第十三章细胞死亡与衰老

第十三章程序性细胞死亡与细胞衰老第一节程序性细胞死亡一、动物细胞的程序性死亡概念：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）细胞凋亡是形态学的概念，程序性细胞死亡是功能上的概念。细胞死亡有三种形式：凋亡、坏死和自噬细胞凋亡（apoptosis):apoptosis为希腊语，原指秋天时树叶自然凋零。由体内外因素触发细胞内预存的死亡程序而导致的细胞死亡过程称为细胞凋亡（又称为程序性细胞死亡）。（一）细胞凋亡1）.形态学特征1.细胞凋亡的特征凋亡的起始：凋亡小体的形成：凋亡小体逐渐为邻近的细胞吞噬并消化凋亡的形态学变化凋亡生化特征变化:药物诱导细胞凋亡Lane1．0h2．1h3．2h4．3h5．4h6．Control7．Marker2.0kbp1.00.50.22、细胞凋亡的意义1）生理意义①确保正常发育、生长：清除多余的、失去功能价值的细胞（指趾间组织细胞；动物变态；神经元细胞；皮肤角质形成）②维持内环境稳定：清除受损突变细胞，DNA损伤的细胞，衰老细胞③发挥积极的防御功能：感染病毒细胞凋亡，阻止病毒复制凋亡的生物学意义：1、有利于清除多余细胞凋亡的生物学意义2、有利于清除无用细胞2）病理学意义病原体侵染–诱导凋亡——HIV–抑制凋亡——Poxvirus①细胞凋亡不足–肿瘤，自身免疫疾病；②细胞凋亡过度–神经退行性疾病（AD，帕金森症）、心肌梗塞、再生障碍性贫血、骨组织坏死。3、细胞凋亡的检测方法◆形态学观测：染色法、透射和扫描电镜观察◆DNA电泳：DNA片段呈现出梯状条带◆DNA断裂的原位末端标记法（TUNEL测定法）：◆彗星电泳法（cometassay）◆流式细胞分析Humanembryoatday4morulacontaining23nucleilabelledwithDAPI(blue),includingsevenTUNEL-labelledcondensednuclei(pink,arrow)thatwereexcludedfromdevelopment(KateHardy1999).1:形态学观察2:DNA电泳2.DNA电泳7.流式细胞仪分析4.细胞凋亡的分子机制诱导细胞凋亡的因子：物理性因子，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：包括活性氧基团和分子，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。早期研究(MIT:RobertHorrid,1986)线虫:1090cells,CED3突变所有的细胞均不凋亡.CED3在凋亡过程中起到非常关键的作用.线虫:发育周期短，全身透明，是研究凋亡的模式生物.131细胞死亡.凋亡相关因子—caspase(1)为什么叫做caspase?活性位点:Cysteine作用位点:AsparaticacidCysteineAsparaticacidspecificproteaseAps-Xxx天冬氨酸特异性的半光氨酸蛋白水解酶凋亡的两个阶段：活化阶段：发出死亡信号。执行阶段：发出“eatme”信号。怎样活化caspases?所有的caspases以前体的形式存在—ProcaspasesProcaspaseN末端结构域:高度可变大亚基(20kD)小亚基(10kD)procaspases活化起始caspase级联反应?3类caspase:1、凋亡起始因子:caspase-2,caspase-8,caspase-9andcaspase-102、凋亡执行因子:caspase-3,caspase-6，caspase-7and14(morphologychange)3、调节因子:caspase-1,andcaspase-11Procaspases通过与调节蛋白的结合而被活化caspase在凋亡中的级联反应A.Procaspaseactivationbyproteolyticcleavage.B.CaspasecascadeCaspase依赖性的细胞凋亡外源途径、内源途径（线粒体）DISC动画凋亡路径两条主要路径外部路径内部路径1.Cell1994(GoldsteinJLandBrownMS)2.Cell1996(cytochromec)3.Science19974.Cell19975.Cell1997Apaf-16.Cell1997Apaf-1/caspase-9complex7.Cell19988.NatureCellBiol19999.Cell200010.NatureCellBiol200011.Nature200112.Science200313.Cell200414.Cell2005王晓东WangXD(1)Cell1993(HRobertHorvitz)(2)Cell1993(3)Science1994(4)Cell1994(5)Nature1997(6)Cell1998(7)Cell1998(8)Cell1999(9)Nature2000(10)NatureCellBiol2001(11)Nature2003(12)Cell2003(13)Cell2004(14)NatChemBiol2005(15)Cell2005(16)Science2005(17)NatCellBiol2007袁钧英YuanJ.(1)外部路径:Fas信号路径Fas(也叫做Apo-1或CD95)是肿瘤坏死因子受体超家族的一个成员。凋亡受体调节的路径Bcl-2家族：Bad,Bid,和bax:促进细胞凋亡;Bcl-X,Bcl-w,和Bcl-2:抑制细胞凋亡.(2)内部路径:线粒体路径线粒体调节的凋亡路径不同类型的细胞应激反应可以引发该路径Bcl-2家族:释放cytochromec.形成多亚基复合物;CaspaseCascade,…Caspase非依赖性的细胞凋亡凋亡诱导因子（AIF)限制性内切酶G(EndoG)激活凋亡正调节因子转录因子p53抑制抗凋亡因子存活信号:起始基因转录转录因子NF-κB激活转录凋亡抑制基因凋亡信号：（二）细胞坏死坏死凋亡细胞坏死细胞凋亡细胞凋亡与细胞坏死的区别凋亡坏死触发因素生理性或病理性病理性形态特征细胞核变化显著：细胞浆变化显著：核固缩细胞体肿胀染色质浓聚和边集线粒体肿胀、破裂核碎裂细胞器空泡变质膜完整、形成凋亡小体质膜崩解生化特征规则性的DNA片段化广泛的溶酶体酶自我消化作用无溶酶体酶作用规则性的DNA片段化不存在周围炎症反应无或轻微有（三）细胞自噬寿命较短的蛋白质－泛素降解寿命较长的蛋白质－自噬自噬小体二、植物细胞的程序性死亡死亡细胞的残余物被细胞壁固定在原位，被自身液泡中的水解酶消化。细胞凋亡与疾病通过程序性死亡，多细胞有机体可抑制细胞的过量增殖，清除衰老和畸形细胞以维持健康细胞的正常数量。细胞凋亡对组织和器官发育、免疫耐受性以及神经细胞的生长与发育等起着决定性的作用。细胞凋亡受抑制有关的疾病细胞凋亡增多有关的疾病1．恶性肿瘤：滤泡性淋巴瘤；1．艾滋病p53突变的各种瘤；2．神经变性性疾病激素依赖性肿瘤：乳腺癌前列腺癌、卵巢癌早老性痴呆症；肌萎缩性脊髓侧索硬化症；2．自身免疫性疾病帕金森病；小脑退化症系统性红斑狼疮色素性视网膜炎免疫介导性肾小球肾炎3．骨髓发育不全综合症3．病毒感染性疾病：疱疹病再生障碍性贫血毒病、痘病毒病、腺病毒病4．缺血性损伤：心肌梗死脑卒中；细胞凋亡与人类疾病第二节细胞衰老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。细胞衰老细胞衰老又称为老化，通常指生物发育成熟后，在正常情况下随着年龄的增加，机能和结构发生退行性变化，从而趋向死亡的不可逆现象。细胞衰老的特征细胞衰老的分子机理什么是细胞衰老?1.Hayflick界限概念：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，而不是外部的环境•是细胞核而不是细胞质决定了细胞衰老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细胞最高分裂次数龟90—125人40—60鸡15—35小鼠14—28体外培养的人成纤维细胞YONGOLD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;正常情况下终生保持分裂的细胞，其分裂能力是否随着有机体年龄的增高而下降？它们会不会衰老？–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.体外培养细胞的衰老特点接触抑制传代次数有限，增殖能力有限1）培养危机期2）Hayflick界限特例：永生化细胞无限传代，无接触抑制性多源于恶性肿瘤细胞衰老细胞结构的变化细胞核的变化内质网的变化线粒体的变化致密体的生成膜系统的变化体外培养的二倍体细胞，细胞核随着细胞分裂次数的增加不断增大细胞核的核膜内折（invagination）、染色质固缩化细胞核的变化衰老动物内质网成分弥散性地分散于核周胞质中，粗面内质网的总量似乎是减少了通常，细胞中线粒体的数量随龄减少，而其体积则随龄增大内质网与线粒体的变化膜系统的变化衰老的细胞，其膜流动性降低、韧性减小衰老细胞间间隙连接;细胞膜内（P面）颗粒的分布也发生变化细胞衰老的形态变化生化改变DNA：复制、转录、修复能力降低，端粒DNA丢失，染色体缺失mRNA：合成能力降低，与核糖体结合能力降低蛋白质：合成速度降低，稳定性降低，功能降低酶：含量降低，活性降低脂类：脂质过氧化反应，引起膜脂之间或与脂蛋白之间交联，膜的流动性降低（一）差错学派差错学派认为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。细胞衰老理论代谢废物积累学说：脂褐质的积累大分子交联学说：DNA交联和胶原交联自由基学说：氧化损伤学说体细胞突变学说：突变积累和功能基因的丧失DNA损伤修复学说自由基攻击细胞的证据（二）遗传学派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。1.细胞有限分裂学说：Hayflick界限2.重复基因失活学说：延迟衰老3.衰老基因学说：衰老基因细胞衰老理论氧化性损伤学说(O2,OH,H2O2)端粒与衰老(mitosisclock)rDNA与衰老沉默信息调节蛋白复合物（Sircomplex）与衰老SGS1基因和WRN基因与衰老发育程序与衰老线粒体DNA与衰老端粒失调引发肿瘤X-raysUVOthersOxidativestressOxidativestressTelomeredysfunctionDNAdamageCheckpointactivationSenescenceorapoptosisAccumulationDuringlifeInactivatingmutationsp19ARFp53StemCellCancerSenescence细胞衰老引起器官老化及老年性疾病腺体萎缩，激素减少，内分泌功能不足免疫细胞减少、功能减弱，易患感染性疾病、肿瘤老年性疾病：高血压、糖尿病、老年性痴呆、帕金森病、骨质疏松、动脉粥样硬化等－－社会老龄化，老年病的防治工作重要性日益突出Werner综合征(WernerSyndromeA)Werner基因最早在1996年发现(Chang-Enetal,1996,Science272:258-262)成人早衰症早老症儿童与正常儿童的