第十五章细胞衰老与凋亡.ppt

第十五章细胞衰老(shuilo)与凋亡CELL SENESCENCE AND DEATH第一页，共四十七页。http:/ 第一节细胞(xbo)衰老Aging，Senescence，指细胞随着年龄增加，机能和结构退行性变化，趋向(qxing)死亡的不可逆现象。衰老是生命的普遍现象，发生在生态系统、群落、种群、个体、细胞以及分子等不同层次。第二页，共四十七页。一、人体细胞的动态(dngti)分类更新组织：如上皮细胞、血细胞。构成更新组织的细胞可分为(fn wi)类：干细胞、过渡细胞、成熟细胞。稳定组织：可补偿性增生，如：肝、肾细胞。恒久组织：细胞不再分裂，如神经细胞。可耗尽组织：如人类的卵巢实质细胞。第三页，共四十七页。二、细胞衰老的特征（一）形态(xngti)变化第四页，共四十七页。（二）分子(fnz)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：含量减少。3.蛋白质：含成下降，发生(fshng)修饰、交联。4.酶分子：物理与化学特征改变，酶失活。5.脂类：不饱和脂肪酸被氧化。第五页，共四十七页。三、细胞(xbo)衰老的分子机理1.代谢废物(fiw)积累：如：脂褐质，老年性痴呆（AD）脑细胞内的-淀粉样蛋白。2.线粒体DNA突变：线粒体自由基浓度高，mtDNA是裸露分子，容易发生突变。脑、心、骨骼肌的氧负荷最大，组织最易衰老。caloricrestriction能延长大鼠寿命50%-70%。第六页，共四十七页。ThinratburyfatratTheratsareboth1000daysold,veryoldforrats.Theoneontherightwascalorierestricted.Theoneontheleftisneardeathandshowstypicalsignsofoldagesimilartowhathappensinhumans.ImagecitedfromCliveMcCay1939.第七页，共四十七页。3自由基学说(xushu)（freeradicaltheories）自由基是含不成对电子的原子或基团(j tun)，具有高度反应活性。包括：氧自由基（如OH）、氢自由基（H）、碳自由基、脂自由基等。自由基来源：外源性（如辐射）、内源性。内源性自由基产生于由线粒体呼吸链电子泄漏产生；由氧化酶（如MFO）催化底物羟化产生。第八页，共四十七页。自由基可引起(ynq)DNA、蛋白质、脂类氧化、变性和交联，实验表明DNA中OH8dG随着年龄而增加。正常细胞内存在清除自由基的防御系统。酶系统：SOD、CAT、GSH-PX。非酶系统：维生素E、醌类电子受体Orr和Sohal（1994），将SOD基因导入果蝇，其寿命比野生型延长1/3。第九页，共四十七页。4程序性衰老shuilo)（programmedsenescence）生物的生长、发育、衰老和死亡都由基因程序控制的，衰老是某些基因依次开启或关闭的结果。例1.在小鼠肝中，胚胎早期表达的胞质丙氨酸转氨酶（cAAT）为A型，随后停止表达，衰老时则表达B型cAAT例2.肝脏中的衰老标志(biozh)蛋白2在老年期表达。第十页，共四十七页。5复制(fzh)性衰老（replicativesenescence）细胞的增殖次数是有限的，称“Hayflick”极限。如人胚成纤维细胞可培养60-70代。DNA每复制一次端粒就缩短一段，到一定程度时，则激活(j hu)DNA损伤检验，细胞凋亡。人的成纤维细胞端粒每年缩短14-18bp。端粒酶可修复端粒，此酶仅在干细胞中表达。第十一页，共四十七页。6.衰老(shuilo)基因学说子女的寿命与双亲的寿命有关；动物都有相当恒定的平均和最高寿命；成人早衰症：约39岁衰老，47岁生命结束；婴幼儿早衰症：1岁衰老，1218岁生命结束；早衰症患者体内解旋酶发生(fshng)突变。衰老时，衰老相关基因（SAG）活跃表达，如senescentcellderivedinhibitionofDNAsynthesis。第十二页，共四十七页。WernerssyndromeA 37 years old patient，Adoue DFP 1997第十三页，共四十七页。HutchinsonGilfordsyndrome第十四页，共四十七页。http:/ 第二节细胞(xbo)坏死与凋亡细胞死亡(swng)并非与机体死亡(swng)同步。正常的组织中也发生细胞死亡(swng)，它是维持组织机能和形态所必需的。第十五页，共四十七页。一、细胞(xbo)死亡的方式（一）细胞坏死细胞受到环境因素伤害(shnghi)，引起细胞死亡的现象。形态变化的原因：酶性消化、蛋白变性。如消化酶来源于死亡细胞本身的溶酶体，则称为自溶（autolysis）；若来源于浸润坏死组织内白细胞溶酶体，则为异溶（heterolysis）。第十六页，共四十七页。细胞坏死初期，胞质内线粒体和内质网肿胀、崩解，结构脂滴游离、空泡化，蛋白质颗粒增多，核发生固缩或断裂。随坏死进程，细胞质呈强嗜酸性，苏木精/伊红染色呈均一红色。细胞膜不完整，台盼蓝染色阳性(活细胞不着色)。DNA随机降解，细胞内容物流出，引起(ynq)炎症。第十七页，共四十七页。（二）细胞(xbo)凋亡细胞通过(tnggu)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，凝胶电泳图呈梯状；凋亡通常是生理性变化，坏死是病理性变化。第十八页，共四十七页。www.roche-applied- wn)第二十页，共四十七页。胸腺细胞(xbo)正常正常(zhngchng)凋亡(dio wn)第二十一页，共四十七页。第二十二页，共四十七页。（三）细胞(xbo)程序性死亡细胞程序性死亡（PCD）是一种基因(jyn)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。第二十三页，共四十七页。C.elegans是研究PCD的理想(lxing)材料（生命周期短，细胞数量少）。http:/www.news.wisc.edu第二十四页，共四十七页。C.elegans雄虫有1031个体细胞、约1000个生殖细胞。神经系统由302个细胞组成，来自(li z)于407个前体细胞，105个细胞发生了PCD。控制线虫PCD的基因有：Ced-3、Ced-4和Ced-9。Ced-3和 Ced-4诱发凋亡；Ced-9抑制Ced-3、Ced-4的作用。第二十五页，共四十七页。2002年10月7日英国人Sydney、美国人Horvitz和英国人Sulston，因在PCD方面的研究(ynji)获诺贝尔诺贝尔生理与医学奖。H.Robert HorvitzJohn E.Sulston Sydney Brenner第二十六页，共四十七页。二、细胞(xbo)凋亡的生理和病理学意义（一）生理学意义1.生长发育：组织与器官的塑造（趾的分化）；动物变态；皮肤(p f)角质形成；2免疫细胞分化：克隆选择；3.防御：清除衰老细胞、DNA损伤的细胞、和被病原体感染的细胞。第二十七页，共四十七页。Sculptingthedigitsinthedevelopingmousepawbyapoptosis（Wood2000）第二十八页，共四十七页。（二）病理学意义(yy)1.病原体侵染；诱导凋亡HIV抑制凋亡Poxvirus2.细胞凋亡不足肿瘤，自身免疫疾病；3.细胞凋亡过度神经退行性疾病（AD，帕金森症）、心肌梗塞、再生(zishng)障碍性贫血、骨组织坏死。第二十九页，共四十七页。三、细胞(xbo)凋亡的检测方法1.形态学，电镜，光镜；2.DNA凝胶电泳ladder；3.流式细胞计；4.核酸内切酶活力(hul)检测；5.免疫学方法；6.AnnexinV检测细胞膜外表面PS；7.TUNEL技术。第三十页，共四十七页。8.常用检测细胞凋亡的染料：二乙酸荧光素（FDA），绿色荧光，活细胞染色(rns)。Hoechst33342或33258，DAPI，吖啶橙（AO），半通透，凋亡和固定后的细胞荧光较强。溴化乙啶（EB）、碘化丙啶（PI）、放线菌素D（7-AAD），不通透，正常和凋亡细胞拒染。可用不同性质的染料对凋亡细胞进行双染色。第三十一页，共四十七页。Humanembryoatday4morulacontaining23nucleilabelledwithDAPI(blue),includingsevenTUNEL-labelledcondensednuclei(pink,arrow)thatwereexcludedfromdevelopment(KateHardy1999).第三十二页，共四十七页。http:/ 第三节细胞凋亡(diown)的分子机理第三十三页，共四十七页。一、凋亡(diown)相关的基因和蛋白与细胞增殖(zngzh)有关的原癌基因和抑癌基都参于对细胞凋亡的凋控。研究较多的有ICE、Apaf-1、Bcl-2、Fas/APO-1、c-myc、p53、ATM等。第三十四页，共四十七页。1Caspase家族(jiz)相当于线虫的ced-3，是引起凋亡的关键酶。特点：酶活性依赖于cys残基的亲核性；总是在asp之后(zhhu)切断底物，故名caspase（cysteineaspartate-specificprotease）。亚基由同一基因编码，前体被切割后产生两个活性亚基，组成的异四聚体。第三十五页，共四十七页。Caspaseclassification（Zimmermann 2001）Executioner or effectorAutocatalytic initiator第三十六页，共四十七页。2Apaf-1凋亡酶激活因子-1（apoptoticproteaseactivatingfactor-1），线虫的同源物为ced-4。作用：参与线粒体凋亡途径，该基因敲除后，小鼠神经细胞过多，脑畸形发育(fy)。Apaf-1与cytc、ATP/dATP结合后，召集caspase-9，形成凋亡体（apoptosome），激活caspase-3，启动caspase级联反应。第三十七页，共四十七页。3.bcl-2基因(jyn)家族含有1-4个Bcl-2同源结构域（BH1-4）。分两类：抗凋亡基因，如：Bcl-2；促凋亡基因，如：Bax。促凋亡蛋白能引起线粒体外膜通透性改变，导致(dozh)cytc释放，引起凋亡。bcl-2相当于线虫的ced9。主要定位于线粒体膜、也存在于ER和外核膜，拮抗促凋亡蛋白的功能。第三十八页，共四十七页。Bcl-2genefamily（Zimmermann 2001）第三十九页，共四十七页。4.Fasfas又称作APO-1，属TNF受体家族。1993年人白细胞分型国际(guj)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，二者的结合激活caspase。第四十页，共四十七页。5P53基因组的守护者。辐射诱导的DNA损伤可通过ATM激活p53，阻断细胞周期，并提高Fas的表达，诱导凋亡。6Myc转录因子，生长因子存在(cnzi)，Bcl-2基因表达时，促进细胞增殖，反之引起细胞凋亡。7.ATM是DNA损伤检验的重要蛋白激酶，能激活P53。第四十一页，共四十七页。（二）Fas诱导的细胞(xbo)凋亡Fas与配体结合发生(fshng)三聚化，通过胞内的DD区（Deathdomain）与接头蛋白FADD的DD区结合。FADDN端通过DED区（deatheffectordomain）与Caspase-8前体结合，Caspase-8通过子剪接激活。第四十二页，共四十七页。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(zhuq)蛋白等等。Caspase还可降解CAD（caspase-activatedDnase）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。第四十三页，共四十七页。在一型细胞（typeI），如胸腺细胞中，caspase-8有足够的活性引起细胞凋亡，高表达Bcl-2不能抑制Fas凋亡途径。在二型细胞（typeII），如肝细胞中，Caspase-8活性不足(bz)，必须通过线粒体途径放大死亡信号。Caspase引起线粒体PT孔打开，跨膜电位下降；Cytc被释放到胞质中、激活Caspase-9，后者再激活Caspase-3，引起级联反应。第四十四页，共四十七页。MitochondriafunctionduringcellapoptosisR.Chris Bleackley and Jeffrey A.Heibein 2001第四十五页，共四十七页。Nexttopicistumorcell.第四十六页，共四十七页。内容(nirng)总结第十五章细胞衰老与凋亡(diown)。内源性自由基产生于由线粒体呼吸链电子泄漏产生。成人早衰症：约39岁衰老，47岁生命结束。婴幼儿早衰症：1岁衰老，1218岁生命结束。诱导凋亡(diown)HIV。抑制凋亡(diown)Poxvirus。2.DNA凝胶电泳ladder。Caspase引起线粒体PT孔打开，跨膜电位下降第四十七页，共四十七页。