第13章细胞衰老与凋亡

第十三章 程序性细胞死亡与细胞衰老第一节、程序性细胞死亡第二节、细胞衰老第一节 程序性细胞死亡(programmed cell death,PCD ) 细胞凋亡的概念 细胞凋亡的形态学和生物化学特征 细胞凋亡的分子调控机理一、细胞凋亡的概念及其生物学意义 概念：细胞凋亡是一个主动的由基因决定的自动结束生命的过程，所以也称细胞编程死亡（ programmed cell death, PCD）。 生物学意义：细胞凋亡对于多细胞生物个体发育的正常进行，自稳平衡的保持以及抵御外界各种因素的干扰方面都起着非常关键的作用。 例如： 蝌蚪尾的消失， 脊椎动物的神经系统的发育， 发育过程中手和足的成形过程 。二、细胞凋亡的形态学和生物化学特征 细胞凋亡与坏死 (necrosis) 细胞凋亡的形态学特征 细胞凋亡的生化特征 诱导细胞凋亡的因子 细胞凋亡的检测 凋亡是主动的由基因决定的细胞自我破坏的过程。 坏死是极端刺激引起的细胞损伤和死亡 细胞凋亡过程中，细胞质膜反折，包裹断裂的染色质片段或细胞器，然后逐渐分离，形成众多的凋亡小体（apoptotic bodies），凋亡小体则为邻近的细胞所吞噬。整个过程中，细胞质膜保持良好的整合性，死亡细胞的内容物不会逸散到胞外环境中去，因而不引发炎症反应 。 在细胞坏死时，细胞质膜发生渗漏，细胞内容物，包括膨大和破碎的细胞器以及染色质片段，释放到胞外，导致炎症反应。坏死细胞 凋亡细胞p正常细胞细胞核完整；p凋亡细胞染色质凝集，细胞核分解。细胞凋亡的生化特征细胞凋亡的生化特征 细胞凋亡的主要特征是形成大小为 180 200bp特征性的 DNA ladders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 h2细胞色素 c诱导 1 h3细胞色素 c诱导 2 h4细胞色素 c诱导 3 h5细胞色素 c诱导 4 h6阴性对照7 Marker（ 自赵允、翟中和）诱导细胞凋亡的因子诱导细胞凋亡的因子 物理性因子，包括射线（紫外线， 射线等），温度刺激（如热激，冷激）等 化学及生物因子：包括活性氧基团和分子， DNA和蛋白质合成的抑制剂，激素，细胞生长因子，肿瘤坏死因子 （ TNF） 等。细胞凋亡的检测细胞凋亡的检测 形态学观测：染色法、透射和扫描电镜观察 DNA电泳： DNA片段就呈现出梯状条带 TUNEL测定法，即 DNA断裂的原位末端标记法 彗星电泳法（ comet assay） 流式细胞分析三、细胞凋亡的分子调控机理线虫是研究个体发育和细胞程序性死亡的理想材料（生命周期短，细胞数量少）。线虫神经系统由 302个细胞组成。这些细胞来自于 407个前体细胞。 控制线虫细胞凋亡的基因主要有 3个 ,Ced-3、 Ced-4和 Ced-9 Ced-3和 Ced-4的作用是诱发凋亡； Ced-9抑制 Ced-3、 Ced-4的作用。 与细胞增殖有关的原癌基因和抑癌基因都参于对细胞凋亡的凋控。其中研究较多的有 Caspase、 bcl-2 、 c-myc、 p53、 Fas/APO-1等（一）细胞凋亡相关基因Caspase家族与凋亡 Caspase 活性位点是半胱氨酸 (Cysteine)，裂解靶蛋白位点是天冬氨酸残基后的肽键，因此称为天冬氨酸特异性的半胱氨酸蛋白水解酶。 Caspase蛋白酶参与Fas诱导的细胞凋亡，与线虫细胞凋亡基因 ced-3同源。Caspase活化Caspase两类， 起始 者 和 执行者 ，自身以非活化的 Procaspase存在1. 起始者：自体活化，可以自剪切而激活。当 天冬氨酸 后的肽键被切断后，变成大小两个亚基，从而具有活性。包括：caspase2,8,9,10， 112. 执行者：异体活化，其激活依赖于 起始者 Caspase，负责切割细胞核与细胞质中的结构蛋白和调节蛋白，包括caspase3,6,7Fas诱导的细胞凋亡途径 凋亡信号通路配体（如肿瘤坏死因子）与 Fas结合，使得 Fas三聚化 -与接头蛋白（ FADD）结合（接头蛋白具有与 caspase8,10结合的能力） -caspase8,10能够自剪切而激活 -启动 caspase级联反应，使得caspase3,7激活 -降解胞内的功能蛋白和结构蛋白，使细胞凋亡。下游 Caspases活化后，作用底物：p 裂解核纤层蛋白，导致细胞核形成凋亡小体；p 裂解 DNase结合蛋白，使 DNase释放，降解 DNA形成 DNA Ladder;p 裂解参与细胞连接或附着的骨架和其他蛋白，使凋亡细胞皱缩、脱落，便于细胞吞噬 。Fas参与的细胞凋亡途径Bcl-2家族、线粒体与细胞凋亡 Bcl-2是 ced-9在哺乳类中的同源物，能延长细胞生存，抑制细胞凋亡； Bcl-2蛋白的羧基末端有一穿膜的结构域，与线粒体及内质网膜相结合。BCL-2家族成员Bcl-2家族根据结构特点可以分为三个亚家族：Bcl-2亚家族，抑制细胞凋亡的作用，含有所有的 BH结构域；Bax亚家族，包括 Bax、 Bak，一般只含 BH1、 BH2、 BH3三种结构域；BH3亚家族，包括 Bad、 Bik、 Bid，一般只含 BH3结构域。后两种具有促进细胞凋亡的作用。Bcl-2、 线粒体与线粒体与 细胞凋亡细胞凋亡 当 Caspase8活化后，它一方面作用于 procaspase3，另一方面使 Bid裂解成 2个片段，其中含 BH3结构域的 C-端片段被运送到线粒体，与 Bcl-2/Bax的 BH3结构域形成复合物，导致细胞色素 C释放。 CytC与胞质中 Apaf-1(凋亡酶活化因子 )结合并活化 Apaf-1，活化的 Apaf-1再活化 Procaspase9，最后引起细胞凋亡。细胞凋亡的途径总结植物的细胞凋亡 与动物细胞凋亡不同的是，植物细胞凋亡后细胞内含物被细胞壁固定在原处，然后被液泡中的水解酶水解。第二节 细胞衰老(cellular aging或 cell senescence) 人的寿命 衰老的涵义 Hayflick界限 (Hayflick Limitation） 细胞在体内条件下的衰老 细胞衰老的分子机理人的寿命应该有多长？人的寿命应该有多长？ 哺乳类动物的寿命应该是其生长期的 5-7倍。 人的生长期是最后一颗牙齿长出来的时间 (20-25岁 )。 因此人的寿命应该为 100-175岁，正常应该是 120岁。遗传、性别、工作环境、营养等“衰衰 ”与与 “老老 ” “ 衰 ” 是指功能或体力的减退。 “ 老 ” 是指年龄超过某一界限。 衰老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。衰老是客观存在的，是细胞生命活动的客观规律。机体的衰老与细胞的衰老是相关联的。复制衰老一、 Hayflick界限 (Hayflick Limitation） 概念： 关于细胞增殖能力和寿命是有限的观点。细胞，至少是培养的二倍体细胞，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