细胞生物学[第十三章程序性细胞死亡与细胞衰老]课程预习

1、第十三章 程序性细胞死亡与细胞衰老衰老 （aging ，senescence， senility） 又称老化，通常指生物发育成熟后， 在正常情况下随着年龄的增加，机能减退，内环境稳定性下降，结构中心组分退 行性变化，趋向死亡的不可逆的现象。、程序性细胞死亡（ 一 ） 动物细胞的程序性死亡动物细胞的死亡方式主要包括三种：凋亡、坏死和自噬。1 细胞凋亡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。 由于细胞凋亡受 到严格的由遗传机制决定的程序性调控，所以也常常被称为细胞编程性死亡（programmed cell death , PCD。PCD最初是发育生物学中提出的概念，其含义是发育过程中

2、（例如幼虫发育为成虫 ）发生的某类细胞 （例如肌肉细胞 ）的大量死亡，而这种细胞死亡要求一定的基因表达。（1）形态学特征。1）凋亡起始。该时期特征主要为：骨架杂乱，细胞间接触消失，细胞间粘附力下降；细胞质和核浓缩，显微镜下观察可发现细胞膜发泡，染色质凝集, 一沿着核膜形成新月形帽状结构；内质网腔膨胀，核糖体从内质网上脱落, 随着这些变化凋亡小体逐渐形成。2）凋亡小体形成。 随着细胞膜内折，染色质断裂成片断，染色质片断及线粒 体等细胞器反折的细胞膜包围并逐渐分开，形成单个的凋亡小体。3) 凋亡小体消失。 凋亡小体被邻近的细胞或巨噬细胞识别吞食及消化。 该过 程一般较快， 从凋亡开始到凋亡小体形成

3、不过几分钟的时间， 整个凋亡过程大约 持续几个小时。(2) 生化特征。1)染色质DNA的降解：由于内源性核酸内切酶基因的活化和表达，激活核酸 内切酶，使染色质DNA降解成片段大小有规律的(200bp的倍数)的寡核苷酸小体,在进行琼脂糖凝胶电泳时，可见特征性的梯状DNA条带(ladder)。2) 细胞内钙离子浓度的快速、持续的升高。(3) 细胞凋亡的生理意义。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。 通过细胞凋亡， 有机体得以清除 不再需要的细胞，而不引起炎症反应。 另一方面， 细胞凋亡的失调包括不恰当的 激活或抑制会导致疾

4、病，例如 Alzheimer 氏病、各种肿瘤、艾滋病以及自身免疫 病等。(4) 细胞凋亡的检测方法。1) 形态学观察。有的染料如台盼蓝为活细胞排斥，但是可以使死细胞着色。或者DAPI或Giemsa染色在显微镜下观察细胞核的形态。2)DNA电泳。细胞凋亡时，细胞内特异性核酸内切酶活化，染色质DNA在核小体间被特异性切割，DNA降解成180200bp或其整数倍片段，电泳时呈现梯 度条带。3) TUNEL测定法。借助一种可观测的标记物，对 DNA中产生的3 -0H末端进行原位标记，用荧光显微镜即可进行观察。4) 彗星电泳法。 将单个细胞悬浮于琼脂糖凝胶中，经裂解处理后，再在电场 中进行短时间的电泳，

5、并用染料染色。凋亡细胞中的DNA片段在电场中泳动速度 较快，呈现出彗星式图案，而正常细胞的无 DNA端粒的核在泳动时保持圆球形。5）流式细胞仪分析。与正常完整的二倍体细胞相比，凋亡细胞DNA发生断裂和丢失，呈亚二倍体状态。采用碘化丙锭染色使。DNA产生激发荧光，流式细胞仪能够检测出凋亡的亚二倍体细胞。（5）细胞凋亡的分子机制。Caspase 是近年来发现的一组存在于胞质溶胶中的结构上相关的蛋白酶，其 一个重要共同点是特异性断开 Asp 残基后的肽键，切割通常只发生在少数位点（ 一般只有一个 ） 。主要是在结构域间的位点上， 切割的结果是活化某些蛋白或使 某些蛋白失活，但从不完全降解一种蛋白质，

6、是细胞凋亡中一组重要的酶类。Casoases活化途径有两条：一是经细胞表面受体活化caspase2、8、10，通过这几个再活化 caspase3、7 等凋亡执行因子，启动凋亡过程； 二是经线粒体中 的细胞色素c激活caspase9，再由caspase9激活下游凋亡执行因子，启动细胞 凋亡。此外，还存在非 caspase 依赖性的细胞凋亡途径。2 细胞坏死细胞坏死是细胞受到化学因素 （如强酸、强碱、有毒物质 ）、物理因素（如热、辐射） 和生物因素 （如病原体）等环境因素的伤害，引起细胞死亡的现象。坏死细胞的形态改变主要是由下列 2种病理过程引起的，即酶性消化和蛋白变性。细胞坏死初期， 胞质内线粒

7、体和内质网肿胀、 崩解，结构脂滴游离、 空泡化， 蛋白质颗粒增多，核发生固缩或断裂。随着胞质内蛋白变性、凝固或碎裂，以及 嗜碱性核蛋白的降解， 细胞质呈现强嗜酸性， 故坏死组织或细胞在苏木精伊红 染色切片中， 胞质呈均一的深伊红色， 原有的微细结构消失。 在含水量高的细胞， 可因胞质内水泡不断增大，并发生溶解， 导致细胞结构完全消失， 最后细胞膜和 细胞器破裂，DNA降解，细胞内容物流出，弓I起周围组织炎症反应。细胞凋亡与细胞坏死的比较：（1）细胞凋亡中细胞变圆、微绒毛消失、膜皱缩胞质浓缩，ER扩张与质膜融合核浓缩，染色质边集形成凋亡小体，无炎症反应。而细胞坏死中，细胞膨胀、ER Mi、核肿胀

8、溶酶体膜破坏细胞溶解，有炎症反应。(2) 细胞凋亡中出现DNA梯状带(DNAIadders)。而细胞坏死中无 DNA梯状带。3 细胞自噬正常的动物细胞为了维持细胞内环境的动态平衡， 需要不断降解功能失常或 不需要的细胞结构，如各种蛋白质、细胞器以及各种胞质成分。通常，寿命较短 的蛋白质如调控蛋白通过泛素一蛋白酶体系统进行降解。 而寿命较长的细胞结构 或蛋白质则通过细胞自噬途径，由溶酶体进行降解。( 二) 植物细胞和酵母细胞的程序性死亡植物细胞凋亡的研究开始较晚，最早提出植物中存在细胞凋亡的是1994 年 发表的关于拟南芥的过敏反应中出现细胞程序性死亡的报道。 与动物中一样， 细 胞凋亡存在于正

9、常的植物发育、 对环境胁迫的反应和病原体入侵引发的过敏反应 中。酵母是单细胞生物，细胞的“自杀”就相当于结束了个体的生命，长期以来 认为酵母的这样的单细胞生物的程序性死亡是对个体不利的， 但是近年来有实验 证据表明在酵母中同样存在程序性死亡，此项研究仍在初期阶段。、细胞衰老( 一) 细胞衰老的概念与特征细胞衰老 (ceIIuIar aging) 即原来具有分裂能力的细胞随着整体年龄增长 而减缓或停止分裂的 现象。HayfIick 界限： HayfIick 通过观察人的正常二倍体成纤维细胞在体外连续 培养的状况，发现无论怎样完善培养条件， 正常细胞的分裂增殖能力都是有限的， 不能无限分裂。 正常

10、细胞体外培养只能分裂有限的次数， 这一现象称为 HayfIick界限。另外，细胞的分裂代数与细胞供体本身的年龄呈反比， 取正常人胚胎的成纤 维细胞传代培养，能分裂繁殖 4060代，如果取自青年人或老年人的成纤维细胞进行培养，细胞的分裂代数明显减少。细胞衰老的特征：(1) 细胞内水分减少，致使细胞脱水收缩，体积变小。(2) 细胞色素颗粒沉积增多，如脂褐素在胞浆中沉积随老年化过程而增加， 如肝细胞、肌细胞和神经细胞中的积聚更为明显。(3) 细胞器的衰老变化：细胞膜的流动性降低：衰老的细胞膜发生脂质过 氧化反应，流动性明显减弱， 因而细胞的兴奋性降低； 线粒体的数量随着年龄 的增大而减少， 而其体积则随着年龄的增大而增大； 高尔基复合体的分泌功能