細(xì)胞程序性死亡與衰老

關(guān)于細(xì)胞程序性死亡與衰老第1頁，講稿共45頁，2023年5月2日，星期三第一節(jié)細(xì)胞衰老Aging，Senescence，指細(xì)胞隨著年齡增加，機(jī)能和結(jié)構(gòu)退行性變化，趨向死亡的不可逆現(xiàn)象。衰老是生命的普遍現(xiàn)象，發(fā)生在生態(tài)系統(tǒng)、群落、種群、個體、細(xì)胞以及分子等不同層次。第2頁，講稿共45頁，2023年5月2日，星期三一、人體細(xì)胞的動態(tài)分類更新組織：如上皮細(xì)胞、血細(xì)胞。構(gòu)成更新組織的細(xì)胞可分為３類：①干細(xì)胞、②過渡細(xì)胞、③成熟細(xì)胞。穩(wěn)定組織：可補(bǔ)償性增生，如：肝、腎細(xì)胞。恒久組織：細(xì)胞不再分裂，如神經(jīng)細(xì)胞?？珊谋M組織：如人類的卵巢實(shí)質(zhì)細(xì)胞。第3頁，講稿共45頁，2023年5月2日，星期三二、細(xì)胞衰老的特征

（一）形態(tài)變化第4頁，講稿共45頁，2023年5月2日，星期三（二）分子水平的變化1.

DNA：復(fù)制與轉(zhuǎn)錄受阻，端粒DNA、mtDNA缺失。DNA氧化、斷裂、缺失和交聯(lián)，甲基化程度降低。2.

RNA：含量減少。3.

蛋白質(zhì)：含成下降，發(fā)生修飾、交聯(lián)。4.

酶分子：物理與化學(xué)特征改變，酶失活。5.

脂類：不飽和脂肪酸被氧化。第5頁，講稿共45頁，2023年5月2日，星期三三、細(xì)胞衰老的分子機(jī)理1.代謝廢物積累：如：脂褐質(zhì)，老年性癡呆（AD）腦細(xì)胞內(nèi)的β-淀粉樣蛋白。2.線粒體DNA突變：線粒體自由基濃度高，mtDNA是裸露分子，容易發(fā)生突變。腦、心、骨骼肌的氧負(fù)荷最大，組織最易衰老。caloricrestriction能延長大鼠壽命50%-70%。第6頁，講稿共45頁，2023年5月2日，星期三ThinratburyfatratTheratsareboth1000daysold,veryoldforrats.Theoneontherightwascalorierestricted.Theoneontheleftisneardeathandshowstypicalsignsofoldagesimilartowhathappensinhumans.ImagecitedfromCliveMcCay1939.第7頁，講稿共45頁，2023年5月2日，星期三3．自由基學(xué)說（freeradicaltheories）自由基是含不成對電子的原子或基團(tuán)，具有高度反應(yīng)活性。包括：氧自由基（如·OH）、氫自由基（·H）、碳自由基、脂自由基等。自由基來源：外源性（如輻射）、內(nèi)源性。內(nèi)源性自由基產(chǎn)生于①由線粒體呼吸鏈電子泄漏產(chǎn)生；②由氧化酶（如MFO）催化底物羥化產(chǎn)生。第8頁，講稿共45頁，2023年5月2日，星期三自由基可引起DNA、蛋白質(zhì)、脂類氧化、變性和交聯(lián)，實(shí)驗(yàn)表明DNA中OH8dG隨著年齡而增加。正常細(xì)胞內(nèi)存在清除自由基的防御系統(tǒng)。酶系統(tǒng)：SOD、CAT、GSH-PX。非酶系統(tǒng)：維生素E、醌類電子受體Orr和Sohal（1994），將SOD基因?qū)牍?，其壽命比野生型延長1/3。第9頁，講稿共45頁，2023年5月2日，星期三4．程序性衰老（programmedsenescence）生物的生長、發(fā)育、衰老和死亡都由基因程序控制的，衰老是某些基因依次開啟或關(guān)閉的結(jié)果。例1.在小鼠肝中，胚胎早期表達(dá)的胞質(zhì)丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶（cAAT）為A型，隨后停止表達(dá)，衰老時則表達(dá)B型cAAT例2.肝臟中的衰老標(biāo)志蛋白2在老年期表達(dá)。第10頁，講稿共45頁，2023年5月2日，星期三5．復(fù)制性衰老（replicativesenescence）細(xì)胞的增殖次數(shù)是有限的，稱“Hayflick”極限。如人胚成纖維細(xì)胞可培養(yǎng)60-70代。DNA每復(fù)制一次端粒就縮短一段，到一定程度時，則激活DNA損傷檢驗(yàn)，細(xì)胞凋亡。人的成纖維細(xì)胞端粒每年縮短14-18bp。端粒酶可修復(fù)端粒，此酶僅在干細(xì)胞中表達(dá)。第11頁，講稿共45頁，2023年5月2日，星期三6.衰老基因?qū)W說子女的壽命與雙親的壽命有關(guān)；動物都有相當(dāng)恒定的平均和最高壽命；成人早衰癥：約39歲衰老，47歲生命結(jié)束；嬰幼兒早衰癥：1歲衰老，12~18歲生命結(jié)束；早衰癥患者體內(nèi)解旋酶發(fā)生突變。衰老時，衰老相關(guān)基因（SAG）活躍表達(dá)，如senescentcellderivedinhibitionofDNAsynthesis。第12頁，講稿共45頁，2023年5月2日，星期三Werner'ssyndromeA37yearsoldpatient，AdoueDFP1997第13頁，講稿共45頁，2023年5月2日，星期三Hutchinson-Gilfordsyndrome第14頁，講稿共45頁，2023年5月2日，星期三第二節(jié)細(xì)胞壞死與凋亡細(xì)胞死亡并非與機(jī)體死亡同步。正常的組織中也發(fā)生細(xì)胞死亡，它是維持組織機(jī)能和形態(tài)所必需的。第15頁，講稿共45頁，2023年5月2日，星期三一、細(xì)胞死亡的方式（一）細(xì)胞壞死細(xì)胞受到環(huán)境因素傷害，引起細(xì)胞死亡的現(xiàn)象。形態(tài)變化的原因：酶性消化、蛋白變性。如消化酶來源于死亡細(xì)胞本身的溶酶體，則稱為自溶（autolysis）；若來源于浸潤壞死組織內(nèi)白細(xì)胞溶酶體，則為異溶（heterolysis）。第16頁，講稿共45頁，2023年5月2日，星期三細(xì)胞壞死初期，胞質(zhì)內(nèi)線粒體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腫脹、崩解，結(jié)構(gòu)脂滴游離、空泡化，蛋白質(zhì)顆粒增多，核發(fā)生固縮或斷裂。隨壞死進(jìn)程，細(xì)胞質(zhì)呈強(qiáng)嗜酸性，蘇木精/伊紅染色呈均一紅色。細(xì)胞膜不完整，臺盼藍(lán)染色陽性(活細(xì)胞不著色)。DNA隨機(jī)降解，細(xì)胞內(nèi)容物流出，引起炎癥。第17頁，講稿共45頁，2023年5月2日，星期三（二）細(xì)胞凋亡①細(xì)胞通過出芽的方式形成許多凋亡小體；②凋亡小體內(nèi)有結(jié)構(gòu)完整的細(xì)胞器；③不引起炎癥；④線粒體無明顯形態(tài)變化，溶酶體活性不增加；⑤內(nèi)切酶活化，DNA有控降解，凝膠電泳圖呈梯狀；⑥凋亡通常是生理性變化，壞死是病理性變化。第18頁，講稿共45頁，2023年5月2日，星期三/第19頁，講稿共45頁，2023年5月2日，星期三胸腺細(xì)胞正常凋亡第20頁，講稿共45頁，2023年5月2日，星期三胸腺細(xì)胞正常凋亡第21頁，講稿共45頁，2023年5月2日，星期三第22頁，講稿共45頁，2023年5月2日，星期三（三）細(xì)胞程序性死亡細(xì)胞程序性死亡（PCD）是一種基因指導(dǎo)的細(xì)胞自我消亡方式。PCD和細(xì)胞凋亡的區(qū)別在以下方面：PCD是功能性概念，凋亡是形態(tài)學(xué)概念。PCD存在于胚胎發(fā)育過程中。第23頁，講稿共45頁，2023年5月2日，星期三C.elegans是研究PCD的理想材料（生命周期短，細(xì)胞數(shù)量少）。第24頁，講稿共45頁，2023年5月2日，星期三C.elegans雄蟲有1031個體細(xì)胞、約1000個生殖細(xì)胞。神經(jīng)系統(tǒng)由302個細(xì)胞組成，來自于407個前體細(xì)胞，105個細(xì)胞發(fā)生了PCD?？刂凭€蟲PCD的基因有：Ced-3、Ced-4和Ced-9。Ced-3和Ced-4誘發(fā)凋亡；Ced-9抑制Ced-3、Ced-4的作用。第25頁，講稿共45頁，2023年5月2日，星期三2002年10月7日英國人Sydney、美國人Horvitz和英國人Sulston，因在PCD方面的研究獲諾貝爾諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎。H.RobertHorvitzJohnE.SulstonSydneyBrenner第26頁，講稿共45頁，2023年5月2日，星期三二、細(xì)胞凋亡的生理和病理學(xué)意義（一）生理學(xué)意義1.生長發(fā)育：組織與器官的塑造（趾的分化）；動物變態(tài)；皮膚角質(zhì)形成；2.免疫細(xì)胞分化：克隆選擇；3.防御：清除衰老細(xì)胞、DNA損傷的細(xì)胞、和被病原體感染的細(xì)胞。第27頁，講稿共45頁，2023年5月2日，星期三Sculptingthedigitsinthedevelopingmousepawbyapoptosis（Wood2000）第28頁，講稿共45頁，2023年5月2日，星期三（二）病理學(xué)意義1.病原體侵染；誘導(dǎo)凋亡——HIV抑制凋亡——Poxvirus2.細(xì)胞凋亡不足腫瘤，自身免疫疾??；3.細(xì)胞凋亡過度神經(jīng)退行性疾?。ˋD，帕金森癥）、心肌梗塞、再生障礙性貧血、骨組織壞死。第29頁，講稿共45頁，2023年5月2日，星期三三、細(xì)胞凋亡的檢測方法1.形態(tài)學(xué)，電鏡，光鏡；2.DNA凝膠電泳——ladder；3.流式細(xì)胞計(jì)；4.核酸內(nèi)切酶活力檢測；5.免疫學(xué)方法；6.AnnexinV檢測細(xì)胞膜外表面PS；7.TUNEL技術(shù)。第30頁，講稿共45頁，2023年5月2日，星期三8.常用檢測細(xì)胞凋亡的染料：二乙酸熒光素（FDA），綠色熒光，活細(xì)胞染色。Hoechst33342或33258，DAPI，吖啶橙（AO），半通透，凋亡和固定后的細(xì)胞熒光較強(qiáng)。溴化乙啶（EB）、碘化丙啶（PI）、放線菌素D（7-AAD），不通透，正常和凋亡細(xì)胞拒染?？捎貌煌再|(zhì)的染料對凋亡細(xì)胞進(jìn)行雙染色。第31頁，講稿共45頁，2023年5月2日，星期三Humanembryoatday4morulacontaining23nucleilabelledwithDAPI(blue),includingsevenTUNEL-labelledcondensednuclei(pink,arrow)thatwereexcludedfromdevelopment(KateHardy1999).第32頁，講稿共45頁，2023年5月2日，星期三第三節(jié)細(xì)胞凋亡的分子機(jī)理第33頁，講稿共45頁，2023年5月2日，星期三一、凋亡相關(guān)的基因和蛋白與細(xì)胞增殖有關(guān)的原癌基因和抑癌基都參于對細(xì)胞凋亡的凋控。研究較多的有ICE、Apaf-1、Bcl-2、Fas/APO-1、c-myc、p53、ATM等。第34頁，講稿共45頁，2023年5月2日，星期三1．Caspase家族相當(dāng)于線蟲的ced-3，是引起凋亡的關(guān)鍵酶。特點(diǎn)：①酶活性依賴于cys殘基的親核性；②總是在asp之后切斷底物，故名caspase（cysteineaspartate-specificprotease）。③亞基由同一基因編碼，前體被切割后產(chǎn)生兩個活性亞基，組成的異四聚體。第35頁，講稿共45頁，2023年5月2日，星期三Caspaseclassification（Zimmermann2001）ExecutioneroreffectorAutocatalyticinitiator第36頁，講稿共45頁，2023年5月2日，星期三2．Apaf-1凋亡酶激活因子-1（apoptoticproteaseactivatingfactor-1），線蟲的同源物為ced-4。作用：參與線粒體凋亡途徑，該基因敲除后，小鼠神經(jīng)細(xì)胞過多，腦畸形發(fā)育。Apaf-1與cytc、ATP/dATP結(jié)合后，召集caspase-9，形成凋亡體（apoptosome），激活caspase-3，啟動caspase級聯(lián)反應(yīng)。第37頁，講稿共45頁，2023年5月2日，星期三3.bcl-2基因家族含有1-4個Bcl-2同源結(jié)構(gòu)域（BH1-4）。分兩類：抗凋亡基因，如：Bcl-2；促凋亡基因，如：Bax。促凋亡蛋白能引起線粒體外膜通透性改變，導(dǎo)致cytc釋放，引起凋亡。bcl-2相當(dāng)于線蟲的ced9。主要定位于線粒體膜、也存在于ER和外核膜，拮抗促凋亡蛋白的功能。第38頁，講稿共45頁，2023年5月2日，星期三Bcl-2genefamily（Zimmermann2001）第39頁，講稿共45頁，2023年5月2日，星期三4.Fasfas又稱作APO-1，屬TNF受體家族。1993年人白細(xì)胞分型國際會議統(tǒng)一命名為CD95。fas基因編碼產(chǎn)物為分子量45KD的跨膜蛋白。Fas蛋白與Fas配體組成Fas系統(tǒng)，二者的結(jié)合激活caspase。第40頁，講稿共45頁，2023年5月2日，星期三5．P53基因組的守護(hù)者。輻射誘導(dǎo)的DNA損傷可通過ATM激活p53，阻斷細(xì)胞周期，并提高Fas的表達(dá)，誘導(dǎo)凋亡。6．Myc轉(zhuǎn)錄因子，生長因子存在，Bcl-2基因表達(dá)時，促進(jìn)細(xì)胞增殖，反之引起細(xì)胞凋亡。7.ATM是DNA損傷檢驗(yàn)的重要蛋白激酶，能激活P53。第41頁，講稿共45頁，2023年5月2日，星期三（二）Fas誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡Fas與配體結(jié)合