第十三章细胞衰老与凋亡.

1第十三章细胞衰老与凋亡细胞衰老(cellularaging或cellsenescence)细胞凋亡(Apoptosis)2第一节细胞衰老(cellularaging或cellsenescence)●早期的细胞衰老研究●Hayflick界限(HayflickLimitation）●细胞在体内条件下的衰老●衰老细胞结构的变化●细胞衰老的分子机理3一、早期细胞衰老的研究Carrel和Ebeling宣布培养的鸡心脏细胞可无限制生长及分裂：细胞“不死性”。认为细胞本身不会衰老，环境的影响导致细胞衰老。4二、Hayflick界限(HayflickLimitation）概念：关于细胞增殖能力和寿命是有限的观点。细胞，至少是培养的二倍体细胞，不是不死的，而是有一定的寿命；它们的增殖能力不是无限的，而是有一定的界限，这就是Hayflick界限。癌细胞或培养的细胞系是不正常细胞，其染色体数目或形态已经不同于原先的细胞细胞的增殖能力与供体年龄有关物种寿命与培养细胞寿命之间存在着一定的关系二倍体细胞的衰老是由细胞本身决定的◆决定细胞衰老的因素在细胞内部，而不是外部的环境◆是细胞核而不是细胞质决定了细胞衰老5细胞来源人胚肺成纤维细胞中年人成纤维细胞老年人成纤维细胞可增殖代数40-60202-4不同年龄来源的人成纤维细胞的增殖代数6三、细胞在体内条件下的衰老●在机体内，细胞的衰老和死亡是常见的现象，甚至在个体发育的早期也会发生;●正常情况下终生保持分裂的细胞，其分裂能力是否随着有机体年龄的增高而下降？它们会不会衰老？◆衰老动物体内，细胞分裂速度显著减慢，其原因主要是G1期明显延长;◆衰老个体内的环境因素影响了细胞的增殖和衰老;◆骨髓干细胞移植实验说明随着年龄的增加，干细胞增殖速度也趋缓慢.7四、衰老细胞结构的变化细胞核的变化：体外培养的二倍体细胞，细胞核随着细胞分裂次数的增加不断增大；细胞核的核膜内折（invagination）、染色质固缩化；内质网的变化：衰老动物内质网成分弥散性地分散于核周胞质中，粗面内质网的总量似乎是减少了；线粒体的变化：通常细胞中线粒体的数量随龄减少，而其体积则随龄增大；致密体的生成：脂褐质，老年色素等膜系统的变化：衰老的细胞，其膜流动性降低、韧性减小。衰老细胞间间隙连接减少；细胞膜内（P面）颗粒的分布也发生变化（减少）。8五、细胞衰老的分子机理●氧化性损伤学说：代谢过程中产生的活性氧基团或分子（ROS---O2-，OH-，H2O2），引发的氧化性损伤的积累，最终导致衰老。●端粒与衰老：发现端粒长度确实与衰老有着密切的关系，提出细胞衰老的“有丝分裂钟”学说（Harley,1990）●rDNA与衰老:酵母染色体外rDNA环（ERC）的积累，导致细胞衰老。●沉默信息调节蛋白复合物（Sircomplex）与衰老：Sircomplex存在于异染色质区，其作用在于阻断所在位点DNA转录。●SGS1基因和WRN基因与衰老：SGS1基因和WRN基因同源,编码解旋酶;酵母sgs1突变体寿命明显短于野生型（平均9.5代:24.5代）;wrn突变引发早老症.●发育程序与衰老:●线粒体DNA与衰老:Sen-DNA(80年代);mtDNA突变积累与细胞衰老有关.9第二节细胞凋亡(Apoptosis)●细胞凋亡的概念及其生物学意义●细胞凋亡的形态学和生物化学特征●细胞凋亡的分子调控机理10一、细胞凋亡的概念及其生物学意义●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）。凋亡细胞将被吞噬细胞吞噬。●生物学意义：细胞凋亡对于多细胞生物个体发育的正常进行，自稳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：蝌蚪尾的消失，骨髓和肠的细胞凋亡，脊椎动物的神经系统的发育，发育过程中手和足的成形过程。11二、细胞凋亡的形态学和生物化学特征●细胞凋亡与坏死(necrosis)●细胞凋亡的形态学特征●细胞凋亡的生化特征●诱导细胞凋亡的因子●细胞凋亡的检测12细胞凋亡与坏死(necrosis)●二者的主要区别是：细胞凋亡过程中，细胞质膜反折，包裹断裂的染色质片段或细胞器，然后逐渐分离，形成众多的凋亡小体（apoptoticbodies），凋亡小体则为邻近的细胞所吞噬。整个过程中，细胞质膜的整合性保持良好，死亡细胞的内容物不会逸散到胞外环境中去，因而不引发炎症反应。相反，在细胞坏死时，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。13细胞凋亡的形态学特征◆凋亡的起始：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；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◆凋亡小体的形成：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◆凋亡小体逐渐为邻近的细胞吞噬并消化14细胞凋亡的生化特征◆细胞凋亡的主要特征是形成大小为180～200bp特征性的DNAladders◆凋亡细胞组织转谷氨酰胺酶tTG（tissueTransglutaminase）积累并达到较高水平15诱导细胞凋亡的因子◆物理性因子，包括射线（紫外线，射线等），较温和的温度刺激（如热激，冷激）等。◆化学及生物因子：包括活性氧基团和分子，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），抗Fas/Apo-1/CD95抗体等16细胞凋亡的检测形态学观测：染色法、透射和扫描电镜观察DNA电泳：DNA片段就呈现出梯状条带TUNEL测定法，即DNA断裂的原位末端标记法细胞凋亡中,染色体DNA双链断裂或单链断裂而产生大量的粘性3'-OH末端，可在脱氧核糖核苷酸末端转移酶（TdT）的作用下，将脱氧核糖核苷酸和荧光素、过氧化物酶、碱性磷酸酶或生物素形成的衍生物标记到DNA的3'-末端，从而可进行凋亡细胞的检测，这类方法称为脱氧核糖核苷酸末端转移酶介导的缺口末端标记法（terminal-deoxynucleotidyltransferasemediatednickendlabeling,TUNEL）。彗星电泳法（cometassay）流式细胞分析根据凋亡细胞DNA断裂和丢失，采用碘化丙啶使DNA产生激发荧光，用流式细胞仪检出凋亡的亚二倍体细胞，同时又能观察细胞的周期状态。17三、细胞凋亡的分子调控机理对哺乳动物细胞凋亡的基因凋控过程目前还不十分清楚，研究表明与细胞增殖有关的原癌基因和抑癌基都参于对细胞凋亡的凋控。其中研究较多的有bcl-2c-myc、p53、Ice、Fas/APO-1等。线虫(C.elegans)凋亡研究发现ced3,ced4基因促进细胞凋亡，ced9基因阻止ced3/ced4的激活，抑制细胞凋亡。Ced3哺乳类同源物是ICE(Interleukin-1-convertingenzyme)，即Caspase1Caspase家族与凋亡Bcl-2家族、线粒体与细胞凋亡p53与细胞凋亡是一种抑癌基因，其生物学功能是在G期监视DNA的完整性。如有损伤，则抑制细胞增殖。直到DNA修复完成。18Caspase家族与凋亡Caspase家族Caspase是近年来发现的一组存在与细胞质中的结构上相关的半胱氨酸蛋白酶，其活性位点是半胱氨酸(Cysteine)，裂解靶蛋白位点是天冬氨酸残基后的肽键，因此称为Cysteineasparticacicspecificprotease，即CaspaseCaspase活化Caspase自身以非活化的Procaspase存在，其激活依赖于其他的Caspase在它的天冬氨酸位点裂解活化或自身活化胞外信号分子诱导的细胞凋亡途径19胞外信号分子诱导的细胞凋亡途径凋亡信号通路当细胞接受凋亡信号分子(Fas,TNF等)后，凋亡细胞表面信号分子受体相互聚集并与细胞内的衔接蛋白(Adaptorprotein)结合，这些衔接蛋白又募集Procaspases聚集在受体部位，Procaspase相互活化并产生级联反应，使细胞凋亡下游Caspases活化后，作用底物：裂解核纤层蛋白，导致细胞核形成凋亡小体；裂解DNase结合蛋白，使DNase释放，降解DNA形成DNALadder裂解参与细胞连接或附着的骨架和其他蛋白，使凋亡细胞皱缩、脱落，便于细胞吞噬；导致膜脂PS重排，便于吞噬细胞识别并吞噬。20Bcl-2家族、线粒体与细胞凋亡Bcl-2是一种原癌基因，是ced-9在哺乳类中的同源物，能抑制细胞凋亡；与线粒体及内质网膜相结合；Bcl-2蛋白的羧基末端有一穿膜的结构域；Bcl-2家族成员的基因中，常常含有三个保守的Bcl-2同源区，即BH1，BH2和BH3Bcl-2、线粒体与细胞凋亡当Caspase8活化后，它一方面作用于Procaspase3，另一方面使Bid裂解成2个片段，其中含BH3结构域的C-端片段被运送到线粒体，与Bcl-2/Bax的BH3结构域形成复合物，导致细胞色素C释放。CytC与胞质中Ced4同源物Apaf-1(凋亡蛋白酶活化因子apoptosisproteaseactivatingfactor)结合并活化Apaf-1，活化的Apaf-1再活化Procaspase9，最后引起细胞凋亡。哺乳动物细胞中发现的Apaf2即是CytC212223a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)24基因产物功能BCL-2凋亡抑制剂，可和Bax及Bak结合BCL-x其L型抑制凋亡，S型促进凋亡，与Bax及Bak结合BCL-w凋亡抑制剂Bax凋亡促进剂，可与BCL-2，BCL-XL，EIB19K结合Bak凋亡促进剂，亦可作抑制剂，可与BCL-2，BCL-X和E1B19K结合MCL-1凋亡抑制剂Bad凋亡促进剂，与BCL-2和BCL-XL结合Ced-9线虫中的凋亡抑制剂，BCL-2同源物E1B19K腺病毒凋亡抑制剂，与Bax和Bak结合BCL-2家族成员252627坏死细胞凋亡细胞2829细胞色素c诱导的凋亡细胞DNA电泳图1．细胞色素c诱导0h2．细胞色素c诱导1h3．细胞色素c诱导2h4．细胞色素c诱导3h5．细胞色素c诱导4h6．阴性对照7．Marker（自赵允、翟中和）30线虫Caenorhabditiselegans是研究个体发育和细胞程序性死亡的理想材料。其生命周期短，细胞数量少，成熟的成虫若是雌雄同体则有959个体细胞，约2000个生殖细胞。若是雄虫则有1031个体细胞和约1000个生殖细胞。神经系统由302个细胞组成。这些细胞来自于407个前体细胞。这些前体细胞中有105个发生了程序死亡。控制线虫细胞凋亡的基因主要有3个Ced-3、Ced-4和Ced-9，Ced-3和Ced-4的作用是诱发凋亡。在缺乏Ced-3、Ced-4的突变体中不发生凋亡。有多余细胞存在。Ced-9抑制Ced-3、Ced-4的作用。使凋亡不能发生、Ced-9功能不足导致胚胎因细胞过度凋亡而死亡。312002年10月7日英国人悉尼·布雷诺尔、美国人罗伯特·霍维茨和英国人约翰·苏尔斯顿，因在器官发育的遗传调控和细胞程序性死亡方面的研究获诺贝尔诺贝尔生理与医学奖。2002年诺贝尔生理与医学奖获得者（图片来自）