細(xì)胞衰老與凋亡課件

第十一章

細(xì)胞衰老與凋亡

第一節(jié)細(xì)胞衰老第二節(jié)細(xì)胞死亡

第一節(jié)

細(xì)胞衰老

一、細(xì)胞衰老的早期研究二、細(xì)胞的壽限

三、細(xì)胞衰老的特征

四、細(xì)胞衰老的理論

一、細(xì)胞衰老的早期研究大約在100年前，魏斯曼提出種質(zhì)不死而體質(zhì)會(huì)衰老和死亡的學(xué)說。Carrel和Ebeling培養(yǎng)的雞心臟細(xì)胞可以無限制地分裂及L系小鼠細(xì)胞和Hela細(xì)胞系的建立。1961年，Hayflick報(bào)道體外培養(yǎng)的人的成纖維細(xì)胞具有增殖分裂的極限。二、細(xì)胞的壽限

1.Hayflick界限

細(xì)胞，至少是培養(yǎng)的細(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限的，而是有一定的界限，這就是Hayflick界限。2.細(xì)胞的壽限各類細(xì)胞本身的壽命不一樣

細(xì)胞的增殖能力與供體年齡有關(guān)胚胎組織：成纖維細(xì)胞死亡成年組織：成纖維細(xì)胞死亡50次15～30次圖12-2物種的壽命與體外培養(yǎng)時(shí)細(xì)胞傳代次數(shù)的關(guān)系細(xì)胞在體外傳代的次數(shù)，與物種壽命有關(guān)松弛素B離心細(xì)胞核胞質(zhì)體年老年輕雜交分裂年老年輕雜交不分裂決定細(xì)胞衰老的因素在細(xì)胞核內(nèi)部表12-1成年小鼠各類細(xì)胞的壽命接近或等于動(dòng)物自身壽命的細(xì)胞緩慢更新（長(zhǎng)于30天，短于動(dòng)物平均壽命）的細(xì)胞快速更新（少于30天）的細(xì)胞神經(jīng)元腎上腺皮質(zhì)細(xì)胞皮膚表皮細(xì)胞腎上腺髓質(zhì)細(xì)胞腎皮質(zhì)細(xì)胞口腔和胃腸道上皮細(xì)胞胞骨細(xì)胞唾液腺細(xì)胞紅細(xì)胞和白細(xì)胞肌細(xì)胞胰臟腺泡細(xì)胞及胰島細(xì)胞角膜上皮細(xì)胞胃酶原細(xì)胞胃壁細(xì)胞

脂肪細(xì)胞肝細(xì)胞

腎髓質(zhì)細(xì)胞

三、細(xì)胞衰老的特征

細(xì)胞衰老的形態(tài)學(xué)變化

細(xì)胞衰老的生化變化

色素顆粒沉積衰老細(xì)胞中常沉積著一些色素或臘樣物質(zhì)，叫脂褐素或致密體。脂褐素主要是由溶酶體轉(zhuǎn)化而來的。在分裂指數(shù)低或不分裂的細(xì)胞積聚明顯。散在的脂褐質(zhì)顆粒無脂褐質(zhì)

脂褐素成簇

出生的小鼠3-5月齡老年圖12-3細(xì)胞內(nèi)的脂褐素A.光鏡下細(xì)胞內(nèi)的脂褐素B.電鏡下細(xì)胞內(nèi)的脂褐素細(xì)胞膜流動(dòng)性降低

正常的細(xì)胞膜是典型的液晶態(tài)，膜具有一定的流動(dòng)性。衰老的細(xì)胞膜常處于凝膠態(tài)或固態(tài)，膜的流動(dòng)性降低。細(xì)胞核核膜內(nèi)折核膜內(nèi)折是衰老細(xì)胞核結(jié)構(gòu)中最明顯的變化。染色質(zhì)固縮化是衰老細(xì)胞核中另一個(gè)重要變化，染色質(zhì)固縮作用與染色質(zhì)蛋白的二硫鍵有關(guān)。表12-2衰老細(xì)胞的形態(tài)變化細(xì)胞收縮,體積縮小色素顆粒（脂褐素）沉積流動(dòng)性降低，處于凝膠態(tài)數(shù)目減少、體積增大核膜內(nèi)折，染色質(zhì)凝聚、固縮排列無序，總量減少細(xì)胞核細(xì)胞體積細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞膜線粒體內(nèi)質(zhì)網(wǎng)衰老細(xì)胞細(xì)胞形態(tài)變化四、細(xì)胞衰老的機(jī)理

1.遺傳學(xué)派

衰老的遺傳程序論

細(xì)胞衰老的端粒假說

2.差錯(cuò)學(xué)派

衰老的損傷積累論

自由基理論

圖12-4早老癥兒童與正常兒童的比較細(xì)胞衰老的端粒假說Harley于1990年提出細(xì)胞衰老端粒假說

內(nèi)容：高度分化的體細(xì)胞內(nèi)端粒酶活性處于抑制狀態(tài)，細(xì)胞分裂時(shí)DNA不完全復(fù)制引起端粒DNA的少量丟失，隨著細(xì)胞分裂次數(shù)的增加，端粒不斷縮短。當(dāng)端?？s短到臨界長(zhǎng)度時(shí)引發(fā)了Hayflick極限，細(xì)胞不再分裂，走向衰亡。

衰老的損傷積累論

衰老的損傷積累理論認(rèn)為，衰老是由于細(xì)胞分裂和代謝過程中產(chǎn)生了一系列隨機(jī)的差錯(cuò)和損傷，而這些差錯(cuò)和損傷的積累導(dǎo)致了衰老。各種學(xué)說：體細(xì)胞突變學(xué)說DNA損傷修復(fù)學(xué)說細(xì)胞衰老的線粒體損傷論自由基理論（氧化損傷理論）

自由基及其性質(zhì)自由基是一類瞬時(shí)形成的含不成對(duì)電子的原子或功能基團(tuán)。A∶B→A·+·BA·和·B就稱為自由基

主要包括：氧自由基（如羥自由基·OH、·O2和H2O2）、氫自由基（·H）、碳自由基、脂自由基

自由含有未配對(duì)電子，具有高度反應(yīng)活性，與其他物質(zhì)反應(yīng)時(shí)，力圖得到電子。自由基對(duì)生物大分子的損傷自由基含有未配對(duì)電子，可引發(fā)鏈?zhǔn)阶杂苫磻?yīng)，對(duì)細(xì)胞及組織產(chǎn)生有害的氧化性損傷。損傷表現(xiàn)在：

能使質(zhì)膜中的不飽和脂肪酸氧化

能將蛋白質(zhì)中的巰基氧化

還能使DNA鏈斷裂、交聯(lián)、堿基羥基化、堿基切除第二節(jié)

細(xì)胞死亡

一、細(xì)胞壞死

二、細(xì)胞凋亡

三、細(xì)胞凋亡的檢測(cè)四、細(xì)胞凋亡的機(jī)理

五、細(xì)胞凋亡的生物學(xué)意義

一、細(xì)胞壞死

細(xì)胞壞死是由極端物理、化學(xué)或嚴(yán)重的病理性刺激引起的細(xì)胞急速死亡現(xiàn)象。壞死細(xì)胞的形態(tài)學(xué)特征：細(xì)胞膨脹，細(xì)胞膜和細(xì)胞器破裂，DNA降解，內(nèi)容物流出，引起炎癥反應(yīng)。壞死細(xì)胞的生化特征：DNA被隨機(jī)降解為任意長(zhǎng)度的片段。

二、細(xì)胞凋亡

細(xì)胞凋亡是一個(gè)由基因控制的細(xì)胞自主的有序性的死亡。細(xì)胞凋亡的形態(tài)學(xué)特征：細(xì)胞皺縮、染色質(zhì)邊緣化、核固縮、凋亡小體形成。細(xì)胞凋亡的生化特征：染色質(zhì)DNA的有控裂解。圖12-5細(xì)胞壞死與凋亡的形態(tài)區(qū)別圖12-6細(xì)胞凋亡的DNA梯狀圖譜、A.為正常細(xì)胞的DNA電泳圖B.為MarkerC.為凋亡細(xì)胞的DNA電泳圖表12-3細(xì)胞凋亡和細(xì)胞壞死的區(qū)別區(qū)別點(diǎn)細(xì)胞壞死細(xì)胞凋亡起因范圍細(xì)胞膜染色質(zhì)細(xì)胞器細(xì)胞體積凋亡小體基因組DNA調(diào)節(jié)過程炎癥反應(yīng)生理或病理性病理性變化或劇烈損傷單個(gè)散在細(xì)胞大片組織或成群細(xì)胞保持完整，一直到形成凋亡小體破損凝聚在核膜下呈半月狀呈絮狀無明顯變化腫脹、崩解固縮變小腫脹變大有，被鄰近細(xì)胞或巨噬細(xì)胞吞噬無，細(xì)胞自溶，殘余碎片被巨噬細(xì)胞吞噬有控降解，電泳圖譜呈梯狀隨機(jī)降解，電泳圖譜呈片狀受基因調(diào)控被動(dòng)進(jìn)行無，不釋放細(xì)胞內(nèi)容物有，釋放內(nèi)容物。三、細(xì)胞凋亡的檢測(cè)（一）細(xì)胞凋亡的形態(tài)學(xué)觀察（二）生化特征檢測(cè)（三）流式細(xì)胞檢測(cè)技術(shù)細(xì)胞凋亡的形態(tài)學(xué)觀察凋亡細(xì)胞的主要特征：核染色質(zhì)致密深染，有時(shí)可碎裂。組織切片經(jīng)蘇木精-伊紅（HE）染色后，可觀察到細(xì)胞體積縮小，胞質(zhì)致密、嗜酸性染色增強(qiáng)。用熒光染料如吖啶橙染色，在熒光顯微鏡下觀察。圖12-7蘇木精-伊紅染色的細(xì)胞凋亡小體觀察A.細(xì)胞核固縮，染色質(zhì)邊緣化B.凋亡小體嗜酸性染色增強(qiáng)圖12-8吖啶橙熒光染色顯示凋亡小體生化特征檢測(cè)1.DNA瓊脂糖凝膠電泳法

在凋亡細(xì)胞群中可觀察到典型的的連續(xù)的梯形DNA圖譜，大多數(shù)凋亡細(xì)胞中DNA的斷裂都表現(xiàn)出這種特征。2.DNA裂解的原位檢測(cè)

又稱為TUNEL測(cè)定法，意指末端脫氧核苷酸轉(zhuǎn)移酶（TdT）介導(dǎo)的dUTP缺口末端標(biāo)記測(cè)定法。細(xì)胞凋亡時(shí)，由于DNA的裂解，產(chǎn)生一系列DNA的3’-OH末端，在TdT酶的作用下，將脫氧核糖核苷酸用生物素、地高辛或熒光素標(biāo)，借助這些可觀測(cè)的標(biāo)記物進(jìn)行細(xì)胞凋亡的檢測(cè)。3、彗星電泳法

單細(xì)胞凝膠電泳后，染色的細(xì)胞核呈現(xiàn)一種彗星式圖案。原理：是將單個(gè)細(xì)胞懸浮于瓊脂糖凝膠中，經(jīng)裂解處理后，再在電場(chǎng)中進(jìn)行短時(shí)間的電泳，并用熒光染料染色。凋亡細(xì)胞中的DNA降解片段在電場(chǎng)中泳動(dòng)速度較快，使細(xì)胞核呈現(xiàn)出一種彗星式的圖案，而正常的無DNA斷裂的核在泳動(dòng)時(shí)保持圓球形。流式細(xì)胞檢測(cè)技術(shù)原理是：細(xì)胞凋亡過程中會(huì)出現(xiàn)形態(tài)改變，造成染色體熒光染料對(duì)凋亡細(xì)胞DNA的可染性發(fā)生改變，也使細(xì)胞光散射特性發(fā)生改變。因此，將細(xì)胞光散射特征與熒光參數(shù)結(jié)合起來就能準(zhǔn)確的辨認(rèn)凋亡細(xì)胞。流式細(xì)胞儀通過檢查細(xì)胞光散射特征及熒光參數(shù)，檢測(cè)凋亡細(xì)胞。四、細(xì)胞凋亡的機(jī)理凋亡相關(guān)的基因和蛋白

細(xì)胞凋亡的途徑

細(xì)胞外信號(hào)觸發(fā)的死亡受體途徑

細(xì)胞內(nèi)信號(hào)觸發(fā)的線粒體途徑

凋亡相關(guān)的基因和蛋白

1.線蟲的細(xì)胞凋亡相關(guān)基因2.哺乳類細(xì)胞的凋亡相關(guān)基因

Caspase家族

Bcl-2家族

p53與細(xì)胞凋亡

c-myc與細(xì)胞凋亡

線蟲的細(xì)胞凋亡相關(guān)基因秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditiselegans，CE)是研究個(gè)體發(fā)育和細(xì)胞凋亡的理想模型。從線蟲中分離出十幾種細(xì)胞凋亡的相關(guān)基因

ced-3、ced-4促進(jìn)凋亡

ced-9抑制細(xì)胞凋亡

ced-1、ced-2、ced-5、ced-6、ced-7、ced-10和ced-11是死亡細(xì)胞被吞噬細(xì)胞吞噬的相關(guān)基因圖12-9雌雄同體的秀麗隱桿線蟲圖12-10秀麗隱桿線蟲程序性細(xì)胞死亡途徑及相關(guān)基因Caspase家族

本質(zhì)：Caspase家族是一組在結(jié)構(gòu)上相關(guān)的半胱氨酸蛋白酶，能特異剪切天冬氨酸。組成：包括Caspase-1~-14Caspase的活化：酶原激活時(shí)，各個(gè)結(jié)構(gòu)域之間發(fā)生裂解，然后將酶激活。Caspases發(fā)揮作用是通過一系列連鎖反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。ICE亞家族：主要參與白介素前體的活化。CED-3亞家族：直接參與細(xì)胞凋亡過程。

起始者Caspases對(duì)細(xì)胞凋亡的刺激信號(hào)做出反應(yīng)。效應(yīng)者Caspases，是細(xì)胞凋亡過程中的具體執(zhí)者。Caspase家族的組成圖12-11：caspase家族成員，藍(lán)色參與炎癥反應(yīng)，紅色為執(zhí)行者，綠色為啟動(dòng)者圖12-12caspase的活化過程A.caspase前體的激活B.caspase的級(jí)聯(lián)反應(yīng)Bcl-2家族Bcl-2家族是哺乳動(dòng)物中的原癌基因。Bcl-2通過抑制細(xì)胞凋亡來延長(zhǎng)細(xì)胞的生存時(shí)間，是凋亡抑制基因。Bcl-2家族有許多成員，按其對(duì)凋亡的調(diào)節(jié)功能可分為兩類：一類是抑制凋亡的調(diào)節(jié)因子，主要有Bcl-2、Bcl-xL、Bcl-w等。另一類是促進(jìn)細(xì)胞凋亡的調(diào)節(jié)因子，包括Bax、Bak、Bad等。p53與細(xì)胞凋亡p53是一種重要的抑癌基因，其生物學(xué)功能是在G1期監(jiān)視DNA的完整性。如有損傷，則抑制細(xì)胞增殖，直到DNA修復(fù)完成。如DNA不能被修復(fù)，則誘導(dǎo)其凋亡。p53基因是通過調(diào)節(jié)Bcl-2和Bax基因的表達(dá)來影響細(xì)胞凋亡的。p53蛋白能特異地抑制Bcl-2的表達(dá)，從而引起了細(xì)胞凋亡。

c-myc與細(xì)胞凋亡c-myc是一個(gè)具有多重功能的癌基因，具有轉(zhuǎn)錄因子的活性。c-myc基因：一方面激活介導(dǎo)細(xì)胞增殖的基因，另一方面也激活介導(dǎo)細(xì)胞凋亡的基因。圖12-13細(xì)胞外信號(hào)觸發(fā)的死亡受體途徑圖12-14細(xì)胞內(nèi)信號(hào)觸發(fā)的線粒體途徑五、細(xì)胞凋亡的生物學(xué)意義

在形態(tài)建成中細(xì)胞凋亡起重要作用。

對(duì)于生物發(fā)育成熟后