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细胞衰老机体结构细胞增殖细胞分化细胞凋亡细胞信号转导染色体（DNA与蛋白质的相互作用）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•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）第一节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一个主动的由基因决定的自动结束生命的过程。由于受到严格的由遗传机制决定的程序性调控，所以常常被称为细胞程序性死亡（programmedcelldeath,PCD）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凋亡的起始。染色质固缩，趋边；细胞膜完整。（早期）凋亡小体被邻近的细胞吞噬消化。（末期）凋亡小体的形成。DNA断裂，膜反折，包围DNA细胞器，表面突起。（中晚期）（一）细胞凋亡的特征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）180~200bpDNAladdercanbedetectedDetectionofcellapoptosisFigure18-4MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)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、TUNEL测定法（DNA断裂的原位末端标记法）Figure18-4MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)（二）细胞凋亡的检测方法针对DNA分子中断裂缺口中的3’-OH进行原位标记,凋亡细胞的核DNA中产生的3’-OH末端，可藉助荧光素进行原位标记，并用荧光显微镜进行观察。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与正常完整的二倍体细胞相比，凋亡细胞DNA发生断裂和丢失，呈亚二倍体状态。采用碘化丙啶染色使DNA产生激发荧光，流式细胞仪能够检测出凋亡的亚二倍体细胞左图：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）（二）细胞凋亡的检测方法5.流式细胞分析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（三）细胞凋亡的生理学及医学意义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（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2011Earlyresearches(MIT:RobertHorvitz,1986)Celegans:amillimeterlong,transparentbodyonlyafewcelltypes,fromzygotetomatureadultonlyin3.5days.Sixpairschromosomes,3000genes模式生物：秀丽隐杆线虫C.elegansC.elegans:1090cells,131cellsdeathCes-1(celldeathspecification),Ces-2andegl-1(egg-layingabnormal):definethefirststep,whichmutatetoperturbthelife-versus-deathdecisionofonlyafewcells(somespecificcells),revealingacellspecificpattern.Ced-3(celldeathabnormal),Ced-4andCed-9:mutatetocausethesurvivalofallcellsthatnormallyundergoprogrammedcelldeath,definingakillingstep.Sixgenes:disrupttheprocessofphagocytosisthatnormallyactstoremovesellcorpseformedfromprogrammedcelldeath.Nuc-1:thedegradationofDNA线虫体细胞凋亡研究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2011CED:CellDeathAbornomalThreegenesced3和ced4是线虫发育过程中细胞凋亡的必需基因ced9的功能是抑制细胞凋亡Ced-3(celldeathabnormal),Ced-4andCed-9:mutatetocausethesurvivalofallcellsthatnormallyundergoprogrammedcelldeath,definingakillingstep.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2011Twomodelsofwaysinwhichced-9mightactasanegativeregulatorofced-3andced-4function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诱导细胞凋亡的因子①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，视黄酸等（四）细胞凋亡的分子机制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2011WhycalledCaspase?Activesite:CysteineCleavagesite:AsparaticacidCysteineAsparaticacidspecificproteaseAsp-Xxx天冬氨酸特异性的半光氨酸蛋白水解酶Caspase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。1.Caspase(Cysteineasparticacidspecificprotease)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2011Allcaspasesexpressedasproenzymes—ProcaspasesProcaspaseNH2-terminalprodomain:HighlyvariableLargesubunit(20kD)Smallsubunit(10kD)（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2011Caspase酶原的活化:Caspases酶原在特异位点被切割（通常由另一家族成员催化），切割产生的片段聚合形成有活性的Caspases。Figure18-5MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)（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2011Caspases级联效应:少量活化的起始Caspases能够切割许多下游Caspases酶原，进而通过级联放大