第十六章細(xì)胞死亡與衰老

1、第十六章 細(xì)胞死亡(swng)與細(xì)胞衰老第一節(jié) 細(xì)胞(xbo)死亡第二節(jié) 細(xì)胞衰老共四十六頁 對(duì)于多細(xì)胞生物，細(xì)胞的死亡是維持整個(gè)生物體的正常生長(zhǎng)發(fā)育及生命活動(dòng)的必要條件，其重要性不亞于細(xì)胞的增殖。 細(xì)胞死亡的方式多種多樣(du zhn du yn)，包括細(xì)胞凋亡（apoptosis）、細(xì)胞壞死（necrosis）和自噬性細(xì)胞死亡（autophagic cell death）。 細(xì)胞衰老（cell ageing，cell senescence）主要指復(fù)制衰老，是體外培養(yǎng)的正常細(xì)胞經(jīng)過有限次數(shù)的分裂后，停止生長(zhǎng)，細(xì)胞形態(tài)和生理代謝活動(dòng)發(fā)生顯著改變的現(xiàn)象。共四十六頁第一節(jié) 細(xì)胞(xbo)死亡程序性

2、細(xì)胞死亡（programmed cell death，PCD）：是指受到嚴(yán)格的基因調(diào)控的程序性的細(xì)胞死亡形式。細(xì)胞死亡往往受到細(xì)胞內(nèi)某種由遺傳機(jī)制決定的“死亡程序”控制，所以被稱為(chn wi)細(xì)胞程序性死亡。動(dòng)物細(xì)胞典型的程序性死亡方式包括凋亡、壞死和自噬性細(xì)胞死亡。 一、細(xì)胞凋亡 二、細(xì)胞壞死 三、自噬性細(xì)胞死亡 四、植物細(xì)胞與酵母細(xì)胞的程序性死亡共四十六頁一、細(xì)胞(xbo)凋亡細(xì)胞凋亡（apoptosis）：是借用古希臘語，意指樹葉或花瓣的凋零脫落;細(xì)胞凋亡是一個(gè)由基因決定(judng)的主動(dòng)的生理性自殺行為，即細(xì)胞接受某些特定信號(hào)刺激后進(jìn)行的正常生理應(yīng)答反應(yīng);細(xì)胞凋亡具有典型的形態(tài)學(xué)

3、和生化特征，凋亡細(xì)胞最后以凋亡小體被吞噬消化。共四十六頁（一）細(xì)胞(xbo)凋亡的特征動(dòng)物細(xì)胞凋亡的過程在形態(tài)學(xué)上可分為3個(gè)階段： 凋亡的起始： 細(xì)胞表面的特化結(jié)構(gòu)如微絨毛消失(xiosh)，細(xì)胞間接觸的消失(xiosh)，但細(xì)胞膜依然完整；線粒體大體完整；核糖體逐漸從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上脫離，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)囊腔膨脹，并逐漸與質(zhì)膜融合；染色質(zhì)固縮，形成新月形帽狀結(jié)構(gòu)等形態(tài)，沿著核膜分布。 凋亡小體的形成： 凋亡小體（apoptotic body）是細(xì)胞凋亡過程中斷裂的大小不等的DNA或染色質(zhì)片段與細(xì)胞其它內(nèi)含物一起被反折的細(xì)胞質(zhì)膜包裹，在細(xì)胞表面產(chǎn)生許多泡狀或芽狀突起，然后逐漸分離，形成的單個(gè)圓形小體。 凋亡小體

4、的被吞噬： 凋亡小體逐漸被鄰近的細(xì)胞識(shí)別并吞噬消化。共四十六頁細(xì)胞凋亡的特征： 最重要(zhngyo)的特征是凋亡過程中細(xì)胞膜保持完整，細(xì)胞內(nèi)含物沒有泄漏到細(xì)胞外，不引發(fā)機(jī)體的炎癥反應(yīng)(這也是細(xì)胞凋亡與壞死的主要區(qū)別)。 另一個(gè)重要特征是染色質(zhì)DNA在核小體間發(fā)生斷裂，形成長(zhǎng)度為200 bp倍數(shù)的大小不等DNA片段。 此外，凋亡通常是生理性變化，而細(xì)胞壞死是病理性變化。 共四十六頁細(xì)胞凋亡(dio wn)的過程及特征細(xì)胞(xbo)皺縮凋亡小體吞噬共四十六頁正常胸腺細(xì)胞(xbo)（左）與凋亡胸腺細(xì)胞（右）比較（注意凋亡小體）共四十六頁（二）細(xì)胞凋亡的檢測(cè)(jin c)方法 形態(tài)學(xué)觀察： DNA電

5、泳： DNA斷裂的原位末端標(biāo)記法（TUNEL法）： 彗星電泳法（comet assay）：彗星電泳法的原理是將單個(gè)細(xì)胞懸浮于瓊脂糖凝膠中，經(jīng)裂解處理后，再進(jìn)行短時(shí)間的電泳，并用熒光染料染色。凋亡細(xì)胞中的DNA降解片段在電泳時(shí)遷移較快，使細(xì)胞核呈現(xiàn)出一種(y zhn)彗星式圖案，而正常細(xì)胞核則保持圓球形。 流式細(xì)胞分析：用流式細(xì)胞儀檢出凋亡的亞二倍體細(xì)胞。 檢測(cè)膜成分變化：共四十六頁凋亡(dio wn)細(xì)胞的染色質(zhì)凝集B：凋亡(dio wn)細(xì)胞核1、形態(tài)學(xué)觀察：染色法、透射和掃描電鏡觀察。A：正常細(xì)胞核共四十六頁 2、DNA電泳：DNA片段就呈現(xiàn)出梯狀條帶（DNA ladder），即凋亡細(xì)胞的

6、DNA由于在核小體間發(fā)生斷裂(dun li)，產(chǎn)生200 bp及其整倍數(shù)的片段，經(jīng)瓊脂糖凝膠電泳呈現(xiàn)出的梯狀條帶。共四十六頁左：正常16體節(jié)期的斑馬魚胚胎在發(fā)育過程中有少量細(xì)胞發(fā)生凋亡(dio wn)；右：突變體的中樞神經(jīng)細(xì)胞發(fā)生大量凋亡。3、DNA斷裂的原位末端標(biāo)記法（TUNEL法）：即末端脫氧核苷酸轉(zhuǎn)移酶介導(dǎo)的dUTP 缺口末端標(biāo)記測(cè)定法，能對(duì)DNA分子中斷裂缺口中的3-OH進(jìn)行(jnxng)原位標(biāo)記。共四十六頁（三）細(xì)胞凋亡的生物學(xué)及醫(yī)學(xué)(yxu)意義細(xì)胞凋亡的意義：細(xì)胞凋亡對(duì)生物體的正常(zhngchng)發(fā)育、自穩(wěn)態(tài)平衡、免疫耐受的形成、腫瘤監(jiān)控以及抵御內(nèi)外各種因素的干擾方面都起著非

7、常關(guān)鍵的作用：如脊椎動(dòng)物的神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育，發(fā)育過程中手和足的成形過程，蝌蚪尾的消失，骨髓和腸的細(xì)胞凋亡。細(xì)胞凋亡的失調(diào)，包括不恰當(dāng)?shù)牡蛲龅募せ罨蛞种埔约斑^度凋亡等，都會(huì)引發(fā)多種疾病。 如：對(duì)凋亡誘導(dǎo)因子敏感性的降低是多種腫瘤細(xì)胞的基本特征。共四十六頁神經(jīng)元細(xì)胞(xbo)凋亡使得神經(jīng)細(xì)胞與靶細(xì)胞的數(shù)量相匹配。共四十六頁細(xì)胞(xbo)凋亡與手和足的成形 共四十六頁蝌蚪(kdu)尾的消失 共四十六頁（四）細(xì)胞(xbo)凋亡的分子機(jī)制誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的因子大致可分為2大類： 物理性因子：包括射線（紫外線，射線等）、較溫和的溫度刺激（如熱激，冷激）等。 化學(xué)及生物因子：包括活性氧基團(tuán)和分子、Ca2+載體、激

8、素、細(xì)胞生長(zhǎng)因子、DNA和蛋白質(zhì)合成的抑制劑、細(xì)胞毒素(d s)和腫瘤壞死因子（TNF）等。共四十六頁細(xì)胞(xbo)凋亡的途徑主要包括2條： Caspase 依賴性細(xì)胞凋亡途徑； 非Caspase依賴性細(xì)胞凋亡途徑。當(dāng)細(xì)胞受到凋亡信號(hào)的刺激時(shí)，這2條途徑一般能夠同時(shí)被激活。細(xì)胞凋亡的途徑包括4個(gè)小階段： 接收凋亡信號(hào) 凋亡相關(guān)分子的活化 凋亡的執(zhí)行 凋亡細(xì)胞的清除Caspases是cysteine aspartic acid specific proteases的縮寫，意指天冬氨酸特異性的半胱氨酸蛋白酶，是一組存在于細(xì)胞質(zhì)中的與細(xì)胞凋亡有關(guān)的結(jié)構(gòu)類似的蛋白(dnbi)酶家族，能選擇性裂解靶蛋白

9、(dnbi)中天冬氨酸（Asp）殘基后的肽鍵，使靶蛋白(dnbi)活化或失活。共四十六頁生存因子通過調(diào)節(jié)Bcl-2家族成員(chngyun)的活性及表達(dá)抑制細(xì)胞凋亡的發(fā)生生死抉擇：細(xì)胞凋亡的調(diào)控。 1、存活(cn hu)信號(hào)； 2、死亡信號(hào)共四十六頁二、細(xì)胞(xbo)壞死細(xì)胞壞死（cell necrosis）：細(xì)胞受到急性意外強(qiáng)力損傷，如極端的物理、化學(xué)因素或嚴(yán)重的病理性刺激而發(fā)生的細(xì)胞死亡形式。細(xì)胞壞死時(shí)，Ca2+升高， ATP水平(shupng)急降，引起一系列變化，如線粒體外膜腫脹而密度增加；細(xì)胞骨架破壞；溶酶體酶釋放；pH下降；核染色質(zhì)呈絮狀， DNA降解；蛋白質(zhì)合成減慢；最后細(xì)胞膜和

10、細(xì)胞器破裂，大量水進(jìn)入細(xì)胞，細(xì)胞內(nèi)含物釋放到胞外，引起周圍區(qū)域的炎癥反應(yīng)。共四十六頁DNA損傷的積累致使PARP被活化，引發(fā)ATP水平急降導(dǎo)致細(xì)胞壞死。實(shí)際上，細(xì)胞壞死也可能是信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)引發(fā)的增殖(zngzh)細(xì)胞發(fā)生的“程序性死亡”。細(xì)胞壞死可能在細(xì)胞的免疫反應(yīng)中發(fā)揮重要作用。 聚腺苷二磷酸核糖合成酶（PARP )是DNA損傷(snshng)的主要感受器。共四十六頁細(xì)胞(xbo)壞死與凋亡的形態(tài)區(qū)別共四十六頁三、自噬性細(xì)胞(xbo)死亡細(xì)胞(xbo)自噬（autophagy）：是細(xì)胞通過溶酶體與大的雙層膜包裹的細(xì)胞自身物質(zhì)融合，從而降解細(xì)胞自身物質(zhì)的過程。 通常，壽命比較短的蛋白質(zhì)（如調(diào)控蛋白

11、）通過泛素-蛋白酶體系統(tǒng)進(jìn)行降解；而壽命比較長(zhǎng)的細(xì)胞結(jié)構(gòu)及蛋白質(zhì)則通過細(xì)胞自噬途徑，由溶酶體進(jìn)行降解。自噬小體（autophagosome）：細(xì)胞自噬的特征是細(xì)胞中出現(xiàn)大的雙層膜包裹的自噬泡，稱為自噬小體。自噬小體與溶酶體融合形成自噬溶酶體而消化（見圖16-10）。共四十六頁細(xì)胞自噬的分子機(jī)制目前還不是很清楚：酵母細(xì)胞中磷脂酰肌醇-3-激酶（PI3K）信號(hào)途徑是了解得比較明確的細(xì)胞自噬途徑（見圖16-11）。細(xì)胞自噬是促使細(xì)胞存活的自我保護(hù)機(jī)制：一是在非常時(shí)期為細(xì)胞生存提供原料或ATP；二是細(xì)胞自噬具有 “ 自我清理”功能。細(xì)胞自噬可能是細(xì)胞凋亡的補(bǔ)充途徑：細(xì)胞依靠降解自身物質(zhì)來產(chǎn)生能量(nn

12、gling)，但最終導(dǎo)致死亡。細(xì)胞自噬不需要吞噬細(xì)胞的協(xié)助就能進(jìn)行自我銷毀，因此能夠在需要大量細(xì)胞死亡的變態(tài)過程中發(fā)揮作用。 共四十六頁細(xì)胞自噬的特征(tzhng)及過程共四十六頁 酵母中細(xì)胞自噬的信號(hào)(xnho)調(diào)控Akt PKB mTor PDK2 參考(cnko)圖9-30共四十六頁四、植物細(xì)胞(xbo)與酵母細(xì)胞(xbo)的程序性死亡（一）植物細(xì)胞(xbo)的程序性死亡（二）酵母細(xì)胞的程序性死亡共四十六頁（一）植物(zhw)細(xì)胞的程序性死亡植物的正常發(fā)育和對(duì)環(huán)境的反應(yīng)都離不開細(xì)胞程序性死亡 在正常的植物發(fā)育進(jìn)程(jnchng)，如導(dǎo)管的分化、通氣組織的形成、糊粉層的退化、絨氈層細(xì)胞的死

13、亡、胚柄的退化、單性植物中花器官的程序性退化等，以及對(duì)環(huán)境脅迫，如缺氧、高鹽等的反應(yīng)和病原體入侵引發(fā)的過敏反應(yīng)中，均存在細(xì)胞程序性死亡過程。植物細(xì)胞程序性死亡的最大特點(diǎn)： 死亡細(xì)胞的殘余物被細(xì)胞壁固定在原位，不是被周圍細(xì)胞吞噬，而是被自身液泡中的水解酶消化。共四十六頁植物細(xì)胞程序性死亡的的形態(tài)學(xué)變化： 在過敏反應(yīng)中，可觀察到染色質(zhì)凝聚，DNA降解為50 kb片段，細(xì)胞膜及液泡膜皺縮破裂，質(zhì)壁分離，末期細(xì)胞內(nèi)含物泄漏到質(zhì)外體； 在管狀細(xì)胞分化的凋亡過程中，細(xì)胞壁增厚，隨著液泡膜的破裂，核DNA被迅速降解，細(xì)胞內(nèi)含物被水解消化，最后僅剩下細(xì)胞壁。能夠誘導(dǎo)植物細(xì)胞發(fā)生程序性死亡的因素有多種： 主要包

14、括活性氧和植物激素等。水楊酸和NO能夠協(xié)同促進(jìn)植物過敏反應(yīng)中的細(xì)胞程序性死亡；赤霉素和乙烯(y x)能夠促進(jìn)細(xì)胞程序性死亡，而細(xì)胞分裂素和脫落酸則能夠抑制。共四十六頁植物細(xì)胞(xbo)程序性死亡的形態(tài)學(xué)模式圖A：在過敏反應(yīng)中 B：在管狀細(xì)胞分化(fnhu)的凋亡過程中共四十六頁（二）酵母(jiom)細(xì)胞的程序性死亡能夠誘導(dǎo)酵母發(fā)生細(xì)胞程序性死亡的因素： 低濃度的H2O2或醋酸，較高濃度的鹽或糖，植物抗真菌多肽等。酵母程序性死亡的形態(tài)學(xué)特征與動(dòng)物細(xì)胞凋亡類似： DNA發(fā)生凝聚(nngj)、邊緣化和斷裂，Cyt.c從線粒體釋放等。酵母細(xì)胞程序性死亡機(jī)制與動(dòng)物細(xì)胞的凋亡機(jī)制有類似之處： 如有casp

15、ases、凋亡激活因子或凋亡抑制因子等的類似物。共四十六頁酵母程序性死亡的意義： 促進(jìn)酵母的接合繁殖（未接合者死），形成更優(yōu)勢(shì)的“雜合體(h t)”； 使有限的營(yíng)養(yǎng)供給具有最佳適應(yīng)性的個(gè)體（“衰老”者死）； 不同種酵母展開營(yíng)養(yǎng)源“爭(zhēng)奪戰(zhàn)”時(shí)釋放毒素，導(dǎo)致其它種屬的酵母發(fā)生程序性死亡。共四十六頁第二節(jié) 細(xì)胞(xbo)衰老一、細(xì)胞衰老的概念與特征二、細(xì)胞衰老的分子機(jī)制(jzh)三、細(xì)胞衰老與個(gè)體衰老的關(guān)系共四十六頁一、細(xì)胞衰老(shuilo)的概念與特征細(xì)胞衰老（cell ageing，cell senescence）：一般含義是復(fù)制衰老（replicative senescence），指正常細(xì)胞

16、經(jīng)過有限次數(shù)的分裂增殖后，停止生長(zhǎng)，細(xì)胞形態(tài)和生理代謝活動(dòng)發(fā)生顯著(xinzh)退化的過程。Hayflick 界限（Hayflick limit）：除了干細(xì)胞和癌細(xì)胞，正常的體外培養(yǎng)的細(xì)胞增殖能力和壽命不是無限的，而只能進(jìn)行有限次數(shù)（約50次）的增殖。1958年Hayflick等人證實(shí)人成纖維細(xì)胞的復(fù)制能力是有限的，首次提出了細(xì)胞水平上的“衰老”現(xiàn)象。共四十六頁對(duì)于體外培養(yǎng)細(xì)胞(xbo)的細(xì)胞(xbo)衰老研究，當(dāng)前常用的生物學(xué)特征有2個(gè)： 不可逆的生長(zhǎng)停滯：細(xì)胞停止分裂； 衰老相關(guān)的-半乳糖苷酶（SA-gal）的活化：衰老細(xì)胞中存在的pH6.0條件下即表現(xiàn)活性的溶酶體-半乳糖苷酶。共四十六頁

17、衰老相關(guān)-半乳糖苷酶染色區(qū)分年輕(ninqng)和衰老的人胚胎成纖維細(xì)胞IMR-90A：第20代的年輕細(xì)胞(xbo) B：第55代的衰老細(xì)胞 共四十六頁衰老細(xì)胞(xbo)的形態(tài)變化結(jié) 構(gòu)形態(tài)變化細(xì)胞核增大、染色深、核內(nèi)有包含物核 膜內(nèi) 陷染色質(zhì)凝聚、固縮、碎裂、溶解質(zhì) 膜粘度增加、流動(dòng)性降低細(xì)胞質(zhì)色素積聚、空泡形成線粒體數(shù)目減少、體積增大高爾基體碎 裂尼氏體消 失包含物糖原減少、脂肪積聚共四十六頁二、細(xì)胞衰老(shuilo)的分子機(jī)制（一）復(fù)制衰老(shuilo)的機(jī)制（二）壓力誘導(dǎo)的早熟性衰老（三）單細(xì)胞生物的衰老共四十六頁（一）復(fù)制(fzh)衰老（RS）的機(jī)制線性染色體的“末端復(fù)制”問題：

18、在DNA復(fù)制時(shí)，由于DNA聚合酶不能從頭合成子鏈，當(dāng)子鏈5端與母鏈3端配對(duì)的RNA引物被切除后，子鏈5端會(huì)產(chǎn)生末端缺失，使得子鏈的5端隨著復(fù)制次數(shù)的增加而逐漸縮短。端粒（telomere）和端粒酶（telomerase）： 端粒是位于染色體末端的由重復(fù)序列組成的“帽子”結(jié)構(gòu)(jigu)，對(duì)染色體結(jié)構(gòu)(jigu)穩(wěn)定和末端復(fù)制等有重要作用。 端粒酶是含有RNA的反轉(zhuǎn)錄酶，能以自身RNA為模板，對(duì)DNA端粒序列進(jìn)行延長(zhǎng)而解決線性染色體末端復(fù)制問題。共四十六頁復(fù)制衰老(shuilo)的信號(hào)途徑復(fù)制衰老的機(jī)制端粒假說：端粒的縮短(sudun)（一種DNA損傷）被p53識(shí)別，然后通過p53-Rb信號(hào)通路

19、導(dǎo)致細(xì)胞衰老；端粒酶（端粒計(jì)數(shù)器）能夠彌補(bǔ)端粒的縮短，導(dǎo)致細(xì)胞的永生化。共四十六頁（二）壓力(yl)誘導(dǎo)的早熟性衰老（SIPS）壓力誘導(dǎo)的早熟性衰老（SIPS）： 除了細(xì)胞內(nèi)端粒縮短可以誘發(fā)復(fù)制衰老以外，許多刺激因素，如離子輻射、過量的氧、乙醇和絲裂霉素C等均能夠縮短細(xì)胞的復(fù)制壽命，促進(jìn)細(xì)胞衰老。SIPS與RS的機(jī)制相似。氧化性損傷學(xué)說： 代謝(dixi)過程中產(chǎn)生的活性氧（ROS）成分（O2-， OH，H2O2），對(duì)核酸、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)造成損傷并使線粒體DNA發(fā)生特異性突變，引發(fā)的氧化性損傷的積累，最終導(dǎo)致衰老。 共四十六頁（三）單細(xì)胞生物(shngw)的衰老酵母的復(fù)制生命周期（RLS）：指酵母母細(xì)胞在衰老前產(chǎn)生子細(xì)胞的數(shù)量。rDNA（rRNA基因）與衰老：酵母的染色體外的環(huán)形rDNA（ERC）的積累（因同