生物學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)第十六章 細(xì)胞的衰老與死亡

第十六章細(xì)胞的衰老與死亡cellagingandcelldeath1

一、細(xì)胞衰老

(一)細(xì)胞衰老的概念隨著時(shí)間的推移,細(xì)胞增殖能力和生理功能逐漸發(fā)生衰退的變化過(guò)程。細(xì)胞形態(tài)變化：細(xì)胞皺縮，質(zhì)膜透性和脆性提高，線粒體數(shù)量減少，染色質(zhì)固縮、斷裂等。第一節(jié)細(xì)胞衰老（cellaging/senescence

）2（二）機(jī)體衰老與細(xì)胞衰老1.機(jī)體的衰老并不等于體內(nèi)所有細(xì)胞都衰老不同組織的細(xì)胞壽命不同，分為長(zhǎng)壽細(xì)胞，緩慢更新細(xì)胞和快速更新細(xì)胞。如：小腸上皮細(xì)胞，2～5天；胰腺上皮細(xì)胞，約50天；神經(jīng)元，終生。2.機(jī)體的衰老與體內(nèi)細(xì)胞的衰老有著密切的聯(lián)系機(jī)體衰老以細(xì)胞的總體衰老為基礎(chǔ)。生物體的衰老可能是組織中干細(xì)胞的衰老所致。3發(fā)育及損傷引起的細(xì)胞衰老4（三）二倍體細(xì)胞體外增殖能力和壽命1.Hayflick界限（Hayflicklimitation):體外培養(yǎng)的二倍體細(xì)胞的增殖能力和壽命是有一定限度的。

2.體外培養(yǎng)的二倍體細(xì)胞分裂次數(shù)與供體年齡之間呈反比關(guān)系。3.不同物種的細(xì)胞最大分裂次數(shù)與動(dòng)物平均壽命成正比關(guān)系。5二、細(xì)胞衰老的表現(xiàn)（一）形態(tài)學(xué)改變

細(xì)胞皺縮，膜通透性和脆性增加，核膜內(nèi)陷，線粒體減少，脂褐素沉積。衰老細(xì)胞的各種結(jié)構(gòu)呈退行性變化。衰老細(xì)胞中的脂褐素沉積6

1．DNA的變化復(fù)制和轉(zhuǎn)錄受抑制，DNA受損（氧化，斷裂，缺失和交聯(lián)），端粒DNA和線粒體DNA缺失。2．RNA的變化mRNA和tRNA含量降低。

（二）生物大分子和代謝的改變3.蛋白質(zhì)的改變蛋白質(zhì)合成速率降低，含量下降，穩(wěn)定性、抗原性和可降解性下降，肽鍵斷裂、交聯(lián)而變性。

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4.酶的變化酶結(jié)構(gòu)和數(shù)量改變，總的效應(yīng)是酶失活。細(xì)胞衰老的重要標(biāo)志：β-半乳糖苷酶（SAβ-gal）表達(dá)增加；超氧化物歧化酶（SOD）表達(dá)減少。5.脂類的變化不飽和脂肪酸被氧化，膜脂與脂蛋白之間交聯(lián)，膜流動(dòng)性降低。β-半乳糖苷酶在衰老細(xì)胞中表達(dá)增加8三、細(xì)胞衰老的學(xué)說(shuō)與機(jī)制（一）遺傳決定學(xué)說(shuō)生物體細(xì)胞內(nèi)特定基因按照預(yù)定程序有序地開啟和關(guān)閉，控制著個(gè)體的生長(zhǎng)發(fā)育、衰老死亡。細(xì)胞衰老相關(guān)基因：衰老基因和長(zhǎng)壽基因1．衰老基因（1）MORF4基因：位于4號(hào)染色體上，基因發(fā)生突變，可導(dǎo)致細(xì)胞永生化。（2）p16和p21基因：基因產(chǎn)物是CDK抑制因子（CKI），可通過(guò)抑制CDK的活性導(dǎo)致細(xì)胞周期停滯，阻斷細(xì)胞增殖，導(dǎo)致細(xì)胞衰老。9細(xì)胞衰老時(shí)p16表達(dá)增強(qiáng)，能特異性地拮抗Cdk4、Cdk6結(jié)合cyclinD，而使G1-Cdk失活，從而阻止Rb蛋白磷酸化,使Rb不能與E2F分離，E2F處于持續(xù)失活狀態(tài)，細(xì)胞被滯留在G1期，從而阻斷細(xì)胞周期的正常運(yùn)行，維持了衰老細(xì)胞不可逆的生長(zhǎng)停滯狀態(tài)。10Proliferationofβ-cellsfromp16KOmouse11(3)老年性退行性疾病有關(guān)的基因

截脂蛋白E基因----冠狀動(dòng)脈硬化

β淀粉樣蛋白基因----阿爾茨海默病2．抗衰老基因/長(zhǎng)壽基因（longevitygene）延長(zhǎng)因子EF-1α基因（蛋白質(zhì)合成）WRN基因（DNA解旋酶）Klotho基因（提高超氧化物歧化酶活性）SIRT1基因（調(diào)節(jié)膽固醇）12（二）自由基學(xué)說(shuō)認(rèn)為衰老是由于自由基（freeradical）對(duì)細(xì)胞成分的攻擊傷害所致；1.自由基導(dǎo)致氧化性損傷:基因突變、脂質(zhì)過(guò)氧化2.自由基產(chǎn)生(1)環(huán)境中的高溫、輻射、光解、化學(xué)物質(zhì)等。(2)體內(nèi)各種代謝反應(yīng)產(chǎn)生：①線粒體呼吸鏈電子泄漏產(chǎn)生；②過(guò)氧化物酶體的多功能氧化酶催化底物羥化產(chǎn)生。3.自由基清除系統(tǒng)(1)抗氧化酶：谷胱甘肽過(guò)氧化物酶（GSH-PX）、超氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化物酶（PXP）及過(guò)氧化氫酶（CAT）。(2)抗氧化劑（antioxidant）：谷胱甘肽（GSH）、維生素C、β-胡蘿卜素、維生素E、半胱氨酸、硒化物、巰基乙醇等。13（三）端粒學(xué)說(shuō)染色體末端復(fù)制缺失端粒酶的作用14端粒學(xué)說(shuō)：端粒酶（telomerase）可以利用自身RNA為模板合成端粒DNA，加到染色體3′末端，補(bǔ)償端粒末端丟失的序列，從而延長(zhǎng)細(xì)胞的壽命。體細(xì)胞無(wú)端粒酶活性，DNA每復(fù)制一次，端粒末端就縮短一段，當(dāng)端?？s短到一定程度而不能再分裂復(fù)制，細(xì)胞便衰老死亡。生殖細(xì)胞、干細(xì)胞和惡性腫瘤細(xì)胞中有明顯的端粒酶活性。15端粒長(zhǎng)度與細(xì)胞衰老復(fù)制性衰老：由端?？s短誘發(fā)早熟性衰老：由氧化應(yīng)激誘導(dǎo)，非端粒依賴性16

（四）細(xì)胞代謝廢物累積引起細(xì)胞衰老

（五）基因轉(zhuǎn)錄或翻譯差錯(cuò)導(dǎo)致細(xì)胞衰老DNA損傷和修復(fù)功能下降，導(dǎo)致核酸、蛋白質(zhì)、酶等生物大分子合成錯(cuò)誤，引起細(xì)胞代謝功能障礙，導(dǎo)致細(xì)胞衰老死亡。

（六）其他學(xué)說(shuō)神經(jīng)免疫網(wǎng)絡(luò)論，鈣調(diào)蛋白學(xué)說(shuō)，微量元素學(xué)說(shuō)等。17細(xì)胞衰老的調(diào)控細(xì)胞衰老與細(xì)胞周期的關(guān)系:細(xì)胞衰老是不可逆的生長(zhǎng)停滯狀態(tài),G0期細(xì)胞/撤離細(xì)胞周期的細(xì)胞。復(fù)制性細(xì)胞衰老的調(diào)控：p53p21,pRbE2F18衰老細(xì)胞端粒長(zhǎng)度的縮短（可視作DNA的一種損傷）會(huì)誘導(dǎo)細(xì)胞中p53含量明顯增加，繼而誘導(dǎo)p21的表達(dá)，抑制Cdk的活化，使得Rb不能被磷酸化，E2F處于持續(xù)失活狀態(tài)，最終引發(fā)細(xì)胞衰老。19氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的非端粒依賴性細(xì)胞衰老的調(diào)控：ERKp38MAPKp16pRb細(xì)胞衰老的調(diào)控20四.細(xì)胞衰老與疾病:早老性疾病

早老癥(Hayflick-Guilford綜合征)兒童絕大多數(shù)Hutchinson-Gilford早老癥的致病原因是由體內(nèi)核纖層蛋白A（laminA）基因突變所致。laminA的基因突變影響DNA損傷修復(fù)，基因組不穩(wěn)定，從而使laminA蛋白缺陷的細(xì)胞終止分裂，衰老過(guò)程加快并過(guò)早死亡。21細(xì)胞衰老與疾病:干細(xì)胞衰老相關(guān)疾病老年性再生障礙性貧血、白血病、骨質(zhì)疏松、Ⅱ型糖尿病、動(dòng)脈粥樣硬化、血脂代謝障礙。成體干細(xì)胞的衰老221.壞死（necrosis）在外來(lái)致病因子作用下，細(xì)胞生命活動(dòng)被強(qiáng)行終止所致的病理性、被動(dòng)性的死亡過(guò)程。伴生炎癥。2.細(xì)胞凋亡（apoptosis)由特定信號(hào)誘導(dǎo)下，細(xì)胞內(nèi)的死亡級(jí)聯(lián)反應(yīng)被觸發(fā)所致的生理或病理性、主動(dòng)性的死亡過(guò)程，是細(xì)胞生理性死亡的普遍形式。凋亡過(guò)程中DNA發(fā)生片段化，細(xì)胞皺縮分解成凋亡小體，被鄰近細(xì)胞或巨噬細(xì)胞吞噬，不發(fā)生炎癥。第二節(jié)細(xì)胞死亡（celldeath）細(xì)胞死亡是指細(xì)胞生命活動(dòng)的結(jié)束，兩種不同的形式：23一、細(xì)胞凋亡的生物學(xué)意義1．發(fā)育過(guò)程中清除多余的細(xì)胞

細(xì)胞凋亡在指（趾）形成中的作用蝌蚪發(fā)育過(guò)程尾部細(xì)胞的凋亡在發(fā)育過(guò)程中凋亡異常引起并指（趾）24程序性細(xì)胞死亡對(duì)發(fā)育中神經(jīng)細(xì)胞數(shù)量的調(diào)節(jié)252．清除正常生理活動(dòng)過(guò)程中無(wú)用的細(xì)胞衰老的血細(xì)胞、前T、前B淋巴細(xì)胞3．清除病理活動(dòng)過(guò)程中有潛在危險(xiǎn)的細(xì)胞DNA損傷的細(xì)胞、有癌變危險(xiǎn)的細(xì)胞、病毒感染的細(xì)胞26二、細(xì)胞凋亡的形態(tài)學(xué)和生化特征（一）形態(tài)學(xué)特征1.細(xì)胞核：斷裂成核小體片段，新月狀染色質(zhì)，核膜裂解。2.細(xì)胞質(zhì)：脫水，濃縮；線粒體增大、空泡化；內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膨大，提供自噬體的包裹膜；細(xì)胞骨架紊亂、致密。3.細(xì)胞膜：保持完整，但特化結(jié)構(gòu)消失，膜內(nèi)側(cè)的磷脂酰絲氨酸外翻。4.凋亡小體形成：發(fā)芽脫落機(jī)制，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)分隔機(jī)制，自噬體形成機(jī)制。27細(xì)胞凋亡與細(xì)胞壞死的形態(tài)學(xué)比較28電鏡下的凋亡細(xì)胞(A-B)與壞死細(xì)胞(C)29（二）細(xì)胞凋亡的生化特征

(1)DNA片段化a.細(xì)胞凋亡中DNA內(nèi)切酶的活化，形成長(zhǎng)度180~200bp及其整倍性片段b.在DNA電泳中形成梯狀帶30（2）細(xì)胞凋亡中的蛋白酶凋亡過(guò)程中由蛋白酶構(gòu)成一系列級(jí)聯(lián)反應(yīng)，使靶蛋白活化或失活而介導(dǎo)各種凋亡事件，如胱天蛋白酶（caspase）。（3）胞漿Ca2+、pH的變化胞漿內(nèi)Ca2+升高，胞漿堿化/酸化。（4）線粒體的作用處于凋亡調(diào)控的核心地位。變化：呼吸鏈?zhǔn)軗p，釋放細(xì)胞色素C胱天蛋白酶，產(chǎn)生活性氧類物質(zhì)，滲透轉(zhuǎn)變孔通透性增加釋放細(xì)胞色素C/呼吸鏈解耦聯(lián)。31

特征細(xì)胞凋亡細(xì)胞壞死誘導(dǎo)因素

生理及弱刺激

強(qiáng)烈刺激受累范圍單個(gè)細(xì)胞丟失成群細(xì)胞死亡膜完整性保持到晚期早期即喪失細(xì)胞體積減少、固縮增大、腫脹染色質(zhì)凝聚成半月形絮狀、網(wǎng)狀線粒體自身吞噬腫脹溶酶體保持完整破壞外溢細(xì)胞形狀形成凋亡小體破裂成碎片基因組DNA有控降解隨機(jī)降解大分子合成一般需要不需要基因調(diào)控有無(wú)后果不引起炎癥反應(yīng)引起炎癥反應(yīng)意義生理死亡方式病理死亡方式

細(xì)胞凋亡與細(xì)胞壞死的區(qū)別32失巢凋亡在脫離原來(lái)生存環(huán)境的特殊情況下發(fā)生的細(xì)胞凋亡，稱為失巢凋亡。由細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)和其他細(xì)胞脫離接觸而誘發(fā)，錨定性依賴。常見于分化生長(zhǎng)周期短，組織更新快的細(xì)胞中。意義：防止脫落的細(xì)胞種植并生長(zhǎng)于其他不適宜的地方。惡性腫瘤細(xì)胞具有抗失巢凋亡特性。33三、細(xì)胞凋亡的影響因素（一）誘發(fā)因素生理性誘導(dǎo)因子損傷相關(guān)因子疾病治療相關(guān)因子等（二）抑制因素生理性抑制因子病毒基因等34四、細(xì)胞凋亡的分子機(jī)制（一）線蟲和哺乳動(dòng)物細(xì)胞的凋亡相關(guān)基因1.線蟲細(xì)胞凋亡基因線蟲（C.elegans）發(fā)育過(guò)程中有1090個(gè)細(xì)胞，有131個(gè)細(xì)胞將進(jìn)入程序化死亡；35已發(fā)現(xiàn)15個(gè)基因與線蟲細(xì)胞凋亡有關(guān),可分為四組：①細(xì)胞死亡基因（celldeathgene）:ced-3、ced-4②死亡抑制基因（celldeathsuppressergene）:ced-9

(1)直接相關(guān)基因(2)與死亡細(xì)胞吞噬有關(guān)的基因

ced-1、ced-2、ced-5、ced-6、ced-7、ced-8、ced-10

(3)控制DNA裂解基因:nuc-1

(4)特異細(xì)胞類型凋亡的基因:ces-1、ces-2

、egl-1和her-1

36線蟲細(xì)胞凋亡途徑及相關(guān)基因372.人和哺乳動(dòng)物細(xì)胞凋亡相關(guān)基因及其產(chǎn)物（1）Caspase家族(ced-3的同源物)

一類半胱氨酸蛋白水解酶（cysteineasparticacidspecificprotease），簡(jiǎn)稱胱天蛋白酶（caspase）

共同特點(diǎn):富含半胱氨酸，被激活后能特異地切割靶蛋白的天冬氨酸殘基后的肽鍵。38已發(fā)現(xiàn)的Caspase家族成員共有15種根據(jù)在凋亡級(jí)聯(lián)反應(yīng)中的功能不同可分為兩類：①凋亡上游的起始者:Caspase2、8、9、10、11；②凋亡下游的執(zhí)行者:Caspase3、6、7；不直接參加凋亡信號(hào)傳遞（參與白細(xì)胞介素前體活化）:Caspase1、4、11。39A.細(xì)胞凋亡過(guò)程中Caspase酶原的活化Caspase酶原在特異位點(diǎn)被切割（通常由另一家族成員催化），切割產(chǎn)生的片段聚合形成由2個(gè)小亞基和2個(gè)大亞基組成的有活性的Caspase四聚體。40

B.細(xì)胞凋亡過(guò)程中Caspase級(jí)聯(lián)效應(yīng)少量活化的起始Caspase能夠切割許多下游Caspase酶原，產(chǎn)生大量活化的下游Caspase，其中執(zhí)行Caspase切割細(xì)胞質(zhì)內(nèi)及細(xì)胞核內(nèi)重要結(jié)構(gòu)和功能蛋白，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。41（2）Bcl-2蛋白家族(是線蟲ced-9的同源物)

根據(jù)其功能可以分為兩大類:

①抑制凋亡:Bcl-2、Bcl-xL、Bcl-w、Mcl-1

能阻止線粒體外膜的通透化，保護(hù)細(xì)胞免于凋亡。②促進(jìn)凋亡:Bax、Bak，Noxa

能夠促進(jìn)線粒體外膜的通透化，促進(jìn)細(xì)胞凋亡。

42（3）p53基因(抑癌基因)DNA損傷

p53活化p21基因轉(zhuǎn)錄細(xì)胞阻止在G1期,如果DNA損傷不能被修復(fù)，p53持續(xù)增高引起細(xì)胞凋亡。（4）Fas和FasLFas是廣泛存在于正常細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞膜表面的凋亡信號(hào)受體，F(xiàn)as配體Fasl主要表達(dá)于活化的T淋巴細(xì)胞，兩者結(jié)合將導(dǎo)致攜帶Fas的細(xì)胞凋亡。43（二）細(xì)胞凋亡信號(hào)通路線粒體：凋亡調(diào)控的中心位置44五、細(xì)胞凋亡的檢測(cè)方法形態(tài)學(xué)：DNA染色

形態(tài)觀察，區(qū)分壞死和凋亡。生化特征：檢測(cè)180-200bp及其多聚體組成的核小體片段的存在，胱天蛋白酶等。流式細(xì)胞儀檢測(cè)：DNA亞二倍體峰，磷脂酰絲氨酸的外翻，雙重凋亡檢測(cè)試劑盒等。45六、細(xì)胞凋亡與疾?。ㄒ唬┘?xì)胞凋亡過(guò)低導(dǎo)致的疾病1．細(xì)胞凋亡與腫瘤腫瘤細(xì)胞凋亡抑制基因和凋亡活化基因表達(dá)異常，如腫瘤細(xì)胞常有p53基因的突變或缺失。一般腫瘤細(xì)胞高表達(dá)Fasl，借以凋亡淋巴細(xì)胞，而又低表達(dá)Fas，而降低凋亡，形成腫瘤細(xì)胞有逃逸免疫及凋亡耐受的特性。