医学细胞生物学第十二章――细胞的衰老和死亡

第十二章细胞衰老和死亡Cellularaginganddeath细胞的基本生命活动之一。大多数细胞都要经历增殖、分化、衰老直至死亡的过程。细胞衰老：细胞对环境变化的适应能力减弱和维持细胞内环境的稳定能力降低,同时发生的形态结构的改变。第一节细胞的衰老agingorsenescence一、细胞的寿命与增殖能力和分化程度密切相关机体细胞分4类（细胞的寿命的角度）（一）恒久组织细胞在机体出生后便永久失去了分裂能力,但高度分化的专业工作细胞。衰老变化的特点是细胞的数量减少和细胞内结构发生变化。主要包括：心肌、骨骼肌、骨、肾上腺髓质、肾髓质和神经细胞等。光镜照片显示人类心肌细胞（左）、骨骼肌细胞（中）和骨细胞（右）（fromC.Starr,1998)细胞寿命较长，可观察到衰老变化的现象，是研究细胞衰老的良好对象。（二）稳定组织细胞在机体出生后便停止分裂、但终生保留分裂能力、具有较高分化程度的专业工作细胞。主要包括皮肤结缔组织、呼吸道上皮、肾上腺皮质、肾皮质、唾腺细胞、胰腺及胰岛、胃壁和肝细胞。这类细胞在正常情况下没有明显的衰老死亡，但最终也将发生衰老和死亡。光镜照片显示人类呼吸道上皮（左）和皮下致密结缔组织（右）（fromC.Starr,1998)（三）更新组织细胞有一定寿命的专业工作细胞。主要包括皮肤的表皮、角膜、毛囊、口腔黏膜上皮、胃肠道上皮、精原细胞和造血细胞。不同组织的更新速度不同,如小肠绒毛上皮的生命周期为2～5天,表皮细胞约1～2月。这类细胞寿命短，因而不发生衰老变化。光镜照片显示人类皮肤（fromC.Starr,1998)（四）可耗尽组织细胞是一种专业工作细胞,在机体一生的某一阶段逐渐减少,但得不到补充,最后消耗殆尽。如卵巢实质细胞（五）体外培养细胞的寿命1、Hayflik界限体外培养的细胞也有一定的寿命。1961年，Hayflick和Moorhead实验，培养的人二倍体细胞表现出明显的衰老、退化和死亡的过程。将细胞数以1：2的比率连续进行传代，则平均只能传代40-60次，此后细胞就逐渐解体并死亡。细胞，至少是培养的细胞，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——“Hayflick界限”。2、体外培养细胞的寿命与供体物种寿命和供体个体年龄的关系Hayflick比较了多种动物成纤维细胞在体外培养下的传代次数和寿命的关系发现：体外培养细胞的寿命取决于供体物种的寿命供体个体的年龄。生命越长寿，细胞传代的次数越多不同种属的平均寿命及其成纤维细胞的分裂代数种类平均寿命（年）培养细胞分裂代数海龟17590～125人11040～60鸡3015～35小鼠3.514～28体外培养细胞的增殖传代的能力也可反映出该种属细胞在体内的衰老状况。供者年龄群体分裂代数人胚胎40～60出生后至15岁20～4015岁以上10～30早老症患者2～10不同年龄人成纤维细胞分裂代数的比较4、决定细胞衰老的因素Hayflik将取自老年男性细胞和年轻女性个体细胞(间期可见巴氏小体)进行单独或混合培养，结果混合培养中的两类细胞的倍增次数与各自单独培养时相同。结果说明:巴氏小体的污染并没有影响细胞的衰老，决定细胞衰老的因素在细胞内部，而不是外部的环境。Wright和Hayflik实验年轻的细胞质体与年老的完整细胞融合时，得到的杂种细胞不能分裂；而年老的细胞质体与年轻的完整细胞融合时，杂种细胞的分裂能力与年轻细胞几乎相同。结果说明:是细胞核而不是细胞质决定了细胞衰老的表现。二、细胞衰老的特征1．细胞内水分减少，致使细胞脱水收缩，体积变小。2．细胞色素颗粒沉积增多，如脂褐素也称老年色素，在光镜下呈黄褐色的圆形或椭圆形颗粒。脂褐素在胞浆中沉积随老年化过程而增加，如肝细胞、肌细胞和神经细胞中的积聚更为明显。细胞衰老的特征3．细胞器的衰老变化：（1）细胞膜的流动性降低：衰老的细胞膜发生脂质过氧化反应，流动性明显减弱，因而细胞的兴奋性降低。（2）线粒体的数量随着年龄的增大而减少，而其体积则随着年龄的增大而增大。（3）高尔基复合体的分泌功能与囊泡运输功能下降；溶酶体酶活性降低；内质网数量减少。（4）细胞核的变化：染色质固化，核膜内折。细胞衰老的特征4．化学组成与生化反应的改变(1)蛋白质合成的速度下降；(2)细胞内酶的活性与含量改变：老年神经细胞内单氨氧化酶升高、SOD下降，硫胺素焦磷酸酶的活性减弱。三、细胞衰老的机制关于细胞衰老的机制，曾先后提出过多种学说，但至今尚无统一的认识。人们已经认识到，细胞衰老是由体内多种因素引起的，人类的衰老还受到社会和环境等因素的影响,使得衰老机制更加复杂。细胞衰老的机制1．自由基理论自由基是在外层轨道上具有不成对电子的分子或原子基团，与其他物质反应夺取电子，引起一些极重要的生物分子失活，导致对细胞的结构和功能产生有害的生物学效应。机体清除自由基的能力随龄的增加而下降，导致衰老。2、遗传程序论细胞的衰老是按照各自特定的程序和时间进行的；认为细胞的退化和衰老是由基因控制的，如退化基因(deg)和机械传感基因(mec)是控制神经细胞衰老的遗传因子。衰老是遗传上的程序化过程，受特定基因控制。遗传基因的变异对衰老的发生影响极大，例如人类常染色体隐性遗传病早老症8岁的早老症患者端粒与衰老近年来，提出端粒DNA序列的缩短可能是细胞衰老的重要原因，人体细胞端粒长度随年龄增加而缩短。发现端粒长度、端粒酶活性与衰老有着密切的关系，提出细胞衰老的“端粒钟”或“有丝分裂钟”学说细胞衰老还有其它学说：如神经免疫网络说、错误成灾说、钙调蛋白学说等。第二节细胞凋亡死亡是生命的普遍现象，但细胞死亡并非与机体死亡同步。正常的组织中，经常发生“正常”的细胞死亡，它是维持组织机能和形态所必需的。细胞死亡的标志判断细胞是否死亡，常用细胞活体染色方法进行鉴别，由于细胞死亡时，细胞膜通透性发生改变，丧失原有功能及增殖能力，可被台盼蓝染成蓝色。一、细胞死亡的方式①细胞坏死necrosis②细胞凋亡cellapoptosis也称细胞程序性死亡（programmedcelldeath）（一）细胞坏死（necrosis）：——是由于某些外界因素，如局部缺血、物理、化学和生物因子的作用而产生的急性损伤所致，故称为病理性死亡。被动（一）细胞坏死necrosis特征细胞坏死诱导因素强烈刺激受累范围成群细胞死亡膜完整性早期即丧失细胞体积增大肿胀染色质稀疏成网状细胞器肿张破坏溶酶体破坏外溢细胞形状破裂成碎片基因组DNA随机降解大分子合成不需要基因调控无后果引起炎症反应意义病理死亡方式细胞坏死necrosis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。主动程序性细胞死亡（programmedcelldeath，PCD）是多细胞生物为调控机体发育、维护内环境稳定，由基因控制的细胞主动死亡过程（二）细胞凋亡（cellapoptosis）1、研究历史1.凋亡概念的形成和形态学的研究(1972）1972年Kerr等在英国癌症杂志发表论文，首次提出细胞凋亡(apotosis)的概念。宣告了对细胞凋亡的真正探索的开始。2．DNA的降解和内源性核酸内切酶的参与。(1987）3.蛋白质水解酶活化的研究(1995)4.细胞膜的变化(1997)5.线粒体的变化和分子生物学的研究(1998-)1)相关基因及调控2）信号转导3）各种分子及其相互作用及相互关系4）疾病机制的阐明，以及新疗法的探索及问世。2002年10月7日英国人悉尼·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。2002年诺贝尔生理与医学奖获得者（图片来自）2、细胞凋亡过程2、细胞凋亡的过程细胞连接消失，微绒毛消失；细胞质密度增加，核质浓缩成一个或几个大的团块，细胞核进而裂解为碎块，形成凋亡小体，凋亡小体很快被单核巨噬细胞吞噬。凋亡的起始细胞质密度增加凋亡小体的形成凋亡小体逐渐被吞噬细胞吞噬3、凋亡的特征特征细胞凋亡诱导因素生理及弱刺激受累范围单个细胞丢失膜完整性保持到晚期细胞体积减少、固缩染色质凝聚成半月形细胞器无明显变化溶酶体保持完整细胞形状形成凋亡小体基因组DNA有控降解大分子合成一般需要基因调控有后果不引起炎症反应意义生理死亡方式apoptosis坏死细胞凋亡细胞4、细胞凋亡与细胞坏死的区别特征细胞凋亡细胞坏死诱导因素生理及弱刺激强烈刺激细胞数量单个细胞丢失成群细胞死亡膜完整性保持到晚期早期即丧失染色质凝聚呈半月状稀疏呈网状细胞核早期固缩断裂晚期破裂细胞器无明显变化肿胀、破裂细胞内容物无释放释放细胞形状形成凋亡小体破裂成碎片基因组DNA有控降解随机降解大分子合成一般需要不需要基因调控有无后果不引起炎症反应引起炎症反应意义生理死亡方式病理死亡方式细胞坏死与凋亡的形态区别二、细胞凋亡形态学改变及生化特征细胞调亡有许多特定的形态学和生化特征主要：（1）调亡小体（apoptoticbody）（2）DNA片段化（fragmentation）（1）凋亡小体•电镜观察凋亡细胞体积变小，细胞质浓缩。凋亡Ⅰ期的细胞核内染色质高度盘绕，出现许多称为气穴现象的空泡结构。细胞凋亡的晚期，细胞核裂解为碎块，产生凋亡小体。NuclearmorphologicalchangesofHeLacellsinapoptosisprocess（488nm400）图15-8左，正常胸腺细胞；右，凋亡胸腺细胞（注意凋亡小体）（2）DNA片段化（fragmentation）由核酸内切酶将核小体间的连接DNA降解形成长度为180～200bp整倍数的寡聚核苷酸片段在琼脂糖凝胶电泳中呈特征性的“梯状”条带（ladder）1．细胞色素c诱导0h2．细胞色素c诱导1h3．细胞色素c诱导2h4．细胞色素c诱导3h5．细胞色素c诱导4h6．阴性对照7．Marker细胞色素c诱导的凋亡细胞DNA电泳图三、细胞凋亡的生物学意义和作用1、在发育中，幼体器官的缩小和退化如蝌蚪尾巴的消失神经细胞数量的调节（约50％凋亡，使神经细胞数量与需要神经支配的靶细胞数量相适应）官腔结构形成，指（趾）、视网膜的发育等2、成熟个体中，组织细胞的自然更新如骨髓和肠中，每小时约有10亿个细胞凋亡3.清除多余的、发育不正常的细胞（如大脑中没有正确连接的神经元）4.清除对机体有害的细胞（如对自身抗原起反应的胸腺T细胞）5.清除受损的、有癌前病变或受病毒等感染的细胞四、细胞凋亡的调控基因（一）ced基因家族线虫（caenorhabditiselegans，CE）称细胞死亡变异基因（celldeathabnormal，ced）15个（二）bcl-2家族哺乳动物中bcl-2是一种癌基因bcl-2是B细胞淋巴瘤/白血病-2（B-celllymphoma/leukemia-2,bcl-2）的缩写13种（三）ICE基因家族白细胞介素1β转化酶（interleukin-1βconvertingenzyme,ICE）家族哺乳类中ICE有5个成员（四）p53基因抑癌基因（五）其它癌基因myc、jun、fos、myb、fas、bcr/abl等