第十三章-细胞衰老及凋亡

请注意观察老人的外部形态有哪些特征?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饮食减少细胞水分减少，体积减小细胞内的酶活性降低细胞内色素的累积细胞膜通透性功能改变第十三章细胞衰老与凋亡衰老（aging，senescence，senility）又称老化，通常指生物发育成熟后，在正常情况下随着年龄的增加，机能减退，内环境稳定性下降，结构中心组分退行性变化，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。生命要不断的更新，种族要不断的繁衍。而这种过程就是在生与死的矛盾中进行的。至少从细胞水平来看，死亡是不可避免的。第一节细胞衰老一、细胞衰老的概念人的寿命应该有多长？•哺乳类动物的寿命应该是其生长期的7倍。•人的生长期是最后一颗牙齿长出来的时间(20-25岁)。•因此人的寿命应该为100-175岁，正常应该是120岁。•“衰”是指功能或体力的减退。•“老”是指年龄超过某一界限。•衰老是机体在退化时期生理功能下降和紊乱的综合表现，是不可逆的生命过程。衰老是客观存在的，是细胞生命活动的客观规律。机体的衰老与细胞的衰老是相关联的。•衰老有三种表现形式：生理性衰老、病理性衰老、心理性衰老“衰”与“老”二、细胞衰老的特征（一）形态变化衰老细胞的形态变化主要表现在细胞皱缩，膜通透性、脆性增加，核膜内折，细胞器数量特别是线粒体数量减少，胞内出现脂褐素等异常物质沉积，最终出现细胞凋亡或坏死。总体来说老化细胞的各种结构呈退行性变化.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、mtDNA突变或丢失高尔基体碎裂尼氏体消失包含物糖原减少、脂肪积聚核膜内陷（二）分子水平的变化衰老细胞会出现脂类、蛋白质和DNA等细胞成分损伤，细胞代谢能力降低，主要表现在以下方面：1.DNA：复制与转录受到抑制，但也有个别基因会异常激活，端粒DNA丢失，线粒体DNA特异性缺失，DNA氧化、断裂、缺失和交联，甲基化程度降低。2.RNA：mRNA和tRNA含量降低。3.蛋白质：含成下降，细胞内蛋白质发生糖基化、氨甲酰化、脱氨基等修饰反应，导致蛋白质稳定性、抗原性，可消化性下降，自由基使蛋白质肽断裂，交联而变性。氨基酸由左旋变为右旋。4.酶分子：活性中心被氧化，金属离子Ca2+、Zn2+、Mg2+、Fe2+等丢失，酶分子的二级结构，溶解度，等电点发生改变，总的效应是酶失活。5.脂类：不饱和脂肪酸被氧化，引起膜脂之间或与脂蛋白之间交联，膜的流动性降低。三、细胞衰老的分子机理关于衰老的机理具有许多不同的学说，概括起来主要有差错学派（Errortheories）和遗传学派（Genetic/Programmedtheories）两大类，前者强调衰老是由于细胞中的各种错误积累引起的，后者强调衰老是遗传决定的自然演进过程。其实，现在看来两者是相互统一的（一）差错学派细胞衰老是各种细胞成分在受到内外环境的损伤作用后，因缺乏完善的修复，使“差错”积累，导致细胞衰老。根据对导致“差错”的主要因子和主导因子的认识不同，可分为不同的学说1．代谢废物积累（wasteproductaccumulation）细胞代谢产物积累至一定量后会危害细胞，引起衰老，哺乳动物脂褐质的沉积是一个典型的例子，脂褐质是一些长寿命的蛋白质和DNA、脂类共价缩合形成的巨交联物，次级溶酶体是形成脂褐质的场所，由于脂褐质结构致密，不能被彻底水解，又不能排出细胞，结果在细胞内沉积增多，阻碍细胞的物质交流和信号传递，最后导致细胞衰老，如老年性痴呆（AD）就是由β-淀粉样蛋白沉积引起的，因此β-AP可做为AD的鉴定指标。2．自由基学说（freeradicaltheories）自由基是一类瞬时形成的含不成对电子的原子或功能基团，普遍存在于生物系统。主要包括：氧自由基（如羟自由基·OH）、氢自由基（·H）、碳自由基、脂自由基等，其中·OH的化学性质最活泼。人体内自由基的产生有两方面：一是环境中的高温、辐射、光解、化学物质等引起的外源性自由基；二是体内各种代谢反应产生的内源性自由基。内源性自由基是人体自由基的主要来源，其产生的主要途径有：①由线粒体呼吸链电子泄漏产生；②由经过氧化物酶体的多功能氧化酶（MFO）等催化底物羟化产生。此外，机体血红蛋白、肌红蛋白中还可通过非酶促反应产生自由基。自由基含有未配对电子，具有高度反应活性，可引发链式自由基反应，引起DNA、蛋白质和脂类，尤其是多不饱和脂肪酸（polyunsaturatedfattyAcids，PUFA）等大分子物质变性和交联，损伤DNA、生物膜、重要的结构蛋白和功能蛋白，从而引起衰老各种现象的发生。实验表明DNA中OH8dG随着年龄的增加而增加。OH8dG完全失去碱基配对特异性，不仅OH8dG被错读，与之相邻的胞嘧啶也被错误复制。正常细胞内存在清除自由基的防御系统，包括酶系统和非酶系统，前者如：超氧化物歧化酶（SOD），过氧化氢酶（CAT），谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-PX），非酶系统有维生素E、醌类物质等电子受体。OrrWC和SohalRS（1994），将铜锌超氧化物岐化酶（copper-zincsuperoxidedismutase）基因导入果蝇，使转基因株具有3个拷贝的SOD基因，其寿命比野生型延长1/3。3.线粒体DNA突变（mitochondrialDNAmutation）在线粒体氧化磷酸化生成ATP的过程中，大约有1-4%氧转化为氧自由基，也叫活性氧（reactiveoxygenspecies，ROS)，因此线粒体是自由基浓度最高的细胞器。mtDNA裸露于基质，缺乏结合蛋白的保护，最易受自由基伤害，而催化mtDNA复制的DNA聚合酶γ不具有校正功能，复制错误频率高，同时缺乏有效的修复酶，故mtDNA最容易发生突变。mtDNA突变使呼吸链功能受损，进一步引起自由基堆积，如此反复循环。衰老个体细胞中mtDNA缺失表现明显，并随着年龄的增加而增加，许多研究认为mtDNA缺失与衰老及伴随的老年衰退性疾病有密切关系。（二）遗传学派认为衰老是遗传决定的自然演进过程，一切细胞均有内在的预定程序决定其寿命，而细胞寿命又决定种属寿命的差异，外部因素只能使细胞寿命在限定范围内变动1．程序性衰老（programmedsenescence）程序性衰老理论认为，生物的生长、发育、衰老和死亡都由基因程序控制的，衰老实际上是某些基因依次开启或关闭的结果。例如在小鼠肝中，胚胎早期表达的胞质丙氨酸转氨酶（cytosolicalanineaminotransferase，cAAT）为A型，随后停止表达，但是在衰老时则表达B型cAAT，其它类似的衰老标志物（senescencemarkers）也有报道，如肝脏中的衰老标志蛋白2（senescencemarkerprotein2）也是在老年期表达。此外程序性学派还认为衰老还与神经内分泌系统退行性变化以及免疫系统的程序性衰老有关。2．复制性衰老（replicativesenescence）•概念：关于细胞增殖能力和寿命是有限的观点•细胞，至少是培养的二倍体细胞，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，这就是Hayflick界限。•癌细胞或培养的细胞系是不正常细胞，其染色体数目或形态已经不同于原先的细胞•细胞的增殖能力与供体年龄有关•物种寿命与培养细胞寿命之间存在着一定的关系•二倍体细胞的衰老是由细胞本身决定的◆决定细胞衰老的因素在细胞内部，不是外部的环境◆是细胞核而不是细胞质决定了细胞衰老Hayflick界限(HayflickLimitation）细胞来源人胚肺成纤维细胞中年人成纤维细胞老年人成纤维细胞可增殖代数40-60202-4不同年龄来源的人成纤维细胞的增殖代数•子女的寿命与双亲的寿命有关；•各种动物都有相当恒定的平均寿命和最高寿命；–成人早衰症：平均39岁时出现衰老，47岁生命结束；–婴幼儿早衰症：1岁时出现明显的衰老，12~18岁生命结束，–早衰症患者体内解旋酶发生突变。–Caenrhabditiselegans的平均寿命仅3.5天，该虫age-1单基因突变，可提高平均寿命65%，提高最大寿命110%。3、衰老基因学说一个37岁的成人早衰症患者正常儿童（左）和婴幼儿早衰症患者（右）研究表明当细胞衰老时，一些衰老相关基因（SAG）表达特别活跃，其表达水平大大高于年轻细胞，已在人1号染色体、4号染色体及X染色体上发现SAG。用线虫的研究表明，基因确可影响衰老及寿限，Caenorhabditiselegans的平均寿命仅3.5天，该虫age-1单基因突变，可提高平均寿命65%，提高最大寿命110%，age-1突变型有较强的抗氧化酶活性，对H2O2、农药、紫外线和高温的耐受性均高于野生型。对早老综合症的研究发现体内解旋酶存在突变，该酶基因位于8号染色体短臂，称为WRN基因。对AD的研究发现，至少与4个基因的突变有关，其中淀粉样蛋白前体基因（APP）的突变，导致基因产物β淀粉蛋白易于在脑组织中沉积，引起AD。第二节细胞凋亡一、细胞死亡的概念二、细胞的死亡形式•细胞死亡(celldeath)：细胞生命现象不可逆的停止。1.坏死性死亡(necrosis)2.细胞凋亡(apoptosis)1.细胞坏死（细胞被动性死亡）细胞坏死是病理条件下细胞死亡的过程。•早期表现为细胞膜破裂，线粒体肿胀。•继而溶酶体破裂,细胞内容物流出,引起炎症。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，可被伊文思蓝、洋红、甲基蓝等.染色时间不能太长,凡未染或染色及浅的细胞是有活力的，而染色深的细胞是无活力的死细胞胞质内蛋白变性、凝固或碎裂，以及嗜碱性核蛋白的降解，细胞质呈现强嗜酸性，故坏死组织或细胞在苏木精/伊红染色切片中，胞质呈均一的深伊红色FDA:双醋酸荧光素荧光法:染色法:2.细胞凋亡（细胞主动性死亡）美国科学情报研究所（ISI）1997年SCI（ScienceCitationIndex）收录及引用论文检索，全世界自然科学研究中论文发表最集中的三个领域分别是：细胞信号转导（signaltransduction）；细胞凋亡（cellapoptosis）；基因组与后基因组学研究（genomeandpost-genomicanalysis）。细胞凋亡现象最早是1965年Kerr在大鼠肝细胞中发现的，当时他称这种现象为“皱缩型坏死”。1972年，Kerr,Wylle和Curry在许多正常组织中观察到一种与经典的细胞坏死形态特征不同的现象：细胞收缩、细胞碎片、散在不完整细胞等，据此，他们首次提出apoptosis一词。国内常译为细胞凋亡、细胞凋落、细胞凋谢、细胞衰亡等，多数学者倾向于细胞凋亡。强调这一过程是一种自然的生理学过程。近10年来对细胞凋亡的研究日渐重视，现代研究结果表明：细胞凋亡不仅是认识细胞死亡过程的基础，而且对胚胎发育、造血、免疫、乃至肿瘤都有极为重要的作用。☆细胞凋亡的提出☆细胞凋亡研究的模式生物CaenorhabditiselegansDrosophilamelanogasterArabidopsisthaliana细胞凋亡的概念及其生物学意义●概念：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，受到严格的由遗传机制决定的程序性控制，所以也常常被称为细胞编程死亡（programmedcelldeath,PCD）。●生物学意义：细胞凋亡对于多细胞生物个体发育的正常进行，自稳平衡的保持以及抵御外界各种因素的干扰方面都起着非常关键的作用。1有利于清除多余细胞胚胎发育的某个阶段，特定区域的多余细胞发生凋亡，利于器官的形态形成。如指和趾的形成。2有利于清除无用细胞形态发生时，一些遗迹随发育而凋亡。如人胚的尾芽和鳃的定期消亡、蝌蚪退尾、人体性别的分化。3有利于清除发育不正常的细胞