第十一章細胞衰老與細胞凋亡課件

第十一章細胞衰老與凋亡第十一章細胞衰老與凋亡第一節(jié)細胞衰老

（aging，senescence，senility）第一節(jié)細胞衰老

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

細胞衰老是細胞內部結構的衰變，細胞生理功能的衰退或喪失。細胞衰老（cellsenescence)人體的自然壽命約1正常的動物細胞無論是在體內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)。正常的動物細胞無論是在體內生長還是在體外培養(yǎng)，其分裂次數(shù)總存Hayflick界限(Hayflicklimitation)

細胞體外傳代次數(shù)與物種的壽命有關細胞體外傳代次數(shù)與來源個體的年齡成反比.Hayflick界限(Hayflicklimitation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（分裂次數(shù)不同物種的最長壽命分裂次數(shù)不同物種的最長壽命質膜粘度增加、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。核核膜內陷形成皺襞,染色質呈異固縮,DNA受到損害,轉錄活性降低,核質比例減小.細胞內水分減少細胞收縮,原生質脫水,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、運輸功能退化內質網(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

質膜粘度增加、流動性降低脂褐色素沉積,酶的活性發(fā)生變化如頭發(fā)二、細胞衰老的機理

主要有遺傳學派（Genetic/Programmedtheories）和差錯學派（Errortheories）遺傳學派強調衰老是遺傳決定的自然演進過程差錯學派強調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。二、細胞衰老的機理

主要有遺傳學派（Genetic/Pro（一）遺傳學派

（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閉的結果。1．程序性衰老

（programmedsenescence2.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。2.復制性細胞衰老(replicativecellsen細胞增殖次數(shù)與端粒DNA長度有關。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。

細胞增殖次數(shù)與端粒DNA長度有關。體細胞染色體的端粒DNA會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)人的成纖維細胞端粒每年縮短14-18bp，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，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，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，一些衰老相關基因（SAG）表達特別活躍3．長壽基因（longevitygenes）統(tǒng)計學資料表一個37歲的成人早衰癥患者一個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）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(又稱致密體、殘質）的沉積脂褐質是一些長壽命的蛋白質和DNA、脂類共價縮合形成的巨交聯(lián)物（二）差錯學派1.代謝廢物積累（wasteproduct次級溶酶體是形成脂褐質的場所由于脂褐質結構致密，不能被徹底水解，又不能排出細胞，結果在細胞內沉積增多，阻礙細胞的物質交流和信號傳遞，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。

次級溶酶體是形成脂褐質的場所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，具有高度反應活性，可引發(fā)鏈式自由基反應引起DNA、蛋白質和脂類等大分子物質變性和交聯(lián)損傷DNA、生物膜、重要的結構蛋白和功能蛋白，從而引起衰老各種現(xiàn)象的發(fā)生。

2.自由基學說（freeradicaltheories）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的化學性質最活潑。主要包括：氧自由基（如羥自由基·OH）、氫自由基（·H）、碳人體內自由基的產生有兩方面：一是環(huán)境中的高溫、輻射、光解、化學物質等引起的外源性自由基；二是體內各種代謝反應產生的內源性自由基。主要途徑有：①由線粒體呼吸鏈電子泄漏產生；②由過氧化物酶體的多功能氧化酶（MFO）等催化底物羥化產生。人體內自由基的產生有兩方面：清除自由基的防御系統(tǒng)在正常細胞內存在，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E清除自由基的防御系統(tǒng)在正常細胞內存在，包括酶系統(tǒng)和非酶系統(tǒng)3．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，缺乏結合蛋白的保護，最易受自由基傷害3．線粒體DNA突變（mitochondrialDNAm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)。催化mtDNA復制的DNA聚合酶γ不具有校正功能，復制錯誤頻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物而衰亡。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，是細胞生命現(xiàn)象不可逆的停止。第二節(jié)細胞壞死與凋亡(celldeath)細胞死亡是指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）。細胞死亡的方式通常有3種：①細胞壞死（necrosis）。PCD和細胞凋亡常被做為同義詞使用，但兩者實質上是有差異的。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的最終結果是細胞凋亡，但細胞凋亡并非都是程序化的。

PCD和細胞凋亡常被做為同義詞使用，但兩者實質上是有差異的。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。2002年10月7日英國人悉尼·布雷諾爾、美國人羅伯特·霍維一、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染色質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)染色質團塊狀細細胞壞死的形態(tài)膜不完整內容物釋放引起周圍組織炎癥反應膜不完整二、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)。二、細胞凋亡細胞凋亡(apoptosis,program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。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。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染色質聚集、分塊、位于核膜上，胞質凝縮，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凋亡小體內有結構完整的細胞器，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，沒有內溶物釋放，故不會引起炎癥；

凋亡細胞的主要特征①染色質聚集、分塊、位于核膜上，胞質凝縮③凋亡細胞中仍需要合成一些蛋白質，但是在壞死細胞中ATP和蛋白質合成受阻或終止；④核酸內切酶活化，導致染色質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。

③凋亡細胞中仍需要合成一些蛋白質，但是在壞死細胞中ATP和蛋第十一章細胞衰老與細胞凋亡ppt課件球形致密的染色質染色質邊緣化，細胞核和細胞質碎片化形成凋亡小體，被周圍細胞吞噬正常細胞球形致密的染色質染色質邊緣化，正常細胞左，正常胸腺細胞；右，凋亡胸腺細胞（注意凋亡小體）

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邊緣化巨噬細胞被吞入的死亡細胞A壞死：BC巨噬細胞被吞入的死亡細胞第十一章細胞衰老與細胞凋亡ppt課件細胞膜完整，鼓泡，形成凋亡小體細胞膜完整，鼓泡，形成凋亡小體DNA碎片化染色質凝集核碎片化細胞碎片化細胞膜完整正常細胞染色質凝集核碎片化DNA碎片化核碎片化細胞碎片化細胞膜完整正常細胞染色質凝集細胞凋亡的一種特征性變化：DNA電泳呈階梯狀——核酸內切酶的作用結果正常核DNA細胞凋亡的一種特征性變化：DNA電泳呈階梯狀——核酸內切酶的第十一章細胞衰老與細胞凋亡ppt課件

細胞壞死與凋亡的形態(tài)區(qū)別

染色質邊緣化，染色體固縮，形成星目形，帽狀結構的形態(tài)沿著核膜分布細胞核和細胞質碎片化形成凋亡小體，被周圍細胞吞噬細胞壞死與凋亡的形態(tài)區(qū)別染色質邊緣化，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凝聚在核膜下呈半月狀呈絮狀細胞器無明顯變化腫脹、內質網(wǎng)崩解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合成有無調節(jié)過程受基因調控被動進行炎癥反應無，不釋放細胞內容物有，釋放內容物。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控的精確過程，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細胞數(shù)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。由于各種原因引起的細胞一類特殊的蛋白酶激活（CASPASE）caspase分為兩類一類為啟動者（initiator），如caspase-8、9，受到信號后，能通過自剪接而激活，然后引起caspase級聯(lián)反應，如caspase-8可依次激活caspase-3、6、7。另一類為執(zhí)行者（executioner或effector），如caspase-3、6、7，它們可直接降解胞內的結構蛋白和功能蛋白，引起凋亡，但不能通過自催化（autocatalytic）或自剪接的方式激活caspase分為兩類一類為啟動者（initiator），如細胞中還具有caspase的抑制因子，稱為IAPs（inhibitorsofapoptosisproteins），屬于一個龐大的蛋白家族Bcl-2家族，線蟲中的ced-9。細胞中還具有caspase的抑制因子，稱為IAPs（inhi細胞凋亡的途徑主要有兩條，一條是通過胞外信號激活細胞內的凋亡酶caspase、一條是通過線粒體釋放凋亡酶激活因子激活caspase。

細胞凋亡的途徑主要有兩條，CASPASEcaspase以酶原形式合成（procaspase，前-CASPASE），被酶切后而激活。切割位點CASPASEcaspase以酶原形式合成（procaspa細胞凋亡是一個級聯(lián)反應，一些caspases依次激活，使反應放大Caspasex1個分子的激活，能切割許多Y或Z前-caspase,從而使更多caspase激活切割許多關鍵的蛋白。導致細胞凋亡啟動者執(zhí)行者執(zhí)行者細胞凋亡是一個級聯(lián)反應，一些caspases依次激活，使反應（一）細胞外部信號活化的凋亡這種信號稱為刺殺信號（Killersignal)或死亡配體（deathligand),細胞表面上有可同死亡配體專一性結合的死亡受體（deathreceptor),死亡受體被激活，信號傳至細胞內部，啟動了細胞凋亡。如FasL與fas蛋白的作用引起procaspase8的聚集和切割，產生活化的caspase8（一）細胞外部信號活化的凋亡這種信號稱為刺殺信號（Killeprocaspase通過與接頭蛋白（adaptor)的結合而被激活接頭蛋白（adaptor):可以與procaspase結合，使其形成聚集體，從而相互激活（或構型發(fā)生改變而激活）。procaspase通過與接頭蛋白（adaptor)的結合殺傷淋巴細胞FasL：Fas配體接頭蛋白Caspase的級聯(lián)放大procaspase8的聚集和切割殺傷淋巴細胞膜上有FasL（配體）靶細胞上有Fas蛋白caspase-8、通過自身剪切激活，它們啟動caspase的級聯(lián)反應，使caspase-3、-6、-7激活，這幾種Caspase可降解胞內結構蛋白和功能蛋白，最終導致細胞凋亡。殺傷淋巴細胞FasL：Fas配體接頭蛋白Caspase的級Caspase可激活名叫CAD（caspase-activatedDNAse）的存在于胞質中的核酸酶，使它進入細胞核降解DNA。能在核小體的連接區(qū)將其切斷，形成約為200bp整數(shù)倍的核酸片段。正常情況下，CAD存在于胞質中，不能進入細胞核。

Caspase可激活名叫CAD（caspase-activ線粒體與細胞凋亡凋亡：細胞程序性死亡死亡：受損傷而死亡當線粒體接受凋亡刺激的早期cytc從線粒體向細胞質移位，cytc能活化與凋亡相關的酶類，引起凋亡。在正常情況下定位在線粒體外膜等處的Bcl－2則可阻止cytc從線粒體釋放，從而抑制細胞的凋亡（二）細胞內部的凋亡的活化：線粒體與細胞凋亡（二）細胞內部的凋亡的活化：細胞色素C從線粒體釋放，與凋亡蛋白酶活化因子（apoptosisproteaseactivatingfactor,Apaf-1)結合，后者聚集并與procaspase9（啟動者)結合，導致caspase9的活化。細胞色素C從線粒體釋放，與凋亡蛋白酶活化因子（apoptosMi膜破裂，膜間隙中的細胞色素C釋放凋亡酶激活因子-1(接頭蛋白)與細胞色素C結合接頭蛋白的聚集使procaspase9聚集Caspase9的切割，引起集聯(lián)反應Apaf-1被稱為凋亡酶激活因子-1（apoptoticproteaseactivatingfactor-1），能召集caspase-9，

激活caspase-3，啟動caspase級聯(lián)反應。

Mi膜破裂，膜間隙中的細胞色素C釋放凋亡酶激活因子-1(接頭一個核心的問題是細胞色素c究竟通過哪一種途徑釋放到細胞質中由于大部分凋亡細胞中很少發(fā)生線粒體腫脹和線粒體外膜破裂的現(xiàn)象，所以目前普遍認為細胞色素是通過線粒體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的。一個核心的問題是細胞色素c究竟通過哪一種途徑釋放到細胞質中我們可以看出線粒體既是細胞的能量工廠，也是細胞的凋亡控制中心，可是為什么線粒體會擔負起如此重要的雙重