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第十三章 细胞衰老与凋亡第一节 细胞的衰老 又称老化，指细胞随着年龄的增加，机能和结构发生退行性变化，趋向死亡的不可逆的现象。衰老和死亡是生命的基本现象，衰老过程发生在生物界的整体水平、种群水平、个体水平、细胞水平以及分子水平等不同的层次。一、人体细胞的动态分类：1. 更新组织：如上皮细胞、血细胞。构成更新 组织的细胞可分为类： 干细胞、 过渡细胞、成熟细胞。2. 稳定组织：可补偿性增生，如：肝、肾细胞。3. 恒久组织：细胞不再分裂，如神经、骨骼、心肌细胞。4. 可耗尽组织：如人类的卵巢实质细胞。二、细胞衰老的特征（一）形态变化核 增大、染色深、核内有包含物 染色质 凝聚、固缩、碎裂、溶解 质膜 粘度增加、流动性降低 细胞质 色素积聚、空泡形成 线粒体 数目减少、体积增大 高尔基体 碎裂包含物 糖原减少、脂肪积聚 核膜 内陷 （二）分子水平的变化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。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、细胞衰老的分子机理（一）遗传论学派 1、细胞有限分裂学说细胞寿命 Hayflick的界限细胞最大分裂次数，是指这种细胞在体外培养下所能进行分裂次数的极限，这个极限实质上与该种动物的平均寿命呈明确成正比关系。例: 胚胎成纤维细胞的Hayflick界限，龟为90125，人为4060，鸡1535，小鼠是1428。其次细胞所能分裂的次数与提供细胞的个体年龄呈反比关系。例:人类成纤维细胞：胚胎在50左右，婴儿3040，成人的1020，这些培养细胞若放在196液N中冷冻保存，当复苏后再培养，其所能进行的分裂次数仍是最大分裂次数减去已分裂过的次数，由此表明细胞衰老过程完全是按照预定程序进行的。细胞增殖次数与端粒DNA长度有关：体细胞中的端粒酶活性被抑制，chr端粒DNA序列随分裂次数增加而递减，当其长度缩短到某临界值，则有信号指令使该细胞脱离细胞周期。体细胞中的TRFs（端粒限制性片段）长度是511kb，每一步约缩短1050bp左右，因此有人说，端粒序列缩短消减是正常体细胞复制老化的有丝分裂钟。而生殖细胞和癌细胞中，端粒酶活性不受抑制，能维护其序列长度，因此具有永生分裂能力 。癌细胞之所以在体外培养下能无限传化增殖，是因为其细胞核中的chr组型和遗传特性皆发生了本质性的变化故不受Hayflick的界限的规律支配。2、重复基因失活学说：如哺乳动物rRNA基因数随年龄而减少。3、衰老基因学说: 子女的寿命与双亲的寿命有关； 各种动物都有相当恒定的平均寿命和最高寿命； 成人早衰症：平均39岁时出现衰老，47岁生命结束； 婴幼儿早衰症：1岁时出现明显的衰老，1218岁生命结束， 早衰症患者体内解旋酶发生突变。（二）差错学派1. 生物大分子合成错误成灾假论 ： 催化合成 细胞内发生过程的微少错误通过酶 核酸 模板合成 的合成循环可能迅速扩大，引发大量连续性错误，最终导致细胞代谢功能降低，衰老因子和有害代谢废物的累积，酿成衰老和死亡。代谢废物积累：如：脂褐质2、自由基攻击：细胞中的生物氧化过程会产生一些高活性的副产品和中间产物，它们都带有未配对的自由电子，故称为自由基，自由基能随机性损伤多种细胞组分，导致细胞结构和功能的衰败（如衰老因子的积累，细胞膜磷脂的损伤，蛋白质的变性及DNA复制错误）从而引起细胞衰老。活性O基团或分子（ROS）有： O2超氧自由基、 H2O2过氧化氢、 OH羟自由基。正常细胞内存在清除自由基的防御系统： 酶系统：超氧化物歧化酶(SOD)，过氧化氢酶(CAT)，谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-PX)； 非酶系统：维生素E，醌类等电子受体。第二节 细 胞 凋 亡死亡是生命的普遍现象，但细胞死亡并非与机体死亡同步。正常的组织中也发生细胞死亡，它是维持组织机能和形态所必需的。一、细胞死亡的方式（一）细胞坏死（necrosis）：是细胞受到急性强力伤害时立即出现的反应:早期表现为细胞膜破坏，线粒体肿胀。继而溶酶体破裂,细胞内容物流出, 引起炎症。（二）细胞凋亡（cell apoptosis）： Kerr（ 1972）最先提出，与细胞坏死的区别是：细胞通过出芽的方式形成许多凋亡小体；凋亡小体内有结构完整的细胞器；不引起炎症；线粒体无明显形态变化，溶酶体活性不增加；内切酶活化，DNA有控降解，凝胶电泳图谱呈梯状；凋亡通常是生理性变化，而细胞坏死是病理性变化。（三）细胞程序性死亡动物细胞在正常生理控制下，按照内在的发育程序分别在特定发育阶段自发衰亡，称为细胞程序化死亡（programmed cell death） （PCD） ，或称细胞凋亡（apoptsis）。PCD现象普通存在于依赖激素调控的组织细胞中：typical example：哺乳母体在断奶期间，其乳腺中的分泌型上皮细胞皆在几天出现PCD消失，同时，脂肪细胞重新被激活而贮存脂类。弄清上述变化的机制对了解乳腺癌发生有重要意义。因已知乳腺癌的高发群体，往往是由于分泌型上皮细胞未进行PCD，而构成病灶基础（母亲）。关于PCD的基因调控机制是从线虫(Caenorhabditis elegans)研究中首先得知的，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）。线虫成体仅1090个细胞，其个体发育中有131个细胞先后发生PCD，如神经系统由302个细胞组成，这些细胞来自于407个前体细胞，也就是说105个细胞发生了程序性死亡。已知线虫PCD与11种基因调控有关，其中3种基因Ced-3、Ced-4和Ced-9是程序调控的关键：ced3和ced4是PCD正调控基因，作用是诱发凋亡。若这两个基因发生突变，则该死的细胞不死，反倒分化出异常表型。而ced9则是PCD的负调控基因，它的表达对ced3和ced4的功能是限时抑制的。现已知人类肿瘤发生过程也有类似的PCD 基因调控现象。例1：B cell淋巴瘤中，bcl-2基因类似ced9，能抑制淋巴细胞 PCD。例2：肿瘤细胞中的 myc 癌基因，其表达类似ced 3、 ced4，能促进PCD。 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，因在细胞程序性死亡方面的研究获诺贝尔诺贝尔生理与医学奖。细胞程序化死亡与细胞坏死性死亡（necrocytosis）的区别：PCD在属于正常生活下基因调控的主动性自然凋亡，而necrocytossi是由于意外发生的外界因素损伤所致的被动性病理伤亡，他们的形态特征区别主要有：PCD 细胞不引起邻近组织发生炎症反应，而坏死性细胞会引起周围炎症。 核DNA的琼脂糖电泳结果，PCD 细胞呈现的梯状 分布带图谱，而坏死细胞呈现的是弥散状连续分布图谱。二、细胞凋亡的分子机理（一）细胞凋亡相关基因与细胞增殖有关的原癌基因和抑癌基都参于对细胞凋亡的凋控。其中研究较多的有bcl-2 c-myc、p53、Ice、Fas/APO-1等。1、myc c-myc对增殖和凋亡的调节是一样的。当生长因子存在，bcl-2基因表达时，促进细胞增殖，反之细胞凋亡。2、bcl-2 细胞凋亡抑制基因，名称来源于B-细胞淋巴瘤/白血病-2(B-cell lymphoma/Leukemia-2，bcl-2)。bcl-2 能够编码bcl-2（26KD）和bcl-2（22KD）两种蛋白质，是膜的整合蛋白，主要存在于线粒体外膜、核膜及部分内质网中。bcl-2的功能相当于线虫中的ced9。3、fas fas又称作APO-1，属TNF受体和NGF受体家族。1993年人白细胞分型国际会议统一命名为CD95。fas基因编码产物为分子量45KD的跨膜蛋白。Fas蛋白与Fas配体组成Fas系统，二者的结合导致靶细胞走向凋亡。4、ICE蛋白酶家族ICE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。ICE又称为Caspase，能选择性降解蛋白质。ced-4在哺乳动物中的同源体为Apaf-1 (apoptotic protease activating factor-1)，能激活Caspase3 ，这一过程需要细胞色素c(Apaf-2)和Apaf-3的参与。 （二）Fas诱导的细胞凋亡:Fas与配体（如TNF）结合发生三聚化， 使胞内的DD 区（ Death domain）与接头蛋白FADD的DD区结合。FADD N-端通过DED区（death effector domain）与Caspase-8前体结合，Caspase-8通过自剪接激活。 Caspase-8引起caspase级联反应，激活Caspase-3、6、7。Caspase可降解结构蛋白、信号蛋白、转录调控蛋白、周期蛋白等等。 Caspase还可降解CAD的调节蛋白，释放出CAD，CAD进入细胞核，在核小体连接部位降解DNA。 CAD 为caspase-activated Dnase，存在于胞质中。 线粒体在CD95诱导的凋亡中的作用： Caspase引起线粒体PT（Permeability t