第四版第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细胞死亡的分类•根据形态特征来分:凋亡；坏死；自噬•根据酶学标准来分:caspase依赖的细胞死亡；caspase非依赖的细胞死亡等•根据功能方面来分:程序性或意外细胞死亡,生理性或病理性细胞死亡•根据免疫学特征来分:引起免疫反应和不引起免疫应答的细胞死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•细胞凋亡是受基因控制的主动的细胞生理性自杀或谋杀行为•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2011（一）细胞凋亡的特征1.凋亡的起始2.凋亡小的形成3.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（二）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（二）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（二）细胞凋亡的检测方法3.DNA断裂的原位末端标记法–转移酶介导的dUTP缺口末端标记测定法（TUNEL）–脱氧核糖核苷酸末端转移酶（不需要模板！）–能对DNA分子断裂缺口中的3′-OH进行原位标记–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（二）细胞凋亡的检测方法3.DNA断裂的原位末端标记法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）细胞凋亡的检测方法3.DNA断裂的原位末端标记法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（二）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（二）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（二）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（二）细胞凋亡的检测方法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细胞凋亡参与了免疫耐受的形成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（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•动物细胞凋亡的阶段：–接受凋亡信号；–凋亡相关分子的活化；–凋亡的执行；–凋亡细胞的清除•动物细胞凋亡的途径–Caspase依赖性和不依赖于Caspase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•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2011（1）Caspase分类及其结构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2011NatRevMolCellBiol,2010,11(9):621-632（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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–死亡配体主要是肿瘤坏死因子（TNF）家族成员；胞质部分均含有死亡结构域，负责招募凋亡信号通路中的信号分子•线粒体起始的内源途径–内源途径中，线粒体处于中心地位–当细胞受内外部凋亡信号刺激时，胞内线粒体的外膜通透性会发生改变，向细胞质中释放凋亡相关因子，引发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2011Caspase依赖性细胞凋亡信号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（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（2）线粒体起始的内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（2）线粒体起始的内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959个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2011JunyingYuan,Ph.D.袁钧瑛XiaodongWang,Ph.D.王晓东://=view&id=20发现哺乳动物细胞中Ced3的同源蛋白白介素-1β转换酶建立了细胞凋亡内源途径的模型两位华人科学家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抑制细胞凋亡促进细胞凋亡促进细胞凋亡bcl-2family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2011NatRevMolCellBiol,2010,11(9):621-632bcl-2family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20113.Caspase非依赖性的细胞凋亡•凋亡诱导因子（apoptosisinducingfactor，AIF）•限制性内切核酸酶GBiochemistry(Moscow),2005,70,(2):231-239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2011J.Exp.Med.,2010,207(9):1807-1817Find-meandeat-mesignal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20114.穿孔蛋白－颗粒酶介导的细胞凋亡NatureReviewsImmunology,2002,2,735-747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20115.生死抉择：细胞凋亡的调控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生存因子通过调节Bcl-2家族成员的活性及表达抑制细胞凋亡的发生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内源性caspases抑制因子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2011p53通过激活凋亡正调节因子的转录来促进凋亡，同时还能够抑制抗凋亡因子的转录翟中