第十一章细胞衰老与细胞凋亡

第十一章细胞衰老与凋亡第一节细胞衰老（aging，senescence，senility）细胞衰老（cellsenescence)•人体的自然寿命约120岁•细胞衰老是细胞内部结构的衰变，细胞生理功能的衰退或丧失。•正常的动物细胞无论是在体内生长还是在体外培养，其分裂次数总存在一个“极限值”。•此值被称为“Hayflick”极限，亦称最大分裂次数。Hayflick界限(Hayflicklimitation)细胞体外传代次数与物种的寿命有关细胞体外传代次数与来源个体的年龄成反比.体外培养的细胞分裂能力逐渐降低•组织培养细胞的分裂次数的限制（Hayflicklimitation）：50代左右•人的成纤维细胞：–胎儿：80代–成年人：40代–老年人：20代分裂次数不同物种的最长寿命质膜粘度增加、流动性降低脂褐色素沉积,酶的活性发生变化如头发变灰白，由于头发基部的黑色素细胞失去了酪氨酸酶的活性所致。核核膜内陷形成皱襞,染色质呈异固缩,DNA受到损害,转录活性降低,核质比例减小.细胞内水分减少细胞收缩,原生质脱水,体积缩小.线粒体数目减少、体积肿胀、嵴退化,并出现空泡mtDNA突变或丢失高尔基体囊泡肿胀,分泌功能、运输功能退化内质网rER减少包含物糖原减少、脂肪积聚溶酶体功能低下,不能将摄入的大分子全部分解为可溶性成分,也不能及时排除一、衰老细胞的形态变化二、细胞衰老的机理•主要有遗传学派（Genetic/Programmedtheories）和差错学派（Errortheories）•遗传学派强调衰老是遗传决定的自然演进过程•差错学派强调衰老是由于细胞中的各种错误积累引起的，•两者是相互统一的。（一）遗传学派1．程序性衰老（programmedsenescence）•程序性衰老理论认为，生物的生长、发育、衰老和死亡都由基因程序控制的•衰老实际上是某些基因依次开启或关闭的结果。2.复制性细胞衰老(replicativecellsenescence):•认为是端粒不断变短所致，•一般体细胞中端粒酶是没有活性的。•细胞增殖次数与端粒DNA长度有关。体细胞染色体的端粒DNA会随细胞分裂次数增加而不断缩短。•细胞DNA每复制一次端粒就缩短一段，当缩短到一定程度至Hayflick点时，•可能会启动DNA损伤检测点（DNAdamagecheckpoint），激活p53，引起p21表达，导致不可逆地退出细胞周期，走向衰亡。•人的成纤维细胞端粒每年缩短14-18bp，•可见染色体的端粒有细胞分裂计数器的功能，能记忆细胞分裂的次数。•引进端粒酶可以增加培养细胞的传代次数3．长寿基因（longevitygenes）•统计学资料表明，子女的寿命与双亲的寿命有关，各种动物都有相当恒定的平均寿命和最高寿命•物种的寿命主要取决于遗传物质，DNA链上可能存在一些“长寿基因”或“衰老基因”来决定个体的寿限。•当细胞衰老时，一些衰老相关基因（SAG）表达特别活跃一个37岁的成人早衰症患者正常儿童（左）和婴幼儿早衰症患者（右）（二）差错学派1.代谢废物积累（wasteproductaccumulation）•细胞代谢产物积累至一定量后会危害细胞，引起衰老•如：哺乳动物脂褐质(又称致密体、残质）的沉积•脂褐质是一些长寿命的蛋白质和DNA、脂类共价缩合形成的巨交联物•次级溶酶体是形成脂褐质的场所•由于脂褐质结构致密，不能被彻底水解，又不能排出细胞，结果在细胞内沉积增多，阻碍细胞的物质交流和信号传递，最后导致细胞衰老，•如老年性痴呆（AD）就是由β-淀粉样蛋白沉积引起的。2.自由基学说（freeradicaltheories）•自由基是一类瞬时形成的含不成对电子的原子或功能基团•自由基含有未配对电子，具有高度反应活性，可引发链式自由基反应•引起DNA、蛋白质和脂类等大分子物质变性和交联•损伤DNA、生物膜、重要的结构蛋白和功能蛋白，从而引起衰老各种现象的发生。•主要包括：氧自由基（如羟自由基·OH）、氢自由基（·H）、碳自由基、脂自由基等，其中·OH的化学性质最活泼。人体内自由基的产生有两方面：•一是环境中的高温、辐射、光解、化学物质等引起的外源性自由基；•二是体内各种代谢反应产生的内源性自由基。•主要途径有：•①由线粒体呼吸链电子泄漏产生；•②由过氧化物酶体的多功能氧化酶（MFO）等催化底物羟化产生。清除自由基的防御系统•在正常细胞内存在，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）•非酶系统如：维生素E3．线粒体DNA突变（mitochondrialDNAmutation）•mtDNA最容易发生突变。•在线粒体氧化磷酸化生成ATP的过程中，大约有1-4%氧转化为氧自由基，因此线粒体是自由基浓度最高的细胞器。•mtDNA裸露于基质，缺乏结合蛋白的保护，最易受自由基伤害•催化mtDNA复制的DNA聚合酶γ不具有校正功能，复制错误频率高•缺乏有效的修复酶，故mtDNA最容易发生突变。•mtDNA突变使呼吸链功能受损，进一步引起自由基堆积，如此反复循环。4.重复基因失活•主要基因的选择性重复是基因组的保护性机制•重复基因的一个拷贝受损或选择关闭后，其它拷贝被激活，直到最后一份拷贝用完，这时细胞因缺少某种重要产物而衰亡。第二节细胞坏死与凋亡(celldeath)•细胞死亡是指细胞生命现象的终结，是细胞生命现象不可逆的停止。细胞死亡的方式通常有3种：•①细胞坏死（necrosis）。•②细胞凋亡（apoptosis）。•③细胞程序性死亡（programmedcelldeath，PCD）。•PCD和细胞凋亡常被做为同义词使用，但两者实质上是有差异的。•凋亡是一个形态学概念，指与细胞坏死不同•PCD是一个功能性概念，描述在一个多细胞生物体中，某些细胞的死亡是个体发育中一个预定的，并受到严格控制的正常组成部分，•PCD的最终结果是细胞凋亡，•但细胞凋亡并非都是程序化的。2002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，获诺贝尔生理与医学奖。一、细胞坏死•坏死是极端的物理，化学因素或严重的病理性刺激引起的细胞损伤和死亡染色质团块状染色体形成串状片断细胞器肿胀细细胞坏死的形态膜不完整内容物释放引起周围组织炎症反应二、细胞凋亡•细胞凋亡(apoptosis,programmedcelldeath,PCD)是指细胞在生理或病理条件下由基因控制的自主有序的死亡过程，又称程序化细胞死亡(programmedcelldeath，PCD)。细胞增殖和细胞死亡对生物体具有同样重要的意义•细胞死亡是发育过程中经常发生的•蝌蚪的变态、哺乳动物胚胎指（趾）的形成、神经细胞的死亡蝌蚪变态成蛙，尾部的细胞发生细胞程序性死亡，通过血液中甲状腺激素增加来刺激。a小鼠的趾间细胞程序性死亡（红色）B1天后发育的小鼠的爪。凋亡细胞的主要特征•①染色质聚集、分块、位于核膜上，胞质凝缩，最后核断裂，细胞通过出芽的方式形成许多凋亡小体•凋亡小体的形成：核染色质断裂为大小不等的片断，与某些细胞器如线粒体一起聚集，被反折的细胞膜所包围，细胞表面产生了泡状或芽状的突起，逐渐分隔形成凋亡小体•②凋亡小体内有结构完整的细胞器，还有凝缩的染色体，可被邻近细胞吞噬消化，因始终有膜封闭，没有内溶物释放，故不会引起炎症；•③凋亡细胞中仍需要合成一些蛋白质，但是在坏死细胞中ATP和蛋白质合成受阻或终止；•④核酸内切酶活化，导致染色质DNA在核小体连接部位断裂，形成约200bp整数倍的核酸片段，凝胶电泳图谱呈梯状•⑤凋亡通常是生理性变化，而细胞坏死是病理性变化。•球形致密的染色质染色质边缘化，细胞核和细胞质碎片化形成凋亡小体，被周围细胞吞噬正常细胞左，正常胸腺细胞；右，凋亡胸腺细胞（注意凋亡小体）A坏死：细胞膜破裂BC细胞程序性死亡：细胞膜完整细胞核膜变皱染色质边缘化巨噬细胞被吞入的死亡细胞细胞膜完整，鼓泡，形成凋亡小体DNA碎片化染色质凝集核碎片化细胞碎片化细胞膜完整正常细胞染色质凝集核碎片化•细胞凋亡的一种特征性变化：DNA电泳呈阶梯状——核酸内切酶的作用结果正常核DNA细胞坏死与凋亡的形态区别染色质边缘化，染色体固缩，形成星目形，帽状结构的形态沿着核膜分布细胞核和细胞质碎片化形成凋亡小体，被周围细胞吞噬细胞凋亡和细胞坏死的区别区别点细胞凋亡细胞坏死起因生理或病理性病理性变化或剧烈损伤范围单个散在细胞大片组织或成群细胞细胞膜保持完整，一直到形成凋亡小体破损染色质凝聚在核膜下呈半月状呈絮状细胞器无明显变化肿胀、内质网崩解细胞体积固缩变小肿胀变大凋亡小体有，被邻近细胞或巨噬细胞吞噬无，细胞自溶，残余碎片被巨噬细胞吞噬基因组DNA有控降解，电泳图谱呈梯状随机降解，电泳图谱呈涂抹状蛋白质合成有无调节过程受基因调控被动进行炎症反应无，不释放细胞内容物有，释放内容物。第三节细胞凋亡的分子机理•细胞凋亡和细胞增殖是维持体内细胞数量动态平衡的基本措施。•胚胎发育阶段通过细胞凋亡清除多余的和已完成使命的细胞，保证了胚胎的正常发育；•在成年阶段通过细胞凋亡清除衰老和病变的细胞，保证了机体的健康。•和细胞增殖一样细胞凋亡也是受基因调控的精确过程，•由于各种原因引起的细胞一类特殊的蛋白酶激活（CASPASE），使细胞中一些关键性的蛋白降解，造成凋亡。•凋亡酶CASPASE•（cysteineaspartate-specificprotease）半胱氨酸-天冬氨酸特异蛋白酶又称半胱天冬酶或切冬酶，此酶的活性中心含有半胱氨酸，它特异性切割ASP羧基形成的肽键。caspase分为两类•一类为启动者（initiator），如caspase-8、9，受到信号后，能通过自剪接而激活，然后引起caspase级联反应，如caspase-8可依次激活caspase-3、6、7。•另一类为执行者（executioner或effector），如caspase-3、6、7，它们可直接降解胞内的结构蛋白和功能蛋白，引起凋亡，•但不能通过自催化（autocatalytic）或自剪接的方式激活•细胞中还具有caspase的抑制因子，称为IAPs（inhibitorsofapoptosisproteins），属于一个庞大的蛋白家族•Bcl-2家族，线虫中的ced-9。•细胞凋亡的途径主要有两条，•一条是通过胞外信号激活细胞内的凋亡酶caspase、•一条是通过线粒体释放凋亡酶激活因子激活caspase。CASPASEcaspase以酶原形式合成（procaspase，前-CASPASE），被酶切后而激活。切割位点•细胞凋亡是一个级联反应，一些caspases依次激活，使反应放大Caspasex1个分子的激活，能切割许多Y或Z前-caspase,从而使更多caspase激活切割许多关键的蛋白。导致细胞凋亡启动者执行者执行者（一）细胞外部信号活化的凋亡这种信号称为刺杀信号（Killersignal)或死亡配体（deathligand),细胞表面上有可同死亡配体专一性结合的死亡受体（deathreceptor),死亡受体被激活，信号传至细胞内部，启动了细胞凋亡。如FasL与fas蛋白的作用引起procaspase8的聚集和切割，产生活化的caspase8procaspase通过与接头蛋白（adaptor)的结合而被激活•接头蛋白（adaptor):可以与procaspase结合，使其形成聚集体，从而相互激活（或构型发生改变而激活）。杀伤淋巴细胞FasL：Fas配体接头蛋白Caspase的级联放大procaspase8的聚集和切割杀伤淋巴细胞膜上有FasL（配体）靶细胞上有Fas蛋白caspase-8、通过自身剪切激活，它们启动caspase的级联反应，使caspase-3、-6、-7激活，这几种Caspase可降解胞内结构蛋白和功能蛋白，最终导致细胞凋亡。•Caspase可激活名叫CAD（caspase-activatedDNAse）的存在于胞质中的核酸酶，使它进入细胞核降解