1、细胞衰老与细胞死亡,Cell Senescence and Cell Death,关于细胞衰老,衰老和死亡是生命的基本现象. 老：年龄达到或超过一定的极限。 衰：功能或体力的衰退。 衰老：机体在退化时期，生理机能下降或紊乱的综合表现,是不可逆的生命过程。,一、细胞衰老的概念,细胞衰老：细胞在正常条件下发生的生理功能衰退和增殖能力减弱以及形态发生改变并趋向死亡的现象 。 细胞衰老是机体的衰老和老年病发病的基础。,Cell Senescence and Cell Death,第十六章 细胞衰老与细胞死亡,体内细胞和体外细胞衰老的特点 （一）体内细胞衰老特点 保持分裂能力细胞：分裂周期变长;分裂能力
2、下降 人正常体细胞一般分裂次数平均为50次. （二）体外细胞 体外培养细胞可传代3050次,停止分裂增殖后细胞多停留于G0或G1期,此时细胞表现为: 形态变化大;DNA复制能力降低 蛋白质合成能力,(一)细胞衰老与机体的衰老既有区别又有联系,机体衰老：指绝大多数生物性成熟以后，机体形态结构和生理功能逐渐退化或老化的过程，是一个受发育程序、环境因子等多种因素控制的、不可逆的生物学现象。,Cell Senescence and Cell Death,第十六章 细胞衰老与细胞死亡,细胞衰老与机体衰老的区别： 机体的衰老与动物的寿命密切相关； 个别细胞，甚至机体局部许多细胞的衰老死亡并不影响机体的寿命
3、。 机体衰老并不代表所有细胞的衰老。 细胞衰老与机体衰老的联系： 机体衰老与细胞衰老之间有着密切的联系，机体衰老以细胞总体的衰老为基础 。,Cell Senescence and Cell Death,第十六章 细胞衰老与细胞死亡,(二)机体内各类细胞的寿命不同,根据细胞寿命情况将细胞分为三类： 细胞寿命接近于动物的整体寿命，如神经元、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。 快速更新且寿命较短的细胞，如皮肤的表皮细胞、红细胞和白细胞等。,Cell Senescence and Cell Death,第十六章 细胞衰老与细胞死亡,(三)细胞在体外培养条
4、件下的寿命 离体细胞同在体细胞一样，也有一定的寿命 细胞的寿命不是指培养天数的多少，而是指群体倍增次数。 其寿命长短取决于培养细胞的平均代数，所取培养组织的年龄、种属等。 Hayflick 界限（Hayflick life span） 体外培养细胞所具有增殖分裂的极限。,Cell Senescence and Cell Death,第十六章 细胞衰老与细胞死亡,二、细胞衰老的表现,(一)细胞衰老的形态学改变,Cell Senescence and Cell Death,(二)细胞衰老的分子和代谢的改变,DNA：复制与转录受到抑制；有个别基因会异常激活；端粒DNA丢失，mtDNA特异性缺失；DN
5、A氧化、断裂、缺失和交联；甲基化程度降低。 RNA：mRNA和tRNA含量降低。 蛋白质：含量下降；发生修饰反应；稳定性、抗原性和可降解性下降；肽键断裂、交联变性。,Cell Senescence and Cell Death,第十六章 细胞衰老与细胞死亡,衰老成纤维细胞-半乳糖苷酶活性增强 （中国医科大学曹流提供）,酶：活性中心被氧化，总的效应是酶失活；但-半 乳糖苷酶（senescence-associated - galactosidase ， SA-gal）活性增强。 脂类：不饱和脂肪酸被氧化，膜的流动性降低。,Cell Senescence and Cell Death,第十六章 细
6、胞衰老与细胞死亡,三、细胞衰老的学说与机制,1.遗传决定学说 衰老是遗传上的程序化过程，其推动力和决定因素是遗传的基因组；控制生长发育和衰老的基因都在特定时期有序地开启和关闭。,（一）细胞衰老的学说,Cell Senescence and Cell Death,第十六章 细胞衰老与细胞死亡,早衰儿童（不足8岁就表现出衰老特征）,Hutchinson-Gilford syndrome,Werners syndrome,图片引自http:/www.nejm.org on,图 一个37岁的成人早衰症患者 引自http:/www.nejm.org on,与衰老有关的基因,衰老相关基因（senescen
7、ce associated gene）：细胞衰老时，表达水平显著高于年轻细胞。 如：MORF4基因， p16基因 。 p16被视为细胞寿命的关键调控基因，是人类细胞衰老遗传控制程序中的关键效应物。 抗衰老基因，也称长寿基因（longevity gene）。 如：WRN基因， Klotho基因和SIRT1基因。,Cell Senescence and Cell Death,第十六章 细胞衰老与细胞死亡,2. 自由基学说 在代谢过程中产生的活性氧基团或分子(OH，H2O2，超氧自由基)引发的氧化性损伤的积累，最终导致衰老。,在正常条件下，人体内自由基的产生有两方面： 外源性自由基：由环境中的高温、
8、辐射、光解、化学物质等引起。 内源性自由基：由体内各种代谢反应产生，是人体自由基的主要来源。,Cell Senescence and Cell Death,第十六章 细胞衰老与细胞死亡,2. 自由基学说,产生的途径： 由线粒体呼吸链电子泄漏产生; 由多功能氧化酶等催化底物羟化产生; 非酶促反应产生 。,Cell Senescence and Cell Death,自由基导致细胞损伤： 质膜中不饱和脂肪酸氧化，导致膜运输功能紊乱以至丧失。 蛋白质的巯基化，造成蛋白质发生交联、变性，使酶失活。 DNA链的断裂、交联、碱基羟基化、碱基切除等，对DNA造成损伤。,有人认为在衰老的原因中，99是由自由基
9、造成的。,3. 端粒钟学说,端粒随细胞的分裂不断缩短，当端粒长度缩短到一定阈值时，细胞就进入衰老过程。 端粒：是染色体末端由简单串联重复序列组成的特殊结构；细胞分裂过程中，端粒不能完全复制而逐渐变短。 端粒酶：是一种由RNA和蛋白质组成的核糖核蛋白酶，可使端粒长度增加，常见于生殖细胞和肿瘤细胞等细胞中。,由于细胞功能下降，细胞既不能将代谢废物及时排出胞外，又不能将其降解与消化，导致代谢废物越积越多，影响细胞代谢废物的运输，阻碍了细胞的正常生理功能，最终引起细胞的衰老。如哺乳动物脂褐质的沉积。,4. 代谢废物积累,Cell Senescence and Cell Death,第十六章 细胞衰老与
10、细胞死亡,5. 基因转录或翻译差错学说(错误成灾学说） 随着年龄的增长，细胞内DNA复制效率下降，常会发生核酸、蛋白质、酶等大分子的合成差错，差错的积累最终引起细胞功能降低，并逐渐导致细胞衰老、死亡。,6. 其他学说:“神经免疫网络论”,“钙调蛋白学说”。“微量元素学说”。,四、细胞衰老与疾病,细胞衰老与早老性疾病有关，如Hutchinson-Gilford和Werner早衰症。 一般认为，细胞衰老与老年性疾病如神经退行性疾病、动脉粥样硬化性心血管疾病、糖尿病及肿瘤等密切相关。 研究表明，组织干细胞衰老是机体衰老的重要原因之一，也与某些老年性疾病的发生相关联。,Cell Senescence
11、and Cell Death,第二节 细胞死亡,Cell Senescence and Cell Death,第十六章 细胞衰老与细胞死亡,细胞死亡是指细胞生命现象的终结，有两种形式 ： 细胞坏死（necrosis）：在外来致病因子作用下，细胞生命活动被强行终止所致的病理性、被动性的死亡过程。 细胞凋亡（apoptosis）：在特定信号诱导下，细胞内的死亡级联反应被触发所致的生理或病理性、主动性的死亡过程。 近年来，有学者认为细胞自噬也是细胞死亡的一种方式。,Cell Senescence and Cell Death,第十六章 细胞衰老与细胞死亡,判断细胞是否死亡，可用特征性的形态改变为指标
12、：如细胞核的核膜断裂，核仁溶解和消失等。 细胞坏死时，质膜破裂，细胞解体并引起周围组织发生炎症反应； 细胞凋亡时，质膜保持完整，形成凋亡小体（apoptotic bodies），不引起炎症反应。 判断细胞是否死亡，还应依据细胞是否还具有生理功能和繁殖能力。,细胞死亡的特征与形式,Cell Senescence and Cell Death,第十六章 细胞衰老与细胞死亡,细胞凋亡与坏死,细胞凋亡生物学意义 1.发育过程中清除多余的细胞 2.清除正常生理活动过程中无用的细胞 3.清除病理活动过程中有潜在危险的细胞 * 细胞凋亡异常 肿瘤、感染性疾病、自身免疫性疾病,细胞凋亡（apoptosis)
13、指体内细胞发生主动的、由基因控制的细胞自我消亡的方式。 又称为细胞程序性死亡（programmed cell death, PCD）,一、细胞凋亡的概念和生物学意义,细胞凋亡在指（趾）形成中的作用 蝌蚪发育过程尾部细胞的凋亡,程序性细胞死亡对发育中神经细胞数量的调节,在发育过程中凋亡异常引起并指（趾）,二、细胞凋亡的形态学特征 主要包括细胞皱缩（cell shrinkage）、染色质凝聚（chromatin condensation）、凋亡小体形成、细胞骨架解体等，其中以胞核的变化最为显著。,细胞核的变化： 核DNA断裂浓缩成染色质块，呈多种形态核膜断裂，形成核碎片。,凋亡细胞核的“新月状”结
14、构 （浙江大学李继承提供 ）,Cell Senescence and Cell Death,第十六章 细胞衰老与细胞死亡,细胞质的变化: 胞质浓缩； 线粒体增大，嵴增多，出现空泡化； 内质网腔膨大； 细胞骨架结构变得致密和紊乱。,Cell Senescence and Cell Death,第十六章 细胞衰老与细胞死亡,细胞膜的变化: 原有的特化结构消失； 细胞膜起泡，但仍保持完整； 细胞膜内侧的磷脂酰丝氨酸（phosphatidylserine, PS）翻转到细胞膜的表面。,细胞凋亡的形态学特征,凋亡小体的形成 核染色质断裂为大小不等的片段，细胞膜反折，包围染色体片段和细胞器，细胞表面形成泡
15、状或芽状突起，以后，逐渐分割成凋亡小体。 凋亡小体被邻近的细胞吞噬消化,DNA片段化 细胞凋亡时，内源性核酸内切酶（endonuclease）活化，特异地在相邻核小体的连接区切断DNA链，形成长度为180200bp整数倍的寡聚核苷酸片段，在进行琼脂糖凝胶电泳时，凋亡细胞表现出特征性的DNA梯状条带（DNA ladders）。,(二)凋亡细胞的生化改变,Cell Senescence and Cell Death,第十六章 细胞衰老与细胞死亡,凋亡细胞DNA凝胶电泳时呈现梯状条带 A. 细胞凋亡中DNA内切酶的活化 B. 细胞凋亡所形成的180200bp整倍性DNA片段,Cell Senesce
16、nce and Cell Death,第十六章 细胞衰老与细胞死亡,2. 细胞凋亡中的蛋白酶 细胞凋亡是通过多种蛋白酶控制的，蛋白酶级联切割是凋亡最关键的过程。 3. 胞浆Ca2+、pH的变化 Ca2+通过两条途径诱导细胞凋亡： 胞内Ca2+库释放，胞外Ca2+内流，启动凋亡； Ca2+的释放打破细胞内结构的稳定，触发凋亡。 胞浆碱化和酸化均能影响细胞凋亡。,Cell Senescence and Cell Death,4线粒体在细胞凋亡中的作用 凋亡时，线粒体发生一系列显著的变化： 呼吸链受损，能量代谢受到破坏，导致细胞死亡； 释放细胞色素C（cytochrome C, cyt C），激活半
17、胱氨酸天冬氨酸蛋白酶； 产生活性氧类物质（reactive oxygen species, ROS）； 线粒体渗透转变孔（permeability transition pores, PT pores）通透性增高，触发级联反应。,Cell Senescence and Cell Death,第十六章 细胞衰老与细胞死亡,细胞凋亡的性质与细胞坏死完全不同，两者属于截然不同的细胞学现象。,细胞凋亡与细胞坏死的形态比较,Cell Senescence and Cell Death,第十六章 细胞衰老与细胞死亡,细胞坏死与细胞凋亡,Cell Senescence and Cell Death,第十六章
18、 细胞衰老与细胞死亡,细胞凋亡和细胞坏死的区别,Cell Senescence and Cell Death,第十六章 细胞衰老与细胞死亡,三、细胞凋亡的分子机制,(一)细胞凋亡受多种基因调控 调控细胞凋亡的ced基因家族,与线虫细胞凋亡的相关基因可大致分为4组： 第一组基因：包含ced-3、ced-4和ced-9基因，在线虫的凋亡调控中有重要意义； 第二组基因：包含ced-1、ced-2、ced-5ced-8以及ced-10，与凋亡细胞被吞噬清除过程有关； 第三组基因：包含核酸酶基因1（nmc-1），并非凋亡所必需； 第四组基因：包括ces-1、ces-2以及egl-1和her-1，是影响特
19、异细胞类型凋亡的基因，与某些神经元和生殖系统体细胞的凋亡有关。,Cell Senescence and Cell Death,第十六章 细胞衰老与细胞死亡, ced-3和ced-4基因：这两个基因的激活是线虫细胞凋亡起始或继续所必需的。 表达时期：线虫胚胎发生期（凋亡多发期）。 ced-3的哺乳类同源物：半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶家族，它们共同特点是能特异性地断开天门冬氨酸残基后的肽键。 ced-4的哺乳类同源物：细胞凋亡蛋白酶活化因子-1（apoptosis protease activating factor-1，Apaf-1）。,Cell Senescence and Cell Death,
20、第十六章 细胞衰老与细胞死亡, ced-9基因：与ced-4基因相反。抑制半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶的活化，抑制线虫体细胞凋亡的发生，也称为“抗凋亡基因”（anti-apoptosis gene）。ced-9与哺乳动物的bcl-2家族具有一定的同源性。,1、哺乳动物中Caspases基因家族（CED-3同源） 是一类半胱氨酸蛋白水解酶(cysteine aspartic acid specific protease)，简称胱天蛋白酶(caspase）,共同特点: 是富含半胱氨酸，被激活后能特异地切割靶蛋白的 天冬氨酸残基后的肽键。 启动凋亡 caspase-2、8、9、10 执行凋亡 caspas
21、e-3、6、7,2. 既能抑制又能促进细胞凋亡的bcl-2基因家族 (ced-9) bcl-2基因是B细胞淋巴瘤/白血病-2(B-cell lymphoma/leukemia-2, bcl-2)的缩写。 有的成员对凋亡起抑制作用，如Bcl-2； 有的成员是凋亡的促进者，如Bad、Bax等。,Cell Senescence and Cell Death,第十六章 细胞衰老与细胞死亡,3. 参与调节细胞凋亡的p53基因 P53是抑癌基因，能引起细胞周期阻滞，诱导凋亡和促进细胞终末分化。 人类p53蛋白存在两种形式，二者均参与调节细胞凋亡： 野生型（wt p53）：对细胞增殖、转化有抑制作用，故能促
22、进凋亡。 突变型（mt p53）：可灭活野生型的功能，抑制凋亡并导致细胞转化和过度增殖而产生肿瘤行为。,Cell Senescence and Cell Death,第十六章 细胞衰老与细胞死亡,4. 可触发细胞凋亡的Fas和FasL Fas是属于肿瘤坏死因子受体（tumor necrosis factorreceptor, TNFR）和神经生长因子受（nerve growth factor receptor, NGFR）超家族的细胞表面分子。 Fas配体(Fas ligand, FasL)是TNF家族的细胞表面分子。,Cell Senescence and Cell Death,第十六章 细
23、胞衰老与细胞死亡,FasL与其受体Fas结合将导致携带Fas的细胞凋亡。 Fas/FasL的重要生理作用表现在： Fas/FasL触发细胞凋亡。 Fas/FasL对免疫系统细胞的死亡起重要作用。 Fas/FasL介导免疫“赦免”。,细胞凋亡的信号传导途径具有以下特点： 传导途径的启动可因细胞的种类、来源、生长环境及诱因的不同而存在差异； 凋亡信号传导系统具有多样性； 细胞凋亡的信号途径与细胞增殖、分化的途径存在一些共同通路； 凋亡的多条信号途径间存在互通的交叉部分。,(二)细胞凋亡的信号转导通路主要由死亡受体和线粒体介导,Cell Senescence and Cell Death,第十六章
24、细胞衰老与细胞死亡,1.死亡受体介导的信号转导通路 细胞外的许多信号分子可以与细胞表面相应的死亡受体（death receptor, DR）结合，激活细胞凋亡信号通路，导致细胞凋亡。 哺乳动物的死亡受体属于肿瘤坏死因子受体和神经生长因子受体超家族，主要成员有Fas/Apo-1/CD95 Fas，FasL，FADD, caspase- 8, 3, 6, 7 参与,Cell Senescence and Cell Death,第十六章 细胞衰老与细胞死亡,2. 线粒体介导的信号转导通路 线粒体在细胞凋亡中处于凋亡调控的重要位置，许多凋亡信号（如DNA损伤、氧化剂等）都可以引起线粒体的损伤和膜渗透性
25、改变。 Bcl-2家族的蛋白定位于线粒体膜上，阻止cyt C从线粒体释放来抑制凋亡； BAX与线粒体上的膜通道结合，促使cyt C的释放而促进凋亡。 Bcl-2, Bax, cyt C, Apaf-1, caspase - 9, 3 参与,Cell Senescence and Cell Death,第十六章 细胞衰老与细胞死亡,哺乳动物细胞凋亡的主要信号转导通路,Cell Senescence and Cell Death,第十六章 细胞衰老与细胞死亡,3. 其他转导通路 线粒体内可能存在核酸内切酶G（endonuclease G）、凋亡诱导因子（AIF）和凋亡抑制因子（IAP）的抑制蛋白Smac/Diablo，这些蛋白因子可能参与了不依赖caspases的凋亡途径。,Cell Senescence and Cell Death,第十六章 细胞衰老与细胞死亡,四、细胞凋亡与疾病,(一)细胞凋亡过低导致相关的疾病发生 肿瘤：凋亡抑制基因和凋亡活化基因表达异常。 系统性红斑狼疮：Fas表达缺陷，导致T淋巴细胞凋亡障碍。,Cell Senescence and Cell Death,第十六章 细胞衰老与细胞死亡,(二)细胞凋亡过度导致相关的疾病发生 神经退行性疾病； AIDS ； 心血管疾病。,
