细胞衰老与死亡.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一节细胞的衰老,衰老(aging/senescence),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，结构组分退行性变化，趋向死亡的不可逆现象。,衰老过程发生在生物界的整体水平、细胞水平和分子水平等不同的层次上。,细胞衰老,：指细胞在正常环境条件下发生的细胞生理功能和增殖能力减弱以及细胞形态发生变化并趋向死亡的现象。,生长发育衰老死亡是生物的普遍规律,对单细胞生物来讲，细胞的衰老死亡和机体的衰老死亡是统一的概念；而对多细胞生物来讲两者是不同的。,在有机体漫长的生命历程中，经历着无数次的新老细胞的更替，如血液中的红细胞和白细胞，各种上皮细胞等。,然而，重要器官的细胞衰老死亡却是机体衰老死亡的基础或直接原因。,二、Hayflick界限（即最大分裂次数）,细胞的增殖能力与供体年龄有关,胚胎组织：成纤维细胞 死亡,成年组织：成纤维细胞 死亡,50次,1530次,二、Hayflick界限（即最大分裂次数）,图12-2 物种的寿命与体外培养时细胞传代次数的关系,细胞在体外传代的次数，与物种寿命有关,松弛素B,离 心,细胞核,胞质体,年老,年轻,杂交,分裂,年老,年轻,杂交,不分裂,决定细胞衰老的因素在细胞核内部,实验表明,体外培养的细胞具有增殖分裂的极限,细胞的增殖能力与供体年龄有关,动物细胞在体外传代的次数，与物种寿命有关,决定细胞衰老的因素在细胞核内部，不在外部环境和细胞质。,三、细胞衰老的变化,细胞衰老的,形态学变化,细胞衰老的生化变化,1、细胞内水分减少,衰老细胞：,细胞收缩,体积缩小,原因：细胞内亲水胶体系统的胶粒失去电荷，胶体失水，导致细胞硬度增加，代谢速率减慢。,二、致密体的形成,衰老细胞中常沉积着一些色素或腊样物质，叫脂褐素或,致密体,。,脂褐素主要是由溶酶体转化而来的。,在分裂指数低或不分裂的细胞积聚明显。,散在的脂褐质颗粒,无脂褐质,脂褐素成簇,出生的小鼠,3-5月龄,老年,图12-3 细胞内的脂褐素,A.光镜下细胞内的脂褐素 B.电镜下细胞内的脂褐素,3、细胞核的变化,核膜内折是衰老细胞核结构中最明显的变化。,染色质固缩化,细胞核增大,核小体DNA变短,4、细胞膜的变化,膜流动性减弱,膜组成和结构改变,膜选择透过性降低,5、细胞质的变化,内质网的变化,内质网排列无序，膜腔膨胀，膜面上核糖体减少,线粒体的变化,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。线粒体DNA的损伤程度增加，线粒体DNA的转录产物减少,高尔基体变化,囊泡肿胀、断裂、崩解,（二）细胞衰老的生物化学改变,1、核酸的改变。DNA：从总体上DNA复制与转录在细胞衰老时均受抑制，但也有个别基因会异常激活，端粒DNA丢失，线粒体DNA特异性缺失，DNA氧化、断裂、缺失和交联，甲基化程度降低。,RNA：mRNA和tRNA含量降低。,2、蛋白质：含成下降，细胞内蛋白质发生糖基化、氨甲酰化、脱氨基等修饰反应，导致蛋白质稳定性、抗原性，可消化性下降，自由基使蛋白质肽断裂，交联而变性。氨基酸由左旋变为右旋。,3、酶分子：活性中心被氧化，金属离子Ca2+、Zn2+、Mg2+、Fe2+等丢失，酶分子的二级结构，溶解度，等电点发生改变，总的效应是酶失活。,四、细胞衰老的机制,细胞内程序衰老学说,自由基与生物膜学说,端粒与端粒酶学说,rDNA与衰老,Sgs1、WRN基因与衰老,线粒体DNA与衰老,差错灾难学说,免疫调节学说,干细胞调控衰老最新学说,（一）细胞内程序衰老学说,衰老基因,阻遏物基因,（二）自由基与生物膜学说,自由基是,一类瞬时形成的含不成对电子的原子或功能基团。,AB A+B A和B就称为自由基,主要包括：氧自由基（如羟自由基OH、O,2,和H,2,O,2,）、氢自由基（H）、碳自由基、脂自由基,自由含有未配对电子，具有高度反应活性，,与其他物质反应时，力图得到电子。,(1)衰老是由自由基对细胞成分的有害攻击。,(2)这里所指的自由基，主要是氧自由基。,自由基引起脂质过氧化，膜饱和脂肪酸相对增多使膜变得刚性，严重影响生物膜的功能,维持体内适当水平的抗氧化剂和自由基清,除剂水平可以延长寿命、推迟衰老！,自由基的清除,自由基清除系统包括酶促反应和非酶促反应两部分。,酶促反应所需酶：谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-PX)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(PXP)及过氧化氢酶(CAT)。,非酶促反应的作用物质：主要是一些低分子的化合物，包括谷胱甘肽(GSH)、维生素C、-胡萝卜素、维生素E、半胱氨酸。,（三）,端粒与端粒酶学说,Harley,于,1990,年提出细胞衰老端粒假说,内容：高度分化的体细胞内,端粒酶活性处于抑制状态,，细胞分裂时DNA不完全复制引起端粒DNA的少量丢失，随着细胞分裂次数的增加，端粒不断缩短。当端粒缩短到临界长度时引发了Hayflick极限，细胞不再分裂，走向衰亡.,（四）rDNA与衰老,酵母细胞中ERC增加，导致细胞衰老！,ERC?,（五）Sgs1、WRN基因与衰老,Sgs1、WRN具有同源序列，编码DNA解旋酶。发生突变时导致衰老。,线粒体DNA与衰老,mtDNA的缺失突变积累，导致细胞衰老。,（七）差错灾难学说,最早由Medvedev(1961)和Orgel(1963)提出。错误的信使RNA(mRNA)可以转录、翻译成错误的蛋白质。错误的蛋白质逐渐增多，破坏了正常的生理功能，给机体带来灾难。,（八）免疫调节学说,下丘脑、垂体、肾上腺有如机体的“生物钟”，是调节衰老过程的主要场所，衰老时神经内分泌系统的功能变化导致或调控着全身功能的退行性变化。,（九）干细胞调控衰老最新学说,第二节 细胞死亡,细胞死亡有两种方式，即坏死和凋亡。,坏死（necrosis),是指极端的物理、化学因素或严重的病理性刺激引起的细胞损伤和死亡。细胞膜发生渗漏，细胞内容物释放到胞外，导致炎症反应。,细胞凋亡(apoptosis),是一种主动的、由基因决定的细胞自我破坏的过程，也称为细胞程序性死亡（programmed cell death,PCD)。细胞凋亡时细胞膜的完整性保持良好，不引发炎症反应。,细胞程序性死亡（PCD）是一种基因指导的细胞自我消亡方式,PCD和细胞凋亡的区别在以下方面：,PCD是功能性概念，凋亡是形态学概念。,PCD的最终结果是凋亡，但凋亡并非都是程序化的。,PCD存在于胚胎发育过程中；凋亡即可存在于成体细胞，也可存在于发育过程中。,细胞凋亡与坏死的区别,Differences of apoptosis and necrosis,Apoptosis,染色质固缩,形成凋亡小体,细胞膜完整,没有炎症反应,死细胞被吞噬,只影响自身细胞,Necrosis,没有染色质固缩,细胞膜发生渗漏,炎症反应,影响其他细胞,表12-3 细胞凋亡和细胞坏死的区别,区别点,细胞坏死,细胞凋亡,起因,范围,细胞膜,染色质,细胞器,细胞体积,凋亡小体,基因组DNA,调节过程,炎症反应,生理或病理性,病理性变化或剧烈损伤,单个散在细胞,大片组织或成群细胞,保持完整，一直到形成凋亡小体,破损,凝聚在核膜下呈半月状,呈絮状,无明显变化,肿胀、崩解,固缩变小,肿胀变大,有，被邻近细胞或巨噬细胞吞噬,无，细胞自溶，残余碎片被巨噬细胞吞噬,有控降解，电泳图谱呈梯状,随机降解，电泳图谱呈片状,受基因调控,被动进行,无，不释放细胞内容物,有，释放内容物。,三,、,细胞凋亡的生物,学意义,1.参与发育过程的调节：,组织与器官的塑造（趾的分化）；动物变态；维持器官中细胞数量的恒定。,2.参与免疫细胞活化过程的调节：清除自身免疫细胞；控制T细胞寿命；诱导靶细胞死亡。,3.参与衰老、受损细胞的清除：清除衰老细胞、DNA损伤的细胞、和被病原体感染的细胞。,图12-15 编程死亡在小鼠足趾形成中的作用,图12-16 在蝌蚪向蛙发育中的变态反应中的编程死亡的作用,图12-17 细胞凋亡对发育中神经细胞数量的调节,Examples of function of apoptosis during animal development,（一）凋亡细胞的形态学特征,1、细胞核的变化,2、细胞器变化,3、细胞膜变化,4、凋亡小体的形成和清除,三、细胞凋亡的特征,（二）细胞凋亡的生化特征,1、染色质片段化,DNA发生核小体间的断裂，结果产生180200bp的整数倍片段。琼脂糖凝胶电泳呈现梯状条带,2、大分子的合成增加,四、影响细胞凋亡的因素,1、蛋白酶：ICE家族、粒酶家族、钙蛋白酶,2、胞内钙离子：胞内钙离子升高作为凋亡启动信号；破坏细胞内钙离子的稳态引发细胞凋亡。,3、胞内pH值与细胞凋亡,4、线粒体与细胞凋亡,五、细胞凋亡的调控,（一）细胞凋亡的相关基因,诱导凋亡的基因,促进凋亡的基因,双向调控的基因,1、,ced,-3和,ced,-4，ICE家族,线虫具有固定的959个体细胞,口,咽,排泄细胞,背神经索,腹神经索,肠,肠腔,性腺,肛门,直肠,Development of,C.elegans,-1090 cells are born,and 131 cells die,leaving 959 cells in adult somatic tissues.,early,C.elegans,development,a cell lineage map,Dr.John Sulston,研究发现有11个基因与线虫的细胞凋亡有关,ced3和ced4基因是决定细胞凋亡所必需的,ced9基因抑制细胞凋亡,Ced3的哺乳类同源物是ICE,，Ced4的哺乳类同源物是Apaf1，Ced9的哺乳类同源物是BCL2,2、Bcl-2,家族,Bcl-2家族是哺乳动物中的原癌基因。,Bcl-2通过抑制细胞凋亡来延长细胞的生存时间，是凋亡抑制基因。,Bcl-2家族有许多成员，按其对凋亡的调节功能可分为两类：,一类是抑制凋亡的调节因子，主要有Bcl-2、Bcl-xL、Bcl-w等。,另一类是促进细胞凋亡的调节因子，包括Bax、Bak、Bad等。,3、myc,与细胞凋亡,含有6个家族成员,c-myc是一个具有多重功能的癌基因，具有转录因子的活性。,c-myc基因：一方面激活介导细胞增殖的基因，另一方面也激活介导细胞凋亡的基因。,4、p53,与细胞凋亡,p53是一种重要的抑癌基因，其生物学功能是在G1期监视DNA的完整性。如有损伤，则,抑制细胞增殖,，直到DNA修复完成。如DNA不能被修复，则,诱导其凋亡,。,p53基因是通过调节Bcl-2和Bax基因的表达来影响细胞凋亡的。p53蛋白能特异地抑制Bcl-2的表达，从而引起了细胞凋亡。,What regulates intracellular activation of caspases?,Bcl2蛋白家族,调节细胞色素C(cytochrome-c)从线粒体的释放，Bcl2成员之间的二聚体化是实现其功能的重要形式。,BCL2,阻止,细胞色素C从线粒体的释放（抑制凋亡）,Bad，Bax and Bak,促使,细胞色素C从线粒体的释放（促进凋亡）,Bax and Bak,可被 Bid 激活,Bid可被caspase8激活,BCL2与Bax可以竞争性地与VDAC结合,