細胞生物學(xué)第十三章細胞的衰老與凋亡

細胞生物學(xué)第十三章細胞的衰老與凋亡第一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一第一節(jié)細胞衰老

一、基本概念

（一）什么是細胞衰老？指細胞隨著年齡的增加，機能和結(jié)構(gòu)發(fā)生退行性變化，趨向死亡的不可逆的現(xiàn)象。衰老和死亡是生命的基本現(xiàn)象，衰老過程發(fā)生在生物界的整體水平、種群水平、個體水平、細胞水平以及分子水平等不同的層次。第二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一（二）細胞的壽命早期爭議：細胞有沒有衰老現(xiàn)象？能否長期培養(yǎng)？HayflickLimitation:正常細胞不能無限增殖，有一定的傳代代數(shù)的限制（50代左右）；物種的壽命與其培養(yǎng)細胞的壽命（傳代數(shù)的限制）相關(guān)；決定細胞衰老的在細胞內(nèi)部，而不在外部（e.g.,培養(yǎng)基）；能夠無限傳代的細胞系通常為癌細胞系或經(jīng)過轉(zhuǎn)化的細胞（e.g.,HeLa）。第三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一早老癥（Werner’sSyndrome）：9歲個體的成纖維細胞在體外只能傳代2－4代第四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一第五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一（三）與細胞壽命相關(guān)的幾個現(xiàn)象細胞衰老與細胞分裂：衰老細胞分裂減緩，細胞周期延長（G1期顯著延長）；細胞衰老與分化：細胞壽命（衰老）與分化程度呈反比，即：分化程度低的細胞壽命長（如干細胞），分化程度高的細胞易衰老和死亡（如功能細胞）；克隆羊“多莉”的年齡和壽命：提前衰老；生理年齡：出生時；“細胞年齡”：核供體者，6歲羊的乳腺細胞。第六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一二、細胞衰老的結(jié)構(gòu)和生化變化衰老細胞的結(jié)構(gòu)變化：核增大、染色深、核內(nèi)有包含物染色質(zhì)凝聚、固縮、碎裂、溶解脂膜粘度增加、流動性降低細胞質(zhì)色素積聚、空泡形成線粒體數(shù)目減少、體積增大高爾基體碎裂致密體出現(xiàn)包含物糖原減少、脂肪積聚核膜內(nèi)陷第七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一衰老細胞的生化分子變化DNA：復(fù)制與轉(zhuǎn)錄受阻，端粒DNA、mtDNA缺失；DNA氧化、斷裂、缺失和交聯(lián);甲基化程度降低。RNA：含量降低。蛋白質(zhì)：合成下降，發(fā)生修飾、交聯(lián)。酶分子：活性中心被氧化，金屬離子丟失，酶分子的二級結(jié)構(gòu)，溶解度，等電點發(fā)生改變，酶失活。脂類：不飽和脂肪酸被氧化。第八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一三、細胞衰老的分子機制眾說紛紜，可歸納為“物質(zhì)代謝”和“遺傳因素”兩大原因1，自由基氧化損傷說：代謝過程產(chǎn)生ROS(ReactiveOxygenSpecies)自由基（-O2,-OH,H2O2）攻擊導(dǎo)致DNA、蛋白質(zhì)變異；正常細胞內(nèi)存在清除自由基的防御系統(tǒng)。SOD？age1?clk1?……2，代謝廢物積累：如：脂褐質(zhì)，etc.第九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一3，端粒與衰老：端粒（telomere）：染色體末端TTAGGG重復(fù)序列；端粒酶（telomerase）：核糖核蛋白酶（RNA/蛋白質(zhì)），以RNA為模板，反轉(zhuǎn)錄合成端粒序列，保持端粒的長度；細胞衰老的“有絲分裂鐘”學(xué)說：細胞分裂過程中，端粒不能被DNA合成酶完全復(fù)制，因而隨細胞分裂而變短，直至細胞停止分裂；端粒酶能復(fù)制端粒；生殖細胞中端粒酶活性高，體細胞中活性低。第十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一端粒酶（telomerase）的結(jié)構(gòu)及其催化端粒（telomere）復(fù)制延長的過程第十一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一正常的人成纖維細胞不表達端粒酶，其端粒長度縮短(A)，50－60代后停止分裂(B)；強制表達端粒酶的細胞端粒長度增加(A)，并繼續(xù)分裂。Science，1998第十二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一4，基因與衰老：衰老是一個漸進的過程，其間與許多細胞活動和生命過程相關(guān)聯(lián)（細胞生長代謝、分裂、分化、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，etc.）；許多調(diào)控這些細胞活動的基因可能與細胞衰老有關(guān)；“衰老基因”？由于細胞衰老不是一個獨立的事件，可能不存在特異的、專門的“衰老基因”，只存在能影響衰老和壽命的相關(guān)基因。第十三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一相關(guān)基因（舉例）：sir

家族（silencinginformationregulators）：構(gòu)成一類基因沉默復(fù)合體的亞基，具HDAC活性；使核仁rDNA沉默，減少ERC（extrachromosomalrDNAcircle）的產(chǎn)生，減緩衰老。（酵母）sgs1基因：與維持核仁正常結(jié)構(gòu)有關(guān)，突變后影響壽命。（酵母）wrn

基因：動物和人中與sgs1同源的基因；維持正常壽命所必需，缺失或突變引起Werner’sSyndrome。（哺乳動物）daf

基因：一類影響發(fā)育及其過程中的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、基因轉(zhuǎn)錄等活動的基因（daf2,age1,daf16,…）。（線蟲）hsp基因（heatshockprotein）：應(yīng)激反應(yīng)基因，產(chǎn)物多為分子伴侶，參與蛋白質(zhì)的正常折疊和活性；有些hsp

基因（hsp22,26,70,…）與壽命有關(guān)。

……

第十四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一第二節(jié)細胞凋亡

一、基本概念和意義

（一）細胞凋亡和細胞死亡 細胞凋亡（apoptosis）細胞程序化死亡（programmedcelldeath,PCD）涵義：主動的、受控的自然生理過程；“自殺”（“suicide”）第十五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一細胞死亡（celldeath）凋亡（apoptosis）：主動過程，不引起炎癥等反應(yīng)壞死（necrosis）：被動過程，應(yīng)激反應(yīng)；引起炎癥

細胞死亡并非與機體的死亡同步；細胞死亡是維持機體正常功能、組織和器官的機能、體積和形態(tài)所必需的。第十六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一

（二）細胞凋亡的功能和意義胚胎發(fā)育、器官形成：e.g.,小鼠爪趾的形成（圖）；去除不需要的組織和結(jié)構(gòu)：e.g.,蛙類蝌蚪尾部；細胞數(shù)量的控制（cellnumbercontrol）：e.g.,神經(jīng)系統(tǒng)中的神經(jīng)分布（innervation）、神經(jīng)細胞／靶細胞之間數(shù)目的匹配，etc.；成體組織的生長控制（growthcontrol）：

平衡

division／apoptosisovergrowth／shrink腫瘤形成

……第十七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一小鼠胚胎中爪的發(fā)育，凋亡的細胞用亮綠色標記；(B)凋亡使得趾間的組織消失形成趾.第十八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一

二、細胞凋亡的基本特征

（一）形態(tài)學(xué)特征細胞壞死：劇烈破壞（“burst”），內(nèi)容物外泄，炎癥；細胞凋亡：有序地解體（“dismantleneatly”），相對完整，形成凋亡小體，被巨噬細胞吞噬，無炎癥，細胞成分可被重利用（recycle）。第十九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一細胞壞死（左）和細胞凋亡（右）的形態(tài)比較第二十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一AB(C)左圖：SEM，A：正常細胞；B：凋亡細胞；下圖：TEM，(a)正常細胞；(b)凋亡細胞；(c)壞死細胞第二十一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一（二）生化特征DNA斷裂：發(fā)生在核小體之間，產(chǎn)生180－220bp的倍數(shù)片段，電泳可見“DNAladder”;tTG（tissuetransglutaminase,組織轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶）的積累和活化（凋亡小體的保持）；凋亡特征性mRNA和蛋白質(zhì)的出現(xiàn)。第二十二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一（三）誘導(dǎo)因子物理：射線、溫度等；化學(xué)：ROS、鈣離子載體、VK3、視黃酸、細胞毒素、DNA和蛋白質(zhì)合成抑制劑，等等；生物：內(nèi)源性的細胞環(huán)境變化（激素、細胞因子、抗體等）、有關(guān)信號分子的變化（TNF-α,Fas/Apo-1,等）。第二十三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一（四）細胞凋亡的檢測形態(tài)學(xué)和組織化學(xué)檢測：電鏡（TEM、SEM）、DAPI染色、Giemsa染色，等等；DNA電泳：斷裂DNA片斷，“DNAladder”；TUNEL（Terminaldeoxynucleotidyltransferase-mediateddUTPnickendlabelling）法：一種對斷裂DNA缺口的末端標記和顯示法；彗星電泳法（cometassay）：熒光染料檢測從凋亡細胞中擴散出來的斷裂DNA片斷；流式細胞分析（flowcytometry）：用流式細胞儀檢測凋亡的亞二倍體細胞；

……第二十四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一

三、細胞凋亡的分子控制機制

（一）Caspase家族：細胞凋亡的“起始者”和“執(zhí)行者”一個特異性的蛋白酶家族，caspase:cysteineasparticacidspecificprotease（半胱-天冬氨酸特異性蛋白酶）；已發(fā)現(xiàn)11個成員（見表13-1）；

caspaseBprocaspaseAcaspaseA

(inactive)

cleavage(active)

(caspase的兩個亞基連接區(qū)的天冬氨酸位點處切割）不同的caspases之間通過這種激活反應(yīng)，形成一個信號傳遞、放大的級聯(lián)反應(yīng)（cascade），最終執(zhí)行凋亡。第二十五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一通過caspase級聯(lián)反應(yīng)傳遞和擴大信號，誘發(fā)細胞凋亡。第二十六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一Caspase級聯(lián)反應(yīng)（caspasecascade）第二十七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一（二）細胞凋亡的誘導(dǎo)（trigger）：兩條途徑

1，“死亡受體”途徑（deathreceptorpathway）

extracellular(extrinsic)pathwayadaptorproteinFas/FasLcaspasecascadeapoptosis2，線粒體途徑（mitochondrialpathway）

intracellular(intrinsic)pathwaydamage/stressmitochondriacytochromCreleaseprocaspase9complexcaspase9caspasecascadeapoptosis第二十八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一細胞凋亡的誘導(dǎo)途徑：(A)“死亡受體”途徑；(B)線粒體途徑第二十九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一“死亡受體”途徑和線粒體途徑在細胞中共同產(chǎn)生凋亡“起始者”和“執(zhí)行者”–caspases，引起細胞凋亡。第三十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一Bcl-2BaxBid（三）Bcl-2

家族：細胞凋亡的調(diào)節(jié)者

Bcl-2

：原癌基因，作用：抑制凋亡、延長細胞壽命為一基因家族，各成員間有一定的同源性（BH1,BH2,……保守區(qū)域）（Bcl-2Homologies）（見表-13-2）第三十一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期一Bcl-2

基因成員中