细胞死亡与衰老

第一节细胞死亡程序性细胞死亡（programmedcelldeath，PCD）：是指受到严格的基因调控的程序性的细胞死亡形式。细胞死亡往往受到细胞内某种由遗传机制决定的“死亡程序”控制，所以被称为细胞程序性死亡。动物细胞典型的程序性死亡方式包括凋亡、坏死和自噬性细胞死亡。一、细胞凋亡二、细胞坏死三、自噬性细胞死亡四、植物细胞与酵母细胞的程序性死亡一、细胞凋亡细胞凋亡（apoptosis）：是借用古希腊语，意指树叶或花瓣的凋零脱落;细胞凋亡是一个由基因决定的主动的生理性自杀行为，即细胞接受某些特定信号刺激后进行的正常生理应答反应;细胞凋亡具有典型的形态学和生化特征，凋亡细胞最后以凋亡小体被吞噬消化。（一）细胞凋亡的特征动物细胞凋亡的过程在形态学上可分为3个阶段：①凋亡的起始：细胞表面的特化结构如微绒毛消失，细胞间接触的消失，但细胞膜依然完整；线粒体大体完整；核糖体逐渐从内质网上脱离，内质网囊腔膨胀，并逐渐与质膜融合；染色质固缩，形成新月形帽状结构等形态，沿着核膜分布。②凋亡小体的形成：凋亡小体（apoptoticbody）是细胞凋亡过程中断裂的大小不等的DNA或染色质片段与细胞其它内含物一起被反折的细胞质膜包裹，在细胞表面产生许多泡状或芽状突起，然后逐渐分离，形成的单个圆形小体。③凋亡小体的被吞噬：凋亡小体逐渐被邻近的细胞识别并吞噬消化。细胞凋亡的特征：最重要的特征是凋亡过程中细胞膜保持完整，细胞内含物没有泄漏到细胞外，不引发机体的炎症反应(这也是细胞凋亡与坏死的主要区别)。另一个重要特征是染色质DNA在核小体间发生断裂，形成长度为200bp倍数的大小不等DNA片段。此外，凋亡通常是生理性变化，而细胞坏死是病理性变化。细胞凋亡的过程及特征细胞皱缩凋亡小体吞噬正常胸腺细胞（左）与凋亡胸腺细胞（右）比较（注意凋亡小体）（二）细胞凋亡的检测方法1.形态学观察：2.DNA电泳：3.DNA断裂的原位末端标记法（TUNEL法）：4.彗星电泳法（cometassay）：彗星电泳法的原理是将单个细胞悬浮于琼脂糖凝胶中，经裂解处理后，再进行短时间的电泳，并用荧光染料染色。凋亡细胞中的DNA降解片段在电泳时迁移较快，使细胞核呈现出一种彗星式图案，而正常细胞核则保持圆球形。5.流式细胞分析：用流式细胞仪检出凋亡的亚二倍体细胞。6.检测膜成分变化：凋亡细胞的染色质凝集B：凋亡细胞核1、形态学观察：染色法、透射和扫描电镜观察。A：正常细胞核2、DNA电泳：DNA片段就呈现出梯状条带（DNAladder），即凋亡细胞的DNA由于在核小体间发生断裂，产生200bp及其整倍数的片段，经琼脂糖凝胶电泳呈现出的梯状条带。左：正常16体节期的斑马鱼胚胎在发育过程中有少量细胞发生凋亡；右：突变体的中枢神经细胞发生大量凋亡。3、DNA断裂的原位末端标记法（TUNEL法）：即末端脱氧核苷酸转移酶介导的dUTP缺口末端标记测定法，能对DNA分子中断裂缺口中的3’-OH进行原位标记。（三）细胞凋亡的生物学及医学意义•细胞凋亡的意义：细胞凋亡对生物体的正常发育、自稳态平衡、免疫耐受的形成、肿瘤监控以及抵御内外各种因素的干扰方面都起着非常关键的作用：如脊椎动物的神经系统的发育，发育过程中手和足的成形过程，蝌蚪尾的消失，骨髓和肠的细胞凋亡。•细胞凋亡的失调，包括不恰当的凋亡的激活或抑制以及过度凋亡等，都会引发多种疾病。如：对凋亡诱导因子敏感性的降低是多种肿瘤细胞的基本特征。神经元细胞凋亡使得神经细胞与靶细胞的数量相匹配。细胞凋亡与手和足的成形蝌蚪尾的消失（四）细胞凋亡的分子机制诱导细胞凋亡的因子大致可分为2大类：①物理性因子：包括射线（紫外线，γ射线等）、较温和的温度刺激（如热激，冷激）等。②化学及生物因子：包括活性氧基团和分子、Ca2+载体、激素、细胞生长因子、DNA和蛋白质合成的抑制剂、细胞毒素和肿瘤坏死因子α（TNFα）等。细胞凋亡的途径主要包括2条：①Caspase依赖性细胞凋亡途径；②非Caspase依赖性细胞凋亡途径。当细胞受到凋亡信号的刺激时，这2条途径一般能够同时被激活。细胞凋亡的途径包括4个小阶段：①接收凋亡信号→②凋亡相关分子的活化→③凋亡的执行→④凋亡细胞的清除Caspases是cysteineasparticacidspecificproteases的缩写，意指天冬氨酸特异性的半胱氨酸蛋白酶，是一组存在于细胞质中的与细胞凋亡有关的结构类似的蛋白酶家族，能选择性裂解靶蛋白中天冬氨酸（Asp）残基后的肽键，使靶蛋白活化或失活。生存因子通过调节Bcl-2家族成员的活性及表达抑制细胞凋亡的发生生死抉择：细胞凋亡的调控。1、存活信号；2、死亡信号二、细胞坏死细胞坏死（cellnecrosis）：细胞受到急性意外强力损伤，如极端的物理、化学因素或严重的病理性刺激而发生的细胞死亡形式。细胞坏死时，Ca2+升高，ATP水平急降，引起一系列变化，如线粒体外膜肿胀而密度增加；细胞骨架破坏；溶酶体酶释放；pH下降；核染色质呈絮状，DNA降解；蛋白质合成减慢；最后细胞膜和细胞器破裂，大量水进入细胞，细胞内含物释放到胞外，引起周围区域的炎症反应。DNA损伤的积累致使PARP被活化，引发ATP水平急降导致细胞坏死。实际上，细胞坏死也可能是信号转导引发的增殖细胞发生的“程序性死亡”。细胞坏死可能在细胞的免疫反应中发挥重要作用。聚腺苷二磷酸核糖合成酶（PARP)是DNA损伤的主要感受器。细胞坏死与凋亡的形态区别三、自噬性细胞死亡细胞自噬（autophagy）：是细胞通过溶酶体与大的双层膜包裹的细胞自身物质融合，从而降解细胞自身物质的过程。通常，寿命比较短的蛋白质（如调控蛋白）通过泛素-蛋白酶体系统进行降解；而寿命比较长的细胞结构及蛋白质则通过细胞自噬途径，由溶酶体进行降解。自噬小体（autophagosome）：细胞自噬的特征是细胞中出现大的双层膜包裹的自噬泡，称为自噬小体。自噬小体与溶酶体融合形成自噬溶酶体而消化（见图16-10）。细胞自噬的分子机制目前还不是很清楚：酵母细胞中磷脂酰肌醇-3-激酶（PI3K）信号途径是了解得比较明确的细胞自噬途径（见图16-11）。细胞自噬是促使细胞存活的自我保护机制：一是在非常时期为细胞生存提供原料或ATP；二是细胞自噬具有“自我清理”功能。细胞自噬可能是细胞凋亡的补充途径：细胞依靠降解自身物质来产生能量，但最终导致死亡。细胞自噬不需要吞噬细胞的协助就能进行自我销毁，因此能够在需要大量细胞死亡的变态过程中发挥作用。细胞自噬的特征及过程酵母中细胞自噬的信号调控•Akt＝PKBmTor＝PDK2参考图9-30四、植物细胞与酵母细胞的程序性死亡（一）植物细胞的程序性死亡（二）酵母细胞的程序性死亡（一）植物细胞的程序性死亡植物的正常发育和对环境的反应都离不开细胞程序性死亡在正常的植物发育进程，如导管的分化、通气组织的形成、糊粉层的退化、绒毡层细胞的死亡、胚柄的退化、单性植物中花器官的程序性退化等，以及对环境胁迫，如缺氧、高盐等的反应和病原体入侵引发的过敏反应中，均存在细胞程序性死亡过程。植物细胞程序性死亡的最大特点：死亡细胞的残余物被细胞壁固定在原位，不是被周围细胞吞噬，而是被自身液泡中的水解酶消化。植物细胞程序性死亡的的形态学变化：①在过敏反应中，可观察到染色质凝聚，DNA降解为50kb片段，细胞膜及液泡膜皱缩破裂，质壁分离，末期细胞内含物泄漏到质外体；②在管状细胞分化的凋亡过程中，细胞壁增厚，随着液泡膜的破裂，核DNA被迅速降解，细胞内含物被水解消化，最后仅剩下细胞壁。能够诱导植物细胞发生程序性死亡的因素有多种：主要包括活性氧和植物激素等。水杨酸和NO能够协同促进植物过敏反应中的细胞程序性死亡；赤霉素和乙烯能够促进细胞程序性死亡，而细胞分裂素和脱落酸则能够抑制。植物细胞程序性死亡的形态学模式图A：在过敏反应中B：在管状细胞分化的凋亡过程中（二）酵母细胞的程序性死亡能够诱导酵母发生细胞程序性死亡的因素：低浓度的H2O2或醋酸，较高浓度的盐或糖，植物抗真菌多肽等。酵母程序性死亡的形态学特征与动物细胞凋亡类似：DNA发生凝聚、边缘化和断裂，Cyt.c从线粒体释放等。酵母细胞程序性死亡机制与动物细胞的凋亡机制有类似之处：如有caspases、凋亡激活因子或凋亡抑制因子等的类似物。酵母程序性死亡的意义：I.促进酵母的接合繁殖（未接合者死），形成更优势的“杂合体”；II.使有限的营养供给具有最佳适应性的个体（“衰老”者死）；III.不同种酵母展开营养源“争夺战”时释放毒素，导致其它种属的酵母发生程序性死亡。第二节细胞衰老一、细胞衰老的概念与特征二、细胞衰老的分子机制三、细胞衰老与个体衰老的关系一、细胞衰老的概念与特征细胞衰老（cellageing，cellsenescence）：一般含义是复制衰老（replicativesenescence），指正常细胞经过有限次数的分裂增殖后，停止生长，细胞形态和生理代谢活动发生显著退化的过程。Hayflick界限（Hayflicklimit）：除了干细胞和癌细胞，正常的体外培养的细胞增殖能力和寿命不是无限的，而只能进行有限次数（约50次）的增殖。1958年Hayflick等人证实人成纤维细胞的复制能力是有限的，首次提出了细胞水平上的“衰老”现象。对于体外培养细胞的细胞衰老研究，当前常用的生物学特征有2个：①不可逆的生长停滞：细胞停止分裂；②衰老相关的β-半乳糖苷酶（SAβ-gal）的活化：衰老细胞中存在的pH6.0条件下即表现活性的溶酶体β-半乳糖苷酶。衰老相关β-半乳糖苷酶染色区分年轻和衰老的人胚胎成纤维细胞IMR-90A：第20代的年轻细胞B：第55代的衰老细胞衰老细胞的形态变化结构形态变化细胞核增大、染色深、核内有包含物核膜内陷染色质凝聚、固缩、碎裂、溶解质膜粘度增加、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尼氏体消失包含物糖原减少、脂肪积聚二、细胞衰老的分子机制（一）复制衰老的机制（二）压力诱导的早熟性衰老（三）单细胞生物的衰老（一）复制衰老（RS）的机制线性染色体的“末端复制”问题：在DNA复制时，由于DNA聚合酶不能从头合成子链，当子链5’端与母链3’端配对的RNA引物被切除后，子链5’端会产生末端缺失，使得子链的5’端随着复制次数的增加而逐渐缩短。端粒（telomere）和端粒酶（telomerase）：①端粒是位于染色体末端的由重复序列组成的“帽子”结构，对染色体结构稳定和末端复制等有重要作用。②端粒酶是含有RNA的反转录酶，能以自身RNA为模板，对DNA端粒序列进行延长而解决线性染色体末端复制问题。复制衰老的信号途径复制衰老的机制—端粒假说：端粒的缩短（一种DNA损伤）被p53识别，然后通过p53-Rb信号通路导致细胞衰老；端粒酶（端粒计数器）能够弥补端粒的缩短，导致细胞的永生化。（二）压力诱导的早熟性衰老（SIPS）压力诱导的早熟性衰老（SIPS）：除了细胞内端粒缩短可以诱发复制衰老以外，许多刺激因素，如离子辐射、过量的氧、乙醇和丝裂霉素C等均能够缩短细胞的复制寿命，促进细胞衰老。SIPS与RS的机制相似。氧化性损伤学说：代谢过程中产生的活性氧（ROS）成分（O2-，OH·，H2O2），对核酸、蛋白质和脂质造成损伤并使线粒体DNA发生特异性突变，引发的氧化性损伤的积累，最终导致衰老。（三）单细胞生物的衰老酵母的复制生命周期（RLS）：指酵母母细胞在衰老前产生子细胞的数量。rDNA（rRNA基因）与衰老：酵母的染色体外的环形rDNA（ERC）的积累（因同源重组），掠夺了DNA正常复制和转录所需的重要物质，从而抑制了细胞的增殖，导致酵母细胞衰老。SIR2/3/4和SGS1基因与抗衰老：SIR2/3/4和SGS1基因均能抑制酵母染色体上重复rDNA的同源重组，即抑制ERC的产生，使得酵母的复制生命周期（RLS）显著增加。线粒体DNA（mtDNA）与衰老：mtDNA突变积累与细胞衰老有关。