第13章-细胞的衰老和死亡

第十三章细胞衰老与凋亡细胞衰老细胞凋亡第一节细胞衰老(cellularaging或cellsenescence)Hayflick界限细胞在体内条件下的衰老衰老细胞的特征细胞衰老学说一、Hayflick界限(HayflickLimitation）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。(next)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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二、细胞在体内条件下的衰老在机体内，细胞的衰老和死亡是常见的现象，甚至在个体发育的早期也会发生;衰老动物体内，细胞分裂速度显著减慢，其原因主要是G1期明显延长;衰老个体内的环境因素影响了细胞的增殖和衰老;骨髓干细胞移植实验说明随着年龄的增加，干细胞增殖速度也趋缓慢.三、细胞衰老的特征1、细胞膜系统的改变:流动性和韧性减小；选择通透能力降低；受体分子减少，受体与配体的亲和力改变；细胞连接和细胞间的相互作用改变。2、粗面内质网总量减少；电子密度增高，膜结构变厚；内质网排列不规则，或出现肿胀和空泡3、GC肿胀、崩解、功能下降4、溶酶体膜损伤、酶外溢，导致细胞自溶死亡4、线粒体数量减少，体积增大；内膜形成的嵴呈萎缩状态，合成ATP的能力下降；呼吸酶的活性下降；mtDNA突变↑→自由基↑5、细胞核：核膜内折凹陷；体积变大；核中染色质凝集、破碎；甚至出现异常多倍体6、致密体的生成（densebodies）神经细胞、心肌细胞内脂褐质随年龄增加而积累。由线粒体和溶酶体转化而来。脂褐质（lipofusin）、老年色素（ageorsenilepigment）、血褐质（hemofuscin）、脂色素（lipochrome）、透明腊体（hyaloceroid）、残体（residualbodies）7、细胞骨架系统数量↓、扭曲变形、运输功能↓SOD↓酪氨酸酶↓硫胺素焦磷酸酶↓皮肤胶原合成酶↓等蛋白合成速率↓、酶活性改变8、化学组成与生化反应改变：四、细胞衰老学说1、线粒体自由基假说线粒体氧化磷酸化过程会产生自由基，如超氧自由基O2•-；O2•-除本身具有破坏性外，还能转变成H2O2和羟自由基OH•-。自由基损伤线粒体的蛋白质、脂类和核酸分子，引起线粒体膜结构受损、影响电子传递和ATP合成、不饱和脂肪酸氧化、mtDNA受损等，最终引起线粒体受损。受损的线粒体ATP合成效率下降并增加了自由基的输出，自由基加速了线粒体组分的氧化损伤。线粒体自由基的输出，损伤了细胞的功能和由细胞所组成的组织和器官的功能，机体不能应付稳定性的挑战，表现出衰老。2、端粒（telomere）与衰老“有丝分裂钟”学说（Harley,1990）人端粒DNA由简单串联重复序列（5‘-TTAGGG-3’）组成（15kb），在细胞分裂过程中不能为DNA聚合酶完全复制，而随细胞分裂逐渐变短。端粒酶（telomerase）是合成端粒DNA的摸板，可催化端粒DNA合成。生殖细胞、癌细胞中存在端粒酶活性，使端粒保持一定长度。3、错误成灾学说：内、外原因→DNA、Pro.合成错误→细胞代谢紊乱→衰老死亡4、程序衰老学说：“生物钟”控制衰老程序5、神经-内分泌免疫调节学说：下丘脑衰老→内分泌器官衰老→免疫功能↓→衰老死亡6、与衰老有关的基因：编码DNA解旋酶的人WRN基因和酵母中SGS1基因是保证细胞正常生命周期所必须的，发生突变会引起衰老提前发生和寿命缩短。人WRN基因突变引发早老症.第二节细胞凋亡(Apoptosis)细胞凋亡的概念及其生物学意义细胞凋亡的形态学和生物化学特征细胞凋亡基因细胞凋亡的信号传导诱导细胞凋亡的因素一、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，所以也常常被称为细胞编程死亡（programmedcelldeath,PCD）。凋亡细胞将被吞噬细胞吞噬。2002年生理学或医学奖授予在器官发育和细胞凋亡中做出杰出贡献的三位科学家。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：是胚胎发育成熟过程不可少的内容：如：蝌蚪尾的消失，骨髓和肠的细胞凋亡，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。是正常生理、病理活动不可少的内容：如淋巴细胞的克隆选择细胞凋亡失调（激活或抑制）导致疾病二、细胞凋亡的形态学和生物化学特征细胞凋亡的形态学特征（凋亡过程）细胞凋亡的生化特征细胞凋亡与坏死(necrosis)染色质固缩、边集微绒毛消失（一）细胞凋亡过程（1）凋亡起始微绒毛消失，线粒体正常，ER膨胀与质膜融合，染色质固缩、边集（2）凋亡小体形成：染色质片段化与细胞器一起被反折的膜包围，出芽形成凋亡小体。（3）凋亡小体被吞噬、消化？ＤＮＡ内切酶活性↑（二）细胞凋亡的生化特征（1）形成大小为180～200bp特征性的DNAladders（2）Ⅱ型谷氨酰胺转移酶和需钙蛋白酶（Calpain）活性↑（3）胞浆内Ca2+浓度↑（4）细胞内活性氧增多细胞坏死(necrosis)：被动性细胞死亡，由某些外界因素，比如局部贫血、高热以及物理、化学损伤和生物侵袭等造成的细胞急速死亡过程。细胞坏死与细胞凋亡比较（next）（三）、细胞凋亡与细胞坏死细胞坏死与细胞凋亡的形态学与生化比较细胞坏死细胞凋亡由毒素、缺氧、伤害和ATP缺乏引起由生理性和病理性原因引起不需要能量需要能量通常影响大量联系的细胞，如组织块细胞的死亡通常只影响分散的单个细胞的死亡，如分离的单细胞细胞和细胞器肿胀，细胞器破裂细胞收缩、染色体浓缩、凋亡小体形成DNA降解形成随机大小的片段，DNA电泳结果为模糊一片DNA降解形成约200碱基大小的片段，DNA电泳结果为梯状溶酶体破裂，质膜崩解质膜完整、内陷有炎症发生无炎症发生趋化因子促使中性白细胞渗入降解死亡细胞凋亡小体完整地被吞噬，通常没有中性白细胞渗入坏死三、细胞凋亡基因（一）线虫（C.elegans）:研究发现有14个基因与线虫PCD有关直接相关基因ced-3、ced-4（celldeathgene）ced-9（celldeathsuppressergene）与死亡细胞吞噬有关的基因ced1、2、5、6、7、8、10核酸酶基因nuc-1:控制DNA裂解，发生突变，DNA降解受阻细胞凋亡基因调控示意图ced-1ced-2ced-5ced-6ced-7ced-10Ced-11ced-3ced-4ced-9nuc-1决定死亡吞噬降解执行促凋亡基因死亡抑制基因降解基因（二）人和哺乳动物细胞凋亡相关的基因Caspase家族bcl-2家族p53基因Fas和FasLCaspase家族Cysteineasparticacicspecificprotease在人和哺乳动物细胞中发现的ced-3的同源物，是一类半胱氨酸蛋白水解酶，简称Caspase家族，已发现11种共同特点：富含半胱氨酸，活化后能切割靶蛋白天冬氨酸残基后的肽键（Asp–X）每种Caspase作用底物不同，底物特异性决定于Asp一侧的4个氨基酸序列Caspase活化Caspase自身以非活化的Procaspase存在，其激活依赖于其他的Caspase在它的天冬氨酸位点裂解活化或自身活化Caspase家族分类：上游起始Caspase：Caspase2、8、9、10在上游参与凋亡起始调节下游效应Caspase：Caspase3、6、7导致DNA修复抑制，并启动DNA降解Caspase6底物是LaminA、Keratin18，导致核纤层和细胞骨架的崩解Caspase1、4、11参与白细胞介素前体活化bcl-2家族与细胞凋亡至少有15个成员bcl-2蛋白家族是线虫ced-9的同源物，属于凋亡抑制基因产物，通过阻断细胞凋亡而促进细胞存活p53基因与细胞凋亡p53基因是一种抑癌基因，基因产物是一种核内的磷酸化蛋白，DNA损伤不能修复时引起细胞凋亡MicroRNA:Anewcomponentofthep53signalingpathwayThreemicroRNA(miRNA)molecules-miR-34a,miR-34bandmiR-34chavebeenvalidatedasdirecttranscriptionaltargetsofthep53tumorsuppressorprotein,establishinganovelmechanismofp53-mediatedgrowtharrestinmammaliancells.miR-34-mediatedgrowtharrestcanoccurintheabsenceofp21Waf1/Cip1,suggestingthatmiRNAsrepresentap21-independentpathwayforp53-dependenttumorsuppression.___LinHe,etal.AmicroRNAcomponentofthep53tumoursuppressornetwork.Nature447,1130-1134(2007)Fas和FasL与细胞凋亡Fas是广泛存在于细胞膜表面的凋亡信号受体，FasL（fasligand）表达于活化的T淋巴细胞表面，两者结合导致携带Fas的细胞凋亡，对免疫细胞细胞的死亡起重要作用四、细胞凋亡的信号转导途径死亡受体系统途径线粒体介导的细胞凋亡的信号转导途径MajorApoptoticPathwaysinMammalianCells线粒体介导的细胞凋亡途径受体介导的细胞凋亡途径FasLCaspase3DDDDFas/Apo1/CD95FADDProcaspase8DISCCaspase8BID氧化剂神经酰胺其他Bcl-2D细胞色素CdATPProcaspase9Apaf-1dATPApaf-1Caspase9Procaspase3apoptosomeDNA损伤靶细胞FADD：fas-associateddeathdomainproteinDISC:death-inducingsignalingcomplexApaf:apoptosisproteaseactivatingfactors五、诱导细胞凋亡的因素物理性因素，包括射线（紫外线，射线等），较温和的温度刺激（如热激，冷激）等化学及生物因子：活性氧基团和分子、DNA和蛋白质合成的抑制剂、激素、细胞生长因子，肿瘤坏死因子（TNF）、抗Fas/Apo-1/CD95抗体等本章：1、名词：Hayflich界限、细胞凋亡、凋亡小体2、细胞衰老的主要特征3、掌握细胞凋亡的特征4、与细胞凋亡相关的主要基因5、了解细胞凋亡的生物学意义细胞凋亡异常导致疾病细胞凋亡过低相关的疾病系统性红斑狼疮：T细胞凋亡丧失所致人乳头病毒分泌的E因子→P53分解→细胞癌变杆状病毒分泌的P35，可抑制Caspase3而阻止凋亡→细胞癌变细胞凋亡过度相关的疾病窦房结、房室结和希氏束发生凋亡→心传导系统障碍Alzheimer病、Parkinson病，分别是由于神经元过度凋亡所致基因产物功能BCL-2凋亡抑制剂，可和Bax及Bak结合BCL-x其L型抑制凋亡，S型促进凋亡，与Bax及Bak结合BCL-w凋亡抑制剂Bax凋亡促进剂，可与BCL-2，BCL-XL，EIB19K结合Bak凋亡促进剂，亦可作抑制剂，可与BCL-2，BCL-X和E1B19K结合MCL-1凋亡抑制剂Bad