細(xì)胞衰老與細(xì)胞死亡

CellAging&Death細(xì)胞衰亡

2002年10月7日英國人悉尼·布雷諾爾、美國人羅伯特·霍維茨和英國人約翰·蘇爾斯頓，因在細(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。SydnyBrennerH.RobertHorvitzJohnE.Sulston

細(xì)胞衰老的概念細(xì)胞衰老的特征細(xì)胞衰老的機制細(xì)胞衰老細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡細(xì)胞衰老細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡細(xì)胞衰老細(xì)胞衰老（CellSenescence）細(xì)胞衰老(cellularaging)是細(xì)胞在其生命過程中發(fā)育到成熟后，隨著時間的增加所發(fā)生的在形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理功能方面出現(xiàn)的一系列慢性、進行性、退化性的變化。BA培養(yǎng)細(xì)胞的衰老現(xiàn)象衰老細(xì)胞(A)，正常細(xì)胞(B)細(xì)胞衰老與機體衰老——細(xì)胞分化異類對多細(xì)胞生命機體而言，細(xì)胞衰老和機體衰老是兩個不同的概念，機體衰老并不意味著所有細(xì)胞衰老，因為在機體發(fā)育的不同階段，機體內(nèi)總是有細(xì)胞在不斷衰老與死亡。細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡細(xì)胞衰老Hayflick界限——細(xì)胞分化異類Hayflick和Moorhead的細(xì)胞培養(yǎng)實驗；正常細(xì)胞具有一定壽命；細(xì)胞壽命具有種屬及組織細(xì)胞特異性；細(xì)胞壽命與來源組織年齡有關(guān)。細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡細(xì)胞衰老體外培養(yǎng)細(xì)胞的壽命成年小鼠各類細(xì)胞的壽命接近或等于動物自身的壽命緩慢更新(>30天)的細(xì)胞快速更新(<30天)的細(xì)胞神經(jīng)元呼吸道上皮唾液腺上皮皮膚表皮細(xì)胞胃酶原細(xì)胞腎上腺皮質(zhì)細(xì)胞腎皮質(zhì)細(xì)胞角膜上皮細(xì)胞脂肪細(xì)胞、肌細(xì)胞胰腺泡細(xì)胞、胰島細(xì)胞口腔上皮細(xì)胞胃腸道上皮細(xì)胞腎上腺髓質(zhì)細(xì)胞肝細(xì)胞、胃壁細(xì)胞紅細(xì)胞白細(xì)胞骨細(xì)胞、腎髓質(zhì)細(xì)胞皮膚結(jié)締組織細(xì)胞細(xì)胞衰老的概念細(xì)胞衰老的特征細(xì)胞衰老的機制細(xì)胞衰老細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡細(xì)胞衰老大約4～8百萬新生兒中有1例患有嬰幼兒早老癥(Hutchinson-Gilfordsyndrome,HGS)，他們出生時似乎健康，但是大概在18～24個月時就會表現(xiàn)出加速老化的癥狀，包括生長發(fā)育障礙、機體脂肪和頭發(fā)減少、老化樣的皮膚、關(guān)節(jié)僵硬、髖關(guān)節(jié)脫位，所有孩子平均在13歲的時候就會死于心臟病或者是中風(fēng)。2003年美國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)嬰幼兒早老癥是由于核纖層蛋白A(LaminA)基因突變造成的，核纖層蛋白A突變會使DNA受損修復(fù)系統(tǒng)喪失功能，導(dǎo)致早衰現(xiàn)象。嬰幼兒早老癥成人早老癥(Wernersyndrome)成人早老癥(progeriaofadult)又名Werner綜合征(Wernersyndrome，WS)，是一種罕見的常染色體隱性遺傳性疾病，以特征性的鳥形、面具形臉，身材矮小，幼年即出現(xiàn)早老特征，硬皮病樣皮膚損害和內(nèi)分泌代謝異常為特點。細(xì)胞衰老的特征形態(tài)結(jié)構(gòu)改變生化特征改變細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡細(xì)胞衰老形態(tài)特征改變細(xì)胞核固縮,核膜內(nèi)折,端粒縮短;內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體減少,線粒體腫脹;細(xì)胞內(nèi)色素或臘樣物質(zhì)沉積;膜系統(tǒng)常常處于凝膠相或固相狀態(tài)，膜流動性降低；胞間連接減少，代謝協(xié)作減弱；細(xì)胞表面微絨毛增加，流動性和通透性減小；細(xì)胞內(nèi)水分減少，細(xì)胞皺縮。細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡細(xì)胞衰老生化特征改變細(xì)胞脫水收縮，滲透壓升高，細(xì)胞硬度增大；氨基酸和蛋白質(zhì)合成效率降低；細(xì)胞增殖能力減弱，集落形成率降低；某些關(guān)鍵酶的含量和活性降低；蛋白和基因化學(xué)修飾顯著。細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡細(xì)胞衰老細(xì)胞衰老的概念細(xì)胞衰老的特征細(xì)胞衰老的機制細(xì)胞衰老細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡細(xì)胞衰老細(xì)胞衰老的機制遺傳決定學(xué)說自由基學(xué)說端粒鐘學(xué)說代謝廢物累積學(xué)說基因轉(zhuǎn)錄翻譯差錯學(xué)說其他……細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡細(xì)胞衰老細(xì)胞死亡的方式細(xì)胞死亡的檢測細(xì)胞凋亡的調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡的意義細(xì)胞凋亡細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡細(xì)胞死亡的方式細(xì)胞死亡的檢測細(xì)胞凋亡的調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡的意義細(xì)胞凋亡細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡細(xì)胞壞死細(xì)胞凋亡細(xì)胞死亡的形式細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡細(xì)胞壞死（Necrosis）細(xì)胞壞死(necrosis)是指細(xì)胞在受到強烈刺激，如機械損傷、毒性物質(zhì)的毒害、極端溫度或酸堿度所導(dǎo)致的細(xì)胞死亡過程。細(xì)胞壞死時，細(xì)胞膜和核膜破裂，細(xì)胞內(nèi)成分溢出，影響到鄰近周圍細(xì)胞，并引發(fā)炎癥反應(yīng)。兩個特點被動死亡—他殺炎癥反應(yīng)細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡（apoptosis）細(xì)胞凋亡(apoptosis)是在特定信號誘導(dǎo)下，細(xì)胞內(nèi)的死亡級聯(lián)反應(yīng)被觸發(fā)所致的生理或病理性、主動性的死亡過程。其主要特征是細(xì)胞質(zhì)濃縮、細(xì)胞膜形成泡狀結(jié)構(gòu)，變皺、染色質(zhì)DNA被降解為220bp或其整倍數(shù)的片段、并形成由膜結(jié)構(gòu)包被的凋亡小體，同時細(xì)胞內(nèi)RNA和蛋白質(zhì)的合成增加，凋亡的細(xì)胞隨后被周圍的正常細(xì)胞所吞噬，沒有任何炎癥和壞死現(xiàn)象發(fā)生。兩個特點主動死亡—自殺無炎癥反應(yīng)細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡細(xì)胞壞死vs細(xì)胞凋亡項目細(xì)胞凋亡細(xì)胞壞死誘導(dǎo)因素多種生理或病理因素強烈的刺激因素能量需求ATP依賴性ATP非依賴性細(xì)胞形態(tài)皺縮，相鄰細(xì)胞連接喪失腫脹細(xì)胞膜始終保持良好完整性破裂細(xì)胞器形態(tài)改變輕，結(jié)構(gòu)完整腫脹、破裂，結(jié)構(gòu)崩解細(xì)胞核固縮、斷裂，并為質(zhì)膜分塊包裹固縮，核膜破裂、分解凋亡小體一個或多個無DNA核小體間DNA斷裂，有規(guī)律降解隨機降解分子機制由相關(guān)凋亡基因調(diào)節(jié)無基因調(diào)節(jié)代謝反應(yīng)蛋白酶參與的級聯(lián)反應(yīng)無秩序的代謝反應(yīng)組織反應(yīng)無炎癥性反應(yīng)引起炎癥反應(yīng)對機體影響個體正常存活、發(fā)育的需要有損傷、破壞作用壞死細(xì)胞(A)和凋亡細(xì)胞(B)細(xì)胞壞死vs細(xì)胞凋亡程序性細(xì)胞死亡（programmedcelldeath,PCD）是在一定時間內(nèi)，細(xì)胞按一定的程序發(fā)生死亡，細(xì)胞死亡具有嚴(yán)格的基因時控性和選擇性。

PCD的最終結(jié)果是細(xì)胞凋亡，但細(xì)胞凋亡并非都是程序化的。細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡的特征細(xì)胞形態(tài)學(xué)特征細(xì)胞生物化學(xué)特征細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡形態(tài)學(xué)特征染色質(zhì)DNA斷裂成片段、邊緣化，胞核形成新月小體；細(xì)胞質(zhì)濃縮，膜性細(xì)胞器膨大；細(xì)胞連接喪失，表面微絨毛消失；形成凋亡小體。細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡胸腺細(xì)胞的掃描電鏡觀察正常細(xì)胞vs凋亡細(xì)胞細(xì)胞凋亡過程播放動畫細(xì)胞凋亡過程大體可分為四個階段：（1）凋亡信號轉(zhuǎn)導(dǎo)：啟動信號Ca2+、cAMP、神經(jīng)酰胺等；（2）凋亡基因激活：表達酶類和其他物質(zhì)；(3)細(xì)胞凋亡的執(zhí)行：核酸內(nèi)切酶(DNase)和Caspases；（4）凋亡細(xì)胞的清除：被臨近的巨噬細(xì)胞或其他細(xì)胞吞噬分解。細(xì)胞凋亡生物化學(xué)特征特異性核酸內(nèi)切酶活化，染色質(zhì)DNA被降解，電泳后形成梯帶狀(DNAladder)；凋亡過程中蛋白酶如caspase等進行蛋白酶級聯(lián)切割；Ca2+濃度快速升高，pH發(fā)生變化；多種RNA和蛋白質(zhì)合成；線粒體發(fā)生系列顯著變化。細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡時DNA的特征性降解失巢凋亡——特殊的細(xì)胞程序性死亡因細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)和其他細(xì)胞脫離接觸而誘發(fā)；正常上皮細(xì)胞或不具轉(zhuǎn)移性的實體瘤細(xì)胞從原位脫落進入血流引發(fā)；意義在于防止脫落細(xì)胞種植并生長于其他不適宜的地方；轉(zhuǎn)移的惡性腫瘤細(xì)胞具極強的抗失巢凋亡特性。細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡非凋亡性細(xì)胞程序性死亡——無典型細(xì)胞凋亡特征卵巢黃體細(xì)胞卵巢卵泡閉鎖煙草幼蠅蛾幼蟲體節(jié)肌細(xì)胞秀麗隱桿線蟲雄性個體連接細(xì)胞細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡細(xì)胞死亡的方式細(xì)胞死亡的檢測細(xì)胞凋亡的調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡的意義細(xì)胞凋亡細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡鑒定細(xì)胞死亡最直接、最快捷的方法是活性染色法。常用的有臺盤藍和中性紅。因細(xì)胞死亡后，膜結(jié)構(gòu)變化，只有死細(xì)胞才能被臺盤藍染色，活細(xì)胞不被染色。應(yīng)用中性紅染色時，活細(xì)胞染色而死細(xì)胞無色，借以鑒別細(xì)胞。離體細(xì)胞的活性染料拒染觀察卵巢皮質(zhì)薄片經(jīng)膠原酶消化后分離卵泡，后者經(jīng)cal-AM/EH-I染色后置倒置熒光顯微鏡下觀察，結(jié)果顯示健康卵泡為綠色(B)，基本健康卵泡為紅綠相間(C,存活卵母細(xì)胞為綠色，部分死亡顆粒細(xì)胞顯示紅色)，死亡卵泡整體呈現(xiàn)紅色(D)，圖E中箭頭顯示一死亡卵泡。fromMartinez-Madrid,etal,2004膠原酶分離卵巢卵泡的活性檢測細(xì)胞死亡的方式細(xì)胞死亡的檢測細(xì)胞凋亡的調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡的意義細(xì)胞凋亡細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡細(xì)胞死亡的調(diào)節(jié)——細(xì)胞凋亡的調(diào)節(jié)秀麗廣桿線蟲哺乳動物細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡的調(diào)節(jié)——秀麗廣桿線蟲凋亡決定基因吞噬相關(guān)基因核酸酶基因細(xì)胞類型基因細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡的調(diào)節(jié)——秀麗廣桿線蟲凋亡決定基因——生存還是死亡促凋亡基因：ced-3、ced-4；抗凋亡基因：ced-9；上游基因(ced-9)，下游基因(ced-3、ced-4)；ced-3可獨立發(fā)揮作用，ced-4在胚胎發(fā)生時表達，依賴于ced-3。細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡吞噬相關(guān)基因——清除凋亡小體凋亡細(xì)胞的吞噬和清除；種類：ced-1/2/5/6/7/8/10。細(xì)胞凋亡的調(diào)節(jié)——秀麗廣桿線蟲細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡核酸酶基因——DNA粉碎機nuc-1基因(編碼Ca2+/Mg2+依賴性核酸內(nèi)切酶)；控制對染色質(zhì)DNA隨機降解。細(xì)胞凋亡的調(diào)節(jié)——秀麗廣桿線蟲細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡細(xì)胞類型基因——天使的選擇ces-1/ces-2：線蟲細(xì)胞存活調(diào)控基因；eg1-1/her-1：調(diào)節(jié)神經(jīng)元和生殖系統(tǒng)體細(xì)胞的凋亡。細(xì)胞凋亡的調(diào)節(jié)——秀麗廣桿線蟲細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡的調(diào)節(jié)——哺乳動物Bcl-2家族ICE/Caspase家族細(xì)胞凋亡蛋白酶激活因子其他與細(xì)胞凋亡有關(guān)的基因細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡的調(diào)節(jié)——哺乳動物最初是在B細(xì)胞淋巴瘤/白血病-2(B-celllymphoma/Leukemia-2，bcl-2)中發(fā)現(xiàn)；Bcl-2蛋白存在于多種細(xì)胞內(nèi)膜上，但主要定位于線粒體外膜；多個成員，具有共同的Bcl-2同源結(jié)構(gòu)域(BH)，通常還有一C-端跨膜結(jié)構(gòu)域；Bcl-2家族根據(jù)結(jié)構(gòu)和功能分為兩類：抗凋亡的如Bcl-2、Bcl-xl、Bcl-w和Mcl-1等；促凋亡的如Bcl-xs、Bax、Bak、Bad、Bid以及Bim等。Bcl-2基因家族——與線蟲Ced-9同源細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡Bcl-2家族成員及功能

Bcl-2蛋白存在于線粒體膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜以及外核膜上，但主要定位于線粒體外膜，它拮抗促凋亡蛋白的功能。大多數(shù)促凋亡蛋白定位于細(xì)胞質(zhì)，一旦細(xì)胞受到凋亡因子的誘導(dǎo)，它們可以向線粒體轉(zhuǎn)位，通過寡聚化在線粒體外膜形成跨膜通道，或者開啟線粒體內(nèi)膜通道，導(dǎo)致線粒體中cytc釋放，激活切冬酶，導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。胞質(zhì)中的促凋亡蛋白可通過不同的方式激活，包括去磷酸化，如Bad；被caspase加工為活性分子，如Bid；從結(jié)合蛋白上釋放出來，如Bim是與微管蛋白結(jié)合在一起的。細(xì)胞凋亡的調(diào)節(jié)——哺乳動物一種半胱氨酸特異的天冬氨酸水解酶(cysteine

aspartate-specificprotease)；同一基因編碼，前體被切割后產(chǎn)生兩個大小兩亞基，形成異四聚體；分為兩類(ICE/CED)、三種(ICE/凋亡啟動者/凋亡執(zhí)行者)；細(xì)胞中存在caspase抑制因子(IAPs)家族通過BIR結(jié)構(gòu)域能與caspase結(jié)合，并抑制其活性。ICE/Caspase家族——與線蟲Ced-3同源細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡ICE/Caspase家族成員及功能白介轉(zhuǎn)化酶(炎癥反應(yīng))凋亡啟動者(凋亡啟動)凋亡執(zhí)行者(凋亡執(zhí)行)細(xì)胞凋亡的調(diào)節(jié)——哺乳動物與ced-4同源的細(xì)胞凋亡蛋白酶激活因子(apoptoticproteaseactivatingfactor,Apaf)；具有多個成員，包括Apaf-1、Apaf-2(細(xì)胞色素c)和Apaf-3(caspase-9)；含有3個不同結(jié)構(gòu)域：caspase募集結(jié)構(gòu)域(caspaserecruitmentdomain,CARD)，能夠募集caspase-9(Apaf-3)。ced-4同源結(jié)構(gòu)域，能結(jié)合ATP/dATP。C-端結(jié)構(gòu)域，能與Apaf-2(cytc)結(jié)合。細(xì)胞凋亡蛋白酶激活因子——與線蟲Ced-4同源細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡的調(diào)節(jié)——哺乳動物其他細(xì)胞凋亡相關(guān)基因p53ATMc-mycc-ablC-kitAPO-1/CD95細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡的調(diào)節(jié)——哺乳動物其他細(xì)胞凋亡相關(guān)基因——p53抗癌基因，充當(dāng)“分子警察”的功能，主要在DNA的完整性；如細(xì)胞DNA有損傷，則抑制細(xì)胞增殖，直到DNA修復(fù)完成；如果細(xì)胞DNA損傷不能被修復(fù)，則誘導(dǎo)其調(diào)亡。細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡p53在細(xì)胞分裂過程中染色質(zhì)DNA損傷檢測中的作用細(xì)胞凋亡的調(diào)節(jié)——哺乳動物其他細(xì)胞凋亡相關(guān)基因——ATMATM最早發(fā)現(xiàn)于毛細(xì)血管擴張性共濟失調(diào)癥患者，是與DNA損傷檢驗有關(guān)的一個重要基因；人類中大約有1%的人是ATM缺失的雜合子，表現(xiàn)出對電離輻射敏感和易患癌癥。細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡的調(diào)節(jié)——哺乳動物其他細(xì)胞凋亡相關(guān)基因——c-myc雙刃基因：既能促進細(xì)胞增殖，也能使細(xì)胞發(fā)生凋亡;離體體系中存在足夠的生長因子時，細(xì)胞增殖、分裂;生長因子含量不足，細(xì)胞凋亡。細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡的調(diào)節(jié)——哺乳動物其他細(xì)胞凋亡相關(guān)基因——c-abl慢性髓性粒細(xì)胞性白血病(CML)的標(biāo)記染色體—費城染色體(Ph)；C-abl基因位于9號染色體上，轉(zhuǎn)位到22號染色體染色體斷裂簇集區(qū)(bcr)，形成bcr-abl融合蛋白；c-abl－bcr融合蛋白具有較高的酪氨酸蛋白激酶活性，促進骨髓細(xì)胞增殖，抑制細(xì)胞凋亡。細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡的調(diào)節(jié)——哺乳動物其他細(xì)胞凋亡相關(guān)基因——c-kit編碼干細(xì)胞生長因子受體；編碼產(chǎn)物具有受體酪氨酸蛋白激酶活性；細(xì)胞生存基因，促進細(xì)胞存活、增殖。細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡的調(diào)節(jié)——哺乳動物其他細(xì)胞凋亡相關(guān)基因——APO-1/CD95APO-1/CD95亦稱Fas，屬TNF受體家族。Fas蛋白為分子量為45kd的跨膜蛋白，主要分布于胸腺細(xì)胞、激活的T和B淋巴細(xì)胞以及巨噬細(xì)胞等。Fas蛋白與Fas配體結(jié)合后，會激活caspase，導(dǎo)致靶細(xì)胞走向凋亡。細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)