细胞的衰老与死亡第一节细胞的衰老细胞衰老(cellular aging) ：机体细胞在形态、结构和生理功能逐渐衰退的总现象。一、细胞的寿命细胞，至少是培养的细胞，不是不死的，而是有一定的寿命；它们的增殖能力不是无限的，而是有一定的界限，这就是Hayflick 界限。1.细胞体外传代数与物种的寿命相关与细胞来源个体的年龄成反比Werner's syndrome 小鼠各类细胞的研究二、细胞衰老的表现1.代谢废物积累2.损伤修复学说3.衰老基因学说4.端粒与端粒酶学说5. 自由基的学说代谢废物积累脂褐质(lipofuscin): 细胞衰老时出现的一种棕黄色的小体，主要成分是不溶性的蛋白颗粒，在电镜下可见是由单位膜包裹的。在衰老的神经细胞和肌肉细胞中较多。细胞杂交实验异质双核细胞端粒每条染色体具有两个末端，端粒就是指染色体末端部分，这部分DNA 由上千个重复序列组成。端粒酶端粒酶是一种由蛋白质和RNA 组成的核糖核蛋白酶。具有延长端粒末端重复序列的功能，如果端粒酶活性丧失，端粒将逐渐缩短，从而导致细胞衰老。自由基学说自由基是指在外层轨道上具有不成对价电子的原子或原子团，如“H”、“CH3”……等。自由基氧化能力很强，极易自行结合成为稳定的分子，或与其他物质发生反应产生新的自由基，因此自由基反应一般是连锁反应。自由基的学说细胞死亡及机体死亡细胞死亡机体死亡心跳瞳孔体温脑死亡荧光染色显示，细胞核皱缩，染色质凝聚碎裂，形成凋亡小体；对照细胞核呈现均匀，明亮的荧光。细胞凋亡的形态结构3.细胞凋亡的生化特征细胞核内的DNA 被核酸内切酶特异地在核小体连接段间降解，产生若干由180-200 bp 及其不同倍数组成的寡核苷酸片断。这些DNA 片断在琼脂糖凝胶电泳时呈现梯状DNA 区带图谱（DNA ladder）, 这是最典型的凋亡指标。细胞凋亡与细胞坏死的区别特征特征细胞凋亡与细胞坏死的区别特征细胞凋亡与细胞坏死的区别特征细胞凋亡与细胞坏死的区别特征细胞凋亡与细胞坏死的区别特征细胞凋亡与细胞坏死的区别特征细胞凋亡与细胞坏死的区别特征细胞凋亡与细胞坏死的区别特征细胞凋亡与细胞坏死的区别特征二、细胞凋亡的生物学意义1.线虫的ced 基因决定细胞是否进入死亡程序的基因：Ces1、ces2、egl1 线虫的ced 基因核酸酶基因：nuc-1 哺乳类细胞凋亡的基因调控(1)Caspases 的作用机制Caspases 特异地剪切天冬氨酸残基后的肽键（Asp-x) （2）Bcl-2 (B-cell lymphoma2) 家族抑制细胞凋亡的基因：Bcl-2、Bcl-Xl、Bag1、Bcl-1 促进细胞凋亡的基因：Bax、Bcl-Xs、Bak、Bad Bcl-2/Bax 比例大于50%，细胞存活Bax 同源二聚体占优势，细胞凋亡四、细胞的凋亡与肿瘤的关系系统性红斑狼疮蝌蚪向蛙发育的变态反应中程序性细胞死亡的作用程序性细胞死亡在小鼠脚趾形成中的作用二、细胞凋亡的生物学意义免疫系统 T,B 细胞分化发育皮肤表皮，指甲雌雄同体的秀丽新小杆线虫生命周期短，细胞数量少。其神经系统由302个细胞组成。来源于407个前体细胞与死亡有关的决定基因：ced9 、ced3、ced4、( 促) 抑制与死亡吞噬有关的基因：ced1、2、5、6、7、8、10 正常细胞启动死亡程序ces-2 线虫细胞凋亡相关基因作用示意图走向死亡的细胞ces-1 egl-1 ced-9 ced-3 ced-4 执行死亡程序线虫细胞凋亡相关基因作用示意图死细胞ced-1 ced-2 ced-5 ced-6 ced-7 ced-8 ced-10 nec-1 被吞噬处理线虫细胞凋亡相关基因作用示意图降解细胞线虫细胞凋亡相关基因作用示意图线虫细胞凋亡相关基因作用示意图正常细胞走向死亡细胞死细胞降解细胞启动死亡程序执行死亡程序被吞噬处理ces-2 ces-1 egl-1 ced-9 ced-3 ced-4 ced-1 ced2 ced-5 ced-6 ced-7 ced-8 ced-10 nuc-1 Caspases( 半胱氨酸天冬氨酸酶cysteine-containing aspartatespecific protease ) Bcl-2 家族B-cell lymphoma2 与线虫ced-3 同源CED-3 家族又分为两类，caspase-8、9 能通过自剪接而激活，激活其它caspase；caspase-3、6、7 可降解胞内蛋白，引起凋亡，但不能自剪接激活分为ICE 和CED-3 亚族，前者参与炎症反应，后者参与细胞凋亡选择性地消化蛋白质，使其结构变化或丧失功能切断与周围细胞的联络，DNA 和核的结构及功能受损凋亡小体形成Pro-caspase-2 caspase-2 Pro-caspase-6 Caspase-6 Pro-caspase-7 caspase-7 ICAD（抑制性CAD）CAD（caspase 活化DNA 酶）CDA 进入细胞核内降解DNA 细胞凋亡剪切细胞内结构蛋白caspase-9 共同通路( Effector caspase) Caspase-3 Pro-caspase-3 Pro-caspase-9 Bcl-2 是一种原癌基因，是ced-9 在哺乳类中的同源物，能抑制细胞凋亡。Bcl-2 蛋白的羧基末端有一穿膜的结构域，可与线粒体及内质网膜相结合。存在于线粒体外膜、核膜及部分内质网中。以二聚体形体发挥作用。Bcl-2 家族蛋白的二聚体对凋亡的调控Bax Bax Bax Bcl-XL Bcl-XL Bad Bax Bax Bcl-2 Bcl-2 Bcl-XS Bax 细胞凋亡细胞存活端粒酶与端粒的关系端粒酶在衰老和永生中的作用模型活性降低。酶交联，变性，沉淀。蛋白质氧化，交联，变性断裂，扰乱复制和转录。DNA 不饱和脂肪酸过氧化，流动性下降，脆性增加，脂双层断裂，膜性细胞器受损。生物膜第二节细胞的死亡一、细胞死亡形式与特征 细胞坏死Necrosis 是由于某些外部因素，如：局部缺血、高热以及物理、化学损伤和生物的侵袭等，造成细胞急速死亡而结束其生命。 又称为意外死亡或病理性死亡。细胞凋亡Apoptosis 在一定的生理条件下，细胞在基因调控下，遵循自身的程序，自己结束其生命的过程。最后细胞脱落、离体或裂解为若干凋亡小体，被临近细胞或吞噬细胞吞噬。1.细胞死亡的形式细胞凋亡、坏死的形态变化Contrast ofApoptosis and necrosis Apoptosis Necrosis Death by apoptosis is a neat, orderly process 凋亡小体的形成凋亡小体逐渐为邻近的细胞吞噬并消化细胞表面的特化结构如微绒毛消失，细胞间接触的消失，但细胞膜依然完整；线粒体大体完整，但核糖体逐渐从内质网上脱离，内质网囊腔膨胀，并逐渐与质膜融合；染色质固缩，形成新月形帽状结构等形态，沿着核膜分布。2.细胞凋亡的形态学特征形态学观测人BGC823( 胃癌细胞) 在某一生物碱诱导凋亡后AO/EB 染色结果正常细胞凋亡细胞A、Normal cell B、Apoptosis: Apoptotic bodies 正常( a) 和调亡( b) 的T 细胞杂交瘤细胞的扫瞄电镜照片凋亡小体(apoptotic bodies): 细胞凋亡时，细胞膜内陷将细胞自行分割成多个外有膜包裹、内容物不外泄的小体。Apoptosis 细胞色素c 诱导的凋亡细胞DNA 电泳图1 ．细胞色素c 诱导0 h 2 ．细胞色素c 诱导1 h 3 ．细胞色素c 诱导2 h 4 ．细胞色素c 诱导3 h 5 ．细胞色素c 诱导4 h 6 ．阴性对照7 ．Marker DNA 电泳■内源性核酸内切酶激活Ca2+/Mg2+ 增加核酸内切酶活性Zn2+ 抑制核酸内切酶活性■钙超载（Calcium overload）Ca2+ 载体A23187 B 淋巴细胞内[ Ca2+] ↑诱导B 细胞凋亡（Ca2+ 在细胞凋亡中充当凋亡信号传递的角色）■细胞膜磷脂酰丝氨酸外翻（caspase 激活、PKC 活化、蛋白合成等）其他生化特征细胞凋亡细胞坏死诱导因素生理因素及弱刺激强烈刺激细胞内容物无释放细胞凋亡与细胞坏死的区别细胞凋亡细胞坏死释放细胞凋亡细胞坏死细胞数量单个细胞丢失成群细胞死亡细胞凋亡细胞坏死完整不完整膜完整性细胞凋亡细胞坏死无明显变化肿胀破坏细胞器细胞凋亡细胞坏死染色质凝聚成半月状稀疏呈网状细胞凋亡细胞坏死细胞形状形成凋亡小体破裂成碎片细胞凋亡细胞坏死核DNA 有控降解随机降解细胞凋亡细胞坏死基因调控有无细胞凋亡细胞坏死后果不引起炎症反应引起强烈的炎症反应2002年10月7日英国人悉尼·布雷诺尔、美国人罗伯特·霍维茨和英国人约翰·苏尔斯顿，获诺贝尔诺贝尔生理与医学奖。H. Robert Horvitz John E. Sulston Sydney Brenner １.清除衰老，病理细胞２.胚胎发育３.免疫系统4. 皮肤* * * * 现代人类面临着3种衰老：◆生理性衰老(年龄）◆病理性衰老（早衰）◆心理性衰老（未老先衰）●衰老( senescing，aging) 是机体在退化时期生理功能下降和紊乱的综合表现,是不可逆的生命过程。人的衰老与细胞的衰老相关联。体外培养的年轻和老人成纤维细胞的显微形态140 200 龟25 30 鸡12 3 小鼠细胞可传代数寿命（年）物种（二）细胞的寿命细胞可传代数年龄胚胎40-60 新生儿20-40 15 岁以上10-30 早老症患者2-10 2、不同类型培养细胞传代数早老症儿童与正常儿童的比较婴幼儿早衰症：1岁时衰老，寿命12~18岁，患者DNA 解旋酶发生突变Hutchinson-Gilford syndrome Werner's syndrome 成人早衰症：39岁出现衰老，47岁生命结束短表皮细胞、红细胞、毛囊细胞快更新较长肝细胞、胃壁细胞、肾细胞慢更新最长神经元细胞、肌细胞不更新寿命代表分类3、同一机体不同类型细胞的寿命结构和功能变化细胞膜受损减少、降低信号传导连接协作选择性下降通透性凝胶态或固态、裂隙状态内质网高尔基复合体囊泡肿胀，扁平囊泡断裂崩解，分泌及运输功能衰退溶酶体膜损伤，残余小体增加，消化功能下降细胞骨架微管、微丝、核骨架改变细胞核核膜内折至崩解，染色质固缩，端粒损失蛋白质合成速率下降，某些与衰老相关的蛋白增加排列无序，膜膨胀、崩解,核糖体减少，合成能力下降线粒体体积大数量少 包含物糖原少脂肪多 尼氏体消失二、细胞衰老的表现1. DNA：复制与转录受阻，端粒DNA、mtDNA 缺失。DNA 氧化、断裂、缺失和交联，甲基化程度降低。2. RNA：含量降低。分子水平的变化二、细胞衰老的表现3. 蛋白质：含成下降，发生修饰、交联4. 酶分子：活性中心被氧化，金属离子丢失，酶分子的二级结构，溶解度，等电点发生改变，酶失活。5. 脂类：不饱和脂肪酸被氧化。三、细胞衰老的学说老年斑代谢废物DNA 损伤修复学说DNA 损伤修复DNA 损伤修复不正常基因受损表达异常衰老衰老细胞年轻细胞年轻细胞核的DNA 合成受到抑制衰老基因学说阻遏基因阻遏物阻遏衰老基因（抑制基因）抑制剂（蛋白质）一定拷贝数阻遏基因阻遏物阻遏衰老基因（抑制基因）抑制剂（蛋白质）DNA、蛋白质合成受阻、细胞衰老死亡拷贝数不足长寿基因C. elegans 平均寿命3.5天，age-1 单基因突变，可提高平均寿命65%，提高最大寿命110%。端粒与端粒酶学说*
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