第13章程序性细胞死亡与细胞衰老.pptx

第十三章第十三章 程序性细胞死亡与细胞衰老程序性细胞死亡与细胞衰老程序性细胞死亡程序性细胞死亡细胞衰老细胞衰老 机体结构机体结构细胞增殖细胞增殖细胞分化细胞分化细胞凋亡细胞凋亡细胞信号转导细胞信号转导染色体染色体（DNADNA与蛋白质的相互作用）与蛋白质的相互作用）衰老衰老第二节第二节 细胞衰老细胞衰老(cellular aging或或cell senescence)Hayflick界限界限(Hayflick Limitation）细胞在体内条件下的衰老细胞在体内条件下的衰老衰老细胞结构的变化衰老细胞结构的变化细胞衰老的分子机理细胞衰老的分子机理关于人类的衰老和寿命问题关于人类的衰老和寿命问题关于人类的衰老和寿命问题关于人类的衰老和寿命问题l人类寿命有无极限？极限是多少？抗衰老，求长寿，古往今来，人之常情，时至今日，更为人们所关注。l人类寿命的相关因素 l现代人类面临着三种衰老现代人类面临着三种衰老现代人类面临着三种衰老：现代人类面临着三种衰老：第一种是生理性衰老，是指随着年龄增长所出现的生理第一种是生理性衰老，是指随着年龄增长所出现的生理性退化，这是一切生物的普遍规律。性退化，这是一切生物的普遍规律。第二种是病理性衰老，即由于内在的或外在的原因使人第二种是病理性衰老，即由于内在的或外在的原因使人体发生病理性变化，使衰老现象提前发生，体发生病理性变化，使衰老现象提前发生，这种衰老这种衰老又称为早衰又称为早衰。第三种是心理性衰老，心理活动是生理活动更高级的物第三种是心理性衰老，心理活动是生理活动更高级的物质运动形式，人类由于各种原因，常常产生质运动形式，人类由于各种原因，常常产生“未老先未老先衰衰”的心理状态而影响机体的整体功能。的心理状态而影响机体的整体功能。u1 遗传与人类寿命：先天性，父辈主宰。父、母享有高寿，其子女往往遗传与人类寿命：先天性，父辈主宰。父、母享有高寿，其子女往往也是高寿者。也是高寿者。u寿命与性别有关：人寿保险公司统计说明，寿命与性别有关：人寿保险公司统计说明，性动物性动物性动物，女人性动物，女人男人，为什么？众说纷纭。男人，为什么？众说纷纭。u 环境与人类寿命：后天因素多样错综复杂。体魄、环境、心理、社会、环境与人类寿命：后天因素多样错综复杂。体魄、环境、心理、社会、营养、疾病等。其中营养及体力活动较为重要。营养、疾病等。其中营养及体力活动较为重要。u 职业与人类寿命：职业与人类寿命：职业作为一种重要的社会因素，对人类寿命有一定职业作为一种重要的社会因素，对人类寿命有一定的影响。日本统计，从事管理工作人员，平均寿命最长，依次为国家机的影响。日本统计，从事管理工作人员，平均寿命最长，依次为国家机关工作人员、专业技术人员、商业工作人员、农业工作人员、一般生产关工作人员、专业技术人员、商业工作人员、农业工作人员、一般生产工人、体力劳动者、矿工。工人、体力劳动者、矿工。总得说来，近总得说来，近20年来，细胞衰老的研究取得了长足的进步，但离开年来，细胞衰老的研究取得了长足的进步，但离开真正揭示细胞衰老的本质，还要走很长的路。一旦揭开了细胞衰老的秘真正揭示细胞衰老的本质，还要走很长的路。一旦揭开了细胞衰老的秘密，那么延缓衰老，延长寿命将成为可能，但辩证唯物主义告诉我们，密，那么延缓衰老，延长寿命将成为可能，但辩证唯物主义告诉我们，真正的长生不老是不可能的。研究了解细胞衰老死亡规律，目的并不是真正的长生不老是不可能的。研究了解细胞衰老死亡规律，目的并不是为了避免死亡，而是要延缓细胞衰老的到来。为了避免死亡，而是要延缓细胞衰老的到来。研究表明：l哺乳动物自然寿命为生长发育期的哺乳动物自然寿命为生长发育期的57倍，借倍，借此推论，人类完成生长发育约在此推论，人类完成生长发育约在2022周岁，周岁，自然寿命应是自然寿命应是100150岁。岁。l哺乳动物的自然寿命为性成熟的哺乳动物的自然寿命为性成熟的810倍。倍。l海弗里克（海弗里克（Hayflick）：人体细胞可进行）：人体细胞可进行50次次左右有丝分裂，每次细胞周期为左右有丝分裂，每次细胞周期为24年，这样年，这样推论，人的寿命应在推论，人的寿命应在120岁左右。岁左右。一、一、Hayflick界限界限(Hayflick Limitation）概念：关于细胞增殖能力和寿命是有限的观点。概念：关于细胞增殖能力和寿命是有限的观点。细胞，至少是培养的二倍体细胞，不是不死的，而是有一定的细胞，至少是培养的二倍体细胞，不是不死的，而是有一定的 寿命；它们的增殖能力不是无限的，而是有一定的界限，这就寿命；它们的增殖能力不是无限的，而是有一定的界限，这就 是是 Hayflick界限界限 癌细胞或培养的细胞系是不正常细胞，其染色体数目或形态癌细胞或培养的细胞系是不正常细胞，其染色体数目或形态 已经不同于原先的细胞已经不同于原先的细胞 细胞的增殖能力与供体年龄有关细胞的增殖能力与供体年龄有关 物种寿命与培养细胞寿命之间存在着一定的关系物种寿命与培养细胞寿命之间存在着一定的关系 二倍体细胞的衰老是由细胞本身决定的二倍体细胞的衰老是由细胞本身决定的 决定细胞衰老的因素在细胞内部，而不是外部的环境决定细胞衰老的因素在细胞内部，而不是外部的环境 是细胞核而不是细胞质决定了细胞衰老是细胞核而不是细胞质决定了细胞衰老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 l Hayflick等发现，动物体细胞在体外可传代的次数，与物种的寿命有等发现，动物体细胞在体外可传代的次数，与物种的寿命有关。例如，关。例如，Galpagos 龟的最高寿命是龟的最高寿命是175岁，它的细胞在体外培养时岁，它的细胞在体外培养时能分裂能分裂100次。而小鼠的寿命只有几年，所以从小鼠分离的细胞在体外次。而小鼠的寿命只有几年，所以从小鼠分离的细胞在体外分裂的次数不超过分裂的次数不超过30次次 细胞来源细胞来源人胚肺成纤人胚肺成纤维细胞维细胞中年人肺成中年人肺成纤维细胞纤维细胞老年人肺成老年人肺成纤维细胞纤维细胞可增殖可增殖代数代数 40-60 20 2-4不同年龄来源的人成纤维细胞的增殖代数不同年龄来源的人成纤维细胞的增殖代数二、细胞在体内条件下的衰老二、细胞在体内条件下的衰老在机体内，细胞的衰老和死亡是常见的现象，甚至在在机体内，细胞的衰老和死亡是常见的现象，甚至在 个体发育的早期也会发生个体发育的早期也会发生;正常情况下终生保持分裂的细胞，其分裂能力是否随正常情况下终生保持分裂的细胞，其分裂能力是否随 着有机体年龄的增高而下降？它们着有机体年龄的增高而下降？它们 会不会衰老？会不会衰老？衰老动物体内，细胞分裂速度显著减慢，其原因主要衰老动物体内，细胞分裂速度显著减慢，其原因主要 是是G1期明显延长期明显延长;衰老个体内的环境因素影响了细胞的增殖和衰老衰老个体内的环境因素影响了细胞的增殖和衰老;骨髓干细胞移植实验说明随着年龄的增加，干细胞骨髓干细胞移植实验说明随着年龄的增加，干细胞 增殖速度也趋缓慢增殖速度也趋缓慢.三、衰老细胞结构的变化三、衰老细胞结构的变化 细胞核的变化细胞核的变化 内质网的变化内质网的变化:衰老衰老动物内质网成分弥散性地分散于核动物内质网成分弥散性地分散于核 周胞质中，粗面内质网的总量似乎是减少了周胞质中，粗面内质网的总量似乎是减少了 线粒体的变化线粒体的变化:通常，通常，细胞中线粒体的数量随龄减少，细胞中线粒体的数量随龄减少，而其体积则随龄增大而其体积则随龄增大 致密体的生成致密体的生成 膜系统的变化膜系统的变化 细胞核的变化细胞核的变化体外培养的二倍体细胞，细胞核体外培养的二倍体细胞，细胞核 随着细胞分裂次数的增加不断增大随着细胞分裂次数的增加不断增大细胞核的核膜内折（细胞核的核膜内折（invagination）、）、染色质固缩化染色质固缩化 膜系统的变化衰老的细胞，其膜流动性降低、韧性减小衰老的细胞，其膜流动性降低、韧性减小衰老细胞间间隙连接衰老细胞间间隙连接;细胞细胞膜内（膜内（P P面）颗粒的分布也发生变化面）颗粒的分布也发生变化 四、细胞衰老的分子机理四、细胞衰老的分子机理 氧氧化化性性损损伤伤学学说说：代代谢谢过过程程中中产产生生的的活活性性氧氧基基团团或或分分子子（ROS-O2-，OH-，H2O2），引发的氧化性损伤的积累，最终导致衰老。），引发的氧化性损伤的积累，最终导致衰老。端端粒粒与与衰衰老老：发发现现端端粒粒长长度度确确实实与与衰衰老老有有着着密密切切的的关关系系，提提出出细细胞胞衰衰老老的的“有丝分裂钟有丝分裂钟”学说（学说（Harley,1990）rDNA与衰老与衰老:酵母染色体外酵母染色体外rDNA环（环（ERC）的积累，导致细胞衰老。）的积累，导致细胞衰老。沉沉默默信信息息调调节节蛋蛋白白复复合合物物（Sir complex）与与衰衰老老：Sir complex 存存在在于于异染色质区，其作用在于阻断所在位点异染色质区，其作用在于阻断所在位点DNA转录。转录。SGS1基因和基因和WRN基因与衰老：基因与衰老：SGS1基因和基因和WRN基因同源基因同源,编码解旋酶编码解旋酶;酵母酵母sgs1突变体寿命明显短于野生型（平均突变体寿命明显短于野生型（平均9.5代代:24.5代）代）;wrn突变突变 引发早老症引发早老症.发育程序与衰老发育程序与衰老:线线粒粒体体DNA与与衰衰老老:Sen-DNA(80年年代代)；mtDNA突突变变积积累累与与细细胞胞衰衰老老有有关关.人类细胞衰老的主导基因人类细胞衰老的主导基因16l 科学家科学家 发现，癌症与发现，癌症与“端粒酶端粒酶”活性过高有关。活性过高有关。90%的恶性癌细胞里面的端粒酶的活性都是过高的，的恶性癌细胞里面的端粒酶的活性都是过高的，正是这个过高的端粒酶活性让癌症细胞正是这个过高的端粒酶活性让癌症细胞“死不了死不了”，无限生长，四处转移。，无限生长，四处转移。氧化性损伤学说氧化性损伤学说:l该理论认为，代谢过程中产生的该理论认为，代谢过程中产生的活性氧基团或分子活性氧基团或分子（reactive oxygen species，ROS）引发的氧化性损伤的积累，）引发的氧化性损伤的积累，最终导致衰老。最终导致衰老。ROS主要有三种类型：主要有三种类型：O2-，即超氧自由基；，即超氧自由基；OH-，即羟自由基；，即羟自由基；H2O2。l它们的高度活性引发脂类、蛋白质和核酸分子的氧化性损伤，它们的高度活性引发脂类、蛋白质和核酸分子的氧化性损伤，从而导致细胞结构的损伤乃至破坏。清除从而导致细胞结构的损伤乃至破坏。清除ROS，就可以延长，就可以延长寿命。寿命。氧自由基的损伤作用氧自由基的损伤作用:1）能使质膜中的不饱和脂肪酸氧化；能使质膜中的不饱和脂肪酸氧化；2）使蛋白质中的疏基氧化造成蛋白质交联、变性、酶钝化；）使蛋白质中的疏基氧化造成蛋白质交联、变性、酶钝化；3）使糖类化合物降解；）使糖类化合物降解；4）使）使DNA链断裂、交联、碱基经基化、碱基切除，链断裂、交联、碱基经基化、碱基切除，5）抑制蛋白质、核苷酸和脂肪酸的生物合成。）抑制蛋白质、核苷酸和脂肪酸的生物合成。细制细胞内清除过多的自由基的机制细制细胞内清除过多的自由基的机制:1）通过细胞内部自身隔离化使产生自由基的物质或位点与细胞其它）通过细胞内部自身隔离化使产生自由基的物质或位点与细胞其它组分分开；组分分开；2）保护性酶：主要有超氧化物歧化酶）保护性酶：主要有超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶和过氧化氢酶(CAT)，两者协同起保护性作用。此外还有谷胱甘肽过氧化物酶。两者协同起保护性作用。此外还有谷胱甘肽过氧化物酶。3）其它抗氧化物分子，如维生素）其它抗氧化物分子，如维生素E和维生素和维生素C，它们都是自由基反，它们都是自由基反应的有效终止剂。应的有效终止剂。中国科学家揭开人类细胞衰老之谜中国科学家揭开人类细胞衰老之谜(2002年十大科技进展之一年十大科技进展之一)u(2002年年)北京大学医学部教授童坦君、张宗玉领导的研究组经过多年研究，目前已初北京大学医学部教授童坦君、张宗玉领导的研究组经过多年研究，目前已初步阐明人类细胞衰老的主导基因步阐明人类细胞衰老的主导基因16是人类细胞衰老遗传控制程序中的主要环节，是人类细胞衰老遗传控制程序中的主要环节，揭示了揭示了P16 基因在衰老过程中高表达的原因，从而初步揭开了人类细胞衰老之谜。基因在衰老过程中高表达的原因，从而初步揭开了人类细胞衰老之谜。u初步阐明了初步阐明了P16 基因不仅是细胞衰老遗传控制程序中的主要环节，还可影响细胞寿基因不仅是细胞衰老遗传控制程序中的主要环节，还可影响细胞寿命与端粒（细胞的生物钟）长度，它通过调节命与端粒（细胞的生物钟）长度，它通过调节b蛋白的活性，而非激活端粒酶起作蛋白的活性，而非激活端粒酶起作用。同时发现负调控机制减弱是细胞复制性衰老时用。同时发现负调控机制减弱是细胞复制性衰老时16基因高表达的重要原因。基因高表达的重要原因。u研究人员发现研究人员发现P16基因存在一个基因序列为基因存在一个基因序列为GAAGGT的负调控元件。此负调控元件的负调控元件。此负调控元件相当于相当于P16基因的刹车装置。他们还发现了掌管这一刹车装置的蛋白质因子，它的分基因的刹车装置。他们还发现了掌管这一刹车装置的蛋白质因子，它的分子量约为子量约为24000道尔顿。进一步研究显示：年轻细胞的此蛋白质因子可与负调控元件道尔顿。进一步研究显示：年轻细胞的此蛋白质因子可与负调控元件结合，抑制结合，抑制P16 基因表达，而衰老的细胞缺乏此因子，所以基因表达，而衰老的细胞缺乏此因子，所以P16基因高表达。基因高表达。u抑制抑制P16基因表达，不仅细胞寿命延长，衰老程度减轻，而且端粒长度的缩短也在减基因表达，不仅细胞寿命延长，衰老程度减轻，而且端粒长度的缩短也在减缓；反之，增强缓；反之，增强16基因表达，不仅细胞寿命缩短，衰老程度加重，而且端粒长度基因表达，不仅细胞寿命缩短，衰老程度加重，而且端粒长度缩短明显加快。缩短明显加快。第一节第一节 程序性细胞死亡程序性细胞死亡 细胞凋亡的概念及其生物学意义细胞凋亡的概念及其生物学意义细胞凋亡的形态学和生物化学特征细胞凋亡的形态学和生物化学特征细胞凋亡的分子调控机理细胞凋亡的分子调控机理细胞自噬细胞自噬植物细胞程序性死亡植物细胞程序性死亡植物细胞程序性死亡植物细胞程序性死亡l在形态上在形态上,近年来研究表明近年来研究表明,植物与动物细胞植物与动物细胞PCD 有许有许多相似的特征多相似的特征,包括细胞形态和包括细胞形态和 DNA 降解变化等。降解变化等。l目前发现与植物程序性死亡有关的因子有目前发现与植物程序性死亡有关的因子有:caspase、CED、蛋白激酶和核酸内切酶。、蛋白激酶和核酸内切酶。lPCD 伴随着植物的一生，在植物的生长发育、形态建伴随着植物的一生，在植物的生长发育、形态建成及抵御不良环境伤害中都发挥十分重要的作用。大成及抵御不良环境伤害中都发挥十分重要的作用。大量的研究结果证明量的研究结果证明,植物体的各部分植物体的各部分,如根、茎、叶、如根、茎、叶、花、果等的死亡花、果等的死亡,注定会在生活史的特定阶段发生，这注定会在生活史的特定阶段发生，这对植物体有着重要的生物学意义。对植物体有着重要的生物学意义。细胞自噬（autophagy）l细胞自噬细胞自噬是凋亡之外的第二种程序性细胞死亡方式，在进化过程中是凋亡之外的第二种程序性细胞死亡方式，在进化过程中高度保守，高度保守，从酵母、果蝇到脊椎动物和人都可以找到参与从酵母、果蝇到脊椎动物和人都可以找到参与autophagy 的同源基因。的同源基因。l在形态学上，即将发生在形态学上，即将发生autophagy 的细胞胞浆中出现大量游离的膜的细胞胞浆中出现大量游离的膜性结构，称为前自噬泡（性结构，称为前自噬泡（Preautophagosome）。）。l前自噬泡逐渐发展，成为由双层膜结构形成的空泡，其中包裹着变前自噬泡逐渐发展，成为由双层膜结构形成的空泡，其中包裹着变性坏死的细胞器和部分细胞浆，这种双层膜被称为自噬泡性坏死的细胞器和部分细胞浆，这种双层膜被称为自噬泡（Autophagosome）。）。l自噬泡的外膜与溶酶体膜融合，内膜及其包裹的物质进入溶酶体腔，自噬泡的外膜与溶酶体膜融合，内膜及其包裹的物质进入溶酶体腔，被溶酶体中的酶水解。被溶酶体中的酶水解。l根据细胞内底物运送到溶酶体腔方式的不同，哺乳动物细胞根据细胞内底物运送到溶酶体腔方式的不同，哺乳动物细胞autophagy 可分为可分为三种主要方式三种主要方式 l三种主要方式：大自噬（三种主要方式：大自噬（Macroautophagy）、小自噬）、小自噬（Microautophagy）和分子伴侣介导的自噬）和分子伴侣介导的自噬(Chaperone-mediated autophagy，CMA)。大自噬大自噬小自噬小自噬分子伴侣介导的自噬分子伴侣介导的自噬一、细胞凋亡的概念及其生物学意义一、细胞凋亡的概念及其生物学意义细胞的死亡形式细胞的死亡形式概念：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，所概念：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，所以也常常被称为以也常常被称为细胞程序性死亡细胞程序性死亡（programmed cell death,PCD）。凋）。凋亡细胞将被吞噬细胞吞噬。亡细胞将被吞噬细胞吞噬。生物学意义：细胞凋亡对于多细胞生物个体发育的正常进行，生物学意义：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关键的作用：蝌蚪尾的消失蝌蚪尾的消失；脊椎动物的神经系统的发育脊椎动物的神经系统的发育；发育过程中；发育过程中手和足的形手和足的形成过程等成过程等。2002年年10月月7日日英国人悉尼英国人悉尼布雷诺尔、美国人罗伯特布雷诺尔、美国人罗伯特霍维茨和英国人约翰霍维茨和英国人约翰苏尔斯顿苏尔斯顿，因在器官发育的遗传调控和细胞程序性死亡方面的研究获诺，因在器官发育的遗传调控和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。贝尔诺贝尔生理与医学奖。细胞的死亡形式细胞的死亡形式细胞的死亡形式细胞的死亡形式l细胞的死亡形式分为：凋亡性程序性细胞死亡细胞的死亡形式分为：凋亡性程序性细胞死亡(Apoptosis)、自噬性程序性细胞死亡、自噬性程序性细胞死亡(Autophagy)和细胞坏死和细胞坏死(Necrosis)三种类型三种类型。l程序性细胞死亡（程序性细胞死亡（Programmed Cell Death,PCD）是有机）是有机体在漫长的进化过程中发展起来的细胞自杀机制，在清除体在漫长的进化过程中发展起来的细胞自杀机制，在清除无用的、多余的或癌变的细胞，维持机体内环境稳态方面无用的、多余的或癌变的细胞，维持机体内环境稳态方面发挥重要作用。程序性细胞死亡调控机制的失调与多种疾发挥重要作用。程序性细胞死亡调控机制的失调与多种疾病的发生发展相关，如神经变性性疾病、自身免疫病、恶病的发生发展相关，如神经变性性疾病、自身免疫病、恶性肿瘤、衰老、病原微生物感染、肌细胞功能失调等。性肿瘤、衰老、病原微生物感染、肌细胞功能失调等。关于细胞凋亡和关于细胞凋亡和关于细胞凋亡和关于细胞凋亡和细胞程序性死亡细胞程序性死亡细胞程序性死亡细胞程序性死亡l在细胞凋亡一词出现之前，胚胎学家已观察到动物发育过在细胞凋亡一词出现之前，胚胎学家已观察到动物发育过程中存在着细胞程序性死亡（程中存在着细胞程序性死亡（programmed cell death，PCD）现象，它是胚胎正常发育所必需的。近年来）现象，它是胚胎正常发育所必需的。近年来PCD和和细胞凋亡常被做为同义词使用，但两者实质上是有差异的。细胞凋亡常被做为同义词使用，但两者实质上是有差异的。首先，首先，PCD是一个功能性概念，描述在一个多细胞生物体是一个功能性概念，描述在一个多细胞生物体中，某些细胞的死亡是个体发育中一个预定的，并受到严中，某些细胞的死亡是个体发育中一个预定的，并受到严格控制的正常组成部分，而凋亡是一个形态学概念，指与格控制的正常组成部分，而凋亡是一个形态学概念，指与细胞坏死不同的受到基因控制的细胞死亡形式；其次，细胞坏死不同的受到基因控制的细胞死亡形式；其次，PCD的最终结果是细胞凋亡，但细胞凋亡并非都是程序化的最终结果是细胞凋亡，但细胞凋亡并非都是程序化的。的。l动物机体的细胞数量控制的途径 二、细胞凋亡的形态学和生物化学特征二、细胞凋亡的形态学和生物化学特征细胞凋亡与坏死细胞凋亡与坏死(necrosis)细胞凋亡的形态学特征细胞凋亡的形态学特征细胞凋亡的生化特征细胞凋亡的生化特征诱导细胞凋亡的因子诱导细胞凋亡的因子细胞凋亡的检测细胞凋亡的检测细胞凋亡与坏死细胞凋亡与坏死(necrosis)二者的主要区别是，细胞凋亡过程中，细胞质膜反折，包裹二者的主要区别是，细胞凋亡过程中，细胞质膜反折，包裹断裂的染色质片段或细胞器，然后逐渐分离，形成众多的断裂的染色质片段或细胞器，然后逐渐分离，形成众多的凋亡小体凋亡小体（apoptotic bodies），凋亡小体则为邻近的细胞），凋亡小体则为邻近的细胞所吞噬。整个过程中，细胞质膜的整合性保持良好，死亡所吞噬。整个过程中，细胞质膜的整合性保持良好，死亡细胞的内容物不会逸散到胞外环境中去，因而不引发炎症细胞的内容物不会逸散到胞外环境中去，因而不引发炎症反应。相反，在细胞坏死时，细胞质膜发生渗漏，细胞内反应。相反，在细胞坏死时，细胞质膜发生渗漏，细胞内容物，包括膨大和破碎的细胞器以及染色质片段，释放到容物，包括膨大和破碎的细胞器以及染色质片段，释放到胞外，导致炎症反应。胞外，导致炎症反应。细胞凋亡与坏死比较表细胞凋亡与坏死比较表细胞凋亡与坏死比较表细胞凋亡与坏死比较表坏死坏死凋亡凋亡1.性质性质病理性，非特异性病理性，非特异性生理性或病理性，特异性生理性或病理性，特异性2.诱导因素诱导因素强烈刺激，随机发生强烈刺激，随机发生较弱刺激，非随机发生较弱刺激，非随机发生3.生化特点生化特点被动过程，无新蛋白合成，被动过程，无新蛋白合成，不耗能不耗能主动过程，有新蛋白合成，主动过程，有新蛋白合成，耗能耗能4.形态变化形态变化细胞结构全面溶解、破坏、细胞结构全面溶解、破坏、细胞肿胀细胞肿胀胞膜及细胞器相对完整胞膜及细胞器相对完整细胞皱缩，核固缩细胞皱缩，核固缩5.DNA电泳电泳弥散性降解，电泳呈均一弥散性降解，电泳呈均一DNA片状片状DNA片段化片段化(180-200bp），），电泳呈电泳呈“梯梯”状条带状条带6.炎症反应炎症反应溶酶体破裂，局部炎症反应溶酶体破裂，局部炎症反应溶酶体相对完整，局部无溶酶体相对完整，局部无炎症反应炎症反应7.凋亡小体凋亡小体无无有有8.基因调控基因调控无无有有细胞凋亡的形态学特征凋凋亡亡的的起起始始：细细胞胞表表面面的的特特化化结结构构如如微微绒绒毛毛消消失失，细细胞胞间间接接触触的的消消失失，但但细细胞胞膜膜依依然然完完整整；线线粒粒体体大大体体完完整整，但但核核糖糖体体逐逐渐渐从从内内质质网网上上脱脱离离，内内质质网网囊囊腔腔膨膨胀胀，并并逐逐渐渐与与质质膜膜融融合合；染染色色质质固固缩缩，形形成成新新月月形形帽帽状状结结构构等等形形态态，沿沿着着核膜分布核膜分布凋凋亡亡小小体体的的形形成成：核核染染色色质质断断裂裂为为大大小小不不等等的的片片段段，与与某某 些些细细胞胞器器如如线线粒粒体体一一起起聚聚集集，为为反反折折的的细细胞胞质质膜膜所所包包围围。细细胞胞表表面面产产生生了了许许多多泡泡状状或或芽芽状状突突起起，逐逐渐渐形形成成单单个个的的凋凋亡小体亡小体 凋亡小体逐渐为邻近的细胞吞噬并消化凋亡小体逐渐为邻近的细胞吞噬并消化细胞凋亡的生化特征细胞凋亡的主要特征是形成大小为细胞凋亡的主要特征是形成大小为 180200bp特征性的特征性的DNA ladders 凋亡细胞组织转谷氨酰胺酶凋亡细胞组织转谷氨酰胺酶tTG （tissue Transglutaminase）积累并达）积累并达 到较高水平到较高水平诱导细胞凋亡的因子物理性因子，包括射线（紫外线，物理性因子，包括射线（紫外线，射线等），射线等），较温和的温度刺激（如热激，冷激）等较温和的温度刺激（如热激，冷激）等化学及生物因子：包括活性氧基团和分子，化学及生物因子：包括活性氧基团和分子，DNA 和蛋白质合成的抑制剂，激素，细胞生长因子，肿和蛋白质合成的抑制剂，激素，细胞生长因子，肿 瘤坏死因子瘤坏死因子（TNF），抗），抗Fas/Apo-1/CD95抗体等抗体等细胞凋亡的检测（细胞凋亡的检测（P458）形态学观测：染色法、透射和扫描电镜观察形态学观测：染色法、透射和扫描电镜观察DNA电泳：电泳：DNA片段就呈现出梯状条带片段就呈现出梯状条带TUNEL测定法，即测定法，即DNA断裂的原位末端标记法断裂的原位末端标记法彗星电泳法彗星电泳法（comet assay）流式细胞分析流式细胞分析 根根据据凋凋亡亡细细胞胞DNA断断裂裂和和丢丢失失，采采用用碘碘化化丙丙啶啶使使DNA激激发发荧荧光光，用用流流式式细细胞胞仪仪检检出出凋凋亡亡的的亚亚二二倍倍体体细细 胞，同时又能观察细胞的周期状态。胞，同时又能观察细胞的周期状态。彗星电泳法（彗星电泳法（彗星电泳法（彗星电泳法（comet assaycomet assay）l彗星电泳法（彗星电泳法（comet assay）的原理是将单个细）的原理是将单个细胞悬浮于琼脂糖凝胶中，经裂解处理后，再在电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，并用荧光染料染色，凋场中进行短时间的电泳，并用荧光染料染色，凋亡细胞中形成的亡细胞中形成的DNA降解片段，在电场中泳动降解片段，在电场中泳动速度较快，使细胞核呈现出一种彗星式的图案，速度较快，使细胞核呈现出一种彗星式的图案，而正常的无而正常的无DNA断裂的核在泳动时保持圆球形，断裂的核在泳动时保持圆球形，这是一种快速简便的凋亡检测法。这是一种快速简便的凋亡检测法。三、细胞凋亡的分子调控机理细胞凋亡的分子调控机理线虫线虫(C.elegans)凋亡研究凋亡研究发现发现ced3,ced4基因促进基因促进 细胞凋亡，细胞凋亡，ced9基因阻止基因阻止ced3/ced4的激活，抑制的激活，抑制 细胞凋亡。细胞凋亡。Ced3哺乳类同源物是哺乳类同源物是ICE(Interleukin-1-converting enzyme)，即，即Caspase1Caspase家族与凋亡家族与凋亡Bcl-2家族、线粒体与细胞凋亡家族、线粒体与细胞凋亡参与参与参与参与秀丽隐杆线虫秀丽隐杆线虫秀丽隐杆线虫秀丽隐杆线虫的细胞程序性死亡基因的分组及相关作用的细胞程序性死亡基因的分组及相关作用的细胞程序性死亡基因的分组及相关作用的细胞程序性死亡基因的分组及相关作用 参与秀丽隐杆线虫的细胞程序性死亡的参与秀丽隐杆线虫的细胞程序性死亡的1515个基因，根据其作用不同大致可分为个基因，根据其作用不同大致可分为4 4组。组。l第第1 1组组含同含同PCDPCD有关的决定死亡的两个基因，即有关的决定死亡的两个基因，即ces-1ces-1(ces(ces表示表示CECE细胞存活的调控基因细胞存活的调控基因)和和ces-2ces-2基因，即该组基因在线虫基因，即该组基因在线虫CECE的的PCDPCD调控具有重要意义调控具有重要意义.l第第2 2组组含有执行死亡的四个基因：含有执行死亡的四个基因：ced-3ced-3(cell death abnormal)(cell death abnormal)、ced-4ced-4、ced-9ced-9和和egl-1egl-1基因。基因。l第第3 3组组含有含有7 7个与死亡细胞被吞噬细胞所吞噬的基因，即个与死亡细胞被吞噬细胞所吞噬的基因，即ced-1ced-1、ced-2ced-2、ced-5ced-5、ced-6ced-6、ced-7ced-7、ced-10ced-10和和ced-11ced-11。l第四组第四组是死亡细胞在吞噬体中被降解的基因，如核酸酶基因是死亡细胞在吞噬体中被降解的基因，如核酸酶基因1 1，即，即nuc-1nuc-1基因，如果基因，如果nuc-1nuc-1发生突变，则发生突变，则DNADNA裂解受阻，但不能抑制细胞死亡，表明此核酸酶并非裂解受阻，但不能抑制细胞死亡，表明此核酸酶并非PCDPCD所必需。所必需。由这四组基因共同作用导致线虫细胞的程序化死亡。由这四组基因共同作用导致线虫细胞的程序化死亡。秀丽隐杆线虫秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans，CE)l在胚胎发育期间，秀丽隐杆线虫有在胚胎发育期间，秀丽隐杆线虫有1090个体细胞，但在发育过程中个体细胞，但在发育过程中有有131个细胞死亡。因此，一个成熟的秀丽隐杆线虫有个细胞死亡。因此，一个成熟的秀丽隐杆线虫有959个体细胞个体细胞和约和约10002000个性细胞。线虫的成虫分雌雄同体和雄性两种性别，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（上图）。虫体透明，有雌雄同体相当于雌性（上图）。虫体透明，有6对染色体，约对染色体，约3000个个基因。基因。Caspase家族与凋亡Caspase家族家族Caspase活性位点是半胱氨酸活性位点是半胱氨酸(Cysteine)，裂解靶蛋白位点是天冬氨酸残基后的肽裂解靶蛋白位点是天冬氨酸残基后的肽键，因此称为键，因此称为Cysteine aspartic acic specific protease，即，即CaspaseCaspase活化活化有两类有两类caspase，一类是起始者（，一类是起始者（initiators）,另一类是另一类是执行者（执行者（executioners）胞外信号分子诱导的细胞凋亡途径胞外信号分子诱导的细胞凋亡途径Caspase 蛋蛋 白白 酶酶lCaspase 蛋蛋 白白 酶酶(cysteine aspartic acid specificprotease)是一类半胱氨基酸蛋白酶是一类半胱氨基酸蛋白酶,它在动物细胞程序性死亡它在动物细胞程序性死亡(PCD)中既是水解蛋白质的参与者中既是水解蛋白质的参与者,也是细胞程序性死亡的也是细胞程序性死亡的启动因素。它是动物启动因素。它是动物 PCD 执行阶段的核心酶执行阶段的核心酶,它的活化直它的活化直接导致凋亡细胞的解体。接导致凋亡细胞的解体。执行者执行者执行者执行者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在程序性细胞死亡中的作用在程序性细胞死亡中的作用 有两类有两类caspase，一类是起，一类是起始者（始者（initiators）,另一类另一类是执行者（是执行者（executioners）。）。起始起始caspase在外来蛋白信在外来蛋白信号的作用下被切割激活，号的作用下被切割激活，激活的起始激活的起始caspase对执行对执行者者caspase进行切割并使之进行切割并使之激活，被激活执行者激活，被激活执行者caspase通过对通过对caspase靶蛋靶蛋白的水解，导致程序性细白的水解，导致程序性细胞死亡胞死亡 Caspase活化 Caspase自身以非活化的自身以非活化的Procaspase存在，其激存在，其激活依赖于其他的活依赖于其他的Caspase在它的天冬氨酸位点在它的天冬氨酸位点裂解活化或自身活化裂解活化或自身活化胞外信号分子诱导的细胞凋亡途径凋亡信号通路凋亡信号通路 当当细细胞胞接接受受凋凋亡亡信信号号分分子子(Fas,TNF等等)后后，凋凋亡亡细细胞胞表表面面信信号号分分子子受受体体相相互互聚聚集集并并与与细细胞胞内内的的衔衔接接蛋蛋白白(Adaptor protein)结结合合，这这些些衔衔接接蛋蛋白白又又募募集集Procaspases聚聚集集在在受受体体部部位位，Procaspase相相互互活活化化并并产产生生级联反应，使细胞凋亡。级联反应，使细胞凋亡。下游下游Caspases活化后，作用底物：活化后，作用底物：裂解核纤层蛋白，导致细胞核形成凋亡小体；裂解核纤层蛋白，导致细胞核形成凋亡小体；裂解裂解DNase结合蛋白，使结合蛋白，使DNase释放，降解释放，降解DNA形成形成DNA Ladder;裂裂解解参参与与细细胞胞连连接接或或附附着着的的骨骨架架和和其其他他蛋蛋白白，使使凋凋亡亡细细胞胞皱皱缩缩、脱脱 落落，便于细胞吞噬；便于细胞吞噬；导致膜脂导致膜脂PS重排，便于吞噬细胞识别并吞噬。重排，便于吞噬细胞识别并吞噬。Bcl-2家族、线粒体与细胞凋亡Bcl-2是是一一种种原原癌癌基基因因，是是ced-9在在哺哺乳乳类类中中的的同同源源物物，能能抑抑制制细细胞胞凋凋亡亡；与与线线粒粒体体及及内内质质网网膜膜相相结结合合；Bcl-2蛋蛋白白的的羧羧基基末末端端有有一一穿穿膜膜的的结结构构域域；Bcl-2家家族族成成员员的的基基因因中中，常常常常含含有有三三个个保保守守的的Bcl-2同源区，即同源区，即BH1，BH2和和BH3Bcl-2、线粒体与线粒体与细胞凋亡细胞凋亡哺乳动物细胞中发现的哺乳动物细胞中发现的Apaf2即是即是CytCBcl-2、线粒体与细胞凋亡当当Caspase8Caspase8活化后，它一方面作用于活化后，它一方面作用于Procaspase3Procaspase3，另，另 一方面使一方面使BidBid裂解成裂解成2 2个片段，其中含个片段，其中含BH3BH3结构域的结构域的C-C-端端 片段被运送到线粒体，与片段被运送到线粒体，与Bcl-2/BaxBcl-2/Bax的的BH3BH3结构域形成结构域形成 复合物，导致细胞色素复合物，导致细胞色素C C释放。释放。CytCCytC与胞质中与胞质中Ced4Ced4同源同源 物物Apaf-1(凋亡蛋白酶活化因子凋亡蛋白酶活化因子apoptosis protease activating factor)结合并活化结合并活化Apaf-1，活化的，活化的Apaf-1再再活化活化Procaspase9，最后引起细胞凋亡，最后引起细胞凋亡在蝌蚪向蛙发育中的变态反应中的编程死亡的作用在蝌蚪向蛙发育中的变态反应中的编程死亡的作用在蝌蚪向蛙发育中的变态反应中的编程死亡的作用在蝌蚪向蛙发育中的变态反应中的编程死亡的作用 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 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 正常正常T细胞杂交瘤细胞细胞杂交瘤细胞 b 凋亡细胞凋亡细胞(扫描电镜扫描电镜)c 凋亡细胞凋亡细胞(透射电镜透射电镜)caspase 超家族成员及其相应底物BCL-2家族成员家族成员细胞外信号细胞外信号肿瘤坏死因肿瘤坏死因子（子（tumor necrosis factor,TNF）激发细胞的程）激发细胞的程序性死亡的过程。序性死亡的过程。坏死细胞凋亡细胞 细胞色素细胞色素c诱导的凋亡细诱导的凋亡细胞胞DNA电泳图电泳图1细胞色素细胞色素c诱导诱导0 h2细胞色素细胞色素c诱导诱导1 h3细胞色素细胞色素c诱导诱导2 h4细胞色素细胞色素c诱导诱导3 h5细胞色素细胞色素c诱导诱导4 h6阴性对照阴性对照7Marker （自赵允、翟中和）自赵允、翟中和）2002年诺贝尔生理与医学奖获得者（图片来自http:/www.nobel.se/）