第十一章細胞衰老與細胞凋亡

第十一章細胞衰老與凋亡第一節(jié)細胞衰老

（aging，senescence，senility）細胞衰老（cellsenescence)人體的自然壽命約120歲

細胞衰老是細胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的衰變，細胞生理功能的衰退或喪失。正常的動物細胞無論是在體內(nèi)生長還是在體外培養(yǎng)，其分裂次數(shù)總存在一個“極限值”。此值被稱為“Hayflick”極限，亦稱最大分裂次數(shù)。Hayflick界限(Hayflicklimitation)

細胞體外傳代次數(shù)與物種的壽命有關(guān)細胞體外傳代次數(shù)與來源個體的年齡成反比.體外培養(yǎng)的細胞分裂能力逐漸降低組織培養(yǎng)細胞的分裂次數(shù)的限制（Hayflicklimitation）：50代左右人的成纖維細胞：胎兒：80代成年人：40代老年人：20代分裂次數(shù)不同物種的最長壽命質(zhì)膜粘度增加、流動性降低脂褐色素沉積,酶的活性發(fā)生變化如頭發(fā)變灰白，由于頭發(fā)基部的黑色素細胞失去了酪氨酸酶的活性所致。核核膜內(nèi)陷形成皺襞,染色質(zhì)呈異固縮,DNA受到損害,轉(zhuǎn)錄活性降低,核質(zhì)比例減小.細胞內(nèi)水分減少細胞收縮,原生質(zhì)脫水,體積縮小.線粒體數(shù)目減少、體積腫脹、嵴退化,并出現(xiàn)空泡mtDNA突變或丟失高爾基體囊泡腫脹,分泌功能、運輸功能退化內(nèi)質(zhì)網(wǎng)rER減少包含物糖原減少、脂肪積聚溶酶體功能低下,不能將攝入的大分子全部分解為可溶性成分,也不能及時排除一、衰老細胞的形態(tài)變化

二、細胞衰老的機理

主要有遺傳學派（Genetic/Programmedtheories）和差錯學派（Errortheories）遺傳學派強調(diào)衰老是遺傳決定的自然演進過程差錯學派強調(diào)衰老是由于細胞中的各種錯誤積累引起的，兩者是相互統(tǒng)一的。（一）遺傳學派

1．程序性衰老

（programmedsenescence）

程序性衰老理論認為，生物的生長、發(fā)育、衰老和死亡都由基因程序控制的衰老實際上是某些基因依次開啟或關(guān)閉的結(jié)果。2.復制性細胞衰老(replicativecellsenescence):

認為是端粒不斷變短所致，一般體細胞中端粒酶是沒有活性的。細胞增殖次數(shù)與端粒DNA長度有關(guān)。體細胞染色體的端粒DNA會隨細胞分裂次數(shù)增加而不斷縮短。細胞DNA每復制一次端粒就縮短一段，當縮短到一定程度至Hayflick點時，可能會啟動DNA損傷檢測點（DNAdamagecheckpoint），激活p53，引起p21表達，導致不可逆地退出細胞周期，走向衰亡。

人的成纖維細胞端粒每年縮短14-18bp，可見染色體的端粒有細胞分裂計數(shù)器的功能，能記憶細胞分裂的次數(shù)。

引進端粒酶可以增加培養(yǎng)細胞的傳代次數(shù)3．長壽基因（longevitygenes）

統(tǒng)計學資料表明，子女的壽命與雙親的壽命有關(guān)，各種動物都有相當恒定的平均壽命和最高壽命物種的壽命主要取決于遺傳物質(zhì)，DNA鏈上可能存在一些“長壽基因”或“衰老基因”來決定個體的壽限。當細胞衰老時，一些衰老相關(guān)基因（SAG）表達特別活躍一個37歲的成人早衰癥患者正常兒童（左）和嬰幼兒早衰癥患者（右）（二）差錯學派

1.代謝廢物積累（wasteproductaccumulation）細胞代謝產(chǎn)物積累至一定量后會危害細胞，引起衰老如：哺乳動物脂褐質(zhì)(又稱致密體、殘質(zhì)）的沉積脂褐質(zhì)是一些長壽命的蛋白質(zhì)和DNA、脂類共價縮合形成的巨交聯(lián)物次級溶酶體是形成脂褐質(zhì)的場所由于脂褐質(zhì)結(jié)構(gòu)致密，不能被徹底水解，又不能排出細胞，結(jié)果在細胞內(nèi)沉積增多，阻礙細胞的物質(zhì)交流和信號傳遞，最后導致細胞衰老，如老年性癡呆（AD）就是由β-淀粉樣蛋白沉積引起的。

2.自由基學說（freeradicaltheories）

自由基是一類瞬時形成的含不成對電子的原子或功能基團

自由基含有未配對電子，具有高度反應(yīng)活性，可引發(fā)鏈式自由基反應(yīng)引起DNA、蛋白質(zhì)和脂類等大分子物質(zhì)變性和交聯(lián)損傷DNA、生物膜、重要的結(jié)構(gòu)蛋白和功能蛋白，從而引起衰老各種現(xiàn)象的發(fā)生。

主要包括：氧自由基（如羥自由基·OH）、氫自由基（·H）、碳自由基、脂自由基等，其中·OH的化學性質(zhì)最活潑。人體內(nèi)自由基的產(chǎn)生有兩方面：一是環(huán)境中的高溫、輻射、光解、化學物質(zhì)等引起的外源性自由基；二是體內(nèi)各種代謝反應(yīng)產(chǎn)生的內(nèi)源性自由基。主要途徑有：①由線粒體呼吸鏈電子泄漏產(chǎn)生；②由過氧化物酶體的多功能氧化酶（MFO）等催化底物羥化產(chǎn)生。清除自由基的防御系統(tǒng)在正常細胞內(nèi)存在，包括酶系統(tǒng)和非酶系統(tǒng)前者如：超氧化物歧化酶（SOD），過氧化氫酶（CAT）非酶系統(tǒng)如：維生素E3．線粒體DNA突變（mitochondrialDNAmutation）

mtDNA最容易發(fā)生突變。在線粒體氧化磷酸化生成ATP的過程中，大約有1-4%氧轉(zhuǎn)化為氧自由基，因此線粒體是自由基濃度最高的細胞器。mtDNA裸露于基質(zhì)，缺乏結(jié)合蛋白的保護，最易受自由基傷害催化mtDNA復制的DNA聚合酶γ不具有校正功能，復制錯誤頻率高缺乏有效的修復酶，故mtDNA最容易發(fā)生突變。mtDNA突變使呼吸鏈功能受損，進一步引起自由基堆積，如此反復循環(huán)。4.重復基因失活

主要基因的選擇性重復是基因組的保護性機制重復基因的一個拷貝受損或選擇關(guān)閉后，其它拷貝被激活，直到最后一份拷貝用完，這時細胞因缺少某種重要產(chǎn)物而衰亡。第二節(jié)細胞壞死與凋亡

(celldeath)細胞死亡是指細胞生命現(xiàn)象的終結(jié)，是細胞生命現(xiàn)象不可逆的停止。細胞死亡的方式通常有3種：①細胞壞死（necrosis）。②細胞凋亡（apoptosis）。③細胞程序性死亡（programmedcelldeath，PCD）。PCD和細胞凋亡常被做為同義詞使用，但兩者實質(zhì)上是有差異的。凋亡是一個形態(tài)學概念，指與細胞壞死不同PCD是一個功能性概念，描述在一個多細胞生物體中，某些細胞的死亡是個體發(fā)育中一個預定的，并受到嚴格控制的正常組成部分，

PCD的最終結(jié)果是細胞凋亡，但細胞凋亡并非都是程序化的。

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，因在器官發(fā)育的遺傳調(diào)控和細胞程序性死亡方面的研究，獲諾貝爾生理與醫(yī)學獎。一、細胞壞死

壞死是極端的物理，化學因素或嚴重的病理性刺激引起的細胞損傷和死亡染色質(zhì)團塊狀染色體形成串狀片斷細胞器腫脹細細胞壞死的形態(tài)膜不完整內(nèi)容物釋放引起周圍組織炎癥反應(yīng)二、細胞凋亡細胞凋亡(apoptosis,programmedcelldeath,PCD)是指細胞在生理或病理條件下由基因控制的自主有序的死亡過程，又稱程序化細胞死亡(programmedcelldeath，PCD)。細胞增殖和細胞死亡對生物體具有同樣重要的意義細胞死亡是發(fā)育過程中經(jīng)常發(fā)生的蝌蚪的變態(tài)、哺乳動物胚胎指（趾）的形成、神經(jīng)細胞的死亡蝌蚪變態(tài)成蛙，尾部的細胞發(fā)生細胞程序性死亡，通過血液中甲狀腺激素增加來刺激。a小鼠的趾間細胞程序性死亡（紅色）B1天后發(fā)育的小鼠的爪。凋亡細胞的主要特征

①染色質(zhì)聚集、分塊、位于核膜上，胞質(zhì)凝縮，最后核斷裂，細胞通過出芽的方式形成許多凋亡小體

凋亡小體的形成：核染色質(zhì)斷裂為大小不等的片斷，與某些細胞器如線粒體一起聚集，被反折的細胞膜所包圍，細胞表面產(chǎn)生了泡狀或芽狀的突起，逐漸分隔形成凋亡小體②凋亡小體內(nèi)有結(jié)構(gòu)完整的細胞器，還有凝縮的染色體，可被鄰近細胞吞噬消化，因始終有膜封閉，沒有內(nèi)溶物釋放，故不會引起炎癥；

③凋亡細胞中仍需要合成一些蛋白質(zhì)，但是在壞死細胞中ATP和蛋白質(zhì)合成受阻或終止；④核酸內(nèi)切酶活化，導致染色質(zhì)DNA在核小體連接部位斷裂，形成約200bp整數(shù)倍的核酸片段，凝膠電泳圖譜呈梯狀⑤凋亡通常是生理性變化，而細胞壞死是病理性變化。

球形致密的染色質(zhì)染色質(zhì)邊緣化，細胞核和細胞質(zhì)碎片化形成凋亡小體，被周圍細胞吞噬正常細胞左，正常胸腺細胞；右，凋亡胸腺細胞（注意凋亡小體）

A壞死：細胞膜破裂BC細胞程序性死亡：細胞膜完整細胞核膜變皺染色質(zhì)邊緣化巨噬細胞被吞入的死亡細胞細胞膜完整，鼓泡，形成凋亡小體DNA碎片化染色質(zhì)凝集核碎片化細胞碎片化細胞膜完整正常細胞染色質(zhì)凝集核碎片化細胞凋亡的一種特征性變化：DNA電泳呈階梯狀——核酸內(nèi)切酶的作用結(jié)果正常核DNA

細胞壞死與凋亡的形態(tài)區(qū)別

染色質(zhì)邊緣化，染色體固縮，形成星目形，帽狀結(jié)構(gòu)的形態(tài)沿著核膜分布細胞核和細胞質(zhì)碎片化形成凋亡小體，被周圍細胞吞噬細胞凋亡和細胞壞死的區(qū)別

區(qū)別點細胞凋亡細胞壞死起因生理或病理性病理性變化或劇烈損傷范圍單個散在細胞大片組織或成群細胞細胞膜保持完整，一直到形成凋亡小體破損染色質(zhì)凝聚在核膜下呈半月狀呈絮狀細胞器無明顯變化腫脹、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)崩解細胞體積固縮變小腫脹變大凋亡小體有，被鄰近細胞或巨噬細胞吞噬無，細胞自溶，殘余碎片被巨噬細胞吞噬基因組DNA有控降解，電泳圖譜呈梯狀隨機降解，電泳圖譜呈涂抹狀蛋白質(zhì)合成有無調(diào)節(jié)過程受基因調(diào)控被動進行炎癥反應(yīng)無，不釋放細胞內(nèi)容物有，釋放內(nèi)容物。第三節(jié)細胞凋亡的分子機理細胞凋亡和細胞增殖是維持體內(nèi)細胞數(shù)量動態(tài)平衡的基本措施。胚胎發(fā)育階段通過細胞凋亡清除多余的和已完成使命的細胞，保證了胚胎的正常發(fā)育；在成年階段通過細胞凋亡清除衰老和病變的細胞，保證了機體的健康。和細胞增殖一樣細胞凋亡也是受基因調(diào)控的精確過程，由于各種原因引起的細胞一類特殊的蛋白酶激活（CASPASE），使細胞中一些關(guān)鍵性的蛋白降解，造成凋亡。凋亡酶

CASPASE（cysteineaspartate-specificprotease）半胱氨酸-天冬氨酸特異蛋白酶又稱半胱天冬酶或切冬酶，此酶的活性中心含有半胱氨酸，它特異性切割ASP羧基形成的肽鍵。caspase