细胞的衰老死亡癌变.pptx

14.细胞衰老，死亡与癌变制作人：2010级2班 201011140208 胡林静“生、老、病、死”是生命的四重奏。人类自出生总要经过生长、发育、成熟、衰老直至死亡的几个阶段，这是生命的必然规律。生命是物质的，人体是由细胞组织起来的。组成细胞的化学物质在运动中不断受到内外环境的影响而发生损伤，致使人体内某些细胞不断地衰老与死亡。细胞的衰老与死亡是新陈代谢的自然现象。14.1 细胞衰老细胞衰老细胞衰老(cellular aging(cellular aging，cell senescence)cell senescence)在生物机体内大多数细胞都要经历未分化到分化、在生物机体内大多数细胞都要经历未分化到分化、分化到衰老、衰老至死亡的历程。因此分化到衰老、衰老至死亡的历程。因此,细胞总体细胞总体的衰老反应了机体的衰老的衰老反应了机体的衰老,而机体的衰老是以总体而机体的衰老是以总体细胞的衰老为基础的。细胞的衰老为基础的。14.1.1 衰老的概念现代人类面临着三种衰老：1.生理性衰老2.病理性衰老3.心理性衰老衰老（senescing,aging）：衰老是机体在退化时期生理功能下降和紊乱的综合表现,是不可逆的生命过程。细胞衰老是客观存在的。同新陈代谢一样,细胞衰老是细胞生命活动的客观规律。对多细胞生物而言,细胞的衰老和死亡与机体的衰老和死亡是两个不同的概念,机体的衰老并不等于所有细胞的衰老,但是细胞的衰老又是同机体的衰老紧密相关的。14.1.2 细胞的寿限HayflickHayflick界限界限(Hayflick life span)(Hayflick life span)1961 1961年，年，Leonard Hayflick Leonard Hayflick 首次报道了体外培首次报道了体外培养的人的成纤维细胞养的人的成纤维细胞(human fibroblasts)(human fibroblasts)具有增殖具有增殖分裂的极限。他利用来自胚胎和成体的成纤维细分裂的极限。他利用来自胚胎和成体的成纤维细胞进行体外培养，发现：胚胎的成纤维细胞分裂胞进行体外培养，发现：胚胎的成纤维细胞分裂传代传代5050次后开始衰退和死亡（图次后开始衰退和死亡（图14-114-1），相反，），相反，来自成年组织的成纤维细胞只能培养来自成年组织的成纤维细胞只能培养15153030代就代就开始死亡。开始死亡。图图14-1 14-1 体外培养的年轻和老的人成纤维细胞的显微形态体外培养的年轻和老的人成纤维细胞的显微形态左边是只分裂了几代的年轻成纤维细胞，呈现薄层、细长左边是只分裂了几代的年轻成纤维细胞，呈现薄层、细长的形态；右边是分离了的形态；右边是分离了5050次的老的成纤维细胞，开始衰退，次的老的成纤维细胞，开始衰退，并很快死亡。并很快死亡。Hayflick界限：细胞的衰老控制着细胞的分裂次数，进而控制着细胞数量。在体外培养的细胞增殖传代的能力，反应了细胞在体内的衰老状况。因此许多科学家认为多细胞个体的衰老始于细胞的衰老。图图14-2 14-2 物种的寿命与体外培养时细胞传代次数的关系物种的寿命与体外培养时细胞传代次数的关系 长寿物种的细胞体外培养的代数比短寿物种的细胞代数多，表明细胞长寿物种的细胞体外培养的代数比短寿物种的细胞代数多，表明细胞的衰老是由生物本身的程序决定的。灰色部分表示生物的寿命，白色的衰老是由生物本身的程序决定的。灰色部分表示生物的寿命，白色部分部份表示体外培养传代的次数。部分部份表示体外培养传代的次数。各类细胞本身的寿命很不一样各类细胞本身的寿命很不一样,一般说来一般说来,能够保能够保持持续分裂能力的细胞是不容易衰老的。分化程持持续分裂能力的细胞是不容易衰老的。分化程度高又不分裂的细胞寿命却是有限的。度高又不分裂的细胞寿命却是有限的。根据细胞寿命情况可将细胞分为三类：第一类细胞的寿命接近于动物的整体寿命，如神经元，脂第一类细胞的寿命接近于动物的整体寿命，如神经元，脂肪细胞，肌细胞等。肪细胞，肌细胞等。第二类是缓慢更新的细胞，其寿命比机体的寿命短，如肝第二类是缓慢更新的细胞，其寿命比机体的寿命短，如肝细胞，胃壁细胞等。细胞，胃壁细胞等。第三类是快速更新的细胞，如皮肤的表皮细胞，红细胞和第三类是快速更新的细胞，如皮肤的表皮细胞，红细胞和白细胞等，它们在正常情况下终生保持分裂能力。白细胞等，它们在正常情况下终生保持分裂能力。14.1.3 细胞衰老的特征细胞内水分减少细胞内水分减少色素生成和色素颗粒沉积衰老过程中细胞质膜的变化衰老过程中线粒体的变化细胞核的变化细胞骨架体系的变化 蛋白质合成的变化14.1.4 细胞衰老的理论衰老的基因程序理论衰老的损伤积累理论细胞衰老的端粒假说细胞衰老的线粒体损伤论自由基理论 衰老的遗传程序论(genetic program theory)衰老的遗传程序论认为衰老是遗传上的程序化过程，衰老是受特定基因控制的。一切生理功能的启动和关闭都是按照一定程序进行的。这一理论有三方面的证据的支持：Hayflick的细胞培养实验；发现人从30岁开始，人体各种器官的功能有1%的减退；衰老基因控制的早老综合症（symptoms of early aging）图图14-3 14-3 左边是一个患早老症的左边是一个患早老症的9 9岁儿童，右边是一个患岁儿童，右边是一个患早老症的早老症的8 8岁儿童岁儿童衰老的损伤积累论 衰老的损伤积累理论认为，由于修复和维持总是衰老的损伤积累理论认为，由于修复和维持总是少于无限存活的需求而出现的损伤积累。损伤的少于无限存活的需求而出现的损伤积累。损伤的积累可以通过细胞成分的磨损和撕裂的方式或合积累可以通过细胞成分的磨损和撕裂的方式或合成错误的方式出现。这些错误包括成错误的方式出现。这些错误包括DNADNA复制错误、复制错误、蛋白质合成错误。最有代表性的理论是错误成灾蛋白质合成错误。最有代表性的理论是错误成灾理论。它是指细胞大分子合成错误成灾。意思说理论。它是指细胞大分子合成错误成灾。意思说,细胞里的核酸和蛋白质在生物合成中如果由于某细胞里的核酸和蛋白质在生物合成中如果由于某些原因发生差错些原因发生差错,当变质的非功能蛋白达到一定水当变质的非功能蛋白达到一定水平时，出现完全丧失功能的平时，出现完全丧失功能的“错误灾难错误灾难”。细胞衰老的端粒假说细胞衰老的端粒假说(mitochondrial telomere theory)(mitochondrial telomere theory)HarleyHarley于于19901990年提出细胞衰老端粒假说。人类染色体末端年提出细胞衰老端粒假说。人类染色体末端普遍存在端粒结构，但各类细胞端粒长度各有差异，一般普遍存在端粒结构，但各类细胞端粒长度各有差异，一般体细胞的端粒比生殖细胞短。人类染色体端粒是由体细胞的端粒比生殖细胞短。人类染色体端粒是由25025015001500个进化上高度保守的个进化上高度保守的TTAGGGTTAGGG重复顺序组成，是由端重复顺序组成，是由端粒酶催化合成的。粒酶催化合成的。HarleyHarley等发现人体内成纤维细胞端粒每等发现人体内成纤维细胞端粒每年约缩短年约缩短141418bp18bp，而外周血淋巴细胞则每年缩短，而外周血淋巴细胞则每年缩短33bp33bp。正常人二倍体成纤维细胞在体外培养时随代数的增加，。正常人二倍体成纤维细胞在体外培养时随代数的增加，细胞中的端粒以一定速率缩短，细胞中的端粒以一定速率缩短，DNADNA每复制一次，端粒就每复制一次，端粒就缩短一段。人体血细胞与皮肤细胞端粒长度也随增龄而相缩短一段。人体血细胞与皮肤细胞端粒长度也随增龄而相应缩短。因此，端粒记录着细胞的年龄并预示它死亡的时应缩短。因此，端粒记录着细胞的年龄并预示它死亡的时限。限。细胞衰老的线粒体损伤论细胞衰老的线粒体损伤论(mitochondrial damage theory)(mitochondrial damage theory)CortopassiCortopassi和和AmteimAmteim用聚合酶链式反应用聚合酶链式反应(PCR)(PCR)法检查发现，法检查发现，成人心脏、肌肉和脑的线粒体有成人心脏、肌肉和脑的线粒体有DNADNA片段低水平的丢失，片段低水平的丢失，胎脑和胎心则无此现象。目前，美、加、日等国多个实验胎脑和胎心则无此现象。目前，美、加、日等国多个实验室相继报道，衰老期间人体线粒体室相继报道，衰老期间人体线粒体DNADNA出现异常，而且阿出现异常，而且阿尔采默尔采默(Alzheimer)(Alzheimer)病脑组织线粒体中病脑组织线粒体中DNADNA损伤甚为多见。损伤甚为多见。此外，老年糖尿病亦与线粒体此外，老年糖尿病亦与线粒体DNADNA的损伤有关等。的损伤有关等。研究发现老龄人各种研究发现老龄人各种mtDNAmtDNA缺失突变存在突变缺失突变存在突变“热点热点”即即缺失突变的缺失片段缺失突变的缺失片段5 5和和3 3端断裂位点的侧翼具有端断裂位点的侧翼具有4 413bp13bp同向重复序列，如同向重复序列，如5kb5kb常见缺失的侧翼为常见缺失的侧翼为13pb13pb的的5ACCTCCCTCACCA5ACCTCCCTCACCA重复顺序。动物实验也证实线粒体重复顺序。动物实验也证实线粒体DNADNA有随年龄增加，其丢失频率升高现象。有随年龄增加，其丢失频率升高现象。自由基理论自由基理论(free radical theory)(free radical theory)自由基及其性质：自由基是指那些在原子核外层轨道上具有不成对电自由基及其性质：自由基是指那些在原子核外层轨道上具有不成对电 子的分子或原子基团。所谓未成对电子子的分子或原子基团。所谓未成对电子,就是指那些在原子或分子轨道就是指那些在原子或分子轨道中未与其它电子配对而独占一个轨道的电子。如中未与其它电子配对而独占一个轨道的电子。如ABAB两个原子各提供一两个原子各提供一个电子通过共价键形成一个分子个电子通过共价键形成一个分子A A B,B,这两个电子是配对的。如果在化这两个电子是配对的。如果在化学反应中发生了均裂学反应中发生了均裂,A,A和和B B各带走一个电子各带走一个电子,它们就是未成对电子。它们就是未成对电子。如：如：A A B AB A +B AB A 和和 B B就称为自由基。就称为自由基。自由基对生物大分子的损伤：自由基由于活性强，容易与细胞内的生自由基对生物大分子的损伤：自由基由于活性强，容易与细胞内的生物大分子发生反应。过多的自由基会对许多细胞组分造成损伤。它们物大分子发生反应。过多的自由基会对许多细胞组分造成损伤。它们能使质膜中的不饱和脂肪酸氧化，从而使膜内酶活性破坏、膜蛋白变能使质膜中的不饱和脂肪酸氧化，从而使膜内酶活性破坏、膜蛋白变性、膜脆性增加、膜结构发生改变，因而膜的运输功能紊乱以至丧失；性、膜脆性增加、膜结构发生改变，因而膜的运输功能紊乱以至丧失；它们还能将蛋白质中的巯基氧化而造成蛋白质发生交联、变性，使酶它们还能将蛋白质中的巯基氧化而造成蛋白质发生交联、变性，使酶失活；另外它们还能使失活；另外它们还能使DNADNA链断裂、交联、碱基羟基化、碱基切除等，链断裂、交联、碱基羟基化、碱基切除等，从而对从而对DNADNA造成损伤。有人认为在衰老的原因中，造成损伤。有人认为在衰老的原因中，9999是由自由基造是由自由基造成的。成的。衰老的自由基学说衰老的自由基学说衰老的自由基学说是美国科学家衰老的自由基学说是美国科学家Harman 1955Harman 1955年年在美国的原子能委员会提出的在美国的原子能委员会提出的,题目是题目是“衰老衰老:根据根据自由基和放射化学提出的理论自由基和放射化学提出的理论”。这一学说是建立在实验研究的基础上的，核心内这一学说是建立在实验研究的基础上的，核心内容有三条：容有三条：(1)(1)衰老是由自由基对细胞成分的有害进攻造成的。衰老是由自由基对细胞成分的有害进攻造成的。(2)(2)这里所说的自由基，主要就是氧自由基，因此这里所说的自由基，主要就是氧自由基，因此衰老的自由基理论，其实质就是衰老的氧自由基衰老的自由基理论，其实质就是衰老的氧自由基理论。理论。（3 3）维持体内适当水平的抗氧化剂和自由基清除）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和推迟衰老。剂水平可以延长寿命和推迟衰老。图图14-4 14-4 老人斑：自由基攻击细胞的见证老人斑：自由基攻击细胞的见证14.2 细胞死亡细胞死亡（细胞死亡（cell death)cell death)的一般定义是细胞生命现的一般定义是细胞生命现象不可逆的停止。象不可逆的停止。细胞死亡有两种形式：细胞死亡有两种形式：一种为坏死性死亡，是由外部的化学、物理或生一种为坏死性死亡，是由外部的化学、物理或生物因素的侵袭而造成的细胞崩溃裂解；物因素的侵袭而造成的细胞崩溃裂解；另一种为程序性死亡，是细胞在一定的生理或病另一种为程序性死亡，是细胞在一定的生理或病理条件下按照自身的程序结束其生存。多细胞生理条件下按照自身的程序结束其生存。多细胞生物随时都在进行着有规律的程序化细胞死亡，如物随时都在进行着有规律的程序化细胞死亡，如人类的淋巴细胞系统、神经系统等。人类的淋巴细胞系统、神经系统等。14.2.1 14.2.1 多细胞有机体中细胞数量和质量的控制多细胞有机体中细胞数量和质量的控制信号控制细胞的增殖RB蛋白对细胞周期的调节Cdk抑制蛋白控制细胞增殖的质量14.2.2 程序性细胞死亡(programmed cell death,PCD)及其特性又称为细胞凋亡又称为细胞凋亡(apoptosis)(apoptosis)。程序性细胞死亡是指为维持。程序性细胞死亡是指为维持内环境稳定，由基因控制的细胞自主的有序性的死亡，它内环境稳定，由基因控制的细胞自主的有序性的死亡，它涉及一系列基因的激活、表达以及调控等的作用，因而是涉及一系列基因的激活、表达以及调控等的作用，因而是具有生理性和选择性的。具有生理性和选择性的。ApoptosisApoptosis的概念来自于希腊语，原意是指树叶或花的自然的概念来自于希腊语，原意是指树叶或花的自然凋落，而细胞发生程序性死亡时，就像树叶或花的自然凋凋落，而细胞发生程序性死亡时，就像树叶或花的自然凋落一样，凋亡的细胞散在于正常组织细胞中，无炎症反应，落一样，凋亡的细胞散在于正常组织细胞中，无炎症反应，不遗留瘢痕。死亡的细胞碎片很快被巨噬细胞或邻近细胞不遗留瘢痕。死亡的细胞碎片很快被巨噬细胞或邻近细胞清除，不影响其他细胞的正常功能。清除，不影响其他细胞的正常功能。细胞坏死与程序性细胞死亡细胞坏死与程序性细胞死亡 图图14-6 14-6 细胞的两种死亡方式及其比较细胞的两种死亡方式及其比较 程序性细胞死亡的特征程序性细胞死亡的特征 图图14-7 14-7 正常的细胞与编程性死亡细胞形态比较正常的细胞与编程性死亡细胞形态比较 a.a.扫描电镜观察的正常扫描电镜观察的正常T-T-细胞；细胞；b.b.扫描电镜观察的编程死亡的扫描电镜观察的编程死亡的T-T-细胞细胞的形态，表面可见许多芽；的形态，表面可见许多芽；c.c.用抑制剂处理的正处于膜起泡阶段用抑制剂处理的正处于膜起泡阶段(membrane blebbing stage)(membrane blebbing stage)的编程死亡细胞的透射电镜照片。的编程死亡细胞的透射电镜照片。编程性死亡细胞的核编程性死亡细胞的核DNADNA在核小体连接处断裂成核小体片在核小体连接处断裂成核小体片段，并向核膜下或中央异染色质区聚集形成浓缩的染色质段，并向核膜下或中央异染色质区聚集形成浓缩的染色质块，随着染色质不断聚集，核纤层断裂消失，核膜在核孔块，随着染色质不断聚集，核纤层断裂消失，核膜在核孔处断裂，形成核碎片。然后整个细胞通过发芽处断裂，形成核碎片。然后整个细胞通过发芽(by(by budding)budding)、起泡、起泡(byzelosls)(byzelosls)等方式形成凋亡小体等方式形成凋亡小体(apoptotic(apoptotic body)body)，或通过分隔机制：在凋亡细胞内由内质网分隔成，或通过分隔机制：在凋亡细胞内由内质网分隔成大小不等的分隔区，靠近细胞膜端的分隔膜与细胞核融合大小不等的分隔区，靠近细胞膜端的分隔膜与细胞核融合并脱落形成凋亡小体。最后，凋亡小体被周围细胞或单核并脱落形成凋亡小体。最后，凋亡小体被周围细胞或单核细胞吞噬细胞吞噬 图图14-8 14-8 程序性死亡细胞的形态结构变化程序性死亡细胞的形态结构变化程序化细胞死亡最突出的生化特征是染色质 DNA的有控裂解，并且是由于内源性内切核酸酶基因的活化和表达而造成的结果。这种由内源性内切核酸酶切割的染色质DNA断片大小是有规律的，即都为200bp的倍数。因此，抽提其中的 DNA，进行琼脂糖凝胶电泳时，或进行氯化铯溴化乙锭超速离心时，呈现出梯状 图图14-9 14-9 编程死亡细胞的编程死亡细胞的DNADNA梯状谱型梯状谱型由上述可见，程序性细胞死亡与细胞坏死在形态学、由上述可见，程序性细胞死亡与细胞坏死在形态学、生化反应的改变、分子机制、细胞结局等方面都有生化反应的改变、分子机制、细胞结局等方面都有本质的区别本质的区别比较内容比较内容程序性死亡程序性死亡细胞坏死细胞坏死质膜质膜不破裂不破裂发生破裂发生破裂细胞核细胞核固缩，固缩，DNADNA片段化片段化弥漫性降解弥漫性降解细胞质细胞质由质膜包围形成凋亡小体由质膜包围形成凋亡小体溢出，细胞破裂成碎片溢出，细胞破裂成碎片细胞质生化改变细胞质生化改变溶酶体的酶增多溶酶体的酶增多溶酶体解体溶酶体解体蛋白质合成蛋白质合成有有无无基因活动基因活动有基因调控有基因调控无基因调控无基因调控自吞噬自吞噬常见常见缺少缺少线粒体线粒体自身吞噬自身吞噬肿胀肿胀诱发因素诱发因素生理性信号生理性信号强烈刺激信号强烈刺激信号对个体影响对个体影响生长，发育，生存所必需生长，发育，生存所必需引起炎症引起炎症14.2.3 程序性细胞死亡的机理程序性细胞死亡是基因调控作用的结果。有很多基因参与调控程序化细胞死亡过程，调控环节包括信号转导、基因表达、蛋白质生物合成和代谢过程等。这些基因也叫程序化细胞死亡相关基因。程序性细胞死亡的过程 程序性细胞死亡分为两个阶段：一是死亡激活期程序性细胞死亡分为两个阶段：一是死亡激活期(activation phase),(activation phase),此阶段主要是接受来自内部或外部的死亡信号此阶段主要是接受来自内部或外部的死亡信号(death signals)(death signals)并做出并做出反应，即接受指令并决定死亡。第二阶段是死亡执行期（反应，即接受指令并决定死亡。第二阶段是死亡执行期（execution execution phasephase）,即执行一套死亡程序，包括发生染色质凝缩即执行一套死亡程序，包括发生染色质凝缩,并逐步分布在并逐步分布在核膜周围；接着发生细胞质浓缩核膜周围；接着发生细胞质浓缩,此时桥粒和中间纤维的连接被破坏，此时桥粒和中间纤维的连接被破坏，膜泡形成凋亡小体，最后被吞噬细胞吞噬和降解等。膜泡形成凋亡小体，最后被吞噬细胞吞噬和降解等。程序性死亡的细胞之所以能够被吞噬细胞识别和吞噬，是因为这些细程序性死亡的细胞之所以能够被吞噬细胞识别和吞噬，是因为这些细胞的表面具有胞的表面具有“将我吃掉将我吃掉”的信号，这种信号在正常细胞的表面是不的信号，这种信号在正常细胞的表面是不存在的。研究得最清楚的被吞噬信号是存在于程序化死亡细胞质膜脂存在的。研究得最清楚的被吞噬信号是存在于程序化死亡细胞质膜脂双层外叶的磷脂酰丝氨酸双层外叶的磷脂酰丝氨酸(phosphatidylserine)(phosphatidylserine)分子，它一般存在于正分子，它一般存在于正常细胞质膜脂双层的内叶。常细胞质膜脂双层的内叶。秀丽隐杆线虫中参与程序性细胞死亡控制的基因 关于程序性细胞死亡的分子基础研究最初是在秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans，CE)中获得突破。在胚胎发育期间，秀丽隐杆线虫有1090个体细胞，但在发育过程中有131个细胞死亡。因此，一个成熟的秀丽隐杆线虫有959个体细胞和约10002000个性细胞。线虫的成虫分雌雄同体和雄性两种性别，雌雄同体相当于雌性虫体透明，有6对染色体，约3000个基因。图图14-11 14-11 雌雄同体的秀丽隐杆线虫雌雄同体的秀丽隐杆线虫程序性细胞死亡相关基因程序性细胞死亡遗传学相关基因程序性死亡的遗传控制程序性死亡抑制基因程序性细胞死亡的过程死亡激活期死亡执行期秀丽新小杆线虫中参与程序性细胞死亡控制的基因秀丽新小杆线虫中参与程序性细胞死亡控制的基因决定死亡的两个基因，即决定死亡的两个基因，即ces-1(cesces-1(ces表示表示CECE细胞存细胞存活的调控基因）活的调控基因）ces-2ces-2基因基因执行死亡的四个基因执行死亡的四个基因:ced-3,ced-4,ced-9,egl-1:ced-3,ced-4,ced-9,egl-1基基因因7 7个与死亡细胞被吞噬细胞所吞噬的相关基因，即个与死亡细胞被吞噬细胞所吞噬的相关基因，即ced-1,ced-2,ced-5,ced-6,ced-7,ced-10,ced-11ced-1,ced-2,ced-5,ced-6,ced-7,ced-10,ced-11死亡细胞在吞噬体中被降解的基因死亡细胞在吞噬体中被降解的基因ced-3,ced-4,ced-9,egl-14个基因构成了线虫执行死亡的死亡机器（death machinery)ced-3,ced-4是细胞杀手ced-9可抵消ced-3和ced-4的作用，防止细胞被杀死，因此是存活因子进一步研究发现真正的细胞杀手是ced-3而不是ced-4 秀丽隐杆线虫的细胞死亡是一种典型的程序性细胞秀丽隐杆线虫的细胞死亡是一种典型的程序性细胞死亡。死亡。1515个基因（大致可分为个基因（大致可分为4 4组）分别在不同程度组）分别在不同程度上与上与CECE的的PCDPCD有关有关图图14-1214-12秀丽隐杆线虫程序性细胞死亡途径及相关基因秀丽隐杆线虫程序性细胞死亡途径及相关基因动物细胞中蛋白酶解级联系统对程序性细胞死亡的介导图图14-13 14-13 蛋白酶解级联反蛋白酶解级联反应介导的程序性细胞死亡应介导的程序性细胞死亡（a a）每一个自杀性的蛋白）每一个自杀性的蛋白酶以非活性的形式存在，酶以非活性的形式存在，它可以被同一蛋白酶家族它可以被同一蛋白酶家族中的另一个成员裂解切割中的另一个成员裂解切割而自我激活。而自我激活。(b)(b)每一被激每一被激活的蛋白酶分子能够切割活的蛋白酶分子能够切割许多蛋白酶分子，并将它许多蛋白酶分子，并将它们激活。以这种方式，开们激活。以这种方式，开始激活的少量蛋白酶通过始激活的少量蛋白酶通过激活的级联反应，激活大激活的级联反应，激活大量的蛋白酶。某些被激活量的蛋白酶。某些被激活的蛋白酶能够切割细胞内的蛋白酶能够切割细胞内一些关键的蛋白，如核纤一些关键的蛋白，如核纤层蛋白，导致细胞的有控层蛋白，导致细胞的有控制的死亡。制的死亡。天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶(caspase(caspase，cysteine-containing aspartate-specific proteases)cysteine-containing aspartate-specific proteases)级联反应中的自杀性蛋白水解酶就是caspase。由于caspase家族的成员较多，它们作用时分成一些亚组被激活，每一组caspase对应不同的激活信号。如caspase-3、6、-7和-8 在FAS/TNF介导的程序性细胞死亡途径中起作用；而caspase-9和-3 一起参与线粒体中Apaf-I、细胞色素c介导的程序性细胞死亡。有两类caspase，一类是起始（initiators）,另一类是执行者（executioners）。起始caspase在外来蛋白信号的作用下被切割激活，激活的起始caspase对执行者caspase进行切割并使之激活，被激活执行者caspase通过对caspase靶蛋白的水解，导致程序性细胞死亡图图14-13 14-13 执行者执行者caspasecaspase在程序性细胞死亡中的作用在程序性细胞死亡中的作用研究表明，能够被caspase切割的靶蛋白包括以下几类：（1 1）蛋白激酶：）蛋白激酶：caspasecaspase能够切割十多种蛋白激酶，如粘着斑激酶能够切割十多种蛋白激酶，如粘着斑激酶(focal(focal adhesion kinase,FAK);PKB,PKC,adhesion kinase,FAK);PKB,PKC,以及以及Raf1Raf1。如果粘着斑激酶被破坏了，即破。如果粘着斑激酶被破坏了，即破坏了细胞的粘着，使得细胞与相邻细胞失去粘着而导致程序性死亡。坏了细胞的粘着，使得细胞与相邻细胞失去粘着而导致程序性死亡。（2 2）核纤层蛋白：是位于细胞核内膜下的一层纤维结构，对内膜具有支撑作）核纤层蛋白：是位于细胞核内膜下的一层纤维结构，对内膜具有支撑作用。核纤层蛋白被切割，导致核纤层解体、核被膜浓缩。用。核纤层蛋白被切割，导致核纤层解体、核被膜浓缩。（3 3）细胞结构蛋白：一些维持细胞结构必需的蛋白质，如中间纤维、肌动蛋）细胞结构蛋白：一些维持细胞结构必需的蛋白质，如中间纤维、肌动蛋白和凝溶解胶蛋白白和凝溶解胶蛋白(gelsolin)(gelsolin)等被等被caspasecaspase切割后导致细胞形态的改变。切割后导致细胞形态的改变。（4 4）与）与DNADNA修复相关的酶类遭修复相关的酶类遭caspasecaspase切割后失活。由于切割后失活。由于DNADNA的修复是维持的修复是维持细胞内环境稳定的主要因素，这一因素遭到破坏，合成的细胞内环境稳定的主要因素，这一因素遭到破坏，合成的DNADNA难以保证正确，难以保证正确，因而导致程序性细胞死亡。因而导致程序性细胞死亡。（5 5）caspasecaspase激活的激活的DNase(CAD)DNase(CAD)抑制蛋白：抑制蛋白：caspase caspase 能够将能够将caspasecaspase激活的激活的DNase(CAD)DNase(CAD)抑制蛋白水解，导致这种酶被激活。该酶是一种内切核酸酶，被抑制蛋白水解，导致这种酶被激活。该酶是一种内切核酸酶，被激活后从细胞质转移到细胞核，与核激活后从细胞质转移到细胞核，与核DNADNA结合并将结合并将DNADNA切割成片段。切割成片段。细胞外信号对程序性细胞死亡的激发如果细胞外的信号促进程序性细胞死亡，则属于死亡的正控制。若细胞外信号抑制细胞的程序性死亡，则是死亡的负控制，将这种信号称为存活因子(survival factors)。目前对存活因子是如何作用的，基本不了解。显示了细胞外信号显示了细胞外信号肿瘤坏死因子（肿瘤坏死因子（tumor tumor necrosis factor,TNFnecrosis factor,TNF）激发细胞的程序性死亡的过程。）激发细胞的程序性死亡的过程。图图14-15 14-15 受体介导的程序性细胞死亡途径受体介导的程序性细胞死亡途径细胞内信号对程序性细胞死亡的激发除了外部信号激发程序性细胞死亡外，细胞内源除了外部信号激发程序性细胞死亡外，细胞内源信号也会激发细胞的程序性死亡，包括：信号也会激发细胞的程序性死亡，包括：DNADNA损损伤、细胞质中伤、细胞质中Ca2+Ca2+浓度过高、极度氧胁迫（产生浓度过高、极度氧胁迫（产生大量的自由基）等。在内源信号中有些是促进细大量的自由基）等。在内源信号中有些是促进细胞死亡的正控制信号，如细胞色素胞死亡的正控制信号，如细胞色素c,c,凋亡蛋白酶凋亡蛋白酶激活因子（激活因子（apoptotic protease-activating factorapoptotic protease-activating factor，ApafApaf）。内源信号中也有抑制细胞死亡的负控制）。内源信号中也有抑制细胞死亡的负控制信号，如哺乳动物中的信号，如哺乳动物中的Bcl-2Bcl-2蛋白蛋白(Bcl-2 protein)(Bcl-2 protein)和和Bcl-xBcl-x蛋白。蛋白。细胞内源信号激发细胞程序性死亡的过程细胞内源信号激发细胞程序性死亡的过程图图14-15 14-15 线粒体介导的细胞凋亡途径线粒体介导的细胞凋亡途径14.2.4 程序性细胞死亡的生物学意义在健康的成年人体的骨髓和肠组织中每小时大约有十亿个细胞死亡。动物机体靠对细胞增殖和细胞周期的正负控制以及对编程性细胞死亡的正负控制来维持细胞总数的平衡和机体的生命活力 图图14-1714-17动物机体的细胞数量控制的途径动物机体的细胞数量控制的途径 在形态建成中编程死亡起重要作用。如手指和脚趾在形态建成中编程死亡起重要作用。如手指和脚趾在发育的早期是连在一起的，通过编程死亡使一部在发育的早期是连在一起的，通过编程死亡使一部分细胞进入自杀途径才将单个指加以分开分细胞进入自杀途径才将单个指加以分开图图14-18 14-18 编程死亡在小鼠足趾形成中的作用编程死亡在小鼠足趾形成中的作用（a a）开始时足趾是相连在一起的；（）开始时足趾是相连在一起的；（b b）经编程死亡足趾）经编程死亡足趾分开。分开。对于生物发育成熟后一些对于生物发育成熟后一些不再需要的结构通过程序不再需要的结构通过程序性细胞死亡加以消除。例性细胞死亡加以消除。例如蝌蚪的尾巴就是靠程序如蝌蚪的尾巴就是靠程序性细胞死亡消除的性细胞死亡消除的当蝌蚪变成蛙时，尾巴经当蝌蚪变成蛙时，尾巴经编程死亡而消除。主要是编程死亡而消除。主要是血液中甲状腺激素的增加血液中甲状腺激素的增加诱导细胞的编程死亡。诱导细胞的编程死亡。图图14-19 14-19 在蝌蚪向蛙发在蝌蚪向蛙发育中的变态反应中的育中的变态反应中的编程死亡的作用编程死亡的作用 细胞的程序性死亡不仅参与形态建成，而且能够调节细胞的数量和质量。例如在神经系统的发育过程中，神经细胞必需通过“竞争上岗”获得生存的机会。在胚胎中产生的神经细胞一般是过量的，然后通过竞争数量有限的从靶细胞分泌出来的生存因子，只有那些获得足够生存因子的神经细胞才能生存下去，而其他的神经细胞将会通过程序性死亡而消失生成的神经细胞多于能够支持它们生存的生存因子的数量，生成的神经细胞多于能够支持它们生存的生存因子的数量，这些生存因子是由靶细胞释放出来的。某些得不到生存因子这些生存因子是由靶细胞释放出来的。某些得不到生存因子的神经细胞则通过编程死亡而消失。的神经细胞则通过编程死亡而消失。图图14-20 14-20 程序性细胞死亡对发育中神经细胞数量的调节程序性细胞死亡对发育中神经细胞数量的调节14.3 癌细胞所谓癌细胞实际上是一种突变的体细胞，这种突变体脱离了细胞社会关于增殖和存活的控制，因此可以无限制的增殖产生肿瘤。14.3.1 癌生物学“Cancer”一词源于拉丁语“crab”，是用于描述一种由于体内组织的无限生长，最后夺去生命的疾病。癌细胞与正常的细胞有很大的不同，有许多特有的生物学特征。癌的类群根据癌变涉及的细胞类型的不同，癌分为三个类根据癌变涉及的细胞类型的不同，癌分为三个类群：群：癌癌(carcinomas),(carcinomas),是最常见的一种类型，主要是是最常见的一种类型，主要是从组织的外表面和内表面生长的癌。如肺癌、乳从组织的外表面和内表面生长的癌。如肺癌、乳腺癌和结肠癌等。腺癌和结肠癌等。瘤瘤(sarcomas),(sarcomas),主要是源于中胚层形成的支持组主要是源于中胚层形成的支持组织（骨、软骨、脂肪、结缔组织和肌组织等）中织（骨、软骨、脂肪、结缔组织和肌组织等）中形成的癌。形成的癌。淋巴瘤淋巴瘤(lymphomas)(lymphomas)和白血病和白血病(leukemias),(leukemias),是由是由淋巴和血液产生的癌。白血病主要是指癌细胞已淋巴和血液产生的癌。白血病主要是指癌细胞已经大量进入血液中。经大量进入血液中。体外培养的癌细胞生长特性无论是活体内的癌细胞还是体外培养的癌细胞，无论是活体内的癌细胞还是体外培养的癌细胞，它们最重要的特性是失去了生长的控制。它们最重要的特性是失去了生长的控制。正常细胞在体外培养时，细胞通过分裂增殖并铺正常细胞在体外培养时，细胞通过分裂增殖并铺满培养器皿的表面形成单层满培养器皿的表面形成单层(monolayer)(monolayer)后即停止后即停止分裂分裂(图图4-20a,b)4-20a,b)，这种现象称作接触抑，这种现象称作接触抑(contact(contact inhibition)inhibition)。在相同条件下培养的恶性细胞。在相同条件下培养的恶性细胞(malignant cells)(malignant cells)对密度依赖性生长抑制失去敏感对密度依赖性生长抑制失去敏感性，因而不会在形成单层时停止生长，而是相互性，因而不会在形成单层时停止生长，而是相互堆积形成多层生长的聚集体堆积形成多层生长的聚集体 正常细胞与癌细胞生长特性比较正常细胞与癌细胞生长特性比较正常细胞体外培养时，在培养器皿表面形成单层即停止生正常细胞体外培养时，在培养器皿表面形成单层即停止生长长(a,b);(a,b);而由病毒转化的或由致癌化学物质诱导的恶性细而由病毒转化的或由致癌化学物质诱导的恶性细胞会成堆生长（胞会成堆生长（c,dc,d）。）。癌细胞转移(metastasis)恶性肿瘤细胞能够突破其所在环境的束缚，进入淋巴管或血管在体内转移，在新的部位产生致死性的二级肿瘤在肿瘤组织中只有极少数的肿瘤细胞能够进行转移：肿瘤细胞侵袭周围的组织和血管，肿瘤细胞经由循环系统进行转移；在新的部位生长形成肿瘤。图图14-25 14-25 肿瘤转移的过程肿瘤转移的过程癌细胞的某些特性 癌细胞的染色体的变化细胞骨架的变化 对生长因子的依赖性细胞表面变化蛋白质合成的变化正常细胞的细胞质中有高度组织化的细胞骨架网络结果，而正常细胞的细胞质中有高度组织化的细胞骨架网络结果，而癌细胞中的细胞骨架不仅少而且杂乱无章癌细胞中的细胞骨架不仅少而且杂乱无章图图14-24 14-24 正常和癌细胞微管骨架的比较正常和癌细胞微管骨架的比较培养基中有没有血清，对癌细胞的生长影响不大，培养基中有没有血清，对癌细胞的生长影响不大，但没有血清时，正常细胞基本停止生长。但没有血清时，正常细胞基本停止生长。图图14-23 14-23 血清对正常细胞和癌细胞生长的影响血清对正常细胞和癌细胞生长的影响14.3.2 癌的起因：物理和化学致癌物引起癌细胞的原因很多，大致分为四种类型：化学因素、辐射、病毒和遗传。化学因素主要是各种化学致癌物；物理因素主要是紫外光等的辐射作用。病毒和遗传则是指病毒癌基因和细胞癌基因。化学致癌物英国伦敦医生英国伦敦医生John HillJohn Hill在在17611761年首次提出化学致年首次提出化学致癌观点，癌观点，17751775年，另一位英国外科医生年，另一位英国外科医生 Percival Percival Pott Pott 获得环境因子与癌发生的相关证据。他发现获得环境因子与癌发生的相关证据。他发现一些男性烟囱清洁工人的鼻腔和阴囊皮肤等是癌一些男性烟囱清洁工人的鼻腔和阴囊皮肤等是癌的高发部位，原因是过渡与煤烟接触有关。在过的高发部位，原因是过渡与煤烟接触有关。在过去几十年内，经动物实验，已经从煤烟中分离出去几十年内，经动物实验，已经从煤烟中分离出几百种致癌化学物质。后来发现煤炭工业、印染几百种致癌化学物质。后来发现煤炭工业、印染工业中的某些化学物质也具有致癌性。表工业中的某些化学物质也具有致癌性。表14-414-4列列出了一些常见的化学致癌物质。出了一些常见的化学致癌物质。辐射对癌的诱发人类在自然环境中