細胞的衰老與死亡

細胞的衰老與死亡細胞衰老（cellaging，cellsenescence）細胞衰老－－隨時間推移，細胞增殖能力和生理功能下降的變化過程。（形態(tài)明顯變化，膜通透性脆性增加，細胞器功能下降，遺傳物質損傷增加等。）個體衰老建立在細胞總體衰老的基礎上，各種衰老表現均有其細胞生物學基礎。2正常細胞體外壽命有限

利用來自胚胎和成體的成纖維細胞進行體外培養(yǎng)后發(fā)現：胚胎的成纖維細胞分裂傳代50次后開始衰退和死亡，成年組織的成纖維細胞培養(yǎng)15～30代就開始死亡。

Hayflick界限（Hayflicklimitation)：體外培養(yǎng)的二倍體細胞的增殖能力和壽命是有一定限度的組成人體組織的細胞壽命有顯著差異，保持繼續(xù)分裂能力的細胞不易衰老。3體外培養(yǎng)的二倍體細胞分裂次數與供體年齡之間呈反比關系。不同物種的細胞最大分裂次數與動物平均壽命成正比關系。?？捎门咛コ衫w維細胞體外培養(yǎng)的群體倍增次數估計個體的壽命。4Werner綜合癥和早老癥患者的細胞傳代次數大大少于常人5體內細胞增殖能力與分化相關高度分化，沒有增殖能力（細胞壽命短/長）已分化，暫不增殖未分化，干細胞始終保持增殖能力。6主要表現在對外界環(huán)境變化的適應能力降低和維持細胞內穩(wěn)態(tài)的能力的降低，相應的也就出現了形態(tài)結構與生化功能上的改變。細胞衰老的表現7由于水分丟失使得體積縮小，細胞“硬化”并失去正常形態(tài)。色素沉積（溶酶體清除功能下降）。膜系統(tǒng)脂成分改變，流動性降低，物質合成運輸與信號轉導發(fā)生障礙，機械抗性降低。線粒體數目減少，體積增大，骨架蛋白參與的物質運輸與信號轉導活動減少。8核膜內陷，核/染色質固縮化

，總的復制轉錄活動受抑制，染色體端?？s短；mtDNA突變增加。蛋白質合成下降，變異蛋白出現；酶活性喪失。干細胞增殖分化能力降低。9“錯誤成災”學說--DNA損傷和修復功能下降，導致核酸、蛋白質、酶等生物大分子合成錯誤，引起細胞代謝功能障礙，導致細胞衰老死亡。衰老的原因10自由基氧化損傷--自由基是原子核外層軌道上有不成對電子的分子或原子基團。濃度過高時，常與生物大分子發(fā)生反應，破壞生物大分子的結構，從而傷害細胞

。11自由基可破壞核酸分子中的堿基，產生基因突變。自由基可引起脂質過氧化。自由基可破壞蛋白質結構。自由基可損傷細胞骨架蛋白。12端粒Telomere--染色體的末端有一種能穩(wěn)定染色體結構和功能的特殊成分。它們均是由富含T和G的簡單重復序列不斷重復而成。這些位于染色體末端的核苷酸重復序列和結合在其上的一些蛋白質共同構成了真核生物染色體的“末端保護帽”，維持染色體結構的穩(wěn)定。13如果缺少了這種成分，染色體之間就會互相粘連、出現結構的變化或其它錯誤的行為，以致影響到染色體的生存和正確復制并進一步威脅到細胞的存亡。細胞分裂時DNA復制的不完全將引起端粒區(qū)DNA的少量丟失，所以隨著細胞分裂次數的增加，端粒不斷縮短。14細胞分裂細胞分裂染色體端粒端粒細胞將停止分裂而趨于老化當端粒縮短到一定程度(臨界長度)時細胞不再分裂15特定基因衰老相關基因16根據細胞死亡形式的不同，可將其分為兩種類型：壞死（necrosis）與凋亡（apoptosis）細胞的死亡17當外界因素超過細胞所承受的強度閾值時，會導致細胞結構和功能的快速崩潰，細胞腫脹膨大，胞膜/核膜破裂，細胞器/核內物質散失，釋放出的蛋白又破壞鄰近的細胞，于是更多細胞壞死，更多的酶被釋放…，產生炎癥反應。是一種病理性、被動性死亡。

壞死（necrosis）18左圖：正常肝臟結構，肝小葉清晰，細胞完整。右圖：丙型肝炎，肝細胞明顯腫大壞死，圖中空泡樣結構是水腫的肝細胞，深色黑點是開始或已經壞死的肝細胞。

19也稱程序性細胞死亡（programmedcelldeath，PCD），是細胞在死亡信號誘導下遵循一定程序主動性死亡的過程，涉及基因、信號的調控作用。凋亡(apoptosis)20細胞表面結構改變；內質網膨脹與細胞膜融合。Caspase被活化導致結構蛋白/調節(jié)蛋白被切割。細胞骨架逐漸斷裂，胞膜塌陷，細胞體積縮小。染色質向核膜聚集，逐漸凝集形成致密斑（“核固縮”）。核膜向內塌陷，細胞核斷裂并被分割包被。細胞凋亡的特點21細胞膜的內陷把細胞質分隔包裹，形成凋亡小體（apoptoticbody

）。凋亡小體內細胞器結構完整，線粒體、溶酶體無變化，始終有膜封閉，內溶物無釋放，故不會引起炎癥。22細胞膜表面的各種蛋白質－糖鏈結構的改變（膜內側的磷脂酰絲氨酸暴露于外側）會被周圍細胞探測到，最后由巨噬細胞把凋亡細胞吞入水解，最終完成細胞凋亡的全過程。23凋亡時細胞的生化改變染色質DNA在核小體單位之間的連接處斷裂,形成180200bp整數倍的寡核苷酸片段,在凝膠電泳上表現為梯形電泳圖譜(DNAladder)24熒光顯微鏡下凋亡細胞的形態(tài)變化

Annexin-Vstaining25細胞壞死與凋亡的形態(tài)區(qū)別26細胞凋亡細胞壞死誘導因子特定凋亡信號

病理性損傷范圍單個細胞成群細胞組織反應細胞吞噬凋亡小體，無炎癥釋放細胞內容物，伴炎癥細胞膜完整，形成凋亡小體溶解破損/通透性增加細胞器完整腫脹，崩解細胞核染色質凝集，核固縮、碎片化染色質彌散，核膜破裂，核內物質丟失溶酶體完整破裂線粒體腫脹、通透性增高、Cytc釋放腫脹破裂細胞體積皺縮，失去鄰近細胞連接腫脹基因組DNA核酸內切酶活化，DNA降解為特定長度，電泳圖譜呈梯狀隨機降解為任意長度，電泳圖譜呈彌散狀酶Caspase被活化無Caspase活性能量需求需ATP無需ATP27凋亡的生物學意義參與影響胚胎發(fā)育參與免疫應答，清除衰老、受損細胞，維持體內環(huán)境穩(wěn)定28細胞凋亡的機制SydneyBrennerH.RobertHorvitzJohnE.Sulston2002NobelPrize：fortheirdiscoveriesconcerning"geneticregulationoforgandevelopmentandprogrammedcelldeath"29線蟲(C.elegans)

30凋亡相關基因細胞凋亡的調控涉及許多基因。其中研究較多的有ced、Bcl-2、p53、Fas/APO-1、c-myc、ICE等。31線蟲的細胞凋亡現已發(fā)現十幾個基因在線蟲細胞凋亡過程中起作用。與凋亡直接相關：細胞死亡基因（celldeathgene）Ced-3、Ced-4，作用是誘發(fā)凋亡。

；死亡抑制基因（celldeathsuppressergene）Ced-9可使Ced-3、Ced-4失活，抑制凋亡發(fā)生。32與凋亡細胞被吞噬細胞吞噬相關：ced-1、ced-2、ced-5、ced-6、ced-7、ced-8和ced-10。與凋亡細胞DNA降解相關：nuc-1。與特異性細胞凋亡相關：ces-1、ces-2、egl-1、her-1。33以線蟲為起點，包括caspase、bcl、p53等在內的與人類細胞凋亡調控有密切關系的基因也陸續(xù)被發(fā)現。34Caspase家族Caspase是Ced-3的同源物，是引起細胞凋亡的關鍵酶，共同特點是富含半胱氨酸，C端同源區(qū)存在半胱氨酸激活位點，被激活后能特異地切割靶蛋白的天冬氨酸殘基后的肽鍵。非活性的caspase均以酶原形式存在，被信號途徑激活后，產生caspase級聯反應，將細胞內的蛋白質降解。353637根據級聯反應中所處的位置，caspase可分為位于上游的起始蛋白和位于下游的效應蛋白啟動凋亡：Caspase2，Caspase8，Caspase9，Caspase10、Caspase11凋亡執(zhí)行：Caspase3，Caspase6，Caspase7Caspase1、4、11參與白細胞介素前體活化，介導炎癥產生，不直接參加凋亡信號的傳遞起始蛋白被激活后對效應蛋白進行切割并使之激活，隨后級聯反應遞次激活下游的caspase。對靶蛋白的水解最終導致程序性細胞死亡。38能夠被caspase切割的靶蛋白caspase可以裂解核酸酶抑制物從而激活核酸酶，引起DNA片段化。caspase可以裂解核纖層蛋白，導致核纖層解體、染色質固縮。caspase可以裂解細胞結構蛋白如中間纖維、肌動蛋白等，導致細胞形態(tài)的改變。caspase可作用于與DNA修復相關的酶，繼而使細胞的增殖與復制受阻并發(fā)生凋亡。3940Bcl-2家族

Bcl-2家族蛋白可調節(jié)線粒體膜的通透性。促凋亡蛋白Bax能夠促進線粒體外膜的通透化，促進細胞凋亡。抗凋亡類蛋白如Bcl-2阻止Bax效應。41自殺相關因子（factorassociatedsuicide,Fas)與FasL42凋亡的信號傳導各種內外因素可以啟動細胞凋亡，它們可以通過不同的信號傳遞系統(tǒng)傳遞凋亡信號，引起細胞凋亡。43死亡受體介導的細胞凋亡細胞表面的凋亡受體是屬于腫瘤壞死因子受體（TNFR）家族的跨膜蛋白，它們包括Fas（Apo-1/CD95）、TNFR1、DR3/WSL、DR4/TRAIL-R1和DR5/TRAIL-R2。其配體屬于TNF家族。均具有富含半胱氨酸的胞外區(qū)和含死亡結構域（Deathdomain，DD）的胞內區(qū)。4445活化的caspase-8、10啟動caspase的級聯反應，使caspase-3、-6、-7的前體蛋白激活，這幾種Caspase可降解胞內結構蛋白和功能蛋白；此外活化后的caspase-8引起線粒體中死亡因子的釋放，最終導致細胞凋亡。46線粒體介導的細胞凋亡

在脊椎動物細胞的凋亡過程中，線粒體被認為是處于凋亡調控的中心位置。線粒體膜間腔中存在凋亡相關分子（Cytc、AIF），在膜通透性改變情況下可通過線粒體PT孔或Bcl-2家族成員形成的線粒體跨膜通道釋放到細胞質中。47線粒體PT孔（permeabilitytransitionpore）主要由位于內膜的腺苷轉位因子（ANT）和位于外膜的電壓依賴性陰離子通道（VDAC）等蛋白所組成，PT孔開放會引起線粒體跨膜電位下降和細胞色素c釋放。48而被細胞內信號激活的促凋亡蛋白Bad或Bax也可以胞質轉移到線粒體外膜，使外膜的通透性發(fā)生改變，原本松散結合于線粒體內膜外表面的Cytc等凋亡相關蛋白從線粒體膜間隙釋放到細胞質中。Cytc與Apaf-1、caspase-9的前體蛋白形成凋亡復合物。49激活后的caspase-9激活下游的caspase-3，進而引發(fā)caspase