章-医学细胞生物学细胞衰老与死亡

第十一章细胞衰老与死亡2“生、老、病、死”是生命的四重奏。人类自出生均要经过生长、发育、成熟、衰老直至死亡的几个阶段，这是生命的必然规律。生命是物质的，人体是由细胞组织起来的。组成细胞的化学物质在运动中不断受到内外环境的影响而发生损伤，致使人体内某些细胞不断地衰老与死亡。细胞的衰老与死亡是新陈代谢的自然现象3第一节细胞的衰老4衰老:是机体在退化时期生理功能下降和紊乱的综合表现,是不可逆的生命过程。人的衰老与细胞的衰老相关联现代人类面临着3种衰老：◆生理性衰老◆病理性衰老◆心理性衰老56细胞衰老是客观存在的。同新陈代谢一样,细胞衰老是细胞生命活动的客观规律。对多细胞生物而言,细胞的衰老和死亡与机体的衰老和死亡是两个不同的概念,机体的衰老并不等于所有细胞的衰老,但是细胞的衰老又是同机体的衰老紧密相关的。7个体衰老与细胞衰老的关系单细胞生物：多细胞生物：细胞衰老=个体衰老细胞衰老≠个体衰老每时每刻都在更新8细胞的寿限细胞也同生物体一样，有一定的寿命，体内总有细胞不断地衰老与死亡,同时又有细胞的增殖与新生进行补充。这不仅发生在胚胎发育过程中，在成年体内的各组织器官中也有细胞的死亡。各类细胞本身的寿命很不一样,一般说来,能够保持持续分裂能力的细胞是不容易衰老的。分化程度高又不分裂的细胞寿命却是有限的。9根据细胞寿命情况将细胞分为三类：寿命接近于动物的整体寿命:如神经细胞，脂肪细胞，肌细胞等。缓慢更新的细胞，其寿命比机体的寿命短:如肝细胞，胃壁细胞等。快速更新的细胞:如皮肤的表皮细胞，红细胞和白细胞等，它们在正常情况下终生保持分裂能力。10Hayflick界限1961年，LeonardHayflick首次报道了体外培养的人的成纤维细胞(humanfibroblasts)具有增殖分裂的极限。利用来自胚胎和成体的成纤维细胞进行体外培养发现：胚胎的成纤维细胞分裂传代50次后开始衰退和死亡，相反，来自成年组织的成纤维细胞只能培养15～30代就开始死亡。11Hayflick等发现，动物体细胞在体外可传代的次数，与物种的寿命有关。例如，龟的最高寿命是175岁，它的细胞在体外培养时能分裂100多次。而小鼠的寿命只有几年，所以从小鼠分离的细胞在体外分裂的次数不超过30次。12体外培养的年轻人和老年人的成纤维细胞的显微形态13细胞衰老的特征细胞内水分减少◆色素生成和色素颗粒沉积细胞膜的变化：膜的流动性下降、刚性增强◆细胞质的变化：内质网排列的有序性降低、内质网数量减少、线粒体数量减少◆细胞核的变化：核膜内折、染色质固缩、核小体DNA变短◆细胞化学组成的变化：蛋白质合成能力下降、高尔基体的分泌与运输功能下降14第二节细胞的死亡15一、细胞死亡的方式•细胞坏死•细胞凋亡•细胞程序性死亡正常的组织中，经常发生“正常”的细胞死亡，它是维持组织机能和形态所必需的。细胞死亡的方式有三种：16早期表现为细胞膜破坏，线粒体肿胀溶酶体破裂,细胞内容物流出,引起炎症（一）细胞坏死(necrosis)细胞坏死(necrosis)：细胞受到化学因素（如强酸、强碱、有毒物质）、物理因素（如热、辐射）和生物因素（如病原体）等环境因素的伤害，引起细胞死亡的现象。17细胞坏死的形态特征细胞坏死初期，胞质内线粒体和内质网肿胀、崩解，结构脂滴游离、空泡化，蛋白质颗粒增多，核发生固缩或断裂。随着胞质内蛋白变性、凝固或碎裂，以及嗜碱性核蛋白的降解，细胞质呈现强嗜酸性，故坏死组织或细胞在苏木精/伊红染色切片中，胞质呈均一的深伊红色，原有的微细结构消失。在含水量高的细胞，可因胞质内水泡不断增大，并发生溶解，导致细胞结构完全消失，最后细胞膜和细胞器破裂，DNA降解，细胞内容物流出,引起周围组织炎症反应。18引起坏死细胞形态改变的因素：酶性消化蛋白变性若酶来源于死亡细胞本身的溶酶体，则称为细胞自溶（autolysis）若酶来源于浸润坏死组织内白细胞溶酶体，则为细胞异溶（heterolysis）19细胞凋亡的概念：由体内外因素触发细胞内预存的死亡程序而导致的细胞死亡过程细胞凋亡的特点：①细胞通过出芽的方式形成许多凋亡小体；②凋亡小体内有结构完整的细胞器；③溶酶体活性不增加④内切酶活化，DNA片断化，凝胶电泳图谱呈梯状（二）细胞凋亡(apoptosis)20凋亡的起始，微绒毛的消失，细胞间接触的消失，与周围的细胞脱离，细胞质中，线粒体大体完整，染色质固缩。细胞质密度增加，线粒体膜电位消失，通透性改变，释放细胞色素C到胞浆，膜内侧磷脂酰丝氨酸外翻到膜表面。凋亡小体的形成。核膜核仁破碎，核染色质断裂为大小不等的片段，与某些细胞器如线粒体一起聚集，为反折的细胞膜所包围。凋亡小体逐渐被周围专职或非专职吞噬细胞吞噬。凋亡细胞形态特征2122正常胸腺细胞凋亡胸腺细胞23扫描电子显微镜下的凋亡小体2425细胞程序性死亡（programmedcelldeath，PCD）是一种基因指导的细胞自我消亡方式。PCD和细胞凋亡的区别在以下方面：–PCD是功能性概念，凋亡是形态学概念。–PCD的最终结果是细胞凋亡，但细胞凋亡并非都是程序化的。–PCD存在于胚胎发育过程中。（三）细胞程序性死亡26细胞凋亡与细胞坏死的区别特征细胞凋亡细胞坏死诱导因素生理及弱刺激强烈刺激受累范围单个细胞丢失成群细胞死亡膜完整性保持到晚期早期即丧失细胞体积减少、固缩增大肿胀染色质凝聚成半月形稀疏成网状细胞器无明显变化肿张破坏溶酶体保持完整破坏外溢细胞形状形成凋亡小体破裂成碎片基因组DNA有控降解随机降解大分子合成一般需要不需要基因调控有无后果不引起炎症反应引起炎症反应意义生理死亡方式病理死亡方式27细胞坏死与凋亡的形态区别28细胞坏死细胞凋亡29细胞凋亡的生化改变DNA片断化caspase激活灭活凋亡抑制物水解活性蛋白水解结构蛋白Ca2+/Mg2+Zn2+核酸内切酶激活①②③30细胞凋亡中的DNA的片段化31DNA断裂与“梯状条带”(1)32DNA断裂与“梯状条带”(2)33典型凋亡细胞DNA琼脂糖凝胶电泳（呈现梯状条带）34二、细胞凋亡的生物学意义1.细胞凋亡与个体发育在个体发育过程中的细胞凋亡是保证个体正常发育所必需的。2.细胞凋亡与免疫形成自身抗原耐受、防止过高的免疫应答、激活淋巴细胞对靶细胞的凋亡。35手指的形成过程蝌蚪尾巴的退化过程363.细胞凋亡与衰老通过凋亡可及时清除衰老细胞，降低机体癌变的危险。4.细胞凋亡与损伤修复当DNA损伤不可逆转时，可通过细胞凋亡清除损伤细胞。5.细胞凋亡与肿瘤细胞增殖与凋亡的速度平衡失调可造成肿瘤的发生。37第三节细胞凋亡的过程与调控38一、细胞凋亡的过程cAMPCa2+神经酰胺凋亡诱因凋亡信号转导凋亡基因激活细胞凋亡凋亡细胞清除受体死亡信号DNase活化Caspases活化↓∶DNA片断↓凋亡小体形成巨噬细胞吞噬、分解39二、细胞凋亡的调控（一）细胞凋亡相关因素诱导性因素激素和生长因子失衡理化因素免疫性因素微生物学因素大量糖皮质激素↓淋巴细胞凋亡射线/高温/强酸/强碱/乙醇/抗癌药物CTL分泌粒酶HIV→CD4+细胞凋亡40抑制性因素细胞因子(IL-2/NGF)激素(ACTH/睾丸酮/雌激素)金属阳离子(Zn2+)药物(苯巴比妥/半胱氨酸酶抑制剂)病毒EB病毒/牛痘病毒（一）细胞凋亡相关因素41信号转导凋亡诱导因素受体cAMPCa2+神经酰胺（第二信使）胞内信号转导途径激活凋亡程序死亡信号启动预定程序凋亡相关基因激活酶合成核酸内切酶激活Caspases激活DNA切割细胞解体凋亡基因激活执行凋亡清除42细胞凋亡发生的时间过程43多途性：同一凋亡诱导因素可通过多条信号转导途径触发凋亡多样性：不同种类的细胞有不同的信号转导系统偶联性：死亡信号的转导系统与细胞增殖、分化过程中的信号转导系统在某些环节上有交叉、偶联同一性：不同的凋亡诱导因素可通过同一信号转导途径触发凋亡凋亡诱导因素凋亡信号转导死亡程序激活apoptosis凋亡信号转导的特点：凋亡的信号转导441.胞内Ca2+信号系统2.cAMP/PKA信号系统3.Fas蛋白/Fas配体信号系统4.神经酰胺信号系统5.二酰甘油/PKC信号系统6.酪氨酸蛋白激酶(PTK)信号系统凋亡的信号转导系统451.胞内Ca2+信号系统激活钙依赖的谷氨酰胺转移酶活化核转录因子，触发凋亡2.cAMP/PKA信号系统cAMP依赖的PKA激活，靶蛋白残基磷酸化，蛋白功能改变3.Fas/FasL信号系统Fas是跨膜蛋白，与T细胞上的FasL结合，启动凋亡凋亡的信号转导系统46Fas诱发凋亡的方式Fas配体＋Fas蛋白+神经鞘磷脂酶(SMase)神经鞘磷脂(SM)神经酰胺(CER)＋蛋白激酶DNA断裂细胞凋亡抗Fas抗体或TNF与Fas蛋白结合＋ICE样的Caspase组蛋白降解染色体松弛DNA链舒展酶切位点暴露Fas蛋白激活Ca2+信号系统传递死亡信息474.神经酰胺（CER）信号系统神经鞘磷脂（SM）神经酰胺（第二信使）电离辐射TNF-αFas抗原GCapoptosisPLA2SMase丝／苏氨酸激酶(EGFR)丝／苏氨酸磷酸酶(CAPP)PKC底物抑制增生各种细胞反应诱导NFkB下调c-myc表达环氧酶485.二酰甘油／PKC信号系统磷脂酰肌醇磷脂酰胆碱PLC二酰甘油（第二信使）PKCβ1生长因子受体PTKGsGiTCRPLCPIP2IP3Ca2+DGPKC核内拓扑异构酶Ⅱ磷酸化DNA损伤凋亡离子通道G蛋白磷酸化cAMP增加凋亡凋亡496.酪氨酸蛋白激酶(PTK)信号系统生长因子（EGF）细胞因子（IL-3）PTK靶蛋白上的酪氨酸磷酸化rasraf-1MAPKKMAPK靶蛋白磷酸化细胞分化生长因子或细胞因子撤除apoptosis50APOPTOSIS腺苷酸环化酶←钙调素←Ca2+↓↓cAMP↑谷氨酰胺转移酶↓↓PKA↑转录因子神经酰胺↓SPP↑↓AP-1↑↓S期(抗凋)caspase↑↓H1组蛋白MAPK↑MAPKK↑Raf-1↑Ras↑PTK↑↓分化×PKC↑二酰甘油糖皮质激素①②③④⑤⑥51（三）凋亡相关基因1.Bcl-2家族Bc1-2是一种原癌基因主要分布于线粒体内膜、细胞膜内表面、核膜及部分内质网广泛存在于造血细胞、上皮细胞、淋巴细胞、神经细胞及多种肿瘤细胞与一般的癌基因有所不同，BCL-2延长细胞的生存，能抑制细胞凋亡,而不是促进细胞的增殖目前已经发现BCL-2家族的15个成员，所有Bcl-2家族成员均含有1个或多个BH结构域。52BCL-2家族包括三个亚家族53Bcl-2亚家族：Bcl-2亚家族成员对细胞凋亡起抑制作用。成员：Bcl-2、Bcl-xl、Bcl-w、Mcl-1、A1能阻抑多种凋亡诱导因素引发的细胞凋亡机制：直接抗氧化抑制线粒体释放促凋亡蛋白质抑制促凋亡性调节蛋白Bax,Bak的细胞毒作用抑制caspases的激活维持细胞钙稳态抗凋亡：54Bax亚家族：它们的作用与Bcl-2亚家族的作用相反，可促进细胞凋亡成员：Bax、Bak、BokBH3亚家族：仅有BH3结构域，它们的作用也与Bcl-2亚家族的作用相反，可促进细胞凋亡成员：Bik、Blk、Hrk、BNIP3、Biml、Bad、Bid552.P53P53是肿瘤抑制基因，其产物主要存在于细胞核内。P53基因是人类肿瘤有关基因中突变频率最高的基因。野生型P53(wtP53)诱导凋亡，突变后抑制凋亡wtP53在G1期发挥检验点功能→有缺陷DNA→CIP表达→启动修复→失败→启动凋亡CIP-----(cyclindependentkinase–interactingprotein-1)P53蛋白能特异地抑制Bc1-2的表达，相反对Bax的表达则有明显的促进作用（P53蛋白是Bax基因的直接的转录活化因子）,使细胞发生凋亡563.c-myc促进增殖c-myc(转录调节因子)诱导凋亡57第四节细胞凋亡的发生机制58一、氧化损伤（自由基的作用）1.引起DNA损伤，可激活P53基因;2.引起DNA损伤可活化多聚ADP核糖合成酶，引起NAD快