第十一节细胞衰老与细胞死亡.

细胞分化——基因特异性（差别性）表达细胞衰老与细胞死亡细胞生物学教研室第一节细胞衰老(cellularaging,cellsenescence)一名男子从36岁到75岁味觉丧失64％肾小球减少44％肾小球过滤率减少31％脊神经元减少37％神经传导速度减慢10％脑供血量减少20％肺活量减少44％生物体形态结构和生理功能随年龄增加而显现出的不可逆的衰退现象，这种衰退增加了有机体对疾病和死亡的易感性，这种现象称为衰老。个体的衰老是细胞的衰老引起的。细胞衰老◆经典实验体外培养成纤维细胞来自胎儿可传代50次（与供体年龄有关）来自成人可传代20次来自小鼠可传代14－28次（与供体物种来自乌龟可传代90－125次特性有关）◆Hayflick界限细胞、至少是培养的细胞，有一定寿命的。它们的增殖能力不是无限的，而是有一定界限的。物种寿命与培养细胞寿命之间存在着确定的相互关系物种成纤维细胞传代数个体最长寿命（年）龟90－125175水貂30－3415鸡15－358小鼠14－283.5人胚胎40－60120出生至15岁20－4015岁以上10－30早老病患者2－1010－20高等动物体内存在4种不同类型的细胞。3、恒久组织细胞：高度分化的细胞，这类细胞的寿命接近于动物的整体寿命，如神经细胞和骨骼肌、心肌细胞等。在胚胎发育终了时，这些细胞不再增加数量。它们随着个体衰老而衰老，或者由于这些细胞的衰老、死亡引起个体死亡。但可由干细胞增殖、分化以补充之。2、稳定组织细胞：分化程度较高的细胞，正常情况下无明显衰老现象，细胞分裂少见，但受损时，剩余细胞可重新分裂，补充失去的细胞。如肝、肾细胞等。1、不断更新组织细胞：是快速更新的细胞。如上皮细胞、血细胞。4、可耗尽组织细胞：如人类的卵巢实质细胞。（一）细胞核的变化在细胞衰老变化中核膜内陷。神经细胞尤为明显，这种内折随年龄增长而增加，最后可能导致核膜崩解。染色质固缩化是另一个重要变化。在衰老细胞中，细胞核固缩，还常常出现核内容物，核质染色加深，核的细致结构逐渐消失，核仁也发生明显的变化.（二）细胞膜的变化细胞的间隙连接明显减少，组成间隙连接的膜内颗粒聚集体变小，这种变化使细胞间代谢协作减少了。膜脂相发生改变，胆固醇与磷脂之比增大，膜流动性下降。细胞衰老的特征（三）内质网的变化内质网排列变得无序，膜腔膨胀扩大甚至崩解，膜面上核糖体数量减少。（四）线粒体的变化细胞中线粒体的数量随着年龄的增大而减少，而其体积则增大。同时，线粒体的结构也发生变化，肿胀空泡化，内部嵴大大减少。线粒体崩解是细胞衰老变化的重要标志。因为线粒体的呼吸链是损伤性自由基的发源地。线粒体DNA成为自由基的主要攻击目标。（五）致密体的生成溶酶体消化功能减退，脂褐质增加；老年斑（六）细胞骨架的改变微丝数量减少，结构和成分发生改变，核骨架改变（七）细胞内生化改变蛋白质合成速率降低，细胞内酶含量和活性降低。（八）细胞外基质改变细胞外基质大分子交连增加。（九）细胞内水分减少，体积减小细胞衰老的分子机制差错学派：强调衰老是由于细胞中的各种错误积累引起的。代谢废物积累学说、自由基学说、线粒体DNA突变学说遗传学派：强调衰老是遗传决定的自然演进过程。（一）衰老的遗传学说生物的生长、发育、衰老和死亡都是由基因程序控制的，衰老实际上是某些基因依次开启和关闭的结果。细胞核基因组内存在遗传“生物钟”。1．衰老基因细胞中可能存在衰老基因，衰老基因的表达产物，是一种可抑制DNA和蛋白正常合成、促进衰老的抑制素。成人早衰症和婴幼儿早衰症Werner综合征(WS)又称成人型早老症，患者平均寿命为46岁,是一种罕见的常染色体隐性遗传病，主要特征是衰老加速。主要临床表现是过早出现的衰老征象本病是染色体8pll一12的WRN(也称Rec03)基因突变所致。该基因编码DNA解旋酶和外切核酸酶，突变导致该酶活性丧失，端粒丢失加快。婴幼儿早衰症不足8岁就表现出早衰症状2.抗衰老相关基因细胞中存在抗衰老相关基因，抗衰老相关基因的表达产物，增强机体代谢能力及应急能力。3.染色体端粒和衰老端粒随着细胞分裂的不断进行而逐渐变短。当端粒缩短到一个临界长度时，启动停止细胞分裂的信号，细胞退出细胞周期，此时细胞不再分裂并出现老化，细胞开始死亡，此称为第一死亡期(M1)或危险期。因而人们把端粒的长度作为细胞的有丝分裂钟来对待。端粒酶是一种反转录酶，由RNA和蛋白质组成将人的端粒酶反转录酶亚基（hTRT）基因引入正常的人视网膜色素上皮细胞，其端粒长度明显增加，分裂旺盛，作为细胞衰老指标的ß—半乳糖苷酶活性则明显降低。同时，表达端粒酶的细胞寿命比正常细胞至少长20代，且其核型正常。F4端粒复制...TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTG...AACCCCAACCCCAACCCCAAC5’3’3’5’dGTP...TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTT...AACCCCAACCCCAACCCCAAC5’3’3’5’dGTP...TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTTG...AACCCCAACCCCAACCCCAAC5’3’3’5’3’RNAtemplateTelomerase（二）错误累计——自由基学说衰老起因于代谢过程中不断产生的自由基自由基——瞬时形成的含不配对电子、原子团，特殊状态的分子和离子。超氧阴离子自由基，过氧化氢损坏细胞膜结构，增加DNA突变，造成功能蛋白质合成误差；促进核酸和蛋白质的分子内和分子间逐步发生化学交联，使细胞不能发挥正常的功能，最终死亡；维持体内适当水平的自由基清除剂可以延长寿命，延缓衰老。1.细胞自由基自由基在细胞内的产生是有多种原因的，如生物氧化、辐射、受污染物的侵害以及细胞内的酶促反应等过程中都会释放自由基。自由基一旦生成，它们就能不断扩增，发生级联反应。对磷脂的氧化和对DNA造成损伤可能是主要的。细胞内存在清除自由基的防御系统，包括酶系统和非酶系统。前者如超氧化物歧化酶（SOD），过氧化氢酶（CAT）以及谷胱甘肽过氧化物酶（GHS－PX）。后者如Ve和VC。超表达Cu/ZnSOD和过氧化氢酶的转基因果蝇寿命比野生型长34%；而将人SODI的基因转入成年果蝇的运动神经元中，能使果蝇寿命延长40%。2.线粒体自由基假说细胞中许多自由基是由线粒体制造出来的,当自由基一旦形成，线粒体中合成ATP的组分和线粒体DNA(比核DNA更易受氧化损伤)首当其冲。自由基引起的线粒体损伤最终干扰了ATP产生的效率并增加了自由基的输出。细胞衰老与死亡细胞衰老细胞死亡？第二节细胞死亡一、细胞坏死(necrosis)●极端的物理、化学或其他严重的病理性因素诱发的细胞死亡，“病理性细胞死亡”●细胞坏死时，细胞质膜发生渗漏，细胞内容物，包括膨大和破碎的细胞器以及染色质片段，释放到胞外，导致炎症反应●曾经：被动的、非自主过程（necrosis=makedie)目前：程序性的，双刃剑二、细胞凋亡（apoptosis）1965年澳大利亚科学家发现，结扎鼠门静脉后，肝实质组织中有一些散在的死亡细胞体积收缩、染色质凝集、从其周围的组织中脱落并被吞噬、机体无炎症反应,显然不同于细胞坏死。在胚胎发育生物学、免疫系统的研究，肝细胞死亡研究基础上,1972年Kerr等三位科学家首次提出了细胞凋亡的概念。细胞凋亡是一个主动的由基因决定的自动结束生命的过程，所以也常常被称为细胞编程死亡（programmedcelldeath,PCD）。●它是一个主动的、高度有序的、基因控制的、一系列酶参与的过程。●选用古希腊名词apoptosis（=droppingoff）命名，强调这是一自然的生理过程。细胞凋亡（apoptosis）细胞凋亡的生物学意义细胞凋亡是机体生存和发育的基础，它涉及生命活动中的许多领域。细胞凋亡对于多细胞生物个体发育的正常进行，自身平衡的保持以及抵御外界各种因素的干扰方面都起着非常关键的作用。1.确保正常生长发育在胚胎发育过程中，特定区域的细胞群会发生自然凋亡，清除这些细胞有利于器官的形态发生。如果没有程序性死亡，机体的胚胎发育则不能正常进行。细胞凋亡的生物学意义脊椎动物的神经系统在发育过程中通过细胞凋亡来调节神经细胞的数量，使之与需要支配的靶细胞数量相适应。凋亡在正常的细胞生存与死亡的平衡中起调节作用，如果该平衡出现问题则导致肿瘤、阿尔兹海默病和类风湿关节炎等疾病的发生。2、维持机体内环境稳定细胞凋亡的生物学意义细胞可通过凋亡的形式清除—些病毒感染的细胞、肿瘤细胞、衰老的细胞以及受损伤的细胞。3、发挥积极的防御功能细胞凋亡的生物学意义细胞表面的特化结构如微绒毛消失，细胞间接触的消失，但细胞膜依然完整；细胞内脱水，细胞体积缩小，线粒体大体完整，但核糖体逐渐从内质网上脱离，内质网囊腔膨胀，并逐渐与质膜融合；染色质固缩，形成新月形帽状结构等形态，沿着核膜分布。◆凋亡的起始：细胞凋亡的主要变化1.形态变化核染色质断裂为大小不等的片段，与某些细胞器如线粒体一起聚集，为反折的细胞质膜所包围。细胞表面产生了许多泡状或芽状突起，逐渐形成单个的凋亡小体。◆凋亡小体的形成—凋亡执行期◆凋亡小体逐渐为邻近的细胞吞噬并消化—凋亡消亡期a正常T细胞杂交瘤细胞b凋亡细胞(扫描电镜)c凋亡细胞(透射电镜)内源性核酸内切酶活化，染色质DNA在核小体连接部断裂。被降解为（180-200bp）整数倍片段，凝胶电泳呈梯状---DNALadder。2.生化变化鉴定细胞凋亡的方法1、正常细胞；2、细胞凋亡的起始，染色质固缩、分离并沿核膜分布，细胞质亦发生固缩；3、凋亡中的细胞，细胞质膜反折，包围细胞碎片，如染色质片断和细胞器，形成芽状突起，以后逐渐分隔，形成凋亡小体；4、凋亡小体被邻近细胞吞噬；5、坏死的早期阶段，染色体形成串状片段，细胞器膨胀，线粒体基质呈絮状；6、坏死的最后阶段，细胞膜破裂，细胞解体内容物散逸。细胞坏死与凋亡的比较凋亡与坏死的区别染色质呈絮状不规则移位细胞器肿胀染色质凝聚在核膜下呈半月状细胞器无明显变化细胞肿胀自溶内容物释放引起炎症反应细胞体积固缩变小细胞膜完整凋亡小体形成凋亡小体被邻近细胞或巨噬细胞吞噬无炎症反应细胞凋亡细胞坏死概念基因控制的自主过程，表现为细胞缩小，核内染色质浓缩，核质边缘化，膜发泡，凋亡小体形成。非自主过程，质膜丧失完整性和化学梯度，细胞质内容物外泄引起细胞溶解死亡。刺激生理或病理情况。病理情况例如毒素、严重缺氧、缺血和缺乏ATP。形态学细胞皱缩，与邻近细胞连接丧失。肿胀，形态不规则。细胞膜完整，鼓泡，形成凋亡小体。溶解或通透性增加。细胞器完整受损细胞核固缩，染色质边缘化染色质不规则转移线粒体肿胀，通透性增加，细胞色素c释放肿胀，破裂，ATP耗竭生化特征核小体DNA断裂成185bpxn片段随机断裂成大小不等片段能量要求依赖ATP不依赖ATP组织分布单个或成群细胞成片细胞组织反应非炎症炎症结局吞噬细胞吞噬部分膜性结构细胞内容物溶解释放细胞凋亡与坏死的主要特征比较影响细胞凋亡的因素（一）诱导因素●物理性因子：包括射线（紫外线，射线等）●化学因子：包括活性氧基团和分子●生物因子：DNA和蛋白质合成的抑制剂，激素，细胞生长因子，肿瘤坏死因子（TNF）等（二）抑制因素1、细胞因子2、某些激素3、其他：Zn2+、药物、EB病毒……细胞凋亡的分子机理（一）线虫细胞凋亡相关的基因和蛋白质秀丽隐杆线虫1090个细胞，131个细胞凋亡。找到一系列与细胞凋亡有关的基因秀丽隐杆线虫秀丽隐杆线虫C.elegans，透明，长仅1mm，体细胞959个1090cells-131cellsdeath=959cells①ced-3、ced-4基因突变或缺失，使凋亡受阻，有多余细胞存在——诱发、启动凋亡；②移入ced-9，使凋亡受阻；失去ced-9，使细胞凋亡——抑制凋亡。SydneyBrennerRobertHorvitzJohnSulston2002年诺贝尔生理学和医学奖（二）哺乳细胞凋亡相关基因1.caspase家族也称ICE/ce