細胞生物學(xué)17.ppt

1、第十四章 細胞衰老與凋亡,第一節(jié) 細胞衰老(cell aging),一、早期的細胞衰老研究 細胞不死性 細胞會衰老 細胞不死性 Hayflick界限,二、Hayflick界限,細胞，至少是培養(yǎng)的細胞，是有一定壽命的，它們的增殖能力不是無限的，而是有一定的界限。,細胞的增殖能力與供體年齡有關(guān)： 1、胚胎肺得到的成纖維細胞可在體外傳代50次，而從成人肺中得到的成纖維細胞只能傳代20次。 2、用早老癥及 Werner氏綜合癥患者的成纖維細胞進行培養(yǎng)。,一個37歲的成人早衰癥患者,正常兒童（左）和嬰幼兒早衰癥患者（右）,物種壽命與培養(yǎng)細胞壽命之間存在著確定的相關(guān)關(guān)系。 Galapagos 龜平均壽命為

2、175歲，其培養(yǎng)細胞的傳代次數(shù)可達90125次；小鼠平均最高壽命為3.5年，其培養(yǎng)細胞的傳代次數(shù)亦少，僅1428次。,物種最高壽命與細胞體外培養(yǎng)最高傳代次數(shù)的關(guān)系 灰色部分表示物種的壽命，綠色部分表示體外培養(yǎng)傳代的次數(shù),決定細胞衰老的因素在細胞內(nèi)部，而不在外部環(huán)境。細胞核決定了細胞衰老的表達。 將取自老年男性個體的細胞（間期無巴氏小體）和取自年輕女性個體的細胞（間期可見巴氏小體）進行單獨或混合培養(yǎng)，并統(tǒng)計其倍增次數(shù)；結(jié)果發(fā)現(xiàn)，混合培養(yǎng)中的兩類細胞的倍增次數(shù)與各自單獨培養(yǎng)時相同，即在同一培養(yǎng)基中，當年輕細胞旺盛增殖的同時，年老細胞就停止生長了。,機體組織細胞壽命的分類,恒久性組織細胞:高度分化的

3、細胞，細胞在出生后便失去分裂和增殖能力，其細胞壽命接近機體的壽命。如神經(jīng)細胞、骨骼細胞和心肌細胞等。 穩(wěn)定性組織細胞:分化程度較高的組織細胞，功能專一，正常情況下沒有明顯的衰老現(xiàn)象，細胞也極少出現(xiàn)分裂現(xiàn)象，但在某些細胞受到破壞喪失時，其余細胞也能進行分裂，以補充失去的細胞，如肝、腎細胞。 更新性組織細胞：執(zhí)行特定功能的細胞，經(jīng)過一定時間后衰老死亡，由新的同類細胞分化成熟補充，直至個體生命結(jié)束，細胞才停止替換。如上皮細胞、紅細胞、白細胞等。 可耗盡組織細胞:細胞在一生中逐漸消耗減少，而不能得到補充，最后消耗殆盡。如人類的卵巢實質(zhì)細胞、胸腺細胞。,三、衰老細胞結(jié)構(gòu)的變化,1、 細胞核的變化 核膜內(nèi)

4、折；染色質(zhì)固縮化；有的細胞核仁發(fā)生裂解。 2、 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的變化 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)趨于解體，總量減少。 3、 線粒體的變化 細胞中線粒體的數(shù)量隨年齡增大而減少，其體積則隨年齡的增大而增大。有的線粒體膜開始解體。,4、致密體的生成 致密體是衰老細胞中常見的一種結(jié)構(gòu)，絕大多數(shù)動物細胞在衰老時都會有致密體的積累。除了致密體外，這種細胞成分還有許多不同的名稱，如脂褐質(zhì)，老年色素等。致密體是由溶酶體或線粒體轉(zhuǎn)化而來。 5、膜系統(tǒng)的變化 由液晶相轉(zhuǎn)變?yōu)槟z相，細胞間間隙連接明顯減少，細胞間代謝協(xié)作減少。,四、細胞衰老的分子機制,1、 氧化性損傷學(xué)說的發(fā)展 認為：代謝過程中產(chǎn)生的活性氧基團或分子引發(fā)的氧化性損傷的積累，最

5、終導(dǎo)致衰老 2、端粒與衰老 3、rDNA與衰老 染色體外rDNA 環(huán)(ERC)的積累，導(dǎo)致細胞衰老，并伴隨著核仁的裂解。,4、沉默信息調(diào)節(jié)蛋白復(fù)合物與衰老 沉默信息調(diào)節(jié)蛋白復(fù)合物，簡稱Sir復(fù)合物，包括Sirl、Sir2、Sir3、Sir4，通常存在于異染色質(zhì)中。功能是阻止它們所在位點的DNA的轉(zhuǎn)錄。 5、衰老基因與衰老 如SGS1基因、WRN基因的缺陷或喪失明顯影響了壽命。 6、線粒體DNA與衰老 雖然線粒體DNA突變的積累對細胞衰老產(chǎn)生一定的影響，然而這可能不是引起衰老的初始原因。 7、DNA 損傷修復(fù)學(xué)說 生物衰老時，細胞修復(fù)損傷DNA 的能力下降, 致使損傷積累, 引起基因及其表達異常

6、，最終引起生物衰老。,P16基因是一種細胞周期負調(diào)控因子，它通過抑制細胞周期蛋白質(zhì)依賴激酶CDK4和CDK6，使細胞周期阻滯于G1期。我國科學(xué)家將P16基因?qū)肴顺衫w維細胞，結(jié)果細胞衰老加快；而將其反義重組載體導(dǎo)入細胞則抑制P16，抑制P16基因表達，不僅使細胞壽命延長，衰老程度減輕，而且使細胞增殖能力與DNA損傷修復(fù)能力加強，端粒長度的縮短也在減緩。目前，研究已初步闡明P16基因是人類細胞衰老的主導(dǎo)基因，是人類細胞衰老遺傳控制程序中的主要環(huán)節(jié)。此項生命科學(xué)基礎(chǔ)研究是中國學(xué)者在人類細胞衰老機理上取得的原創(chuàng)性貢獻，它為科學(xué)界進一步闡明人類細胞衰老問題提供了一條新途徑。,不老嬰兒 美國女孩布魯克格

7、林伯格盡管已17歲大，但她的外表和舉止看上去仍然如同一歲女嬰，她的體重只有7.25公斤，身高也只有0.76米，至今仍然只會牙牙學(xué)語！ 上圖為16歲的布魯克（左）和13歲的妹妹卡莉，下圖為9歲的布魯克（左）和6歲的卡莉 布魯克患上的是一種至今未被診斷出原因、至今尚沒有名字的罕見綜合征，布魯克也許是全世界惟一一個患有這種罕見怪病的人。醫(yī)學(xué)專家們正在對布魯克的細胞和DNA樣本進行研究，科學(xué)家相信，布魯克體內(nèi)某種控制人類衰老的基因發(fā)生了變異，導(dǎo)致她被時間“凍結(jié)”在嬰兒狀態(tài)！如果這種基因能夠被隔離出來，那么就可以對人類為何會衰老和死亡的問題提供重要的線索。,第二節(jié) 細胞凋亡,一、細胞凋亡的概念及其生物學(xué)

8、意義 細胞調(diào)亡指細胞主動的由基因決定的自動結(jié)束生命的過程。由于細胞凋亡受到嚴格的由遺傳機制決定的程序性調(diào)控，所以又稱為細胞編程性死亡（PCD）。 細胞凋亡對于多細胞生物個體發(fā)育的正常進行，抵御外界各種因素的干擾方面都起著非常關(guān)鍵的作用：如 蝌蚪尾的消失。,二、細胞凋亡的形態(tài)學(xué)特征,1、 細胞凋亡與壞死 細胞凋亡是一種主動的由基因決定的細胞自我破壞的過程，而壞死是極端的物理、化學(xué)因素或嚴重的病理性刺激引起的細胞損傷和死亡。 2、 細胞凋亡的形態(tài)學(xué)特征 凋亡的起始 凋亡小體的形成 凋亡小體逐漸為鄰近的細胞所吞噬并消化。,細胞壞死與凋亡的形態(tài)區(qū)別,三、細胞凋亡的生化特征,細胞凋亡的主要特征是： 形成

9、大小為180200bp倍數(shù)特征性的DNA ladders 凋亡細胞組織轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶tTG （tissue Transglutaminase）積累并達到較高水平,細胞凋亡的DNA梯狀圖譜,四、細胞凋亡的分子機理,哺乳動物細胞凋亡的途徑主要有兩條，一條是通過胞外信號激活細胞內(nèi)的凋亡酶caspase、一條是通過線粒體釋放凋亡酶激活因子激活caspase。這些活化的caspase可將細胞內(nèi)的重要蛋白降解，引起細胞凋亡。,1、caspase家族與凋亡 Caspase屬于半胱氨酸蛋白酶，是引起細胞凋亡的關(guān)鍵酶，一旦被信號途徑激活，能將細胞內(nèi)的蛋白質(zhì)降解，使細胞不可逆的走向死亡。它們的一個重要特點是：總是在

10、天冬氨酸殘基之后切斷底物，所以命名為caspase（cysteine aspartate-specific protease）。目前已確定至少存在11種caspase，其中caspase2、8、9和caspase10參與細胞凋亡的起始，caspase3、6、7則是細胞凋亡的執(zhí)行者。Caspase3和caspase7啟動DNA的降解，caspase6啟動核纖層和細胞骨架的崩解。,2、天然的caspase抑制劑 病毒蛋白CrmA、p35，哺乳動物細胞的編程性細胞死亡抑制因子（inhibitor of apoptosis,IAP）家族等，它們通過抑制caspase的活性而抑制細胞凋亡。 3、Bcl2

11、家族 Bcl-2家族是哺乳動物中的原癌基因，與線蟲中的ced-9為同源物。Bcl-2基因最早是從小鼠B細胞淋巴瘤中發(fā)現(xiàn)的，在壽命較長的組織細胞(如心肌細胞、神經(jīng)細胞等)中的表達量較高。和一般的癌基因不同，Bcl-2不能促進細胞的增殖，而是通過抑制細胞凋亡來延長細胞的生存時間，被認為是凋亡抑制基因，其表達產(chǎn)物是膜的整合蛋白，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)至少19個同源物，它們在線粒體參與的凋亡途徑中起調(diào)控作用，能控制線粒體中細胞色素c等凋亡因子的釋放。,4、p53與細胞凋亡 是一種抑癌基因，其生物學(xué)功能是在G期監(jiān)視DNA的完整性。如有損傷，則抑制細胞增殖，直到DNA修復(fù)完成。如果DNA不能被修復(fù)，則誘導(dǎo)其調(diào)亡。 5、

12、線粒體與細胞凋亡 細胞應(yīng)激反應(yīng)或凋亡信號能引起線粒體細胞色素c釋放，作為凋亡誘導(dǎo)因子，引發(fā)caspases級聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致細胞凋亡。,6、線蟲的細胞凋亡相關(guān)基因 秀麗隱桿線蟲（CE）是研究個體發(fā)育和細胞凋亡的理想模型。其生命周期短，細胞數(shù)量少，整個身體呈透明狀，易于觀察。在胚胎發(fā)育期，秀麗隱桿線蟲有1090個體細胞，但在發(fā)育過程中有131個細胞死亡。因此，一個成熟的秀麗隱桿線蟲有959個體細胞和約1 0002 000個性細胞。線蟲的成蟲分雌雄同體和雄性兩種性別，雌雄同體相當于雌性，有6對染色體，約3000個基因。英國的Brenner、Sulston和美國的Horvitz，利用線蟲作為實驗?zāi)Ｐ?，發(fā)現(xiàn)并研究了調(diào)控器官發(fā)育程序性細胞死亡的關(guān)鍵基因及其功能，并進一步在高等哺乳動物中發(fā)現(xiàn)了相關(guān)功能基因，獲得2002年諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎。,通過研究現(xiàn)在已經(jīng)從線蟲中分離出十幾種細胞凋亡的相關(guān)基因。其中ced-3、ced-4促進凋亡，ced-9抑制細胞凋亡，ced-1、ced-2、ced-5、ced-6、ced-7、ced-10和ced-11 7個基因是死亡細胞被吞噬細胞所吞噬的相關(guān)基因。 與線蟲比較，哺乳動物