细胞生物学--第十三章细胞的衰老与凋亡

第十三章细胞衰老与细胞凋亡•细胞衰老•细胞凋亡第一节细胞衰老一、基本概念（一）什么是细胞衰老？•指细胞随着年龄的增加，机能和结构发生退行性变化，趋向死亡的不可逆的现象。•衰老和死亡是生命的基本现象，衰老过程发生在生物界的整体水平、种群水平、个体水平、细胞水平以及分子水平等不同的层次。（二）细胞的寿命•早期争议：细胞有没有衰老现象？能否长期培养？•HayflickLimitation:正常细胞不能无限增殖，有一定的传代代数的限制（50代左右）；•物种的寿命与其培养细胞的寿命（传代数的限制）相关；•决定细胞衰老的在细胞内部，而不在外部（e.g.,培养基）；•能够无限传代的细胞系通常为癌细胞系或经过转化的细胞（e.g.,HeLa）。早老症（Werner’sSyndrome）：9岁个体的成纤维细胞在体外只能传代2－4代（三）与细胞寿命相关的几个现象•细胞衰老与细胞分裂：衰老细胞分裂减缓，细胞周期延长（G1期显著延长）；•细胞衰老与分化：细胞寿命（衰老）与分化程度呈反比，即：分化程度低的细胞寿命长（如干细胞），分化程度高的细胞易衰老和死亡（如功能细胞）；•克隆羊“多莉”的年龄和寿命：提前衰老；生理年龄：出生时；“细胞年龄”：核供体者，6岁羊的乳腺细胞。二、细胞衰老的结构和生化变化衰老细胞的结构变化：核增大、染色深、核内有包含物染色质凝聚、固缩、碎裂、溶解脂膜粘度增加、流动性降低细胞质色素积聚、空泡形成线粒体数目减少、体积增大高尔基体碎裂致密体出现包含物糖原减少、脂肪积聚核膜内陷衰老细胞的生化分子变化•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。•RNA：含量降低。•蛋白质：合成下降，发生修饰、交联。•酶分子：活性中心被氧化，金属离子丢失，酶分子的二级结构，溶解度，等电点发生改变，酶失活。•脂类：不饱和脂肪酸被氧化。三、细胞衰老的分子机制众说纷纭，可归纳为“物质代谢”和“遗传因素”两大原因1，自由基氧化损伤说：代谢过程产生ROS(ReactiveOxygenSpecies)自由基（-O2,-OH,H2O2）攻击导致DNA、蛋白质变异；正常细胞内存在清除自由基的防御系统。SOD？age1?clk1?……2，代谢废物积累：如：脂褐质，etc.3，端粒与衰老：•端粒（telomere）：染色体末端TTAGGG重复序列；•端粒酶（telomerase）：核糖核蛋白酶（RNA/蛋白质），以RNA为模板，反转录合成端粒序列，保持端粒的长度；•细胞衰老的“有丝分裂钟”学说：细胞分裂过程中，端粒不能被DNA合成酶完全复制，因而随细胞分裂而变短，直至细胞停止分裂；端粒酶能复制端粒；生殖细胞中端粒酶活性高，体细胞中活性低。端粒酶（telomerase）的结构及其催化端粒（telomere）复制延长的过程正常的人成纤维细胞不表达端粒酶，其端粒长度缩短(A)，50－60代后停止分裂(B)；强制表达端粒酶的细胞端粒长度增加(A)，并继续分裂。Science，19984，基因与衰老：衰老是一个渐进的过程，其间与许多细胞活动和生命过程相关联（细胞生长代谢、分裂、分化、信号转导，etc.）；许多调控这些细胞活动的基因可能与细胞衰老有关；“衰老基因”？由于细胞衰老不是一个独立的事件，可能不存在特异的、专门的“衰老基因”，只存在能影响衰老和寿命的相关基因。相关基因（举例）：•sir家族（silencinginformationregulators）：构成一类基因沉默复合体的亚基，具HDAC活性；使核仁rDNA沉默，减少ERC（extrachromosomalrDNAcircle）的产生，减缓衰老。（酵母）•sgs1基因：与维持核仁正常结构有关，突变后影响寿命。（酵母）•wrn基因：动物和人中与sgs1同源的基因；维持正常寿命所必需，缺失或突变引起Werner’sSyndrome。（哺乳动物）•daf基因：一类影响发育及其过程中的信号转导、基因转录等活动的基因（daf2,age1,daf16,…）。（线虫）•hsp基因（heatshockprotein）：应激反应基因，产物多为分子伴侣，参与蛋白质的正常折叠和活性；有些hsp基因（hsp22,26,70,…）与寿命有关。……第二节细胞凋亡一、基本概念和意义（一）细胞凋亡和细胞死亡细胞凋亡（apoptosis）细胞程序化死亡（programmedcelldeath,PCD）涵义：主动的、受控的自然生理过程；“自杀”（“suicide”）细胞死亡（celldeath）凋亡（apoptosis）：主动过程，不引起炎症等反应坏死（necrosis）：被动过程，应激反应；引起炎症细胞死亡并非与机体的死亡同步；细胞死亡是维持机体正常功能、组织和器官的机能、体积和形态所必需的。（二）细胞凋亡的功能和意义•胚胎发育、器官形成：e.g.,小鼠爪趾的形成（图）；•去除不需要的组织和结构：e.g.,蛙类蝌蚪尾部；•细胞数量的控制（cellnumbercontrol）：e.g.,神经系统中的神经分布（innervation）、神经细胞／靶细胞之间数目的匹配，etc.；•成体组织的生长控制（growthcontrol）：平衡division／apoptosisovergrowth／shrink•肿瘤形成……(A)小鼠胚胎中爪的发育，凋亡的细胞用亮绿色标记；(B)凋亡使得趾间的组织消失形成趾.二、细胞凋亡的基本特征（一）形态学特征细胞坏死：剧烈破坏（“burst”），内容物外泄，炎症；细胞凋亡：有序地解体（“dismantleneatly”），相对完整，形成凋亡小体，被巨噬细胞吞噬，无炎症，细胞成分可被重利用（recycle）。细胞坏死（左）和细胞凋亡（右）的形态比较AB(C)左图：SEM，A：正常细胞；B：凋亡细胞；下图：TEM，(a)正常细胞；(b)凋亡细胞；(c)坏死细胞（二）生化特征•DNA断裂：发生在核小体之间，产生180－220bp的倍数片段，电泳可见“DNAladder”;•tTG（tissuetransglutaminase,组织转谷氨酰胺酶）的积累和活化（凋亡小体的保持）；•凋亡特征性mRNA和蛋白质的出现。（三）诱导因子•物理：射线、温度等；•化学：ROS、钙离子载体、VK3、视黄酸、细胞毒素、DNA和蛋白质合成抑制剂，等等；•生物：内源性的细胞环境变化（激素、细胞因子、抗体等）、有关信号分子的变化（TNF-α,Fas/Apo-1,等）。（四）细胞凋亡的检测•形态学和组织化学检测：电镜（TEM、SEM）、DAPI染色、Giemsa染色，等等；•DNA电泳：断裂DNA片断，“DNAladder”；•TUNEL（Terminaldeoxynucleotidyltransferase-mediateddUTPnickendlabelling）法：一种对断裂DNA缺口的末端标记和显示法；•彗星电泳法（cometassay）：荧光染料检测从凋亡细胞中扩散出来的断裂DNA片断；•流式细胞分析（flowcytometry）：用流式细胞仪检测凋亡的亚二倍体细胞；……三、细胞凋亡的分子控制机制（一）Caspase家族：细胞凋亡的“起始者”和“执行者”一个特异性的蛋白酶家族，caspase:cysteineasparticacidspecificprotease（半胱-天冬氨酸特异性蛋白酶）；已发现11个成员（见表13-1）；caspaseBprocaspaseAcaspaseA(inactive)cleavage(active)(caspase的两个亚基连接区的天冬氨酸位点处切割）不同的caspases之间通过这种激活反应，形成一个信号传递、放大的级联反应（cascade），最终执行凋亡。通过caspase级联反应传递和扩大信号，诱发细胞凋亡。Caspase级联反应（caspasecascade）（二）细胞凋亡的诱导（trigger）：两条途径1，“死亡受体”途径（deathreceptorpathway）extracellular(extrinsic)pathwayadaptorproteinFas/FasLcaspasecascadeapoptosis2，线粒体途径（mitochondrialpathway）intracellular(intrinsic)pathwaydamage/stressmitochondriacytochromCreleaseprocaspase9complexcaspase9caspasecascadeapoptosis细胞凋亡的诱导途径：(A)“死亡受体”途径；(B)线粒体途径“死亡受体”途径和线粒体途径在细胞中共同产生凋亡“起始者”和“执行者”–caspases，引起细胞凋亡。Bcl-2BaxBid（三）Bcl-2家族：细胞凋亡的调节者Bcl-2：原癌基因，作用：抑制凋亡、延长细胞寿命为一基因家族，各成员间有一定的同源性（BH1,BH2,……保守区域）（Bcl-2Homologies）（见表-13-2）Bcl-2基因成员中，有的促进凋亡，有的抑制凋亡，形成一种动态的平衡调节状态。促进：Bax,Bak,Bad,Bcl-XS…抑制：Bcl-2,Bcl-XL,Bclw,Mcl-1…（四）其他调节者1，IAP（inhibitorofapoptosis）•与某些procaspases结合，阻止其活化；•与活化了的caspases结合，抑制其活性。2，p53：抑癌基因，阻止有DNA损伤或复制出错的细胞继续分裂；促进细胞凋亡；通过调节Bcl-2家族基因的表达而调控细胞凋亡；e.g.,p53特异性的抑制Bcl-2的表达，促进Bax的表达（影响Bcl-2/Bax的比例）。细胞外信号（growthfactors,FasL,survivalfactors,etc.）外界刺激因子（damage,stress,etc.）信号跨膜传递信号进入细胞细胞核胞内信号通路基因表达CaspasecascadeApoptosis/Cellsurvival胞内信号通路核内信号通路（五）信号转导与细胞凋亡细胞凋亡的信号通路（举例）：Thesurvivalpathway。四、植物细胞的凋亡五、细胞凋亡与衰老2002年英国人悉尼·布雷诺尔、美国人罗伯特·霍维茨和英国人约翰·苏尔斯顿，因在细胞程序性死亡方面的研究获诺贝尔生理与医学奖。SydneyBrennerH.RobertHorvitzJohnE.Sulston