醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)第十二章-細(xì)胞的衰老和死亡課件

1、第十二章 細(xì)胞衰老和死亡Cellular aging and death 2022/10/141Medical cell biology yyswx細(xì)胞的基本生命活動(dòng)之一。大多數(shù)細(xì)胞都要經(jīng)歷增殖、分化、衰老直至死亡的過(guò)程。細(xì)胞衰老：細(xì)胞對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)能力減弱和維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定能力降低,同時(shí)發(fā)生的形態(tài)結(jié)構(gòu)的改變。第一節(jié) 細(xì)胞的衰老aging or senescence一、細(xì)胞的壽命與增殖能力和分化程度密切相關(guān)機(jī)體細(xì)胞分4類（細(xì)胞的壽命的角度）（一）恒久組織細(xì)胞在機(jī)體出生后便永久失去了分裂能力, 但高度分化的專業(yè)工作細(xì)胞。衰老變化的特點(diǎn)是細(xì)胞的數(shù)量減少和細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。主要包括：心肌、骨

2、骼肌、骨、腎上腺髓質(zhì)、腎髓質(zhì)和神經(jīng)細(xì)胞等。光鏡照片顯示人類心肌細(xì)胞（左）、骨骼肌細(xì)胞（中）和骨細(xì)胞（右）（from C.Starr,1998)細(xì)胞壽命較長(zhǎng)，可觀察到衰老變化的現(xiàn)象，是研究細(xì)胞衰老的良好對(duì)象。（二）穩(wěn)定組織細(xì)胞在機(jī)體出生后便停止分裂、但終生保留分裂能力、具有較高分化程度的專業(yè)工作細(xì)胞。主要包括皮膚結(jié)締組織、呼吸道上皮、腎上腺皮質(zhì)、腎皮質(zhì)、唾腺細(xì)胞、胰腺及胰島、胃壁和肝細(xì)胞。這類細(xì)胞在正常情況下沒(méi)有明顯的衰老死亡，但最終也將發(fā)生衰老和死亡。（三）更新組織細(xì)胞有一定壽命的專業(yè)工作細(xì)胞。主要包括皮膚的表皮、角膜、毛囊、口腔黏膜上皮、胃腸道上皮、精原細(xì)胞和造血細(xì)胞。不同組織的更新速度不同

3、,如小腸絨毛上皮的生命周期為25天,表皮細(xì)胞約12月。這類細(xì)胞壽命短，因而不發(fā)生衰老變化。光鏡照片顯示人類皮膚（from C.Starr,1998)（五）體外培養(yǎng)細(xì)胞的壽命1、Hayflik界限體外培養(yǎng)的細(xì)胞也有一定的壽命。1961年，Hayflick和Moorhead實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)的人二倍體細(xì)胞表現(xiàn)出明顯的衰老、退化和死亡的過(guò)程。 將細(xì)胞數(shù)以1：2的比率連續(xù)進(jìn)行傳代，則平均只能傳代40-60次，此后細(xì)胞就逐漸解體并死亡。 細(xì)胞，至少是培養(yǎng)的細(xì)胞，不是不死的，而是有一定的壽命；它們的增殖能力不是無(wú)限的，而是有一定的界限 “Hayflick界限”。生命越長(zhǎng)壽，細(xì)胞傳代的次數(shù)越多 不同種屬的平均壽命及

4、其成纖維細(xì)胞的分裂代數(shù)種類平均壽命（年）培養(yǎng)細(xì)胞分裂代數(shù)海龜17590125 人1104060雞301535小鼠3.51428體外培養(yǎng)細(xì)胞的增殖傳代的能力也可反映出該種屬細(xì)胞在體內(nèi)的衰老狀況。 供者年齡群體分裂代數(shù)人胚胎4060出生后至15歲204015歲以上1030早老癥患者210不同年齡人成纖維細(xì)胞分裂代數(shù)的比較Wright和Hayflik實(shí)驗(yàn) 年輕的細(xì)胞質(zhì)體與年老的完整細(xì)胞融合時(shí)，得到的雜種細(xì)胞不能分裂；而年老的細(xì)胞質(zhì)體與年輕的完整細(xì)胞融合時(shí)，雜種細(xì)胞的分裂能力與年輕細(xì)胞幾乎相同。結(jié)果說(shuō)明:是細(xì)胞核而不是細(xì)胞質(zhì)決定了細(xì)胞衰老的表現(xiàn)。 二、細(xì)胞衰老的特征 1細(xì)胞內(nèi)水分減少，致使細(xì)胞脫水收縮

5、，體積變小。2細(xì)胞色素顆粒沉積增多 ，如脂褐素也稱老年色素，在光鏡下呈黃褐色的圓形或橢圓形顆粒。脂褐素在胞漿中沉積隨老年化過(guò)程而增加，如肝細(xì)胞、肌細(xì)胞和神經(jīng)細(xì)胞中的積聚更為明顯。細(xì)胞衰老的特征3細(xì)胞器的衰老變化：（1）細(xì)胞膜的流動(dòng)性降低：衰老的細(xì)胞膜發(fā)生脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng)，流動(dòng)性明顯減弱，因而細(xì)胞的興奮性降低。（2）線粒體的數(shù)量隨著年齡的增大而減少，而其體積則隨著年齡的增大而增大。（3）高爾基復(fù)合體的分泌功能與囊泡運(yùn)輸功能下降；溶酶體酶活性降低；內(nèi)質(zhì)網(wǎng)數(shù)量減少。（4）細(xì)胞核的變化：染色質(zhì)固化，核膜內(nèi)折。細(xì)胞衰老的特征4化學(xué)組成與生化反應(yīng)的改變 (1)蛋白質(zhì)合成的速度下降；(2)細(xì)胞內(nèi)酶的活性與含量

6、改變：老年神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)單氨氧化酶升高、SOD 下降，硫胺素焦磷酸酶的活性減弱。三、細(xì)胞衰老的機(jī)制關(guān)于細(xì)胞衰老的機(jī)制，曾先后提出過(guò)多種學(xué)說(shuō)，但至今尚無(wú)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，細(xì)胞衰老是由體內(nèi)多種因素引起的，人類的衰老還受到社會(huì)和環(huán)境等因素的影響,使得衰老機(jī)制更加復(fù)雜。細(xì)胞衰老的機(jī)制1自由基理論 自由基是在外層軌道上具有不成對(duì)電子的分子或原子基團(tuán)，與其他物質(zhì)反應(yīng)奪取電子，引起一些極重要的生物分子失活，導(dǎo)致對(duì)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生有害的生物學(xué)效應(yīng)。 機(jī)體清除自由基的能力隨齡的增加而下降，導(dǎo)致衰老。 遺傳基因的變異對(duì)衰老的發(fā)生影響極大，例如人類常染色體隱性遺傳病早老癥8歲的早老癥患者端粒與衰老近年來(lái)，

7、提出端粒 DNA序列的縮短可能是細(xì)胞衰老的重要原因，人體細(xì)胞端粒長(zhǎng)度隨年齡增加而縮短。發(fā)現(xiàn)端粒長(zhǎng)度、端粒酶活性與衰老有著密切的關(guān)系，提出細(xì)胞衰老的“端粒鐘”或“有絲分裂鐘”學(xué)說(shuō)第二節(jié) 細(xì)胞凋亡死亡是生命的普遍現(xiàn)象，但細(xì)胞死亡并非與機(jī)體死亡同步。正常的組織中，經(jīng)常發(fā)生“正常”的細(xì)胞死亡，它是維持組織機(jī)能和形態(tài)所必需的。細(xì)胞死亡的標(biāo)志 判斷細(xì)胞是否死亡，常用細(xì)胞活體染色方法進(jìn)行鑒別，由于細(xì)胞死亡時(shí)，細(xì)胞膜通透性發(fā)生改變，喪失原有功能及增殖能力，可被臺(tái)盼藍(lán)染成藍(lán)色。一、細(xì)胞死亡的方式細(xì)胞壞死 necrosis細(xì)胞凋亡 cell apoptosis 也稱細(xì)胞程序性死亡 （programmed cell

8、 death）（一）細(xì)胞壞死（necrosis）：是由于某些外界因素，如局部缺血、物理、化學(xué)和生物因子的作用而產(chǎn)生的急性損傷所致，故稱為病理性死亡。 被動(dòng) （一）細(xì)胞壞死 necrosis特征 細(xì)胞壞死誘導(dǎo)因素 強(qiáng)烈刺激受累范圍 成群細(xì)胞死亡膜完整性 早期即喪失細(xì)胞體積 增大腫脹染色質(zhì) 稀疏成網(wǎng)狀細(xì)胞器 腫張破壞溶酶體 破壞外溢細(xì)胞形狀 破裂成碎片基因組DNA 隨機(jī)降解大分子合成 不需要基因調(diào)控 無(wú)后果 引起炎癥反應(yīng)意義 病理死亡方式細(xì)胞壞死 necrosis細(xì)胞凋亡是一個(gè)主動(dòng)的由基因決定的自動(dòng)結(jié)束生命的過(guò)程 。 主動(dòng)程序性細(xì)胞死亡（programmed cell death，PCD） 是多細(xì)

9、胞生物為調(diào)控機(jī)體發(fā)育、維護(hù)內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定，由基因控制的細(xì)胞主動(dòng)死亡過(guò)程 （二）細(xì)胞凋亡（ cell apoptosis ）1、研究歷史1.凋亡概念的形成和形態(tài)學(xué)的研究(1972） 1972年Kerr等在英國(guó)癌癥雜志發(fā)表論文，首次提出細(xì)胞凋亡(apotosis)的概念。宣告了對(duì)細(xì)胞凋亡的真正探索的開(kāi)始。2DNA的降解和內(nèi)源性核酸內(nèi)切酶的參與。(1987）3. 蛋白質(zhì)水解酶活化的研究(1995)4.細(xì)胞膜的變化(1997)5.線粒體的變化和分子生物學(xué)的研究(1998-)1) 相關(guān)基因及調(diào)控2）信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)3）各種分子及其相互作用及相互關(guān)系4）疾病機(jī)制的闡明，以及新療法的探索及問(wèn)世。2002年10月7日英國(guó)

10、人悉尼布雷諾爾、美國(guó)人羅伯特霍維茨和英國(guó)人約翰蘇爾斯頓，因在器官發(fā)育的遺傳調(diào)控和細(xì)胞程序性死亡方面的研究獲諾貝爾諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。 2002年諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者（圖片來(lái)自http:/www.nobel.se/） 2、細(xì)胞凋亡過(guò)程2022/10/1437Medical cell biology yyswx2、細(xì)胞凋亡的過(guò)程細(xì)胞連接消失，微絨毛消失；細(xì)胞質(zhì)密度增加，核質(zhì)濃縮成一個(gè)或幾個(gè)大的團(tuán)塊，細(xì)胞核進(jìn)而裂解為碎塊，形成凋亡小體，凋亡小體很快被單核巨噬細(xì)胞吞噬。凋亡的起始細(xì)胞質(zhì)密度增加凋亡小體的形成凋亡小體逐漸被吞噬細(xì)胞吞噬3、凋亡的特征特征 細(xì)胞凋亡 誘導(dǎo)因素 生理及弱刺激 受累范圍 單

11、個(gè)細(xì)胞丟失 膜完整性 保持到晚期 細(xì)胞體積 減少、固縮 染色質(zhì) 凝聚成半月形 細(xì)胞器 無(wú)明顯變化 溶酶體 保持完整 細(xì)胞形狀 形成凋亡小體 基因組DNA 有控降解 大分子合成 一般需要 基因調(diào)控 有 后果 不引起炎癥反應(yīng) 意義 生理死亡方式 apoptosis壞死細(xì)胞凋亡細(xì)胞4、細(xì)胞凋亡與細(xì)胞壞死的區(qū)別特征細(xì)胞凋亡細(xì)胞壞死誘導(dǎo)因素生理及弱刺激強(qiáng)烈刺激細(xì)胞數(shù)量單個(gè)細(xì)胞丟失成群細(xì)胞死亡膜完整性保持到晚期早期即喪失染色質(zhì)凝聚呈半月?tīng)钕∈璩示W(wǎng)狀細(xì)胞核早期固縮斷裂晚期破裂細(xì)胞器無(wú)明顯變化腫脹、破裂細(xì)胞內(nèi)容物無(wú)釋放釋放細(xì)胞形狀形成凋亡小體破裂成碎片基因組DNA有控降解隨機(jī)降解大分子合成一般需要不需要基因調(diào)

12、控有無(wú)后果不引起炎癥反應(yīng)引起炎癥反應(yīng)意義生理死亡方式病理死亡方式 細(xì)胞壞死與凋亡的形態(tài)區(qū)別 二、細(xì)胞凋亡形態(tài)學(xué)改變及生化特征細(xì)胞調(diào)亡有許多特定的形態(tài)學(xué)和生化特征 主要： （1）調(diào)亡小體（apoptotic body）（2） DNA片段化（fragmentation） （1）凋亡小體電鏡觀察凋亡細(xì)胞體積變小，細(xì)胞質(zhì)濃縮。凋亡期的細(xì)胞核內(nèi)染色質(zhì)高度盤(pán)繞，出現(xiàn)許多稱為氣穴現(xiàn)象的空泡結(jié)構(gòu)。細(xì)胞凋亡的晚期，細(xì)胞核裂解為碎塊，產(chǎn)生凋亡小體。 Nuclear morphological changes of HeLa cells in apoptosis process（488nm 400）圖15-8 左，

13、正常胸腺細(xì)胞；右，凋亡胸腺細(xì)胞（注意凋亡小體） （2）DNA片段化（fragmentation）由核酸內(nèi)切酶將核小體間的連接DNA降解 形成長(zhǎng)度為180200bp整倍數(shù)的寡聚核苷酸片段 在瓊脂糖凝膠電泳中呈特征性的“梯狀”條帶（ladder）1細(xì)胞色素c誘導(dǎo)0 h 2細(xì)胞色素c誘導(dǎo)1 h 3細(xì)胞色素c誘導(dǎo)2 h 4細(xì)胞色素c誘導(dǎo)3 h 5細(xì)胞色素c誘導(dǎo)4 h 6陰性對(duì)照 7Marker 細(xì)胞色素c誘導(dǎo)的凋亡細(xì)胞DNA電泳圖三、細(xì)胞凋亡的生物學(xué)意義和作用 1、在發(fā)育中，幼體器官的縮小和退化 如蝌蚪尾巴的消失 神經(jīng)細(xì)胞數(shù)量的調(diào)節(jié)（約50凋亡，使神經(jīng)細(xì)胞數(shù)量與需要神經(jīng)支配的靶細(xì)胞數(shù)量相適應(yīng)） 官腔結(jié)構(gòu)形成，指（趾）、視網(wǎng)膜的發(fā)育等 2、成熟個(gè)體中，組織細(xì)胞的自然更新 如骨髓和腸中，每小時(shí)約有10億個(gè)細(xì)胞凋亡3.清除多余的、發(fā)育不正常的細(xì)胞（如大腦中沒(méi)有正確連接的神經(jīng)元） 4.清除對(duì)機(jī)體有害的細(xì)胞（如對(duì)自身抗原起反應(yīng)的胸腺T細(xì)胞） 5.清除受損的、有癌前病變或受病毒等感染的細(xì)胞 四、細(xì)胞凋亡的調(diào)控基因 （一）ced基因家族 線蟲(chóng)（caenorhabditis elegans，CE） 稱細(xì)胞死亡變異基因（cell death abnormal，ced）