleoprotein，RNP)復合物,由小分子RNA和蛋白質組成；特殊的逆轉錄酶；以自身RNA為模板合成新的端粒DNA序列。55MolecularBiologyoftheCell.FourthEdition.Albertsetal.p264DNApolymeraseα

56端粒酶對細胞增殖能力的影響端粒酶與細胞的壽命57端粒酶與癌細胞的產生58Healey提出：真核細胞的端粒有較長的儲備，但在細胞的有絲分裂過程中，伴隨著部分端粒序列的丟失，端粒長度逐漸縮短。當其短到一個關鍵的長度，就會激活涉及到p53及RB蛋白的DNA損傷檢驗點，進人“Ml老化期(Mlsenescence)”，細胞不再分裂，退出細胞周期而死亡。

端粒酶與細胞的壽命59但在那些缺乏p53及RB蛋白功能的細胞，可越過Ml期而繼續(xù)分裂，端粒繼續(xù)縮短，最終達到一個關鍵閾值，而進入“M2危象期(M2crisis)”，某些細胞由于端粒太短而死亡。

但某些細胞則可在此期激活端粒酶，使端粒長度得到恢復，維持了染色體的穩(wěn)定，從而避免死亡。這種細胞即具有所謂的“永生性”，有無限增殖能力。端粒酶與細胞的壽命60迄今為止，已經在多種腫瘤細胞、永生型細胞及干細胞中檢測到端粒酶的活性。提示端粒酶與腫瘤及衰老關系密切。端粒酶與細胞的壽命61三、其它變化脂褐素（lipofuscin）隨年齡增長在各種組織細胞內的含量增加，是目前公認的衰老指標之一；蛋白質和DNA、脂類共價縮合形成的巨交聯(lián)物；62三、其它變化脂褐素（lipofuscin）次級溶酶體是形成場所；結構致密，不能被徹底水解，在細胞內沉積增多，阻礙細胞的物質交流和信號傳遞，最后導致細胞衰老。63三、其它變化脂褐素（lipofuscin）光鏡：1-3μm棕色顆粒；熒光鏡：淡黃至橙紅色自發(fā)熒光物質；電鏡：由單位膜包裹不規(guī)則小體，電子密度較高,含有不均勻一致的內容物青年細胞老年細胞64三、其它變化脂褐素（lipofuscin）生成與多種因素有關：維生素E的缺乏、缺氧、自由基的產生及某些病理條件65第三節(jié)細胞衰老的機制自由基學說：遺傳學說：神經內分泌免疫調節(jié)學說66自由基學說（freeradicaltheories）衰老的自由基理論:細胞的代謝過程需要氧的存在，生物氧化過程是細胞獲得能量的主要來源；生物氧化過程產生一些高活性的帶自由基化合物；高活性的帶自由基化合物能導致細胞結構和功能改變，影響細胞的功能甚至導致細胞的變性死亡67自由基學說（freeradicaltheories）自由基：一類瞬時形成的含不成對電子的原子或功能基團；主要包括：超氧自由基、羥自由基（·OH）和H2O2等，其中·OH的化學性質最活潑；68自由基學說（freeradicaltheories）自由基的產生：外源性自由基：環(huán)境中的高溫、輻射、光解、化學物質等引起內源性自由基：體內各種代謝反應產生的69自由基學說（freeradicaltheories）自由基具有高度反應活性，可引發(fā)鏈式自由基反應，引起DNA、蛋白質和脂類，尤其是多不飽和脂肪酸等大分子物質變性和交聯(lián)，損傷DNA、生物膜、重要的結構蛋白和功能蛋白，從而引起衰老各種現(xiàn)象的發(fā)生70自由基學說（freeradicaltheories）細胞內清除自由基的途徑主要有三種：1.利用細胞內自身區(qū)室化使產生的自由基物質與細胞其他組分分開：如線粒體71自由基學說（freeradicaltheories）細胞內清除自由基的途徑主要有三種：2.機體內存在清除自由基的系統(tǒng)，如超氧歧化酶