《衰老与DNA》PPT课件.ppt

衰老与DNA,差误成灾衰老学说 DNA修复缺陷衰老学说 程序衰老学说 端粒衰老学说,海弗里克极限（Hayflick limit）,海弗里克极限：大部分正常体细胞在体外培养时，不能无限分裂，只能在分裂一定的次数后处于静止状态，这个次数被称为 。 生殖细胞都不存在“海弗里克极限”，可以一直繁衍下去。许多植物和无脊椎动物的体细胞也没有“海弗里克极限”，可通过无性繁殖无限分裂下去。 某些癌细胞不存在“海弗里克极限”，可以无限分裂下去 。,动植物的性成熟期与寿命,*指生物体从生命开始到已具备产生新个体能力的时间。 *寿命与性成熟期的比值,长寿的确有秘诀,国际上公认基因遗传、地理与生活环境、社会背景、饮食习惯是长寿的四大关键因素。 基因巴马县老龄委对当地144位长寿老人进行调查后发现，祖父母寿命超过70岁的占29%和38%，父母寿命超过70岁的为41%和37%；世界卫生组织也认为，人的长寿有15%要取决于遗传因素。 饮食五大长寿乡的饮食结构体现出了高度的一致性：豆类、薯类、玉米、水果吃得多，动物食品吃得很少，而且饭量小。据国际自然医学会调查，5个地方的人日均摄入热量1640千卡，明显低于一般人日均2400千卡的标准。 地理与生活环境基本都位于偏僻地区，民风淳朴，居民热情友好、乐观向上、喜欢清净。 劳动一生专家认为，现代人追求尽兴、刺激，缺少劳动意识，快速的社会节奏又常常使人处于紧张状态，这些对长寿来说都是背道而驰的。,第一节 遗传学基因-程序说,衰老过程与分化发育过程相似，是由早已安排好的遗传程序控制的。 生物成年以后，基因组内“衰老基因”开放，其表达产物能特异地决定生物的寿命。,正常人血红蛋白的类型,正常人发育过程中Hb多肽链合成的演变,（一）衰老基因、 长寿基因与衰老 1. 华纳氏综合征,华纳氏综合征：与遗传有关的衰老病，此病患者较正常人提前数十年出现衰老症状。 1996年发现该病的 WRN 基因位于第 8 对染色体，是首次鉴定的与人类衰老有关的基因。,2.衰老基因,人类细胞衰老的主导基因 p16 是细胞衰老遗传控制程序中的重要环节，可影响细胞寿命与端粒长度。抑制 p16表达，细胞寿命延长，端粒长度缩短减慢；增加p16表达，细胞寿命缩短，端粒长度缩短加快。 美国学者发现，线虫体内daf-2 “衰老基因”，在线虫生命周期的适时抑制 daf-2基因，可使线虫的寿命延长至原来的两倍 。 小鼠身上发现的Klotho基因，导致小鼠早衰。 据报道发现了 60 余种与衰老有关的基因。,2. 长寿基因,蛋白质生物合成延长因子（EF-1）基因转化果蝇生殖细胞，可使培育所得的新品种比其他果蝇寿命延长 40%，因此 EF-1基因被认为是“长寿基因”。 酵母菌中SIR2 基因，控制酵母的寿命。 线虫内存在SIR2.1 基因，如果增加一个同样的基因，使原来只能生存二周的线虫增加到三周，而缺失 SIR2.1基因的线虫寿命则缩短。 中国学者发现 6 种“不老基因”，其中一种可能对癌细胞有抑制作用，一种可能延长人体内细胞的寿命。,（二）细胞生长停滞现象 1. 停滞蛋白（statin),1985 年发现在静止细胞和衰老细胞的胞核中存在一种分子量为 57KD 的核蛋白，称为生长停滞蛋白。 将衰老细胞中 statin的 mRNA 提取出来，将其注入年轻细胞，发现年轻细胞合成 DNA 的能力受到明显的抑制。 Statin可能以某种方式促使细胞从增殖状态进入非增殖状态，从而阻止DNA 的合成以及阻止细胞由 G1 期进入 S期。,2. 细胞凋亡与衰老,1994 年发现了终末蛋白（ terminin protein，Tp)。 Tp有三种分子形式即 Tp90 、 Tp60和 Tp30 . Tp90存在于年轻的增殖细胞和静止细胞， Tp60存在于衰老细胞， Tp30则存在于凋亡细胞。 临床上常见的 Alzheimers disease(AD) 的发生与细胞凋亡及衰老有关。细胞凋亡过盛可能是 AD神经退行性变的原因。至少已发现5 种基因的突变或多型性与 AD有关。,3. DNA合成抑制因子,细胞衰老时DNA合成受阻，且可产生一种 DNA合成抑制因子，抑制DNA 合成的起动。 这种 DNA 合成抑制因子存在于衰老细胞的细胞膜上，其 mRNA 在衰老细胞中含量较高。,第二节 衰老与DNA损伤、修复,由自发的或环境的因素引起DNA一级结构的任何异常的改变称为DNA的损伤(DNA damage)，也称为突变（mutation）。 突变的因素 突变的类型,一、 DNA损伤（突变）,（一）突变的因素 1. 自发因素,自发脱碱基：由于N-糖苷键的自发断裂，引起嘌呤或嘧啶碱基的脱落。每日可达近万个核苷酸残基。 自发脱氨基：胞嘧啶自发脱氨基可生成尿嘧啶，腺嘌呤自发脱氨基可生成次黄嘌呤。每日可达几十到几百个核苷酸残基。 复制错配：由于复制时碱基配对错误引起的损伤，发生频率较低。,2.物理因素,由紫外线、电离辐射、X射线等引起的DNA损伤。 X射线和电离辐射常常引起DNA链的断裂。 紫外线常常引起嘧啶二聚体的 形成，如TT，TC，CC等二聚体。,嘧啶二聚体：TT,3.化学因素,(1)脱氨剂：如亚硝酸与亚硝酸盐，可加速C脱氨基生成U，A脱氨基生成I。 (2)烷基化剂：这类化合物可提供甲基或其他烷基，引起碱基或磷酸基的烷基化，甚至可引起邻近碱基的交联。 (3)DNA加合剂：如苯并芘，在体内代谢后生成四羟苯并芘，与嘌呤共价结合引起损伤。 (4)碱基类似物：如5-FU，6-MP等，可掺入到DNA分子中引起损伤或突变。 (5)断链剂：如过氧化物，含巯基化合物等可引起DNA链的断裂。,点突变（point mutation） 错配（mismatch) 缺失（deletion） 插入（insertion ） 重排（rearrangement）,（二）突变的类型,光修复（light repairing） 切除修复（excission repairing） 重组修复（recombination repairing） SOS修复（SOS repairing）,、DNA的修复 （DNA repairing）,三、衰老与DNA损伤、修复,细胞损伤、修复次数,1967年Alexander 提出DNA损伤可能是衰老的原因。,（一）衰老过程中DNA的修复能力,Painter 和 Cleaver 的研究：以紫外线诱导细胞的DNA修复合成，人类细胞的DNA修复合成较啮齿类动物细胞的高。 Hart 和Satlow 的研究：测定七种动物的成纤维细胞对紫外线诱导的DNA修复合成与动物最高寿命的关系DNA修复合成能力与寿命之间正相关。,（二） DNA损伤剂和衰老,二甲基苯蒽可与DNA反应形成加合物，引起DNA损伤可加速小鼠的衰老进程，寿命缩短。 DNA氧化损伤最常见。Sohl等的动物实验表明：内源性氧化损伤剂产生速率与动物最高寿命之间呈负相关。,（三） DNA修复缺陷的人类遗传性疾病与衰老,（四）线粒体 DNA（mtDNA）和衰老,1963 年 Sylvan 确认了mtDNA的存在。 1989 年 Linnane 等提出“线粒体衰老假说”。 研究表明，与衰老相关的 mtDNA的突变有5种： （1）大片缺失； （2）点突变； （3）插入； （4）D-loop区小的串联重复； （5） DNA 重排。 已在人体心脏、脑等多种组织中检测到这种突变。 mtDNA突变缺失导致衰老和疾病，这可能因线粒体是细胞的供能器官。 mtDNA随增龄损伤缺失积累越来越多，导致能量转换酶系统功能异常，ATP 减少有关。,（五）DNA 甲基化 作用和衰老,DNA甲基化可阻止限制性内切酶对甲基化作用后位点的再作用，以保护宿主 DNA 不被外来 DNA 重感染。 DNA 甲基化可以改变染色质结构及 DNA 与蛋白质的相互作用。 随着生物的衰老，基因组甲基化水平明显下降。,DNA甲基化的理论基础,DNA甲基化：S-腺苷甲硫氨酸上的甲基在DNA甲基转移酶的催化下转移至DNA分子中胞嘧啶环第5位碳原子上，形成5-甲基胞嘧啶(5-mC)的过程。 结构基因中60%90%的CpG是已甲基化的，未甲基化的CpG多见于一些看家基因和组织特异性基因，且往往密集于基因启动子区域和转录起始位点，形成CpG岛。 位于启动子区的CpG发生甲基化时，往往会导致该基因表达的下调，DNA甲基化程度越高，其转录活性越低。,DNA甲基化的调节,（1）外源性调节 膳食中的蛋氨酸、叶酸、能量的供给等均会影响甲基化水平的高低。叶酸是重要的甲基供体，限制叶酸的摄入会导致淋巴细胞DNA的低甲基化。甲基供体的摄入对体内甲基化水平的影响甚大，这提示可通过改善外源性影响因素以维持DNA甲基化的平衡状态。在衰老过程中，伴随着DNA去甲基化的发生，是由于SAM缺乏所致的。 （2）内源性调节 机体内DNA甲基转移酶的活性水平，即甲基转移酶1(Dnmt1)、甲基转移酶3a和3b(Dnmt3a和Dnmt3b)及去甲基化酶。Dnmt1通过维持复制后DNA的甲基化模式来传递甲基化信息，Dnmt3a和3b则可使在原来没有甲基化的DNA双链上使其发生甲基化（从头甲基化）去甲基化酶的作用是使DNA序列脱去甲基基团。,甲基化与衰老的关系,（1）全基因组5-甲基胞嘧啶含量发生增龄性降低 （2）某些特异性基因中的5-甲基胞嘧啶含量发生增龄性升高 （3）衰老与DNA甲基化之间可能相互影响、互为因果,第三节 端粒和细胞衰老,一、中心法则（central dogma）,反中心法则: 在RNA病毒中，其遗传信息贮存在RNA分子中,遗传信息的流向是RNA通过复制，将遗传信息由亲代传递给子代，通过逆向转录将遗传信息传递给DNA，再由DNA通过转录和翻译传递给蛋白质。,DNA复制主要步骤,DNA复制的特点 一、半保留复制 二、有一定的复制起始点 三、需要引物 四、双向复制 五、半不连续复制,末端复制问题,染色体 DNA 在半保留复制过程中， DNA沿 5 3 方向进行，RNA 引物起始聚合反应。DNA 聚合后，RNA 引物被切除，DNA 聚合酶发挥聚合作用填补缺口。 DNA 聚合酶不具备从头合成的能力和 3 5 方向的合成能力，这样 5 末端引物切除后的空隙没法填补就导致了子代 DNA 中的一条逐渐缩短，即所谓的“末端复制问题”。,端粒（telomere）：位于染色体末端，由端粒 DNA 和端粒相关蛋白组成。 端粒DNA：富含GxTy，由简单重复的非编码序列组成，受特殊蛋白质保护，不被核酸酶水解。人的端粒重复序列是 5 -TTAGGG - 3 ，重复长达 15kb。在人的精子细胞和早期胚胎细胞中端粒长度约 1520kb，由端粒酶维持。 端粒相关蛋白：直接或者间接与端粒相结合的蛋白。已经克隆的人类端粒相关蛋白主 要有 TRF1、TRF2、tankyrase 和 UP1等。,二、端粒的结构和功能 1. 端粒的结构,2. 端粒的功能,维持染色体的稳定，抑制染色体之间的融合或染色体的降解，并参与核中的一系列与细胞增殖有关的活动。 多数正常人的体细胞中，端粒 DNA 会随着每次细胞有丝分裂而缩短，当其缩短到一定程度以后，编码区基因被破坏就丧失了对染色体末端的保护能力。 在永生化细胞包括癌细胞中，端粒的长度是相对稳定的。,三、真核生物的端粒酶,端粒酶（telomerase）：保护端粒的特殊蛋白质，是一种核糖核蛋白，是一种逆转录酶，由RNA和蛋白质构成，能识别和结合端粒序列。其中RNA大约有150个核苷酸，富含CxAy，正好与端粒序列GxTy的单链呈杂交结合状态。 真核生物染色体DNA采取线性复制方式。子链5-端的一段RNA引物被水解后，留下的空隙由端粒的端粒酶爬行式复制而不缩短。,模板,端粒酶催化DNA末断复制途径,四、端粒和细胞衰老的关系 1. 关于衰老的端粒假说,1986年，Cooke 在人类性染色体长臂末端发现了端粒，根据体细胞的端粒长度明显短于干细胞端粒长度减少引起的保护能力的下降会限制细胞的增殖能力。 1991年 Harley 等提出了较为完备的端粒-端粒酶假说：正常细胞的端粒缩短到一定程度时会启动终止细胞分裂的信号，使细胞进入第一死亡期 M1 并退出细胞周期而老化。如果细胞被病毒转染或某些抑癌基因发生突变，细胞可越过M1期而继续分裂并进入第二死亡期 M2。这时大部分细胞由于端粒太短而失去功能以至死亡。而极少数的细胞在此时激活了端粒酶，从而使端粒不再缩短，获得无限增殖能力而成为永生化细胞。,2. 端粒长度和细胞衰老的关系,端粒长度和细胞衰老实验证据： 人类的成纤维细胞年轻人成纤维细胞内端粒的平均长度为 1825kb，而老年人成纤维细胞内端粒的平均长度为 810kb ，估计细胞每分裂一次端粒缩短 50100bp 。 人类的甲状腺和甲状旁腺的端粒在 49 岁后以每年9192bp的速率缩短。 体外培养的细胞端粒的长度随细胞逐代相传而缩短，丢失到一定程度便失去对染色体的保护作用，细胞随之发生衰老和死亡。,3. 端粒结合蛋白和衰老的关系,端粒结合蛋白对端粒具有保护作用，在一定程度上可以维持端粒的稳定从而抑制细胞的复制衰老。TRF2 和端粒内的环套结构均对端粒具有保护作用。 TRF2在端粒显著缩短的情况下可以通过抑制端粒和染色体的融合，已达到延迟细胞衰老的作用。当端粒缩短到某一临界点时 TRF2便在端粒上消失。,4. 端粒酶和细胞衰老的关系,在人体胚胎细胞形成后，只有生殖细胞和干细胞表达端粒酶的活性，使端粒保持约15kb的长度；大多数体细胞中不存在端粒酶活性，所以端粒要短得多；淋巴造血干细胞、皮肤基底细胞等少数具有自我更新能力的增殖细胞也有一定的端粒酶活性。 正常体细胞