5细胞衰老和死亡.

细胞衰老和死亡第一节细胞衰老细胞衰老的概念衰老(aging)：生物体的形态、结构和生理功能逐渐衰退的总现象对细胞衰老来说有两层含义：一是细胞增殖分化的停止二是细胞能够维持自身的基本功能细胞衰老与个体衰老的关系细胞总体的衰老可以反映机体的衰老，而机体的衰老是以总体细胞的衰老为基础的。成年小鼠各类细胞的寿命接近或等于自身寿命的细胞神经元、肾髓质、肌细胞脂肪、胃酶原细胞骨、肾上腺髓质细胞缓慢更新的细胞(长于30天)呼吸道上皮、肾上腺皮质细胞肾皮质、皮肤结缔组织、肝细胞胰脏腺泡及胰岛、唾液腺细胞快速更新的细胞(少于30天)皮肤表皮、角膜上皮细胞口腔和胃肠道上皮细胞根据细胞衰老速度不同将其分为三类：Hayflick极限体外培养的细胞增殖能力不是无限的，传代次数有一定的界限，称为“Hayflick极限”。传代次数与物种寿命有关：小鼠寿命3年，传代12次；龟寿命200年，传代140次。传代次数与个体年龄成反比：人胚胎，40-60代；幼年，20-40代；成年，10-30代；早老病儿童，2-10代。动物培养细胞传代寿命（年）小鼠123鸡2530龟140200人（胚胎成纤维细胞）50~60100~人（新生儿成纤维细胞）30~40人（青年成纤维细胞）20~30人（成年成纤维细胞）10~30体外培养细胞寿命与机体寿命成正比。细胞的增值能力与供体年龄有关。二、细胞衰老的表现主要表现为对环境变化适应能力的降低和维持细胞内环境能力的降低（一）形态结构变化1.细胞内水分减少：失去正常形态，代谢速率减慢2.内膜系统的变化：内质网逐渐减少，高尔基体囊泡肿胀、扁平囊泡断裂崩解，溶酶体功能减退、酶漏出细胞自溶3.细胞膜的衰老变化：磷脂含量下降，膜变厚、流动性下降、物质转运障碍4.细胞内色素沉积：脂褐质小体随年龄增加而增多5.细胞核的衰老变化：核固缩，常染色质减少，染色加深，核质比减小6.蛋白质合成的变化：蛋白质合成速率降低，合成量却增多（二）功能变化1、染色质转录活性下降2、蛋白质合成下降，酶活性改变细胞在体内条件下衰老原代小鼠F1代小鼠F2代小鼠移植的皮肤细胞可存活7～8年。小鼠的皮肤细胞在体内衰老的主要是体内环境衰老症状与原因分析衰老症状原因分析皮肤干燥、发皱头发变白老人斑吸收能力下降细胞水分减少，体积减小细胞内酶活性降低，黑色素合成减少细胞内色素(脂褐素)的累积细胞膜通透性功能改变无力细胞内呼吸速度减慢三、细胞衰老的特征：1、普遍性2、内生性3、渐进性4、累积性5、危害性人衰老的特征：1、坐着打瞌睡，躺下睡不着2、过去的事情忘不了，现在的事情记不住三.细胞衰老的学说1、细胞磨损学说1）错误成灾学说2）自由基学说3）大分子交联学说1）错误成灾学说错误成灾学说是由Orgel明确提出的，认为在DNA复制，转录和翻译中发生误差，这种误差可以不断扩大，造成细胞衰老、死亡。如DNA转录mRNA的过程发生微小的差异，带有该微小差异的mRNA会翻译出进一步偏离的蛋白质，该蛋白质如果属于DNA聚合酶会合成差异程度更大的DNA，这样的差错经过每一次信息传递都扩大一些，形成恶性循环，使细胞内积累许多差错分子造成灾难，细胞正常功能不能发挥，致使细胞衰老、死亡。2）自由基学说：自由基(freeradical):由不成对电子或原子基团构成的高度活化分子。如：超氧自由基；羟自由基；自由基与其他分子反应时产生的活性氧基团（ROS）导致细胞发生氧化性损伤。生物体的衰老过程是机体的组织细胞不断产生的自由基积累结果，自由基可以引起DNA损伤从而导致突变，诱发肿瘤形成。自由基是正常代谢的中间产物，对细胞会造成不可逆的损伤，如脂类的过氧化与大分子的交联，其后果是使胞内酶失活，以及象脂褐质一类的惰性物质在胞内沉积。此说虽然无直接证据，但以抗氧化剂或自由基净化剂饲喂小鼠可延长寿命，或抑制脂褐质的形成。此外，抗氧化剂还有加强机体免疫反应，抑制肿瘤及自体免疫疾病等作用，都从侧面为此说提供了间接的证据。自由基3）大分子交联学说该学说由Bjorksten于1963年提出的，后经Verzar加以发展。其主要论点是：机体中蛋白质，核酸等大分子可以通过共价交叉结合，形成巨大分子。这些巨大分子难以酶解，堆积在细胞内，干扰细胞的正常功能。这种交联反应可发生于细胞核DNA上，也可以发生在细胞外的蛋白胶原纤维中。目前有一些证据支持交联学说：皮肤胶原的可提取性以及胶原酶对其消化作用随增龄降低，而其热稳定性和抗张强度则随年龄的增高而增强了大鼠尾腱上的条纹数目及所具备的热收缩力随年龄的增高而增加，溶解度却随年龄增高而降低这些结果表明，在年老时胶原的多肽链发生了交联，并日益增多该学说与自由基学说有类似之处，亦不能说明衰老发生的根本机制2、遗传程序假说：衰老基因学说基因阻遏平衡论1)衰老基因学说衰老基因抗衰老基因首先报道诱导永生细胞衰老实验的是Sugawara等人，用正常细胞和永生仓鼠细胞融合后，出现衰老表现。将人1号染色体导入永生仓鼠细胞则细胞出现衰老迹象。Sugawara等认为1号染色体上携有仓鼠永生细胞系的衰老基因。有人说细胞衰老是被激活的或在细胞增殖后期作用显著的基因控制的结果，由此认同了衰老基因的存在，缺失这些基因使细胞发生永生化。正常细胞和肿瘤细胞杂交后，杂交细胞表现衰老，说明了正常细胞能够弥补肿瘤细胞在衰老程序中的缺陷。人们发现使细胞衰老的染色体似乎也有特异性，如对于同一种细胞导入2号染色体，细胞出现衰老表现，导入3、6、7、9、11或12号染色体细胞仍能继续生长，也没有形态的改变。导入染色体可以使细胞从永生向衰老转变，不能就认为其上一定携有衰老基因，任何引起细胞功能下降的因素都可以导致衰老。从进化上讲，多细胞生物也没有必要强制性存在衰老基因。2）基因阻遏平衡论于1992年由吕占军教授提出，以后又作了部分补充。基因阻遏平衡论认为多细胞生物体的基因有被非特异阻遏的特性。根据打开和关闭的顺序多细胞生物的基因可以分为若干级，多细胞生物细胞中每一级基因的活化都需要上级基因的产物。基因活性的维持最终要追溯到受精卵的条件，但是受精卵的条件已经不复存在，特定细胞中上级基因的产物在逐渐减弱，这使基因表达减弱，使细胞功能减弱由于缺乏了上级基因产物，所以不同类型细胞中表达的不同分化基因都有向阻遏方向平衡的趋势。上级基因衰老和下级基因启动是细胞分化的基础，如果上级基因不衰老，生物就会停留在单细胞的水平；但是上级基因活化是下级基因启动的前提，一旦上级基因衰老，下级基因即失去了支持，所以衰老必然来临下级基因活性维持不需上级基因支持，是肿瘤发生的基础严格说该学说属于一种生命学说，因其不仅解释衰老也解释肿瘤和分化。该学说同时考虑到衰老、分化和肿瘤现象，考虑到基因结构及组成，生物进化等多方面的问题，但其中的许多论点和直接实验依据尚在进一步地验证和提供过程中。3、端粒学说端粒学说由Olovnikov提出，认为细胞在每次分裂过程中都会由于DNA聚合酶功能障碍而不能完全复制它们的染色体，因此最后复制DNA序列可能会丢失，最终造成细胞衰老死亡端粒是真核生物染色体末端由许多简单重复序列和相关蛋白组成的复合结构，具有维持染色体结构完整性和解决其末端复制难题的作用。端粒酶是一种逆转录酶，由RNA和蛋白质组成，是以自身RNA为模板，合成端粒重复序列，加到新合成DNA链末端。在人体内端粒酶出现在大多数的胚胎组织、生殖细胞、炎性细胞、更新组织的增生细胞以及肿瘤细胞中。正因如此，细胞每有丝分裂一次，就有一段端粒序列丢失，当端粒长度缩短到一定程度，会使细胞停止分裂，导致衰老与死亡。大量实验说明端粒、端粒酶活性与细胞衰老及永生有着一定的联系。第一个提供衰老细胞中端粒缩短的直接证据是来自对体外培养成纤维细胞的观察，通过对不同年龄供体成纤维细胞端粒长度与年龄及有丝分裂能力的关系观察到随着增龄，端粒的长度逐渐变短，有丝分裂的能力明显渐渐变弱Hastie发现结肠端粒限制性片段的长度随供体年龄增加逐渐缩短，平均每年丢失33bp的重复序列；植物中不完整的染色体在受精作用中得以修复，而不能在已经分化的组织中修复，这在较为高等的真核生物中也证实了体细胞中端粒酶的活性受抑制；精子的端粒要比体细胞长，体细胞缺失端粒酶活性就会逐渐衰老，而生殖细胞系的端粒却可以维持其长度；转化细胞能够通过端粒酶的活性完全复制端粒以得永生。但是许多问题用端粒学说还不能解释。体细胞端粒长度与有丝分裂能力呈正比，这一点实验已经证实了，而不同的体细胞其有丝分裂能力是不尽相同的，胃肠黏膜细胞的分裂增殖速度就比较快，神经细胞分裂的速度就比较慢。曾有人就不同年龄供体角膜内皮细胞的端粒长度进行研究发现角膜内皮细胞内端粒长度长期维持在一个较高的水平，而端粒酶却不表达。另外，Kippling发现，鼠的端粒比人类长近5-10倍，寿命却比人类短的多。这些都提示体细胞端粒长度与个体的寿命及不同组织器官的预期寿命并非一致。生殖细胞的端粒酶活性长期维持较高的水平却不会象肿瘤那样无限制分裂繁殖；端粒长度由端粒酶控制，那何种因素控制端粒酶呢？生殖细胞内端粒酶活性较高，为什么体细胞中没有较高的端粒酶活性。看来端粒的长度缩短是衰老的原因还是结果尚需进一步研究。染色体端粒缩短与细胞衰老•端粒（telomere)是染色体末端特殊结构。人类端粒（TTAGGG)nn=250-1500端粒长度取决于端粒酶的活性。stop端粒长度第二节细胞死亡细胞死亡的两种形式：细胞坏死(necrosis)细胞凋亡(apoptosis)。细胞凋亡与坏死的区别虽然凋亡与坏死的最终结果极为相似，但它们的过程与表现却有很大差别。坏死：坏死是细胞受到强烈理化或生物因素作用引起细胞无序变化的死亡过程。表现为细胞胀大，胞膜破裂，细胞内容物外溢，核变化较慢，DNA降解不充分，引起局部严重的炎症反应凋亡：细胞对环境的生理性病理性刺激信号，环境条件的变化或缓和性损伤产生的应答有序变化的死亡过程。其细胞及组织的变化与坏死有明显的不同胸腺细胞正常凋亡细胞坏死与细胞凋亡的比较细胞凋亡过程中的小鼠趾一天以后中的小鼠趾细胞凋亡三、细胞凋亡的生物学特征形态学变化：形态学观察细胞凋亡的变化是多阶段的，细胞凋亡往往涉及单个细胞，即便是一小部分细胞也是非同步发生的。首先出现的是细胞体积缩小，连接消失，与周围的细胞脱离然后是细胞质密度增加，线粒体膜电位消失，通透性改变，释放细胞色素C到胞浆，核质浓缩，核膜核仁破碎，DNA降解成为约180bp-200bp片段胞膜有小泡状形成，膜内侧磷脂酰丝氨酸外翻到膜表面，胞膜结构仍然完整，最终可将凋亡细胞遗骸分割包裹为几个凋亡小体，无内容物外溢，因此不引起周围的炎症反应凋亡小体可迅速被周围专职或非专职吞噬细胞吞噬。•凋亡小体(apoptoticbody)：胞膜内陷包围凝集断裂的染色质和细胞器形成的囊状小泡。左侧示哺乳类乳腺细胞的凋亡，染色质凝集，核膜崩解。侧示哺乳类正常的乳腺细胞。透射电镜扫描电镜正常细胞细胞凋亡开始染色质固缩，沿核膜分布，细胞质亦固缩细胞膜反折，凋亡小体形成染色体形成串状片段，细胞器膨胀，线粒体基质呈絮状。细胞膜破裂，细胞解体，机体炎症反应。细胞坏死开始细胞凋亡2.生物化学变化1）DNA的片段化细胞凋亡的一个显著特点是细胞染色体的DNA降解，这是一个较普遍的现象。这种降解非常特异并有规律，所产生的不同长度的DNA片段约为180-200bp的整倍数，而这正好是缠绕组蛋白八聚体的长度，提示染色体DNA恰好是在核小体与核小体的连接部位被切断，产生不同长度的寡聚核小体片段实验证明，这种DNA的有控降解是一种内源性核酸内切酶作用的结果，该酶在核小体连接部位切断染色体DNA，这种降解表现在琼脂糖凝胶电泳中就呈现特异的梯状Ladder图谱，而坏死呈弥漫的连续图谱2）大分子合成细胞凋亡的生化改变不仅仅是DNA的有控降解，在细胞凋亡的过程中往往还有新的基因的表达和某些生物大分子的合成作为调控因子。如在糖皮质激素诱导鼠胸腺细胞凋亡过程中，加入RNA合成