第13章 細(xì)胞衰老與凋亡

第十三章細(xì)胞衰老與凋亡ChapterThirteenCellsenescenceandapoptosis“生、老、病、死”是生命的四個(gè)必然的過(guò)程人類面臨著三種衰老：①生理性衰老：隨年齡增長(zhǎng)所表現(xiàn)出的生理退化，一切生物皆存在②病理性衰老：由于內(nèi)在或外在原因使人體發(fā)生病理性變化，使衰老提前發(fā)生，稱早衰③心理性衰老：由于心態(tài)的提前老化而影響整體功能第一節(jié)細(xì)胞衰老一、衰老的概念衰老(aging，senescence)：隨年齡增加，生物內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定性下降，結(jié)構(gòu)與生理機(jī)能退行性變化，趨向死亡不可逆的過(guò)程。衰老發(fā)生在整體水平、種群水平、個(gè)體水平、細(xì)胞水平以及分子水平等層次。機(jī)體的衰老并不等于所有細(xì)胞的衰老，但細(xì)胞的衰老與機(jī)體衰老密切相關(guān)二、細(xì)胞的壽限1、Hayflick界限(Hayflicklimitation)：細(xì)胞在體外培養(yǎng)條件下，即使條件適宜，細(xì)胞也不能無(wú)限制地進(jìn)行分裂，而是有一定界限細(xì)胞的分裂能力與個(gè)體年齡有關(guān)，從胎兒肺得到的成纖維細(xì)胞可傳代50次，而從成人得到的肺成纖維細(xì)胞只能傳代20次。2、細(xì)胞的壽限各類細(xì)胞的壽命各不相同，一般來(lái)說(shuō)，能夠保持持續(xù)分裂能力的細(xì)胞相對(duì)不容易衰老，分化程度高又不分裂的細(xì)胞壽命大多有限人體細(xì)胞的動(dòng)態(tài)分類人體細(xì)胞壽命依增殖，分化，生存時(shí)間，分4類①更新組織：執(zhí)行某種功能的特化細(xì)胞，一定時(shí)間后衰老死亡，由新細(xì)胞分化補(bǔ)充，如上皮細(xì)胞、血細(xì)胞。②穩(wěn)定組織細(xì)胞：分化程度較高，功能專一，一般沒(méi)明顯衰老，不分裂，但終生保持分裂能力，受破壞時(shí)，其余細(xì)胞也能分裂，補(bǔ)充失去的細(xì)胞，如肝、腎細(xì)胞。③恒久組織細(xì)胞：高度分化細(xì)胞，一生沒(méi)細(xì)胞更替，破壞后不能得補(bǔ)充。如神經(jīng)細(xì)胞，骨骼細(xì)胞和心肌細(xì)胞。④可耗盡組織細(xì)胞：卵巢實(shí)質(zhì)細(xì)胞，一生中逐漸消耗，不能得到補(bǔ)充，最后消耗殆盡。三、細(xì)胞衰老的形態(tài)學(xué)特征細(xì)胞衰老主要是細(xì)胞生理生化的變化，也反映在細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能上：1、細(xì)胞內(nèi)水分的減少：蛋白質(zhì)水合能力下降,衰老細(xì)胞水分減少，細(xì)胞皺縮，體積縮小。2、核變化:核膜內(nèi)折，染色體固縮化，端粒縮短3、線粒體的變化：隨年齡增大，數(shù)量減少，體積增大，內(nèi)容物呈網(wǎng)狀化并形成多囊體，mtDNA缺失突變4、質(zhì)膜的變化：流動(dòng)性下降，磷脂減少，不飽和脂肪酸下降；膜脂過(guò)氧化，對(duì)刺激反應(yīng)性下降5、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的變化：RER趨向減少和無(wú)序化6、蛋白質(zhì)合成：核糖體合成效率及準(zhǔn)確性降低7、色素生成及致密體形成：色素生成隨衰老而增加，并在溶酶體或線粒體中沉積衰老細(xì)胞的形態(tài)變化核增大、染色深、核內(nèi)有包含物染色質(zhì)凝聚、固縮、碎裂、溶解質(zhì)膜粘度增加、流動(dòng)性降低細(xì)胞質(zhì)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)陷四、分子水平的變化衰老細(xì)胞DNA、蛋白質(zhì)和脂類等成分損傷，代謝能力降低，主要表現(xiàn)：DNA：復(fù)制與轉(zhuǎn)錄受抑制，個(gè)別基因異常激活，端粒DNA丟失，線粒體DNA特異缺失，DNA氧化、斷裂、缺失和交聯(lián)，甲基化程度降低。RNA：mRNA和tRNA含量降低。蛋白質(zhì)：含成下降，蛋白質(zhì)糖基化、氨甲?；?、脫氨基等修飾，使蛋白質(zhì)穩(wěn)定性、抗原性、可消化性下降，自由基使肽斷裂、交聯(lián)而變性。aa由左旋變?yōu)橛倚阜肿樱夯钚灾行谋谎趸?，Ca2+、Zn2+、Mg2+、Fe2+等丟失，酶分子二級(jí)結(jié)構(gòu)、溶解度、等電點(diǎn)改變，酶失活脂類：不飽和脂肪酸被氧化，引起膜脂間或與脂蛋白間交聯(lián)，膜流動(dòng)性下降。五、細(xì)胞衰老的分子機(jī)制對(duì)衰老機(jī)理具有不同學(xué)說(shuō)，主要有:差錯(cuò)學(xué)說(shuō)(Errortheories):強(qiáng)調(diào)衰老是由于細(xì)胞中的各種錯(cuò)誤積累引起.遺傳學(xué)說(shuō)(Genetic/Programmedtheories):強(qiáng)調(diào)衰老是遺傳決定的自然演進(jìn)過(guò)程。（一）差錯(cuò)學(xué)說(shuō)細(xì)胞衰老是細(xì)胞成分因內(nèi)外環(huán)境受損，因缺乏完善修復(fù)，使“差錯(cuò)”積累，導(dǎo)致細(xì)胞衰老。根據(jù)“差錯(cuò)”的“主因”的不同，又可分不同學(xué)說(shuō)。1.代謝廢物積累

(wasteproductaccumulation)代謝產(chǎn)物超量積累危害細(xì)胞，引起衰老.褐脂質(zhì)沉積是典型例子:脂褐質(zhì)是長(zhǎng)壽蛋白和DNA、脂類形成的巨交聯(lián)物。脂褐質(zhì)結(jié)構(gòu)致密，在溶酶體不能水解也不能外排，在細(xì)胞內(nèi)沉積，阻礙物質(zhì)交流和信號(hào)傳遞，使細(xì)胞衰老.老年性癡呆(AD)是由β-淀粉樣蛋白沉積引起。2．大分子交聯(lián)(crosslinking)過(guò)量的大分子交聯(lián)是衰老的主要因素，如DNA交聯(lián)和膠原交聯(lián)均可損害其功能，引起衰老。在臨床方面膠原交聯(lián)和動(dòng)脈硬化、微血管病變有密切關(guān)系。3．自由基學(xué)說(shuō)

(freeradicaltheories)（1）自由基性質(zhì):自由基是指在原子核核外層軌道上具有不成對(duì)電子的分子或功能基團(tuán)。如AB兩個(gè)原子各提供一個(gè)電子通過(guò)共價(jià)鍵形成分子A:B，這兩個(gè)電子是配對(duì)的，如發(fā)生均裂,A和B各帶走一個(gè)電子形成.A和.B，即稱自由基。自由基種類：氧自由基、氫自由基、碳自由基、脂自由基，以氧自由基化學(xué)性質(zhì)最活潑。氧自由基主要包括：超氧自由基.O2，羥自由基.OH和H2O2自由基產(chǎn)生的因素：外源性:由環(huán)境輻射、光解、化學(xué)物質(zhì)等引起的內(nèi)源:由代謝反應(yīng)產(chǎn)生,是自由基主要來(lái)源途徑：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。③機(jī)體血紅蛋白、肌紅蛋白可經(jīng)非酶促反應(yīng)產(chǎn)生自由基。（2）自由基對(duì)生物大分子的損傷自由基含未配對(duì)電子，具高度活性，易與細(xì)胞內(nèi)的生物大分子發(fā)生反應(yīng)，并發(fā)生傷害①自由基與核酸分子中的堿基發(fā)生加成反應(yīng)，.OH加到堿基雙鏈上,破壞堿基產(chǎn)生基因突變②自由基可加成到膜脂及不飽和脂肪酸雙鏈,引起脂質(zhì)過(guò)氧化,并產(chǎn)生新的自由基③自由基常攻擊肽鏈上的脯氨酸殘基，造成蛋白質(zhì)斷裂。同時(shí)，自由基還引起蛋白質(zhì)交聯(lián)、破壞蛋白質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)④自由基的氧化也常損傷細(xì)胞骨架蛋白：肌動(dòng)蛋白與氧化型谷胱甘肽（GSSG）之間形成二硫鍵，導(dǎo)致分子表面電荷改變，引起大分子聚集(3)衰老的自由基學(xué)說(shuō)美國(guó)科學(xué)家Harman1955年提出，核心內(nèi)容:①衰老是自由基對(duì)細(xì)胞成分的有害攻擊所造成;②該學(xué)說(shuō)提出的自由基是氧自由基;③維持體內(nèi)適當(dāng)水平的抗氧化劑和自由基清除劑可延長(zhǎng)壽命和推遲衰老正常細(xì)胞內(nèi)存在清除自由基的防御系統(tǒng)，包括①酶系統(tǒng):超氧化物歧化酶(SOD)，過(guò)氧化氫酶(CAT)，谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(GSH-PX);②非酶系統(tǒng):VE、醌類物質(zhì)等電子受體。將銅鋅超氧化物岐化酶基因?qū)牍?，使轉(zhuǎn)基因株具3個(gè)拷貝的SOD基因，其壽命比野生型延長(zhǎng)1/3。為衰老的自由基學(xué)說(shuō)提供了證據(jù)。4．線粒體DNA突變線粒體是自由基濃度最高的細(xì)胞器，氧化磷酸化過(guò)程中，1-4%的氧轉(zhuǎn)為活性氧(ROS)。mtDNA裸露，易受傷害發(fā)生突變，mtDNA復(fù)制的聚合酶γ沒(méi)校正功能，復(fù)制錯(cuò)誤頻率高。mtDNA突變使呼吸鏈?zhǔn)軗p，自由基堆積，循環(huán)腦、心、骨骼肌的氧負(fù)荷最大，是最易衰老組織5.體細(xì)胞突變與DNA修復(fù)

外源理化因子，內(nèi)源自由基均可損傷DNA，使體細(xì)胞突變。輻射可致年輕的哺乳動(dòng)物出現(xiàn)衰老癥狀，與個(gè)體正常衰老相似。正常機(jī)體存在DNA修復(fù)機(jī)制，可使損傷DNA修復(fù)，年齡增加修復(fù)能力下降，使DNA錯(cuò)誤累積，最終細(xì)胞衰老死亡。DNA的修復(fù)并不均一，轉(zhuǎn)錄活躍基因被優(yōu)先修復(fù)，在同一基因中轉(zhuǎn)錄區(qū)被優(yōu)先修復(fù)，徹底的修復(fù)僅發(fā)生在細(xì)胞分裂的DNA復(fù)制時(shí)期，這是干細(xì)胞能永保青春的原因。6．重復(fù)基因失活真核生物基因組中存在大量重復(fù)序列。主要基因的選擇性重復(fù)是基因組的保護(hù)機(jī)制，也是決定細(xì)胞衰老的因素，重復(fù)基因的一個(gè)拷貝受損或關(guān)閉后，其它拷貝被激活，直到最后一份拷貝用完，細(xì)胞因缺少某種重要產(chǎn)物而衰亡。小鼠肝細(xì)胞重復(fù)基因的轉(zhuǎn)錄靈敏度隨年齡增加而降低，哺乳動(dòng)物rRNA基因數(shù)隨年齡增加而減少（二）遺傳學(xué)說(shuō)衰老是遺傳決定的自然演進(jìn)過(guò)程，一切細(xì)胞均有內(nèi)在的預(yù)定程序決定其壽命，而細(xì)胞壽命又決定種屬壽命的差異，外部因素只能使細(xì)胞壽命在限定范圍內(nèi)變動(dòng)1．程序性衰老

(programmedsenescence)生物的生長(zhǎng)、發(fā)育、衰老和死亡都由基因程序控制，衰老是某些基因依次開(kāi)啟或關(guān)閉的結(jié)果。小鼠肝中，胚胎早期表達(dá)的胞質(zhì)丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶為A型，隨后停止表達(dá)，在衰老時(shí)表達(dá)B型。其它類似的衰老標(biāo)志物(markers):如肝中的衰老標(biāo)志蛋白2也是在老年期表達(dá)。衰老還與神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)退行性變化及免疫系統(tǒng)的程序性衰老有關(guān)。2．細(xì)胞衰老的端粒假說(shuō)細(xì)胞增殖次數(shù)與端粒有關(guān)。體細(xì)胞染色體端粒DNA隨細(xì)胞分裂次數(shù)增加而縮短。細(xì)胞DNA復(fù)制1次端?？s短1段，至Hayflick點(diǎn)時(shí)，啟動(dòng)DNA損傷檢測(cè)點(diǎn)，不可逆退出細(xì)胞周期，走向衰亡。人成纖維細(xì)胞端粒每年縮短14-18bp，染色體的端粒具細(xì)胞分裂計(jì)數(shù)器的功能。端粒長(zhǎng)度與端粒酶活性有關(guān)，端粒酶是一種反轉(zhuǎn)錄酶，由RNA和蛋白質(zhì)組成，所含的RNA是合成端粒DNA的模板，而所含的反轉(zhuǎn)錄亞基則催化端粒DNA的合成。生殖細(xì)胞、干細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞端粒酶活性較高，正常體細(xì)胞端粒酶活性低，呈抑制狀態(tài)3．長(zhǎng)壽基因（longevitygenes）各種動(dòng)物都有相當(dāng)恒定的平均壽命和最高壽命，成人早衰癥(Werner‘ssyndrome)病人平均39歲時(shí)出現(xiàn)衰老，47歲左右死亡，患嬰幼兒早衰癥的小孩在1歲時(shí)出現(xiàn)明顯衰老，12-18歲夭折。由此看物種壽命主要取決于遺傳物質(zhì)，DNA鏈上可能存在“長(zhǎng)壽基因”或“衰老基因”決定個(gè)體壽限.

一個(gè)37歲的成人早衰癥患者

正常兒童（左）和嬰幼兒早衰癥患者細(xì)胞衰老時(shí)，衰老相關(guān)基因(SAG)表達(dá)活躍，人1號(hào)、4號(hào)及X染色體上發(fā)現(xiàn)SAG。線蟲(chóng)均壽命3.5d,age-1突變,提高均壽命65%，最大壽命110%,該突變型有較強(qiáng)的抗氧化酶活性早老綜合癥患者體內(nèi)解旋酶基因存在突變，該基因位于8號(hào)染色體短臂，稱WRN基因。淀粉樣蛋白前體基因(APP)突變，導(dǎo)致基因產(chǎn)物β淀粉樣蛋白易于在腦組織中沉積，引起AD。第二節(jié)細(xì)胞壞死與凋亡死亡是生命的普遍現(xiàn)象，但細(xì)胞死亡并非與機(jī)體死亡同步。正常組織中，常發(fā)生“正常”的細(xì)胞死亡，它是維持組織機(jī)能和形態(tài)所必需。細(xì)胞死亡的方式通常有2種：①細(xì)胞壞死(necrosis)。②細(xì)胞凋亡(apoptosis)。一、細(xì)胞壞死細(xì)胞受到化學(xué)因素(如酸、堿、毒物)、物理因素(如熱、輻射)和生物因素(如病原體)等環(huán)境因素傷害，引起細(xì)胞死亡的現(xiàn)象。是一種被動(dòng)死亡細(xì)胞壞死初期，細(xì)胞質(zhì)膜通透性增加，線粒體和ER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。胞質(zhì)蛋白變性、凝固或碎裂，嗜堿性核蛋白降解，細(xì)胞質(zhì)呈強(qiáng)嗜酸性，壞死細(xì)胞蘇木精/伊紅染色，胞質(zhì)呈紅色，原有微細(xì)結(jié)構(gòu)消失壞死后期，細(xì)胞膜破裂，細(xì)胞內(nèi)容物流出，引起周圍組織炎癥反應(yīng)。細(xì)胞壞死與凋亡的形態(tài)區(qū)別

二、細(xì)胞凋亡(cellapoptosis)又稱程序性細(xì)胞死亡(PCD)：是細(xì)胞接受基因指令后的主動(dòng)死亡。凋亡的細(xì)胞散落在正常組織中，無(wú)炎癥反應(yīng)，不遺留疤痕。死亡細(xì)胞的碎片很快被巨噬細(xì)胞或相鄰細(xì)胞所清除，不影響其它細(xì)胞的功能程序性細(xì)胞死亡表現(xiàn)出明顯的形態(tài)學(xué)特征：①核酸內(nèi)切酶活化，使染色質(zhì)DNA在核小體連接部位斷裂，形成約200bp整數(shù)倍的核酸片段，凝膠電泳圖譜呈梯狀；②染色質(zhì)在核膜下聚集成染色質(zhì)塊，細(xì)胞不斷脫水，胞質(zhì)凝縮，核膜在核孔處斷裂，細(xì)胞以出芽方式形成凋亡小體（apoptoticbody）；③凋亡小體內(nèi)有結(jié)構(gòu)完整的細(xì)胞器、凝縮的染色質(zhì)，可被鄰近細(xì)胞吞噬消化，始終有膜封閉，沒(méi)內(nèi)溶物釋放，不引起炎癥。細(xì)胞凋亡和細(xì)胞壞死的區(qū)別區(qū)別點(diǎn)細(xì)胞凋亡細(xì)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(gè)散在細(xì)胞大片組織或成群細(xì)胞細(xì)胞膜保持完整破損染色質(zhì)凝聚在核膜下呈半月?tīng)畛市鯛罴?xì)胞器無(wú)明顯變化腫脹、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)崩解細(xì)胞體積固縮變小腫脹變大凋亡小體有，被鄰近細(xì)胞或巨噬細(xì)胞吞噬無(wú)，細(xì)胞自溶，殘余碎片被巨噬細(xì)胞吞噬基因組DNA有控降解，電泳圖譜呈梯狀隨機(jī)降解，電泳圖譜呈涂抹狀蛋白質(zhì)合成有無(wú)調(diào)節(jié)過(guò)程受基因調(diào)控被動(dòng)進(jìn)行炎癥反應(yīng)無(wú)，不釋放細(xì)胞內(nèi)容物有，釋放內(nèi)容物。左:正常胸