1、1,细 胞 衰 老 与 死 亡,第一节 细 胞 衰 老,2,衰老的概念 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 衰老(senescing，aging) 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。,3,人的生长发育与衰老,4,细胞衰老的特点,细胞的衰老和死亡是常见现象，甚至在个体发育的早期也会发生。 细胞分裂能力随着机体年龄的增高而下降。衰老机体的细胞分裂速度显著减慢，其原因主要是G1期明显延长。 体内的环境因素影响了细胞的增殖和衰老。 干细胞移植实验说明：随着年龄的增加，干细胞增殖速度也趋缓慢,5,（一）形态变化,6,1.DN
2、A：复制与转录受阻，端粒DNA、mtDNA缺失。DNA氧化、断裂、缺失和交联，甲基化程度降低。2. RNA：含量降低。,（二）分子水平的变化,7,3. 蛋白质：合成下降，发生修饰、交联。4. 酶分子：活性中心被氧化，金属离子丢失，酶分子 的二级结构，溶解度，等电点发生改变，酶失活。5. 脂类：不饱和脂肪酸被氧化。,8,Hayflick界限,1961年，Hayflick 对人成纤维细胞(fibroblast) 进行体外培养，发现其具有增殖分裂的极限。 他利用来自胚胎和成体的成纤维细胞体外培养，发现： 来自胚胎的成纤维细胞分裂传代50次后开始衰退和死亡， 来自成年组织的成纤维细胞只能培养1530代
3、就开始死亡。,9,不同年龄人的成纤维细胞增殖能力,物种的寿命与体外培养时细胞传代次数的关系,11,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蛋白质合成的速度下降衰老过程中细胞膜的变化衰老过程中线粒体的变化细胞核的变化细胞骨架的变化,12,膜结构与功能的改变,1、磷脂含量逐步下降； 2、胆固醇与磷脂的比值上升； 3、膜受体与膜载体的结构与密度改变； 4、膜流动性降低、韧性减小 5、膜功能改变，转运能力下降。 如：钠钾ATP酶活性降低。,13,线粒体与内膜系统的改变,1.线粒体数目减少，形态异常（肿胀、嵴退化、空泡化）；2.线粒体DNA与蛋白合成下降；3.损伤线粒体的淘汰出现障碍；4.高
4、尔基体数目增多，扁平囊肿胀；5.溶酶体数目与体积增加；6.rER 减少、排列散乱、膜腔扩大、核糖体脱落；sER空泡化。,14,细胞核的变化,1、核膜的内折逐渐增多：2、染色质固缩化；3、染色体畸变率增高；4、DNA的含量改变：5、端粒DNA减少。,体外培养的年轻和老的人成纤维细胞的显微形态,年轻细胞分界明显，细胞排列均匀，细胞核规则椭圆形。,16,细胞衰老的理论,衰老的基因程序理论衰老的损伤积累理论细胞衰老的端粒假说细胞衰老的线粒体损伤论自由基理论,17,自由基学说,由原子组成的世界中，有一个特别的法则，这就是： 只要有两个以上的原子组合在一起，它的外围电子就一定要配对，如果不配对，它们就要去
5、寻找另一个电子，使自己变成稳定的元素。科学家们把这种有着不成对的电子的原子或分子叫做自由基，如超氧离子自由基 O2 、 羟自由基 OH 。 自由基是在代谢过程产生或外界诱发。 体内活性氧自由基具有一定的功能，如免疫和信号传导过程。,18,自由基学说,自由基非常活跃，不安分。就象社会中的不甘寂寞的单身汉一样，如果总也找不到理想的伴侣，就会成为社会不安定的因素。 自由基可与其他物质反应形成新自由基，过多的活性氧自由基会有破坏行为，引发蛋白、核酸、脂质的氧化损伤，导致人体正常细胞和组织的损坏，从而引起多种疾病。如心脏病、老年痴呆症、帕金森病和肿瘤。 学说要点：代谢过程中产生的活性氧基团和分子引发的氧
6、化性损伤的积累，最终导致衰老。,19,线粒体通过氧化磷酸化产生ATP，在氧化磷酸化过程中，也伴有氧自由基生成。 O2经过歧化生成H2O2，然后形成具有高度危害性的OH， OH损害了线粒体。 H2O2很容易通透生物膜， H2O2通过线粒体内膜与辅酶Q接触，辅酶Q将电子供给H2O2生成OH。自由基对线粒体内大分子有很大损伤，尤其是mtDNA无组蛋白更易受损害。,20,端粒（telomere） 染色体末端的特殊结构，其DNA由2501500个简单串联重复序列 TTAGGGCCCTAA 组成。该序列在分裂中不能被DNA聚合酶完全复制，随分裂次数的增多而逐渐变短，除非有端粒酶（telomerase）-生
7、殖细胞中，该酶活性高。Harley 1990 发现 端粒长度随年龄增长而下降。说明端粒与衰老关系密切：衰老钟 or 端粒钟。学说要点：随细胞的每次分裂，端粒不断减少，当长度缩短到一个阈值时，细胞进入衰老。,端粒丢失学说,21,长寿基因成人早衰症：39岁出现衰老，47岁生命结束；婴幼儿早衰症：1岁时衰老，寿命1218岁，患者DNA解旋酶发生突变 。C. elegans平均寿命3.5天，age-1单基因突变，可提高平均寿命65%，提高最大寿命110%。,22,Werners syndrome,早老症儿童,早老症儿童与正常儿童的比较,25,Apoptosis细胞凋亡,26,关于细胞死亡,死亡是生命的
8、普遍现象，但细胞死亡并非与机体死亡同步。 正常的组织中也发生细胞死亡，它是维持组织机能和形态所必需的,27,一、细胞凋亡及其特性,细胞凋亡，Apoptosis，源自于希腊语，原意是指树叶或花的自然凋落；细胞凋亡时，就像树叶或花的自然凋落一样，凋亡的细胞散在于正常组织细胞中，无炎症反应，不遗留疤痕。死亡的细胞碎片很快被巨噬细胞或邻近细胞清除，不影响其他细胞的正常功能。,28,程序性细胞死亡（programmed cell death，PCD）,程序性细胞死亡是指细胞在一定的生理或病理条件下遵循自身的程序自己结束生命的过程。病理学上又称为凋亡。对机体发育和维持正常生理功能不可缺少。 eg：手足成型
9、、神经系统发育（50%细胞凋亡）、杀手细胞对靶细胞的攻击、细胞更新（人肠和骨每小时10亿细胞凋亡）。,29,二、凋亡时细胞的主要变化,（一）细胞凋亡的形态学改变 微绒毛消失 脱水 空泡化 (blebbing) 固缩 (condensation) 出芽 (budding) 染色质边集 (margination) 凋亡小体 (apoptosis body),小鼠骨髓细胞的凋亡,程序性死亡细胞的形态结构变化,32,凋亡细胞形态学改变,33,胸腺细胞,正常,凋亡,34,胸腺细胞,正常,凋亡,35,a 正常T细胞杂交瘤细胞 b 凋亡细胞(扫 描电镜) c 凋亡细胞(透射电镜),DNA片段化形成梯状条带
10、DNA以核小体为单位断裂，形成180200bp 或其倍数的片断，电泳时呈特征性梯状条带。DNA ladder：鉴定凋亡最可靠方法。,（二）细胞凋亡的生物化学变化,凋亡细胞DNA链断裂示意图,38,凋亡细胞的DNA梯状条带,39,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,40,Apoptosis,Necrosis,1.细胞坏死（necrosis)：非正常死亡。2.细胞凋亡（apoptosis)：自然死亡。,三、细胞凋亡与细胞坏死,41,细胞坏死是细胞受到急性强力伤害时立即出现的反应。早期表现为细胞膜破坏，线粒体肿胀。继而溶酶体破裂，细胞内容
11、物流出，引起炎症。,42,43,细胞凋亡与细胞坏死的比较(一),44,细胞凋亡与细胞坏死的比较(二),四、程序性细胞死亡的机理,2002年的诺贝尔生理学和医学奖授予了在器官发育和程序性细胞死亡研究领域中做出奠基性贡献的3位科学家:英国的Brenner、Sulston和美国的Horvitz,线虫生命周期短，单个雄虫有1031个体细胞和1000个生殖细胞。其神经系统有302个细胞组成，来自于407个前体细胞，这些前体细胞有105个发生了PCD。Robert Horvitz等通过体细胞突变的方法发现C.elegans细胞中，有14个基因在凋亡中起作用。,雌雄同体的秀丽新小杆线虫,47,线虫中PCD相
12、关基因,决定死亡的2个基因： ces-1和ces-2基因 执行死亡的4个基因： ced-3、ced-4、ced-9和egl-1基因；死亡细胞被吞噬细胞所吞噬的7个基因： ced-1、ced-2、ced-5、ced-6、ced-7、ced-8和ced-10；死亡细胞在吞噬体中被降解的基因: 核酸酶基因 nuc-1。,程序性细胞死亡途径及相关基因,ced-3、ced-4、ced-9和egl-1 等4个基因构成了线虫执行死亡的“死亡机器”(death machinery);ced-3 和ced-4是细胞杀手;ced-9可抵消ced-3和ced-4 的作用，防止细胞被杀死，因此是存活因子; 真正的细胞
13、杀手是ced-3而不是ced-4。,50,哺乳动物细胞中有线虫凋亡基因的同源基因,人们发现哺乳类细胞中存在着Ced 3的同源物ICE家族（interleukin-1b converting enzyme），即Caspase 家族， Caspase 1催化白介素-1b的活化，即从其前体上将IL-1b切割下来。在大鼠成纤维细胞中过量表达ICE和Ced3都会引起细胞凋亡，表明了ICE和Ced3在结构和功能上的相似性。,51,天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶 caspase自杀性蛋白水解酶即天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶，简称caspase (cysteine-containing aspartate sp
14、ecific protease)，半胱天冬蛋白酶; caspase的活性位点是半胱氨酸cysteine，裂解位点是天冬氨酸aspartate残基后的肽键。,52,Caspase活化： Caspase自身以非活化的Pro-caspase存在，其激活依赖于其他的Caspase在它的天冬氨酸位点裂解活化或通过自剪接而激活。活化的半胱天冬蛋白酶可将细胞内的其它蛋白降解，从而引起apoptosis。目前已经鉴定了10种不同的caspasecaspase-3、6、7和8 在FAS/TNF（肿瘤坏死因子 tumor necrosis factor） 介导 的程序性细胞死亡途径中起作用；caspase-9和3
15、一起参与线粒体Apaf-I、细胞色素c介导的细胞凋亡;,53,哺乳动物细胞中与线虫同源的凋亡基因,Ced 4的哺乳类同源物则迟迟未能发现，直到1997年，才被证明是Apaf-1（apoptosis protease activating factor 凋亡酶活化因子）。Ced 9 的哺乳类对应物则较早地被证明是BCL-2，凋亡抑制因子，能控制细胞色素C的释放。,Regulators and effectors of apoptosis,55,细胞凋亡的途径胞内和胞外有两条：细胞外信号： 激活细胞内各级caspase 细胞内信号： 通过线粒体释放细胞色素C，活化凋亡酶激活因子 Apaf-1(apoptotic protease activating factor-1)激活caspase,56,五、程序性细胞死亡的意义,动物机体靠对细胞增殖和细胞周期的正负控制以及对程序性细胞死亡的正负控制来维持细胞总数的平衡和机体的生命活力。程序性细胞死亡在形态建成中起重要作用。,程序性细胞死亡在小鼠脚趾形成中的作用,细胞凋亡参与趾的发育,58,蝌蚪向蛙发育的变态反应中程序性细胞死亡的作用,去除不需要的结构,程序性细胞死亡对发育中神经细胞数量的调节,神经细胞过多会导致脑畸形发育,60,謝謝大家!,
