第12章-细胞衰老与凋亡

第十二章细胞衰老与凋亡第一节细胞衰老第二节细胞凋亡第三节衰老或是凋亡生物体都要经历出生、生长、发育、成熟、繁殖、衰老、死亡的过程，而细胞的命运包括增殖、分化、衰老、凋亡和死亡。细胞衰老和细胞凋亡是细胞最为常见的结局，都属于细胞的故障保护程序。细胞凋亡导致细胞死亡而被清除，衰老细胞能存活一定的时间，但是不能够继续分裂生长和维持正常功能。第一节细胞衰老细胞衰老是指细胞不可逆地丧失增殖能力后所进入一种相对稳定的状态，伴有一定的生物化学改变、结构异常和生理功能障碍。衰老是细胞生命活动的客观规律，衰老的细胞趋向死亡。对单细胞生物来说细胞的衰老就是生物体的衰老；对多细胞生物而言，细胞的衰老并不等于生物体的衰老，但是细胞的衰老又同生物体的衰老紧密相关。细胞衰老是自然过程细胞分裂的Hayflick界限(Hayflicklifespan)细胞作为生物体的基本结构与功能单位，不断地产生和衰老死亡。细胞衰老过程的长短即细胞的寿命，随组织种类而不同，同时也受环境条件的影响。Galápagos龟的最高寿命是175岁，它的细胞在体外培养时能分裂100次，小鼠的寿命只有几年，从小鼠分离的细胞在体外分裂的次数不超过30次。不仅细胞衰老见于几乎所有生物，而且衰老机理在进化过程中有高度保守性，在酵母、线虫、果蝇、小鼠和人类，乃至植物体中都存在参与细胞衰老调节的同源基因，并参与各自的衰老调控。细胞衰老的普遍性—与衰老有关的端粒存在于所有真核生物线性染色体末端；—调节细胞衰老的组蛋白去乙酰基酶Sir2（silencinginformationregulator2）基因，在原核生物、酵母、线虫、果蝇、小鼠到人类有广泛分布。KuilmanTetal.GenesDev.2010;24:2463-2479细胞衰老的特点衰老细胞主要特点•不可逆的细胞分裂中止•对某些细胞凋亡信号的不敏感•基因表达谱变更•细胞的功能障碍•细胞内水分的含量减少•新陈代谢速度减慢•细胞内酶的活性降低•细胞内呼吸速度减慢•细胞膜及内膜系统的改变•形态结构发生变化细胞水平分子水平率老相关基因的表达、活性和结构都发生不可逆的改变脂类、蛋白质和DNA等分子的损伤mRNA和tRNA含量降低蛋白质分子的糖基化、羰基化、氨甲酰化、脱氨基等修饰酶分子的二级结构、溶解度、等电点改变细胞衰老的形态学改变正常成纤维细胞衰老的成纤维细胞的不同形态学改变有关衰老的学说主要有两大类－代谢和环境学说（Error&FidelityTheory）衰老是由环境伤害引起的随机过程－遗传和基因学说（ProgrammedCellularTheory）衰老是一个由遗传基因控制的程序化过程有关细胞衰老的学说•线粒体衰老学说•活性自由基衰老学说•复制性衰老与端粒缩短学说•衰老的表观调控•衰老的进化理论比较有影响的学说包括：线粒体衰老学说PNAS102（52）：18769-18770，2005活性自由基衰老学说复制性衰老与端粒缩短学说衰老的表观调控DNA甲基化与细胞衰老衰老的进化理论抛弃躯体论细胞衰老途径•p19ARF/p53/p21Cip1途径•p16INK4a/Rb途径•p19ARF/p53/p21Cip1途径与p16INK4a/Rb途径的联系细胞的基因组DNA受到损伤时，根据损伤的严重程度，通过由ATM/ATR，Chk1/Chk2蛋白直接或间接地磷酸化P53蛋白，以及p19ARF抑制MDM2的激活来激活P53蛋白。p53可以活化不同的基因表达来阻止细胞增殖，诱导G1和G2期细胞周期停滞；严重时可以通过诱导细胞凋亡来消除异常细胞。在一些细胞中，DNA损伤、端粒异常以及myc和ras等癌基因的上调表达会通过p53通路来导致细胞衰老。在细胞衰老的机制中，p53通路在当中起的作用是必要的，而且还足以引起细胞衰老。•p19ARF/p53/p21Cip1途径GenomeRes.2010.20:1122-1132p53对细胞命运抉择的调控端粒-p53-PGC途径Nature，464:520–528，2010•p16INK4a/Rb途径细胞在p53敲除后，还能呈现衰老状态，这种细胞往往或多或少地表达p16INK4a。p16INK4a能够选择性地抑制周期蛋白依赖激酶CDK4和CDK6，进而抑制pRb磷酸化，处于非磷酸化活性状态的Rb通过与转录因子E2F因子结合。E2F能激活重要的细胞周期蛋白cyclinE和cyclinA，启动DNA复制，Rb与E2F结合屏蔽了E2F的转录激活结构域，抑制DNA复制，阻断了从细胞周期G1期进入S期所需的下游基因的表达，造成生长停滞，使细胞老化。Gut2007;56:1134-1152doi:10.1136/gut.2006.STAT5A诱导的细胞衰老提示p53和pRb基因共同参与细胞衰老的调控TheJournalofBiologicalChemistry,282,34938-34944，2007P53与Rb途径之间的串话JASNFebruary1,2001vol.12no.2385-393第二节细胞凋亡细胞凋亡又被称为细胞程序性死亡，是细胞的一种基本生物学现象，是多细胞生物中去除不需要的或异常的细胞所必需的。细胞凋亡在胚胎发育中起着重要的作用。因此细胞凋亡不仅是一种特殊的细胞死亡类型，而且具有重要的生物学意义与复杂的分子生物学机制。细胞凋亡是细胞的主动死亡，是细胞的一种基本生物学现象。细胞凋亡的主要特性Find–meandeat-mesignalJ.Exp.Med.Vol.207No.91807-1817,2010凋亡细胞细胞的核DNA在核小体连接处断裂成核小体片段，见DNA的琼脂糖凝胶电泳图谱。凋亡早期的细胞膜损伤细胞凋亡早期，位于细胞膜内侧的磷脂酰丝氨酸（PS）迅速翻转到细胞膜外侧，使得PS暴露在细胞膜表面，可以用PS与抗凝血剂AnnexinV的相互作用检测外翻的PS。。凋亡小体形成调亡细胞经核碎裂形成的染色质块，整个细胞通过发芽、起泡等方式形成一个球形的突起，并在其根部绞窄而脱落形成一些大小不等，内含胞质、细胞器及核碎片的小体称为凋亡小体。参与细胞凋亡的分子•半胱天冬酶家族•Bcl-2家族•凋亡抑制蛋白IAP家族•p53蛋白半胱天冬酶属于半胱氨酸蛋白酶（cysteineproteases），依赖于半胱氨酸残基的亲和性，并总是在四肽序列中末位天冬氨酸残基后的肽键切断底物，所以命名为半胱天冬酶。已经确定半胱天冬酶家族至少有十四个成员，按其在凋亡反应中的作用可以分两大类，一类参与激活半胱天冬酶家族的其他成员，称为启动半胱天冬酶（initiatorcaspases），包括半胱天冬酶8、9、10和1、2、4、5等；另一类则介导细胞凋亡下游的执行反应称为执行或效应半胱天冬酶（effectororexecutionercaspases），包括半胱天冬酶3、6、7和14等。•半胱天冬酶家族半胱天冬酶的激活半胱天冬酶级联反应半胱天冬酶的底物Bcl-2家族定位于线粒体，成员众多，是细胞凋亡的关键调节因子。其抗凋亡和促凋亡成员协同作用，发挥着细胞凋亡调控的作用。Bcl-2家族蛋白的一个显著特征是具有Bcl-2同源结构域(Bcl-2homologydomain，BH)，主要体现在4个保守的区域，即BH1、BH2、BH3、BH4结构域。其中BH4是抗凋亡蛋白所特有的结构域，BH3是与促进凋亡有关的结构域，Bcl-2家族成员可以含有1－4个数量与类型不同的BH结构域。•Bcl-2家族•凋亡抑制蛋白IAP家族凋亡抑制蛋白（inhibitorofapoptosisprotein，IAP）家族是唯一的内源性半胱天冬酶抑制物，包括包括XIAP（X-linkedinhibitorofapoptosisprotein）、Hiap-1、Hiap-2、NAIP、Survivin、apollon和livin等，广泛存在于许多物种如病毒、真核生物、哺乳动物中，起着抑制细胞凋亡的作用。凋亡抑制蛋白IAP家族•p53蛋白WTP53是一种抑癌基因,所编码的蛋白称为p53蛋白，p53蛋白也是一转录因子，在凋亡发展时也可转位至线粒体，并与热休克蛋白hsp70相互作用。虽然p53和hsp70相互作用对线粒体膜完整性的影响尚未阐明，但已证明p53的特异地定位于线粒体上就足以诱发细胞凋亡，这称为p53蛋白依赖性凋亡。p53家族的其他成员p73和p63蛋白，如同p53蛋白一样，也可诱发细胞周期停顿和凋亡。但与p53蛋白间也存在一些重要区别，它们在介导凋亡中的作用尚待研究。在内源性与外源性凋亡途径中，p53都发挥重要作用。P53调控的基因：PERP、DRS、FAS细胞凋亡的机制死亡受体途径（外源性途径）CD95/CD95L途径TNFR1途径TRAILR途径线粒体凋亡途径（内源性途径）TNFR家族成员均为I型跨膜糖蛋白，它们在胞膜外区含有2-6个约由40个氨基酸残基组成的富含半胱氨酸的结构域(cysteine-richdomain,CRD)。TNFR超家族CD95/CD95L途径CD95配体（CD95ligand,CD95L）的结合诱导CD95受体（FasR，Apo-1）的三聚化，受体的胞内区与接头蛋白（adaptor）FADD蛋白（fasassociateddeathdomain）的DD结构域结合。FADD是CD95受体和部分TNF死亡受体家族成员介导信号通路中的胞浆死亡信号衔接蛋白，FADD含有2个结构域,即C端的死亡结构域(deathdomain，DD)和N端死亡效应结构域(deatheffectdomain,DED)。TNFR1途径TRAILR途径肿瘤坏死因子(TNF)是一种有着极其广泛生物学活性的细胞因子，它有2种特异性受体，其大部分生物学效应是通过TNF受体1(TNFR1)介导。TNFR1涉及促凋亡及抗凋亡2种截然不同的信号传导途径，取决于双方信号水平的强弱对比及作用时机的不同。肿瘤坏死因子相关的凋亡诱导配体(TNFrelatedapoptosisinducingligand,TRAIL)具有高度特异性，通过与细胞膜上的死亡受体结合而激活凋亡信号途径。共有５种受体死亡受体:DR4和DR5，DcR1和DcR2，以及OPG受体。线粒体途径是生物学界阐明得最为明确的信号通路之一，线粒体是真核生物能量和代谢的中心,也是在细胞凋亡、信号转导中起关键调节作用的细胞器。不仅线粒体的原发损伤可诱发细胞的凋亡性死亡和非凋亡性死亡，而且在其他信号转导通路诱发的细胞凋亡进程中，线粒体也无例外地被累积并参与了细胞凋亡的程序。因此有人称线粒体为细胞死亡信号整合器(deathsignalintegrator)。线粒体凋亡途径Bcl-2家族蛋白位于线粒体，对线粒体诱导的细胞凋亡具有重要的调节作用。p53直接作用于Bax激活线粒体凋亡途径第三节衰老或是凋亡凋亡与细胞衰老是常见的细胞命运，但是•细胞如何在凋亡与衰老之间进行选择的？•细胞在凋亡与衰老之间又是如何转换的？•它们的分子机制又是什么？上世记九十年代以来对细胞凋亡与细胞衰老的分子水平的研究，给这些长期困扰的问题一些初步的答案。外界因子激发细胞选择凋亡或衰老细胞的凋亡与衰老途径的“串话”p53调节细胞凋亡与衰老Bmi1调节细胞凋亡和衰老细胞如何在凋亡与衰老之间进行选择机制还没有完全了解，但是研究证实了细胞的凋亡与衰老之间的密切联系。细胞的凋亡与衰老途径的“串话”、p53蛋白分子的广泛参与、PcG家族Bmi-1的桥梁作用等是细胞选择凋亡或衰老的可能机制。