细胞生物学

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？•指细胞内部结构发生衰变，从而导致细胞生理功能衰退或丧失的过程，是一种不可逆的现象。•细胞的衰老与机体衰老不完全相同，是机体衰老的基础体内细胞寿命：长寿命细胞：不增殖细胞，神经细胞缓慢更新细胞(寿命中等)：肝细胞、胃壁细胞快速更新细胞(短寿细胞)：皮肤表皮细胞、血细胞、肠粘膜细胞（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？•Hayflick界限:正常离体细胞不能无限增殖，有一定的传代代数的限制（50代左右）；•培养细胞的寿命（传代数）与该物种的寿命相关；•决定细胞衰老的在细胞内部，而不在外部（如：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早老症：9岁个体的成纤维细胞在体外只能传代2－4代二、细胞衰老的结构和生化变化1.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2.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.自由基理论：代谢过程产生自由基，对细胞具有有害作用：1）降低生物膜流动性，使各种膜性细胞器受损；2）与蛋白质结合形成脂褐素，沉积在神经和心肌肉细胞影响正常功能；3）使细胞DNA发生氧化破坏或交联，扰乱DNA正常复制与转录；4）使蛋白质发生交联变性，形成沉积物降低酶活性；2.神经免疫网络论：1）观点：认为衰老与神经系统及免疫系统的衰退有关；2）机制：小丘脑的衰老——下丘脑-垂体的内分泌腺轴系的功能衰退——内分泌功能下降——免疫功能下降——机体免疫功能衰退是衰老的重要原因之一3）现象：老年人免疫功能降低，易患多种疾病，其中包括肿瘤。3.遗传程序论：1）观点：机体从生命一开始，其生长、发育、衰老、死亡都按遗传密码中规定的程序进行，生命过程中随着时间的推移，有关基团启动与关闭的命令按时发生，细胞自我摧毁的程序按期进行.2)不同假说：1.重复基因利用枯竭学说；2.DNA修复能力下降学说：3.衰老基因学说：4.密码子限制学说：5.端粒缩短学说：6.终末分化学说：7.基因程控学说：4.其他学说：1）差错灾难学说：2）大分子交联学说：3）体细胞突变学说：4）代谢学说：5）线粒体DNA突变的衰老假说：第二节细胞的死亡一、基本概念和意义（一）细胞凋亡和细胞坏死（二）细胞凋亡与编程性细胞死亡（PCD）区别：1）细胞凋亡强调死亡的方式（怎么死的）；PCD强调死亡发生的时间（什么时候死的）；2）凋亡的程序性指完成死亡的途径具有程序性，且不能逆转；PCD的程序性指胚胎发育过程，发生死亡的细胞在时间空间上严格控制；细胞死亡凋亡：主动过程，不引起炎症等反应坏死：被动过程，应激反应；引起炎症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(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.AB(C)左图：A：正常细胞；B：凋亡细胞；下图：(a)正常细胞；(b)凋亡细胞；(c)坏死细胞细胞坏死（左）和细胞凋亡（右）的形态比较二、细胞凋亡的基本特征（一）形态学特征1.细胞核变化：1）染色质凝聚、分块、位于核膜上。2）晚期被膜相结构包裹形成许多凋亡小体3）凋亡小体内有结构完整的细胞器，还有凝缩的染色体，4）可被邻近细胞吞噬消化没有内溶物释放，故不会引起炎症。2.胞质改变1）胞质浓缩2）线粒体、内质网等膜相细胞器空泡化，但结构完整3）生化活动减弱4）细胞骨架凌乱、致密3.细胞膜改变1）细胞皱缩，特化结构消失2）细胞膜空泡化，但结构完整3）胞质面磷脂酰丝氨酸外翻4.凋亡小体的形成1）发芽脱落机制：2）分隔机制：3）自噬体形成机制：左图：正常胸腺细胞；右图：凋亡胸腺细胞（二）生化特征内源性核酸内切酶活化，DNA规律性断裂，凝胶电泳呈梯状凋亡蛋白酶级联反应钙离子内流，PH值改变线粒体膜渗透性升高，释放细胞色素C和活性氧，加剧凋亡蛋白酶级联反应三.细胞凋亡的分子机制（一）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）。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。（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……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