W.13.细胞衰老与凋亡.ppt

1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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,

7、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。,胸腺细胞正常 凋亡,胸腺细胞正常 凋亡,（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（apoptsi

8、s）。,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

9、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。,2

10、002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。 Sydney Brenner H. Robert Horvitz John E. Sulston,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

11、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

12、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

13、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（Permeabil