第十三章：细胞衰老和细胞凋亡

第十三章细胞衰老和细胞凋亡主要内容细胞衰老Hayflick界限细胞衰老的特征细胞衰老理论细胞凋亡•细胞凋亡：apoptosis•细胞衰老：cellageing,cellsenescenceorganismproliferationdifferentiationapoptosisSignaltransductionchromosome（DNA与蛋白质的相互作用）aging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比较早老症儿童•2002年诺贝尔生理学或医学奖•英国科学家悉尼·布伦纳（SydneyBrenner）•英国科学家约翰·苏尔斯顿（JohnE.Sulston）•美国科学家罗伯特·霍维茨（H.RobertHorvitz）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）。美国国立卫生研究院（NIH）在1988年底发表的一份题为《什麽是当今科研领域的热门话题？》（“Whatispopularinresearchtoday？”）的调查报告中指出，目前全球研究最热门的是三种疾病：癌症（cancer）心血管病（cardiovasculardiseases）爱滋病和肝炎等传染病五大研究方向：细胞周期调控（cellcyclecontrol）；细胞凋亡（cellapoptosis）；细胞衰老（cellularsenescence）；信号转导（signaltransduction）；DNA的损伤与修复（DNAdamageandrepair）细胞凋亡研究的模式生物CaenorhabditiselegansDrosophilamelanogasterArabidopsisthaliana凋亡的生物学功能(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.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。1、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。细胞凋亡的生物学意义凋亡的生物学意义：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细胞凋亡调节神经细胞的数量3、有利于清除发育不正常的细胞4、有利于清除完成正常使命的衰老细胞，维持器官、组织细胞数目相对平衡细胞凋亡的生物学意义细胞凋亡的原因物理性因子：射线，较温和的温度刺激等化学及生物因子：活性氧基团和分子，钙离子载体，正常生理因子的失调及凋亡因子处理。A、正常细胞B、凋亡细胞:凋亡小体细胞凋亡与细胞坏死的区别凋亡与坏死的区别凋亡坏死细胞凋亡与细胞坏死的主要区别特征细胞凋亡细胞坏死细胞核染色质边缘化核浓缩核凝集断裂核破碎凋亡小体核溶解细胞质浓缩、胞质气泡显著膨胀细胞器结构保留细胞器破坏细胞膜完整破裂DNA电泳阶梯状条带弥散分布条带合成代谢新RNA蛋白质合成合成代谢终止炎症反应无有基因调节由凋亡相关基因调控与基因调控无关发生条件多为生理性只为病理性（←）细胞凋亡的形态学特征细胞凋亡的发生过程，在形态学上可分为三个阶段：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．Marker2.0kbp1.00.50.23.凋亡发生的分子机理早期研究(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.细胞凋亡的检测◆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1:形态学观察2:DNA电泳2.DNA电泳3:ELISA3:ELISA4:DNATUNEL5:Westernblot检测caspase活性6.细胞膜7.流式细胞仪分析线虫体细胞凋亡研究：PCD相关基因15个，分为四组1、与PCD有关的基因，负责PCD控制：ced-3、ced-4和ced-9。2、与PCD过程吞噬作用有关：ced-1、ced-2、ced-5-8和ced-10。3、核酸酶基因（nuc-1）,控制DNA降解，但非PCD所必须。4、影响特异细胞类型PCD的基因：ces-1、ces-2、cgl-1、和her-1.保守性高，在哺乳动物中有相应同源物：Ced-3=ICE,Ced-4=Apaf-1,Ced-9=Bcl-2.哺乳动物:CED3isrelatedtomammalianinterleukin-1ß–convertingenzyme(ICEorcaspase-1)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.Procaspaseactivationbyproteolytic