第16章细胞死亡与细胞衰老

翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）Copyright©高等教育出版社2011第16章细胞死亡与细胞衰老翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）©高等教育出版社2011MitosisApoptosis细胞增殖和细胞死亡对生物体具有同样重要的意义Homeostasis稳态翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）©高等教育出版社2011本章主要内容细胞死亡细胞凋亡细胞坏死自噬性细胞死亡细胞衰老翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）©高等教育出版社2011第一节细胞死亡•细胞死亡是指细胞生命活动的结束•细胞死亡的方式：1.细胞凋亡（apoptosis）2.坏死（necrosis）3.自噬性细胞死亡（autophagiccelldeath）翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）©高等教育出版社2011一、细胞凋亡•细胞凋亡（apoptosis）是一个由基因决定的主动的生理性自杀行为，即细胞接受某些特定信号刺激后进行的正常生理应答反应。•细胞凋亡具有典型的形态学和生化特征，凋亡细胞最后以凋亡小体被吞噬消化。•1972年，澳大利亚病理学家Kerr提出细胞凋亡（apoptosis）•apoptosis（apo-ptosis）源自古希腊语，意指花瓣或树叶的脱落、凋零。这一命名的生物学意义在于强调这种细胞死亡方式是正常的生理过程翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）©高等教育出版社20112002年诺贝尔生理学或医学奖翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）©高等教育出版社2011透明，长仅1mm，体细胞数目恒定1090cells-131cellsdeath=959cells模式生物：秀丽隐杆线虫C.elegans翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）©高等教育出版社2011PathwaystocelldeathinC.elegansandmammals翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）©高等教育出版社2011动物蜕变过程中幼体器官的缩小和退化（如蝌蚪尾的消失等）也是通过细胞凋亡来实现的高等哺乳类动物指（趾）间蹼的消失、颚融合、肠管腔道的形成、视网膜发育等过程都必须有细胞凋亡的参与动物发育过程中的细胞凋亡翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）©高等教育出版社2011细胞凋亡使得神经细胞与靶细胞的数量相匹配发育过程中神经细胞的数量较靶细胞多。靶细胞通过分泌存活因子来调节神经细胞的数量。不能获得足够存活因子的神经细胞发生凋亡，使得剩下的神经细胞与靶细胞的数量相当翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）©高等教育出版社2011翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）©高等教育出版社2011细胞凋亡参与了免疫耐受的形成胸腺细胞经过一系列发育过程成为各种类型的免疫活性细胞，同时通过细胞凋亡，对识别自身抗原的T细胞克隆进行选择性消除翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）©高等教育出版社2011细胞凋亡剔除被病原体感染的细胞翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）©高等教育出版社2011（一）细胞凋亡的生理学及医学意义•细胞凋亡在正常发育、自稳态的维持、免疫耐受的形成、肿瘤监控以及抵御内外各种因素的干扰等过程中均发挥重要作用–确保正常发育、生长–维持内环境稳定–发挥积极的防御功能•凋亡失调：不恰当激活或抑制；过度凋亡导致疾病–AIDS：HIV诱导淋巴细胞凋亡–自身免疫疾病：激活的淋巴细胞凋亡缺陷–癌症：凋亡缺陷–老年痴呆/中风：过多神经细胞凋亡翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）©高等教育出版社2011（二）细胞凋亡的特征1.凋亡的起始2.凋亡小体的形成3.吞噬染色质固缩、分离并沿核膜分布，细胞发生皱缩细胞质膜反折，包裹染色质片段和细胞器等细胞碎片，形成芽状突起并逐渐分隔，形成凋亡小体凋亡小体被吞噬细胞吞噬翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）©高等教育出版社2011（三）细胞凋亡的检测方法1.形态学观察——染色法–台盼蓝；DAPI；吉姆萨染色法等DAPI染色显示凋亡细胞的染色质凝集A.正常细胞核B.凋亡细胞核翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）©高等教育出版社2011（三）细胞凋亡的检测方法2.DNA电泳–凋亡时，细胞内特异性核酸内切酶活化，染色质DNA在核小体间被特异性切割，DNA降解成180～200bp或其整数倍片段细胞凋亡的典型特征——DNA梯状条带（DNAladders）翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）©高等教育出版社2011（三）细胞凋亡的检测方法3.DNA断裂的原位末端标记法（TUNEL）–凋亡细胞的核DNA断裂后产生3′-OH末端，因此可借助一种可观测的标记物如荧光素对单个凋亡细胞核或凋亡小体进行原位染色翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）©高等教育出版社2011（三）细胞凋亡的检测方法3.DNA断裂的原位末端标记法（TUNEL）原位末端标记法显示斑马鱼胚胎发育过程中的细胞凋亡翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）©高等教育出版社2011（三）细胞凋亡的检测方法4.彗星电泳法正常细胞的核无DNA断裂泳动时保持圆球形凋亡细胞中的DNA降解片段在电场中泳动速度较快，细胞核呈现出慧星式图案翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）©高等教育出版社2011（三）细胞凋亡的检测方法5.流式细胞分析左图：正常细胞周期右图：地塞米松处理的细胞在G1峰左侧可见一典型的凋亡峰型（亚二倍体峰）翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）©高等教育出版社2011（三）细胞凋亡的检测方法6.检测细胞膜成分变化细胞凋亡早期，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–检测磷脂酰丝氨酸的外翻翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）©高等教育出版社2011（三）细胞凋亡的检测方法6.检测细胞膜成分变化–检测磷脂酰丝氨酸的外翻–检测caspases的激活–检测Cytc的释放–检测线粒体膜电位的变化等“eatme”signalisthepresenceofphosphatidylserinemoleculesintheouterleafletofPMofapoptoticcells.翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）©高等教育出版社2011（四）细胞凋亡的分子机制•动物细胞的凋亡诱导因子大致分为：①物理性因子：包括射线（紫外线、γ射线等），较温和的温度刺激（如热激、冷激）等②化学及生物因子：包括活性氧基团和分子（超氧自由基、羟自由基、H2O2）、钙离子载体、VK3、视黄酸、细胞毒素、DNA和蛋白质合成的抑制剂（如环已亚胺）、正常生理因子（激素，细胞生长因子等）的失调，以及凋亡因子如肿瘤坏死因子α（tumornecrosisfactorα,TNFα）处理等翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）©高等教育出版社2011（四）细胞凋亡的分子机制•动物细胞凋亡的途径–Caspase依赖性细胞凋亡–Caspase非依赖性细胞凋亡细胞凋亡的途径包括4个小阶段：①接收凋亡信号→②凋亡相关分子的活化→③凋亡的执行→④凋亡细胞的清除翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）©高等教育出版社2011PathwaystocelldeathinC.elegansandmammals翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）©高等教育出版社20111.Caspase(Cysteineasparticacidspecificprotease)•caspases是一组存在于细胞质中具有类似结构的蛋白酶•它们的活性位点均包含半胱氨酸残基，能够特异地切割靶蛋白天冬氨酸残基后的肽键。因此，caspases称之为天冬氨酸特异性的半胱氨酸蛋白水解酶•caspases负责选择性地切割某些蛋白质，切割的结果是使靶蛋白活化或失活，而非完全降解翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）©高等教育出版社2011（1）Caspase分类及其结构起始caspases效应caspases•caspases通常以无活性酶原形式存在于细胞质中翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）©高等教育出版社2011Caspase家族成员及其在细胞凋亡过程中的功能翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）©高等教育出版社2011（2）Caspase的激活及其级联效应翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）©高等教育出版社2011效应caspases对底物的切割使得细胞呈现出凋亡的一系列形态学和分子生物学特征。可以分为被活化和失活两大类：被caspase活化的代表分子是caspases激活的核酸酶CAD被caspase失活的分子都在维护细胞正常状态中发挥关键作用，如黏着斑激酶（FAK）效应caspases还通过切割细胞骨架蛋白使细胞的骨架体系发生结构变化，便于细胞改变形态以及形成凋亡小体等（2）Caspase的激活及其级联效应翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）©高等教育出版社2011效应者Caspases作用的底物举例类型代表性蛋白作用核酸内切酶Caspase活化的DNA酶（CAD）抑制蛋白（ICAD）被切割后激活，导致核内DNA降解，形成DNA梯DNA修复的酶多聚（ADP-核糖）聚合酶（PARP）PARP被切割后失活，丧失修复活性，以便DNA降解蛋白激酶黏着斑激酶（FAK）、PKB、PKC和RAF1FAK失活破坏细胞黏着，导致凋亡细胞皱缩而与邻近细胞脱离，便于细胞吞噬细胞支架蛋白核纤层蛋白、中间丝、肌动蛋白和凝溶胶蛋白被切割后导致核纤层解体，细胞核收缩，细胞形态改变值得注意的是：由于Caspase在细胞凋亡途径中发挥关键作用，所以可将其作为靶标分子来设计药物。翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）©高等教育出版社2011（四）细胞凋亡的分子机制•动物细胞凋亡的途径–Caspase依赖性细胞凋亡–Caspase非依赖性细胞凋亡细胞凋亡的途径包括4个小阶段：①接收凋亡信号→②凋亡相关分子的活化→③凋亡的执行→④凋亡细胞的清除翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）©高等教育出版社20112.Caspase依赖性细胞凋亡途径•死亡受体起始的外源途径–起始于死亡配体与受体的结合–当死亡配体（如FasL或TNF等）与细胞表面死亡受体（如Fas或TNF-R1）结合后，引起死亡受体聚合，聚合的死亡受体通过其胞质区的死亡结构域（DD）招募接头蛋白（FADD或TRADD）结合，接头蛋白再通过其死亡效应结构域（DED）招募起始caspases酶原，形成死亡诱导信号复合物（DISC）。起始caspases酶原在DISC中通过同性活化而被激活，进而通过异性活化效应caspases（或信号分子Bid），作用于关键的结构蛋白和调节蛋白等底物，导致细胞凋亡。翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）©高等教育出版社2011（1）死亡受体起始的外源途径翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）©高等教育出版社2011•线粒体起始的内源途径–内源途径中，线粒体处于中心地位–内部凋亡信号（如不可修复的损伤）或外部凋亡信号（如活性氧）激活促凋亡因子（Bid），其C端片段被运送到线粒体与Bax/Bad形成复合物或使线粒体渗透性转换孔打开，导致Cytc释放；Cytc与Apaf-1（凋亡蛋白酶活化因子）和caspase-9酶原结合形成凋亡复合体，并活化caspase-9；活化的caspase-9激活下游的caspase-3，最后引起细胞凋亡。翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）©高等教育出版社2011（2）线粒体起始的内源途径凋亡复合体翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）©高等教育出版社2011•Bcl-2（Bcelllymphomagene2）：即B细胞淋巴瘤基因2蛋白，是线虫抗凋亡蛋白Ced9在哺乳动物细胞中的同源物。Bcl-2家族成员大多定位在线粒体外膜上，或受信号刺激后转移到线粒体外膜上，调控线粒体外膜通透性，促进或抑制细