電子教案-細胞衰老與凋亡細胞生物學

第十三章細胞衰老與凋亡第一節(jié)細胞衰老(cellularaging或cellsenescence)1．Hayflick界限(HayflickLimitation）概念：關(guān)于細胞增殖能力和壽命是有限的觀點。細胞，至少是培養(yǎng)的二倍體細胞，不是不死的，而是有一定的壽命；它們的增殖能力不是無限的，而是有一定的界限，這就是Hayflick界限。癌細胞或培養(yǎng)的細胞系是不正常細胞，其染色體數(shù)目或形態(tài)已經(jīng)不同于原先的細胞；細胞的增殖能力與供體年齡有關(guān)；物種壽命與培養(yǎng)細胞壽命之間存在著一定的關(guān)系。二倍體細胞的衰老是由細胞本身決定的：決定細胞衰老的因素在細胞內(nèi)部，而不是外部的環(huán)境；是細胞核而不是細胞質(zhì)決定了細胞衰老。2．細胞在體內(nèi)條件下的衰老在機體內(nèi)，細胞的衰老和死亡是常見的現(xiàn)象，甚至在個體發(fā)育的早期也會發(fā)生。正常情況下終生保持分裂的細胞，其分裂能力是否隨著有機體年齡的增高而下降？它們會不會衰老？衰老動物體內(nèi)，細胞分裂速度顯著減慢，其原因主要是G1期明顯延長;衰老個體內(nèi)的環(huán)境因素影響了細胞的增殖和衰老;骨髓干細胞移植實驗說明隨著年齡的增加，干細胞增殖速度也趨緩慢。3．衰老細胞結(jié)構(gòu)的變化細胞核的變化：體外培養(yǎng)的二倍體細胞，細胞核隨著細胞分裂次數(shù)的增加不斷增大。細胞核的核膜內(nèi)折（invagination）、染色質(zhì)固縮化。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的變化:衰老動物內(nèi)質(zhì)網(wǎng)成分彌散性地分散于核周胞質(zhì)中，粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的總量似乎是減少了。線粒體的變化：通常，細胞中線粒體的數(shù)量隨齡減少，而其體積則隨齡增大。致密體的生成。膜系統(tǒng)的變化：衰老的細胞，其膜流動性降低、韌性減小。衰老細胞間間隙連接

；細胞膜內(nèi)（P面）顆粒的分布也發(fā)生變化。4．細胞衰老的分子機理氧化性損傷學說：代謝過程中產(chǎn)生的活性氧基團或分子（ROS---O2-，OH-，H2O2），引發(fā)的氧化性損傷的積累，最終導致衰老。端粒與衰老：發(fā)現(xiàn)端粒長度確實與衰老有著密切的關(guān)系，提出細胞衰老的“有絲分裂鐘”學說（Harley,1990）。rDNA與衰老：酵母染色體外rDNA環(huán)（ERC）的積累，導致細胞衰老。沉默信息調(diào)節(jié)蛋白復合物（Sircomplex）與衰老：Sircomplex存在于異染色質(zhì)區(qū)，其作用在于阻斷所在位點DNA轉(zhuǎn)錄。SGS1基因和WRN基因與衰老：SGS1基因和WRN基因同源,編碼解旋酶；酵母sgs1突變體壽命明顯短于野生型（平均9.5代:24.5代）；wrn突變引發(fā)早老癥.。發(fā)育程序與衰老線粒體DNA與衰老：Sen-DNA(80年代);mtDNA突變積累與細胞衰老有關(guān).。第二節(jié)細胞凋亡(Apoptosis)1．細胞凋亡的概念及其生物學意義概念：細胞凋亡是一個主動的由基因決定的自動結(jié)束生命的過程，所以也常常被稱為細胞編程死亡（programmedcelldeath,PCD）。凋亡細胞將被吞噬細胞吞噬。生物學意義：細胞凋亡對于多細胞生物個體發(fā)育的正常進行，自穩(wěn)平衡的保持以及抵御外界各種因素的干擾方面都起著非常關(guān)鍵的作用：蝌蚪尾的消失，骨髓和腸的細胞凋亡；脊椎動物的神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育；發(fā)育過程中手和足的成形過程。2．細胞凋亡的形態(tài)學和生物化學特征（1）細胞凋亡與壞死(necrosis)：二者的主要區(qū)別是，細胞凋亡過程中，細胞質(zhì)膜反折，包裹斷裂的染色質(zhì)片段或細胞器，然后逐漸分離，形成眾多的凋亡小體（apoptoticbodies），凋亡小體則為鄰近的細胞所吞噬。整個過程中，細胞質(zhì)膜的整合性保持良好，死亡細胞的內(nèi)容物不會逸散到胞外環(huán)境中去，因而不引發(fā)炎癥反應(yīng)。相反，在細胞壞死時，細胞質(zhì)膜發(fā)生滲漏，細胞內(nèi)容物，包括膨大和破碎的細胞器以及染色質(zhì)片段，釋放到胞外，導致炎癥反應(yīng)。（2）細胞凋亡的形態(tài)學特征：凋亡的起始：細胞表面的特化結(jié)構(gòu)如微絨毛消失，細胞間接觸的消失，但細胞膜依然完整；線粒體大體完整，但核糖體逐漸從內(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：核染色質(zhì)斷裂為大小不等的片段，與某些細胞器如線粒體一起聚集，為反折的細胞質(zhì)膜所包圍。細胞表面產(chǎn)生了許多泡狀或芽狀突起，逐漸形成單個的凋亡小體。凋亡小體逐漸為鄰近的細胞吞噬并消化。（3）細胞凋亡的生化特征：細胞凋亡的主要特征是形成大小為180～200bp特征性的DNAladders。凋亡細胞組織轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶tTG（tissueTransglutaminase）積累并達到較高水平。（4）誘導細胞凋亡的因子：物理性因子，包括射線（紫外線，g射線等），較溫和的溫度刺激（如熱激，冷激）等?；瘜W及生物因子：包括活性氧基團和分子，DNA和蛋白質(zhì)合成的抑制劑，激素，細胞生長因子，腫瘤壞死因子a（TNFa），抗Fas/Apo-1/CD95抗體等。（5）細胞凋亡的檢測形態(tài)學觀測：染色法、透射和掃描電鏡觀察DNA電泳：DNA片段就呈現(xiàn)出梯狀條帶TUNEL測定法，即DNA斷裂的原位末端標記法彗星電泳法（cometassay）流式細胞分析：根據(jù)凋亡細胞DNA斷裂和丟失，采用碘化丙啶使DNA產(chǎn)生激發(fā)熒光，用流式細胞儀檢出凋亡的亞二倍體細胞，同時又能觀察細胞的周期狀態(tài)。3．細胞凋亡的分子調(diào)控機理線蟲(C.elegans)凋亡研究發(fā)現(xiàn)ced3,ced4基因促進細胞凋亡，ced9基因阻止ced3/ced4的激活，抑制細胞凋亡。Ced3哺乳類同源物是ICE(Interleukin-1-convertingenzyme)，即Caspase1。（1）Caspase家族與凋亡Caspase家族：Caspase活性位點是半胱氨酸(Cysteine)，裂解靶蛋白位點是天冬氨酸殘基后的肽鍵，因此稱為Cysteineasparticacicspecificprotease，即Caspase。Caspase活化：Caspase自身以非活化的Procaspase存在，其激活依賴于其他的Caspase在它的天冬氨酸位點裂解活化或自身活化。胞外信號分子誘導的細胞凋亡途：凋亡信號通路：當細胞接受凋亡信號分子(Fas,TNF等)后，凋亡細胞表面信號分子受體相互聚集并與細胞內(nèi)的銜接蛋白(Adaptorprotein)結(jié)合，這些銜接蛋白又募集Procaspases聚集在受體部位，Procaspase相互活化并產(chǎn)生級聯(lián)反應(yīng)，使細胞凋亡。下游Caspases活化后，作用底物：裂解核纖層蛋白，導致細胞核形成凋亡小體；裂解DNase結(jié)合蛋白，使DNase釋放，降解DNA形成DNALadder；裂解參與細胞連接或附著的骨架和其他蛋白，使凋亡細胞皺縮、脫落，便于細胞吞噬；導致膜脂PS重排，便于吞噬細胞識別并吞噬。（2）Bcl-2家族、線粒體與細胞凋亡Bcl-2是一種原癌基因，是ced-9在哺乳類中的同源物，能抑制細胞凋亡；與線粒體及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜相結(jié)合；Bcl-2蛋白的羧基末端有一穿膜的結(jié)構(gòu)域；Bcl-2家族成員的基因中，常常含有三個保守的Bcl-2同源區(qū)，即BH1，BH2和BH3。Bcl-2、線粒體與細胞凋亡：當Caspase8活化后，它一方面作用于Procaspase3，另一方面使Bid裂解成2個片段，其中含BH3結(jié)構(gòu)域的C-端片段被運送到線粒體，與Bcl-2/Bax的