细胞的衰老与死亡辛华.pptx

第十二章第十二章 细胞的衰老与死亡细胞的衰老与死亡cell aging and cell death第一节第一节 细胞衰老细胞衰老第二节第二节 细胞的死亡细胞的死亡内内 容容 一、细胞衰老与机体衰老一、细胞衰老与机体衰老 (一一)细胞衰老的概念细胞衰老的概念 是指随着时间的推移,细胞增殖能力和生理功能逐渐下降的变化过程。细胞在形态上发生明显变化，细胞皱缩，质膜透性和脆性提高，线粒体数量减少，染色质固缩、断裂等。第一节第一节 细胞衰老（细胞衰老（cell aging）（二）机体衰老与细胞衰老（二）机体衰老与细胞衰老 1 机体的衰老并不等于体内所有细胞都衰老 不同组织的细胞寿命不同：小肠上皮细胞 25天、胰腺上皮细胞约50天 皮肤表皮细胞 12个月2 机体的衰老与体内细胞的衰老有着密切的联系 生物体的衰老可能是组织中干细胞的衰老引所致 二、二、二倍体细胞体外增殖能力和寿命二倍体细胞体外增殖能力和寿命 1.Hayflick界限（Hayflick limitation):体外培养的二倍体细胞的增殖能力和寿命是有一定限度的。2.体外培养的二倍体细胞分裂次数与供体年龄之间呈反比关系。3.不同物种的细胞最大分裂次数与动物平均寿命成正比关系。三、体内细胞的衰老与其增殖能力和分化三、体内细胞的衰老与其增殖能力和分化 程度有关程度有关（一）不育细胞群的衰老（一）不育细胞群的衰老 1.短寿细胞不具有普遍意义的衰老，如 红细胞、白细胞、皮肤表皮细胞、口腔和胃、肠道上皮细 胞。2.长寿细胞衰老与年龄呈线性关系，是研究细胞衰 老的理想的材料，如神经细胞和心肌细胞。（二）暂不增殖细胞群的衰老（二）暂不增殖细胞群的衰老 仍然保留分裂能力，在一定条件下可以恢复其增殖能力，如肝、肾实质细胞、软骨细胞，很少用来研究衰老。（三）具有干细胞特性的增殖细胞群的衰（三）具有干细胞特性的增殖细胞群的衰老老 细胞分裂周期延长，自我更新和多向分化潜能衰退，将导致组织器官结构与功能的衰退，是研究细胞衰老的重要模型。四、细胞衰老的表现四、细胞衰老的表现（一）衰老细胞中水分含量减少（一）衰老细胞中水分含量减少 内水分减少，细胞萎缩（二）衰老细胞中色素（二）衰老细胞中色素 蓄积蓄积 电镜下细胞质中的脂褐素颗粒由单位膜包裹形成较高电子密度不规则小体，含有浅亮的脂滴 1细胞膜的变化细胞膜的变化 磷脂含量下降，胆固醇与磷脂的比值升高；磷脂中 不饱和脂肪酸含量及卵磷脂与鞘磷脂的比值随增龄 而下降,细胞膜的黏滞性增加，膜流动性降低。（三）细胞膜系统的改变（三）细胞膜系统的改变2内质网的变化内质网的变化 粗面内质网数量减少，排列无序，膜膨胀、崩 解，膜表面核糖体数量减少，光面内质网呈空泡 状。3高尔基复合体的变化高尔基复合体的变化 囊泡种胀，伴有扁平囊的断裂崩解，分泌功能降低。4溶酶体的变化溶酶体的变化 溶酶体功能降低，细胞内残余体积累。（四）线粒体的变化是细胞衰老的重要指标（四）线粒体的变化是细胞衰老的重要指标 数量减少，体积的增大，氧化产能功能下降。（五）细胞骨架的改变（五）细胞骨架的改变 G-肌动蛋白含量下降，微丝数量减少，与微丝相关的 信号传递功能下降。（六）核结构的改变（六）核结构的改变 核膜内折、崩解、染色质固缩化。（七）蛋白质合成变化（七）蛋白质合成变化 蛋白质合成速率降低，特异蛋白、酶结构和数量 改变，是细胞衰老的重要标志：半乳糖苷酶（SA-gal）表达增加 超氧化物歧化酶（SOD）表达减少 干细胞的自我更新、增殖和分化的能力下降。（八）成体干细胞的衰老（八）成体干细胞的衰老 五、细胞衰老的机制五、细胞衰老的机制 （一）（一）“错误成灾错误成灾”学说学说 DNA损伤和修复功能下降，导致核酸、蛋白质、酶等生物大分子合成错误，引起细胞代谢功能障 碍，导致细胞衰老死亡。（二）自由基学说（二）自由基学说 认为衰老是由于自由基（free radical）对细胞成分 的攻击伤害所致；1.自由基导致氧化性损伤:基因突变、脂质过氧化 2.自由基产生 (1)环境中的高温、辐射、光解、化学物质等。(2)体内各种代谢反应产生：线粒体呼吸链电子泄 漏产生；过氧化物酶体的多功能氧化酶催化 底物羟化产生。3.自由基清除系统自由基清除系统（1）抗氧化酶：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）（2）抗氧化剂（antioxidant）：谷胱甘肽（GSH）、维生素C、-胡萝卜素、维生素E、半胱氨酸、硒化物、巯基乙醇等。（三）端粒学说（三）端粒学说 DNA每复制一次，端粒末端就缩短一段，当端粒缩短到一定程度而不能再分裂复制，细胞便衰老死亡；端粒酶（telomerase）可以利用自身RNA为模板合成端粒DNA，加到染色体3末端，补偿端粒末端丢失的序列，从而延长细胞的寿命；体细胞无端粒酶活性，生殖细胞、干细胞和恶性肿瘤细胞中有明显的端粒酶活性。（四）遗传程序学说（四）遗传程序学说 生物体细胞内特定基因按照预定程序有序地开启和 关闭，控制着个体的生长发育、衰老死亡。（五）细胞衰老相关基因（五）细胞衰老相关基因 1衰老基因衰老基因 （1）MORF4基因：位于4号染色体上，基因发生突变 可导致细胞永生化 （2）p16和p21基因：基因产物是CDK抑制因子（CKI），可通过抑制CDK的活性导致细胞周期停滞，阻断细胞增殖，导致细胞衰老细胞衰老时细胞衰老时p16 表达增强，能特异性地拮抗表达增强，能特异性地拮抗Cdk4、Cdk6结合结合cyclin D，而使，而使G1-Cdk失活，从而阻止失活，从而阻止Rb蛋白磷酸化蛋白磷酸化,使使Rb 不能与不能与E2F分离，分离，E2F处于持续失活状态，细胞被滞留在处于持续失活状态，细胞被滞留在G1期，从而阻断细胞周期的期，从而阻断细胞周期的正常运行，维持了衰老细胞不可逆的生长停滞状态。正常运行，维持了衰老细胞不可逆的生长停滞状态。衰衰老老细细胞胞端端粒粒长长度度的的缩缩短短（可可视视作作DNA的的一一种种损损伤伤）会会诱诱导导细细胞胞中中p53 含含量量明明显显增增加加，继继而而诱诱导导p21的的表表达达，抑抑制制Cdk的的活活化化，使使得得Rb不不能能被被磷磷酸酸化化，E2F处处于于持持续续失失活活状状态态，最最终终引引发发细胞衰老。细胞衰老。(3)老年性退行性疾病有关的基因 截脂蛋白E基因 -冠状动脉硬化 淀粉样蛋白基因-阿尔茨海默病 2抗衰老基因抗衰老基因 也称长寿基因（也称长寿基因（longevity gene）延长因子-1基因、WRN基因、Klotho基因 SIRT1的基因（六）成体干细胞的衰老（六）成体干细胞的衰老1遗传因素 无法修复积累的DNA损伤 衰老相关基因的表达：p53、p16基因过度表达 2环境因素 干细胞巢中的酶、调控因子等变化 六细胞衰老与疾病六细胞衰老与疾病1.早老性疾病早老性疾病 早老症(Hayflick-Guilford综合征)儿童绝大多数Hutchinson-Gilford 早老症的致病原因是由体内核纤层蛋白A（lamin A）基因突变所致。lamin A的基因突变影响DNA损伤修复，基因组不稳定，从而使lamin A蛋白缺陷的细胞终止分裂，衰老过程加并过早死亡。2.干细胞衰老相关疾病干细胞衰老相关疾病 老年性再生障碍性贫血、白血病、骨质疏松、型糖尿病、动脉粥样硬化、血脂代谢障碍。第二节第二节 细胞的死亡细胞的死亡（cell death）细胞死亡是指细胞生命活动的结束，细胞死亡有两种不同的形式：1.坏死（necrosis）性死亡 2.细胞凋亡（apoptosis）1.坏死（necrosis）性死亡:由于损伤、缺血或感 染引起的细胞死亡现象，伴生炎症。2.细胞凋亡（apoptosis):由死亡信号诱发的受调 节的细胞死亡过程，是细胞生理性死亡的普遍形 式。凋亡过程中DNA发生片段化，细胞皱缩分解 成凋亡小体，被邻近细胞或巨噬细胞吞噬，不发生 炎症。一、细胞凋亡具有重要的生物学意义一、细胞凋亡具有重要的生物学意义1发育过程中清除多余的细胞发育过程中清除多余的细胞 细胞凋亡在指（趾）形成中的作用细胞凋亡在指（趾）形成中的作用 蝌蚪发育过程尾部细胞的凋亡蝌蚪发育过程尾部细胞的凋亡 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 2清除正常生理活动过程中无用的细胞清除正常生理活动过程中无用的细胞 衰老的红血细胞、前T、前B淋巴细胞 3清除病理活动过程中有潜在危险的细胞清除病理活动过程中有潜在危险的细胞 DNA损伤的细胞、有癌变危险的细胞、病毒 感染的细胞 在发育过程中凋亡异常引起并指（趾）凋亡异常凋亡异常二、细胞凋亡的形态学和生化特征二、细胞凋亡的形态学和生化特征1.形态学特征形态学特征细胞凋亡与细胞坏死的形态学比较细胞凋亡与细胞坏死的形态学比较电镜下的凋亡细胞电镜下的凋亡细胞(A-B)与坏死细胞与坏死细胞(C).细胞凋亡的生化特征细胞凋亡的生化特征 (1)染色质裂解为特定的DNA片段a.细胞凋亡中细胞凋亡中DNA内切酶的活化，形成长度内切酶的活化，形成长度180200bp及其整倍性片段及其整倍性片段 b.在在DNA电泳中形成梯状带电泳中形成梯状带(2)细胞膜磷脂酰丝氨酸（phosphatidylserine，PS）:是早期凋亡细胞的特殊标志。(3)胱天蛋白酶（caspase）：凋亡过程中由这些蛋白酶构成一系列级联反应，使靶蛋白活化或失活而介导各种凋亡事件。特征特征 细胞凋亡细胞凋亡 细胞坏死细胞坏死诱导因素 生理及弱刺激 强烈刺激受累范围 单个细胞丢失 成群细胞死亡膜完整性 保持到晚期 早期即丧失细胞体积 减少、固缩 增大、肿胀染色质 凝聚成半月形 稀疏成网状细胞器 无明显变化 肿张破坏溶酶体 保持完整 破坏外溢细胞形状 形成凋亡小体 破裂成碎片基因组DNA 有控降解 随机降解大分子合成 一般需要 不需要基因调控 有 无后果 不引起炎症反应 引起炎症反应意义 生理死亡方式 病理死亡方式 细胞凋亡与细胞坏死的区别细胞凋亡与细胞坏死的区别三、细胞凋亡的分子机制三、细胞凋亡的分子机制（一）线虫和哺乳动物细胞的凋亡相关基因（一）线虫和哺乳动物细胞的凋亡相关基因1.线虫细胞凋亡基因 线虫（C.elegans）发育过程中有 1090个细胞，有131个细胞将进入 程序化死 亡；已发现15个基因与线虫细胞凋亡有关,可分为四组：细胞死亡基因（cell death gene）:ced-3、ced-4死亡抑制基因（cell death suppresser gene）:ced-9(1)直接相关基因(2)与死亡细胞吞噬有关的基因 ced-1、ced-2、ced-5、ced-6、ced-7、ced-8、ced-10(3)控制 DNA 裂解 基因:nuc-1(4)特异细胞类型凋亡的基因:ces-1、ces-2 egl-1和her-1 细胞凋亡途径及相关基因细胞凋亡途径及相关基因2.人和哺乳动物细胞凋亡相关基因及其产物 （1）Caspase家族 (ced-3的同源物)是一类半胱氨酸蛋白水解酶（cysteine aspartic acid specific protease），简称胱天蛋白酶（caspase）共同特点:是富含半胱氨酸，被激活后能特异地切割靶蛋白的天冬氨酸残基后的肽键。已发现的Caspase家族成员共有15种 根据在凋亡级联反应中的功能不同可分为两类：凋亡上游的起始者:Caspase 2、8、9、10、11；凋亡下游的执行者:Caspase 3、6、7。其中Caspase 1、4、11 参与白细胞介素前体活化，不直接参加凋亡信号的传递 细胞凋亡过程中细胞凋亡过程中Caspase级联效应级联效应 a.Caspase酶原的活化酶原的活化：Caspase酶原在特异位点被切割（通常由酶原在特异位点被切割（通常由另一家族成员催化），切割产生的片段聚合形成由另一家族成员催化），切割产生的片段聚合形成由2个小亚基和个小亚基和2个个大亚基组成的有活性的大亚基组成的有活性的Caspase四聚体。四聚体。细胞凋亡过程中细胞凋亡过程中Caspase级联效应级联效应 b.Caspase级联效应：少量活化的起始级联效应：少量活化的起始Caspase能够切割许多下游能够切割许多下游Caspase酶原，产生大量活化的下游酶原，产生大量活化的下游Caspase，其中执行，其中执行Caspase切割切割细胞质内及细胞核内重要结构和功能蛋白，导致细胞凋亡。细胞质内及细胞核内重要结构和功能蛋白，导致细胞凋亡。（2）Bcl-2蛋白家族 (是线虫ced-9的同源物)根据其功能可以分为两大类:抑制凋亡的Bcl-2:Bcl-2、Bcl-xL、Bcl-w、Mcl-1 能阻止线粒体外膜的通透化，保护细胞免于凋亡。促进细胞凋亡的Bcl-2:Bax、Bak，Noxa 能够促进线粒体外膜的通透化，促进细胞凋亡。（3）p53基因(抑癌基因)DNA损伤 p53活化 p21基因转录 细胞 阻止在G1期,如果DNA损伤不能被修复，p53持续增 高引起细胞凋亡。（4）Fas和Fasl Fas是广泛存在于正常细胞和肿瘤细胞膜表面受体，Fas配体Fasl主要表达于活化的T淋巴细胞，两者结合将导致携带Fas的细胞凋亡。（二）细胞凋亡信号信号通路（二）细胞凋亡信号信号通路四、细胞凋亡失常与疾病四、细胞凋亡失常与疾病（一）细胞凋亡过低导致的疾病（一）细胞凋亡过低导致的疾病1细胞凋亡与肿瘤 肿瘤细胞凋亡抑制基因和凋亡活化基因表达异常如肿瘤细胞常有p53基因的突变或缺失、一般肿瘤细胞高表达Fasl，借以凋亡淋巴细胞，而又低表达Fas，而降低凋亡，形成肿瘤细胞有逃逸免疫及凋亡耐受的特性。2细胞凋亡与系统性红斑狼疮 由于Fas表达缺陷，引起自身反应性T细胞的凋亡功能丧失，导致T淋巴细胞凋亡障碍（二）细胞凋亡过度导致的疾病（二）细胞凋亡过度导致的疾病1细胞凋亡与神经退行性疾病 中枢神经系统神经细胞的丧失是各种神经退行性疾病的病理特点 HIV感染的细胞膜表面可表达gp120，其受体存在于免疫的CD4+T淋巴细胞膜上，当gp120与CD4+T淋巴细胞结合后，可诱导CD4+T淋巴细胞凋亡，导致免疫系统崩溃。2细胞凋亡与AIDS病 3细胞凋亡与心血管疾病 动脉粥样硬化、心肌病、急性心肌梗死，以及心力衰竭中均伴随着细胞凋亡。思考题思考题1.简述细胞衰老的主要特征。2.什么是Hayflick界限?3.细胞衰老与个体衰老的关系如何?4.简述细胞凋亡的形态学特征及其与坏死的主要区别。5.简述细胞凋亡的生物学意义。6.简述动物细胞凋亡主要的两条信号通路。7.何谓Caspase家族?在细胞凋亡过程中起何作用?8.试述细胞凋亡与医学的关系。推荐阅读资料推荐阅读资料1.美Leonard P.Guarente等编著，李电东主译.衰老 分子生物学.科学出版社,20092.王亚平主编，干细胞衰老与疾病.科学出版社,20093.美Lewin,B等编著,桑建利，连慕兰等译.细胞.科学出版社,20094.翟中和,王喜中,丁明孝.细胞生物学（第三版）.高 等教育出版社,20075.周柔丽,医学细胞生物学.(第二版).北京大学医学出版 社,20066.易 静 汤雪明 医学细胞生物学.上海科学技术出版社,20098.Alberts B,Johnson A,Lewis J,et al.Molecular Biology of Cell.5th ed.New York.Landon.Garland Publishing Inc,2008 CellNatureScienceEMBOAnnual Review of Cell BiologyCell Research主要期刊杂志主要期刊杂志生物学网站生物学网站生物谷 http:/ http:/ http:/ http:/ of Visualized Experimentshttp:/ 生物网址通 http:/www.bio-