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细胞衰老和阿尔茨海默病朱建华教授大理大学人体解剖学教研室CellagingandAlzheimer’sDisease第一节衰老的定义一、老化的概念衰老(aging)又称老化（Senescence）：是生物体自成熟期开始，随增龄发生的、渐进的、受遗传因素影响的、全身复杂的形态结构和生理功能不可逆的退行性变化。具有普遍性、内因性、进行性、累积性及有害性的特点。有两层含义：一是其增殖分化的停止。二是其同时能够维持细胞的基本功能。二、细胞衰老的改变：主要表现为对环境变化适应能力的降低和维持细胞内环境稳态的能力降低。（一）形态结构变化1.细胞核的变化：细胞核增大，染色质固缩（常染色质减少，染色加深）。2.内质网的变化：粗面内质网逐渐减少，弥散于核周，排列紊乱。高尔基体囊泡肿胀、扁平囊泡断裂崩解。3.线粒体的变化：随年龄增大数目减少、体积增大。线粒体嵴减少、变清晰，外膜破裂。4.膜系统的变化：从液晶相变为凝胶相或固相，膜流动性降低；缝隙连接减少，膜功能下降。5.细胞骨架系统变化：肌动蛋白装配水平降低。6.致密体形成：是衰老细胞中的一种常见结构，由溶酶体或线粒体转化而来。（二）功能变化1.染色质转录活性下降。2.蛋白质合成下降，酶活性改变。衰老的动物细胞成熟的动物细胞三、衰老模型酵母：细菌，繁殖非常快。果蝇(Drosophila)：寿命短，繁殖快，有多种基因缺失的突变体。线虫：如：秀丽隐杆线虫(Caenorhabditiselegans)人胚肺成纤维细胞。动物模型：SamP8小鼠，TG2576小鼠。第二节衰老的机制随机理论系统理论细胞理论基因学说一、随机理论（StochasticTheories）1.自由基学说(freeradicaltheory)自由基是在外层轨道上具有不成对电子的分子或原子基团，如：·O2-、·OH等，会与其他物质反应夺取电子，引起一些极重要的生物分子失活，对细胞的结构和功能产生有害的生物学效应。正常代谢反应的中间产物含有自由基，但会被机体清除。机体清除自由基的能力随龄年的增加而下降，体内自由基增多，对细胞造成不可逆的损伤，如脂类的过氧化与大分子的交联，其后果是使胞内酶失活，以及象脂褐质一类的惰性物质在胞内沉积。2.大分子交联学说（crosslinkagetheory）该学说由Bjorksten于1963年提出的，后经Verzar加以发展。其主要论点是：机体中蛋白质，核酸等大分子可以通过共价交叉结合，形成巨大分子。这些巨大分子难以酶解，堆积在细胞内，干扰细胞的正常功能。3.错误成灾学说（erroractastrophetheory）错误成灾学说是由Orgel确提出的，认为在DNA复制、转录和翻译中发生误差，这种误差可以不断扩大，造成细胞衰老、死亡。二、系统理论1.神经内分泌学说此学说认为下丘脑、垂体、肾上腺好象人体的“生物钟”，是调节衰老过程的主要场所。下丘脑、垂体的功能障碍会影响其它内分泌腺的功能，相关激素水平下降，将导致全身功能的退行性变化。衰老过程内分泌系统功能改变主要包括：①靶细胞受体数目减少且反应性减退。②激素降解率减低，血液中激素浓度升高，反馈性地引起激素的分泌减少。③酶合成的神经内分泌调节功能减退。2.衰老的免疫学说该学说认为：第一，免疫功能衰退是造成机体衰老的主要原因。第二，自身免疫在衰老过程中起决定性作用，衰老不是细胞死亡和丢失的被动过程，而是积极的自身破坏过程。免疫功能退化表现在三个方面：个体水平：对外源性免疫应答降低，自身免疫应答增强。器官水平：胸腺退化，免疫功能下降。细胞及分子水平：T细胞数目减少，功能下降。三、细胞理论1.体细胞突变和DNA损伤学说该学说认为：突变造成的细胞形态与功能的改变是人体衰老的重要原因。2.程序性衰老学说认为衰老与发育、生长、成熟相似，是由遗传程序规定的按时表达的生命现象。阻遏基因阻遏蛋白衰老基因衰老(-)3.线粒体DNA突变学说线粒体DNA(mtDNA)突变导致呼吸链相关酶出现异常，从而影响细胞的能量供应和正常功能，导致细胞衰老及多种疾病发生。细胞衰老与死亡细胞能量供应障碍mtDNA突变呼吸链酶生成障碍ATP产生障碍4.端粒学说端粒（telomere)是真核生物染色体末端由许多简单重复序列和相关蛋白组成的复合结构，具有维持染色体结构完整性和解决其末端复制难题的作用。端粒长度取决于端粒酶的活性。人类端粒（TTAGGG)nn=250~1500stop端粒长度在人体内端粒酶出现在大多数的胚胎组织、生殖细胞、炎性细胞、更新组织的增生细胞以及肿瘤细胞中。正因如此，细胞每有丝分裂一次，就有一段端粒序列丢失，当端粒长度缩短到一定程度，会使细胞停止分裂，导致衰老与死亡。端粒酶RNA（核蛋白酶）蛋白质端粒酶维持细胞分裂时染色体端粒长度端粒酶活性（+）：胚胎细胞、生殖细胞、肿瘤细胞端粒酶活性（-）：正常组织模板序列CUAACCCUAACGGGATT四、衰老基因学说衰老基因和长寿基因：泛指那些引起或延缓衰老的基因，又可称为衰老相关基因。线虫：daf基因酵母：sgsl基因缺陷明显影响寿命人类Werner早老综合征：WRN基因突变第三节细胞死亡一、细胞死亡的形式细胞坏死(necrosis)和细胞凋亡(apoptosis)。细胞坏死：由于多种致病因子、物理、化学和生物因子的作用，而产生的急性损伤所致，亦称病理性死亡。细胞凋亡：由基因控制的细胞自主的有序性的死亡。因受相关基因的调控，亦称程序性细胞死亡(progremmedcelldeath,PCD)。胸腺细胞正常凋亡细胞坏死与细胞凋亡的比较细胞凋亡过程中的小鼠趾一天以后的小鼠趾细胞凋亡二、细胞凋亡的特点1.凋亡小体(apoptoticbody)形成：胞膜内陷包围凝集断裂的染色质和细胞器形成的囊状小泡。左侧示哺乳类乳腺细胞的凋亡，染色质凝集，核膜崩解。右侧示哺乳类正常的乳腺细胞。透射电镜扫描电镜正常细胞细胞凋亡开始染色质固缩，沿核膜分布，细胞质亦固缩细胞膜反折，凋亡小体形成染色体形成串状片段，细胞器膨胀，线粒体基质呈絮状。细胞膜破裂，细胞解体，机体炎症反应。细胞坏死开始细胞凋亡2.染色质DNA降解•各种原因引起核酸内切酶活化使细胞凋亡发生基本生化改变。•DNA降解有规则，早期出现180~200bp片断，琼脂糖凝胶电泳呈阶梯状。200bp400bp600bp800bp1．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细胞色素c诱导的凋亡细胞DNA电泳图三、哺乳动物细胞凋亡的基因调控促进细胞增殖的基因：c-myc,c-abl,ras促进细胞存活的基因：bcl-2(ced9的同源物),EIB,c-kit细胞生长抑制基因：p53,RB,WT-1细胞死亡促进基因：Bax,ICE(ced3的同源物)第四节阿尔茨海默病（AizheimerDisease，AD）患者奥格斯特美国前总统里根:患AD后已经不记得自己担任过总统美国老年痴呆症协会资深副主席凯恩：里根为战胜老年痴呆症做出了两大贡献,一是极大地提高了公众对这种病的认识;二是使人们敢于公开谈论这种疾病。美国前拳王患痴呆后已经不记得自己击败过多少对手痴呆分类：①原发性痴呆：包括老年性痴呆和早老性痴呆，后者常称为Alzheimer痴呆，表现为行为紊乱、情绪不稳定、妄想、失语、运动障碍。②慢性器质性痴呆：中年发病，多因癫痫、全身麻痹或肿瘤引起，表现为严重人格衰退、失语。③后遗性痴呆：年青人，多继发于脑外伤或炎症。④急性痴呆状态：多因颅脑外伤或炎症急性期引起，表现为记忆障碍，思维能力下降，注意力不集中。阿尔茨海默病（AizheimerDisease，AD），是一种多发生在老年，以近期记忆障碍为主要临床症状，以老年斑、神经元纤维缠结为主要病理改变的进行性神经变性疾病，其病因及发病机制尚不清楚。基础和临床的研究资料表明，老年性痴呆的病理损伤主要集中在海马结构、内嗅区等异生皮质(古、旧皮质)为核心的边缘系统。一、阿尔茨海默病的定义：二、流行病学发病率：80年代末上海55岁以上的老年人群中痴呆的患病率为2.57%，AD为1.5%。分布：随年龄增加患病率呈上升趋势；女性高于男性，为男性3倍。农村高于城市，随教育程度增高而降低，身居要职的人物发病高。目前全国60岁以上人口中AD患者310万人，其中女性发病人数大约为男性2.5倍。诱发因素：年龄的增长、免疫功能低下、病毒感染、过多使用铝制品、钙离子含量过低、丧偶、文盲、低经济收入、缺乏体育及脑力锻炼、情绪抑郁和独居等。中国各种痴呆类型的患病率阿尔茨海默病(AD)57%血管性痴呆(VaD)31%其他12%(LiuL,etal,DementiaGeriatrCogDisorders2003;15:226-230)三、遗传学通过基因分析已确定有三种导致早发家族性AD（FAD）发病的基因，位于1，14和21号染色体上；而晚发FAD型位于19号染色体上。1.淀粉样前体蛋白（APP）基因APP突变FAD患者21号染色体上APP基因17号外显子发生突变。APP基因的突变所致AD仅占FAD的2%-3%，其他的早发FAD与APP基因不相关联。而早老素(PS)基因的突变则为大多数FAD的病因。正常情况APP由β分泌酶裂解为可溶性多肽Aβ；基因突变导致裂解的部位改变，产生易于沉淀的Aβ；另外，ApoEε4（载脂蛋白ε4）与可溶性Aβ结合促进沉淀。沉淀对神经元有毒性，使之退变。2.早老素基因（presenilingene，PS基因）1992年，有报道早发FAD和第14号染色体长臂的标志连锁，定位于14q24.3座位，命名为AD3，最后发现S182基因（PS1），与70-80%早发FAD有关，占AD的10%。PS2基因位于第1号染色体q31-42。PS的表达很广泛，主要位于神经元。海马结构和小脑颗粒细胞层所含有的PS1mRNA最多。PS1基因突变可能导致APP异常加工、转运及Tau蛋白等细胞骨架蛋白之间的相互作用异常及钙离子通道的破坏，从而影响细胞内外钙离子的交换，最终导致AD的病理变化。NascentPsnholoproteinformsalow-Mrproteincomplexandisrapidlydegraded,whereasafractionofPsnisstabilizedbybindingtoAph-1(andNct),althoughitstillremains-secretaseinactive.Pen-2elicitsthefinalstepofmaturationofthe-secretasecomplex,facilitatingendoproteolysisofPsnandconferring-secretaseactivity.Colouredtubesrepresenttheputativetransmembranedomains(TMD)ofeachprotein,andstarswithinthesixthandseventhTMDofpresenilinsymbolizeactive(red)andinactive(unfilled)aspartateresiduesinvolvedin-secretaseactivities.3载脂蛋白E（ApoE）基因：1993年，发现ApoE的等位基因ε4与晚发AD相关联，ApoE的基因是用位置性克隆技术确认的AD的易患位点，位于染色体19q12-13.2的保守基因簇中，靠近与FAD有关的遗传标志。约65-75%散发AD及晚发FAD与ApoEε4相关。ApoE存在3种基因型：ε2、ε3、ε4ε3:(Cys112,Arg158):正常人群以ε3为主ε2：(Arg158→Cys):有抗AD作用ε4：(Cys112→Arg):与迟发型FAD及SAD相关Cys：半胱氨酸；Arg：精氨酸ApoE与受体ApoE/APOB（LDL）在脑内可以调节脂类的转运和细胞内在化，ApoEε4的突变导致神经元脂质转运及内在化的失调，在AD