第13章 细胞衰老与凋亡

细胞的程序性死亡,细胞衰老,细胞坏死。

第十三章

程序性细胞死亡与细胞衰老

第一节 程序性细胞死亡 程序性细胞死亡

第二节 细胞衰老

作业

细胞的程序性死亡,细胞衰老,细胞坏死。

第一节 程序性细胞死亡衰老(aging,senescence,senility) 衰老(aging,senescence,senility)又称老 通常指生物发育成熟后， 化，通常指生物发育成熟后，在正常情况下随着年龄 的增加，机能减退，内环境稳定性下降， 的增加，机能减退，内环境稳定性下降，结构中心组 分退行性变化，趋向死亡的不可逆的现象。 分退行性变化，趋向死亡的不可逆的现象。 衰老和死亡是生命的基本现象， 衰老和死亡是生命的基本现象，衰老过程发生在 生物界的整体水平、种群水平、个体水平、 生物界的整体水平、种群水平、个体水平、细胞水平 以及分子水平等不同的层次。 以及分子水平等不同的层次。

●Hayflick界限 界限(Hayflick Limitation) 界限 ) ●细胞在体内条件下的衰老 ●衰老细胞结构的变化 ●细胞衰老的分子机理

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Hayflick界限 界限(Hayflick Limitation) 一、Hayflick界限(Hayflick Limitation)●概念：关于细胞增殖能力和寿命是有限的观点。 细胞，至少是培养的二倍体细胞，不是不死的，而是有一定的 寿命；它们的增殖能力不是无限的，而是有一定的界限，这就 是 Hayflick界限 ◆癌细胞或培养的细胞系是不正常细胞，其染色体数目或形态 已经不同于原先的细胞 ◆细胞的增殖能力与供体年龄有关 ◆物种寿命与培养细胞寿命之间存在着一定的关系 ●二倍体细胞的衰老是由细胞本身决定的 ◆决定细胞衰老的因素在细胞内部，而不是外部的环境 ◆是细胞核而不是细胞质决定了细胞衰老

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不同年龄来源的人成纤维细胞的增殖代数

细胞来源 可增殖 代数

人胚胎成纤 中年人成 维细胞 纤维细胞 40-60 20

老年人成 纤维细胞 2-4

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二、细胞在体内条件下的衰老●在机体内，细胞的衰老和死亡是常见的现象，甚至在 个体发育的早期也会发生; ●正常情况下终生保持分裂的细胞，其分裂能力是否随 着有机体年龄的增高而下降？它们 会不会衰老？◆衰老动物体内，细胞分裂速度显著减慢，其原因主要是G1期明显延长; ◆衰老个体内的环境因素影响了细胞的增殖和衰老; ◆骨髓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.

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三、衰老细胞结构的变化●细胞核的变化：细胞核随着细胞分裂次数的增加不断增大；细胞核的核 膜内折(invagination);染色质固缩化 ●内质网的变化：内质网成分弥散性地分散于核周胞质中，粗面内质网的 总量似乎是减少了 ●线粒体的变化：通常细胞中线粒体的数量随年龄的增大而减少，而其体 积则随年龄的增大而增大 ●

致密体的生成：细胞中致密体包括色素等的生成与积累，亦是 增多 ●膜系统的变化：其膜流动性降低、韧性减小；细胞间间隙连接和细胞膜 内颗粒的分布也发生变化

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细胞衰老的机理关于衰老的机理具有许多不同的学说， 关于衰老的机理具有许多不同的学说，概括起来主要有差 错学派( theories)和遗传学派( 错学派(Error theories)和遗传学派(Genetic /Programmed theories)两大类， theories)两大类，前者强调衰老是由于细胞中的各种错误积 累引起的，后者强调衰老是遗传决定的自然演进过程。 累引起的，后者强调衰老是遗传决定的自然演进过程。 (一)差错学派 细胞衰老是各种细胞成分在受到内外环境的损伤作用后， 细胞衰老是各种细胞成分在受到内外环境的损伤作用后， 因缺乏完善的修复， 差错”积累，导致细胞衰老。 因缺乏完善的修复，使“差错”积累，导致细胞衰老。根据对 导致“差错”的主要因子和主导因子的认识不同， 导致“差错”的主要因子和主导因子的认识不同，可分为不同 的学说。 的学说。 (二)遗传学派 认为衰老是遗传决定的自然演进过程， 认为衰老是遗传决定的自然演进过程，一切细胞均有内在 的预定程序决定其寿命，而细胞寿命又决定种属寿命的差异， 的预定程序决定其寿命，而细胞寿命又决定种属寿命的差异， 外部因素只能使细胞寿命在限定范围内变动

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正常儿童(左)和婴幼儿早衰症患者(右)

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1.代谢废物积累(waste product accumulation) 细胞代谢产物积累至一定量后会危害细胞，引起衰老， 哺乳动物脂褐质的沉积是一个典型的例子，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。 2.大分子交联(cross linking) 过量的大分子交联是衰老的一个主要因素，如DNA交联 和胶原胶联均可损害其功能，引起衰老。

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theories) 3.自由基学说(free radical theories) 自由基学说( 自由基含有未配对电子，具有高度反应活性， 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， DNA、 自由基反应，引起DNA、蛋白质和脂类，尤其是多不饱和脂肪 Acids,PUFA) 酸(polyunsaturated fatty Acids,PUFA)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， 性和交联，损伤DNA、生物膜、重要的结构蛋白和功能蛋白， DNA 从而引起衰老各种现象的发生。 从而引起衰老各种现象的发生。 内源性氧自由基是人体自由基的主要来源， 内源性氧自由基是人体自由基的主要来源，正常细胞内存 在清除自由基的防御系统，包括酶系统和非酶系统，前

者如： 在清除自由基的防御系统，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), ),过氧化氢酶 ),谷胱甘肽过氧 超氧化物歧化酶(SOD),过氧化氢酶(CAT),谷胱甘肽过氧 化物酶(GSH-PX),非酶系统有维生素E ),非酶系统有维生素 化物酶(GSH-PX),非酶系统有维生素E、醌类物质等电子受 体。 过量表达SOD的转基因动物表现出寿命延长，但是剔除SOD 过量表达SOD的转基因动物表现出寿命延长，但是剔除SOD SOD的转基因动物表现出寿命延长 基因的动物并未表现出衰老

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1.程序性衰老(programmed senescence) 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.长寿基因(longevity genes) 线虫中age1基因 酵母中clk1基因

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senescence) 3.复制性衰老(replicative senescence) 复制性衰老( 细胞增殖次数与端粒DNA长度有关。 细胞增殖次数与端粒DNA长度有关。 DNA长度有关 细胞DNA每复制一次端粒就缩短一段， 细胞DNA每复制一次端粒就缩短一段，当缩短到一定程 DNA每复制一次端粒就缩短一段 度至Hayflick点时，可能会启动DNA损伤检测点( 度至Hayflick点时，可能会启动DNA损伤检测点(DNA Hayflick点时 DNA损伤检测点 damage checkpoint),激活p53,引起p21表达，导致不可 checkpoint),激活p53,引起p21表达， ),激活p53 p21表达 逆地退出细胞周期，走向衰亡。 逆地退出细胞周期，走向衰亡。 端粒的长度还与端粒酶(telomerase)的活性有关， 端粒的长度还与端粒酶(telomerase)的活性有关，在 精原细胞、干细胞和肿瘤细胞( Hela细胞) 精原细胞、干细胞和肿瘤细胞(如Hela细胞)中有较高的端 细胞 粒酶活性，而正常体细胞中端粒酶的活性很低，呈抑制状态 粒酶活性，而正常体细胞中端粒酶的活性很低，呈抑制状态。

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第二节 细胞衰老 一、细胞衰老的概念及生理意义 二、细胞衰老的形态学特征 三、细胞衰老的生化特征 四、诱导细胞衰老的因子 五、细胞衰老的检测 六、细胞衰老的分子调控机理 七、细胞衰老与坏死

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细胞衰老的概念及生理意义细胞凋亡：是一个由基因决定的自动结束细胞生命的过程。 细胞凋亡：是一个由基因决定的自动结束细胞生命的过程。 生理意义： 生理意义： 确保组织器官正常发育、 在机体的发育、 ( 1 ) 确保组织器官正常发育 、 生长 ： 在机体的发育 、 生长 过程中， 凋亡可以清除多余的和失去功能的细胞， 所以， 过程中 ， 凋亡可以清除多余的和失去功能的细胞 ， 所以 ， 在 器官和组织形成中发挥了重要的作用。 例如， 器

官和组织形成中发挥了重要的作用 。 例如 ， 在人胚胎肢芽 发育过程中，通过凋亡使指间组织细胞通过凋亡被逐渐消除， 发育过程中 ， 通过凋亡使指间组织细胞通过凋亡被逐渐消除 ， 形成指间。 形成指间。 如果机体对受损、 ( 2 ) 维持内环境稳定 ： 如果机体对受损 、 突变或者衰老的 细胞不能及时清除话， 就会干扰内环境稳定。 例如， 细胞不能及时清除话 ， 就会干扰内环境稳定 。 例如 ， 突变细 胞不及时清除会导致肿瘤发生。 胞不及时清除会导致肿瘤发生。 例如， 当细胞受到病毒感染时， ( 3 ) 发挥积极的防御功能 ： 例如 ， 当细胞受到病毒感染时 ， 受感染的细胞可以通过凋亡来阻止病毒的增殖， 受感染的细胞可以通过凋亡来阻止病毒的增殖 ， 或通过 DNA 的降解， 进行分解。 的降解，把病毒的 DNA 进行分解。

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细胞衰老的形态学特征 细胞衰老的形态学特征衰老的起始：细胞表面的特化结构如微绒毛消失， 衰老的起始：细胞表面的特化结构如微绒毛消失，细胞间接 触的消失，但细胞膜依然完整，未失去选择通透性； 触的消失，但细胞膜依然完整，未失去选择通透性；线粒体大 体完整，但核糖体逐渐从内质网上脱离，内质网囊腔膨胀， 体完整，但核糖体逐渐从内质网上脱离，内质网囊腔膨胀，并 逐渐与质膜融合；染色质固缩，形成新月形帽状结构等形态， 逐渐与质膜融合；染色质固缩，形成新月形帽状结构等形态， 新月形帽状结构等形态 沿着核膜分布 衰老小体的形成：核染色质断裂为大小不等的片段， 衰老小体的形成：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，被反折的细胞质膜所包围， 细胞器如线粒体一起聚集，被反折的细胞质膜所包围，形成衰 老小体，从外观上看，细胞表面发泡，产生了许多泡状或芽状 老小体，从外观上看，细胞表面发泡，产生了许多泡状或芽状 突起，随后逐渐分隔， 突起，随后逐渐分隔，形成单个的凋亡小体 衰老小体逐渐为邻近的细胞或体内吞噬细胞所吞噬， 衰老小体逐渐为邻近的细胞或体内吞噬细胞所吞噬，凋亡细 胞的残余物质被消化后重新利用

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左图 典型凋亡小体：染色质呈新月状，并可见细胞器 右图 凋亡细胞：凋亡细胞(↑)与邻近细胞分离

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细胞衰老的生化特征 细胞凋亡的主要生化特征是形成由为180 ~ 细胞凋亡的主要生化特征是形成由为 180~ 180 200bpDNA片段或其整倍性片段组成特征性的 200bpDNA片段或其整倍性片段组成特征性的 bpDNA DNA ladders ◆钙超载 ◆内源性核酸内切酶激活 ◆tTG(组织转氨酶)积累并达到较高水平 tTG(组织转氨酶)

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诱导细胞衰老的因子物理性因子， 包括射线( 紫外线， 物理性因子 ， 包括射线 ( 紫外线 ， γ 射线 较温和的温度刺激( 如热激， 冷激) 等 ) , 较温和的温度刺激 ( 如热激 ， 冷激 ) 等 化学及生物因子： 包括活性氧基团和分子， 化学及生物因子 ： 包括活性氧基团和分子 ， DNA和蛋白质合成的抑制剂 ， 激素 ， 细胞 和蛋白质合成的抑制剂， 激素， 和蛋白质合成的抑制剂 生长因子， 肿瘤坏死因子α 生长因子 ， 肿瘤坏死因子 α ( TNFα ) , 抗 α Fas/Apo-1/CD95抗体等 抗体等

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细胞衰老的检测形态学观测：染色法、 形态学观测：染色法、透射和扫描电镜观察 DNA电泳：DNA片段就呈现出梯状条带 DNA电泳：DNA片段就呈现出梯状条带 电泳 TUNEL测定法， DNA断裂的原位末端标记法 TUNEL测定法，即DNA断裂的原位末端标记法 测定法 彗星电泳法(comet assay) assay) 彗星电泳法( 流式细胞分析 根据凋亡细胞DNA断裂和丢失 根据凋亡细胞DNA断裂和丢失，采用碘化丙啶使 DNA断裂和丢失， DNA产生激发荧光， DNA产生激发荧光，用流式细胞仪检出凋亡的亚二倍 产生激发荧光 体细胞，同时又能观察细胞的周期状态。 体细胞，同时又能观察细胞的周期状态。

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细胞衰老的分子调控机理Caspase家族与凋亡 Caspase家族与凋亡 Caspase依赖性细胞凋亡 依赖性细胞凋亡： 非 Caspase 依赖性细胞凋亡 ： 凋亡诱导 因 子 ( AIF ) ; 限 制 性 核 酸 内 切 酶 G (EndoG) EndoG)

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Caspase家族与衰老 Caspase家族与衰老Caspase: Caspase:Cysteine aspartic acic specific protease,即天冬氨酸特异性的半胱氨酸蛋白水解酶， protease,即天冬氨酸特异性的半胱氨酸蛋白水解酶， 活性位点是半胱氨酸(Cysteine),裂解靶蛋白位点是 半胱氨酸(Cysteine) 活性位点是半胱氨酸(Cysteine),裂解靶蛋白位点是 天冬氨酸残基后的肽键 发现：线虫(C.elegans)凋亡研究发现ced3,ced4 (C.elegans)凋亡研究发现ced3,ced4基 发现：线虫(C.elegans)凋亡研究发现ced3,ced4基 因促进细胞凋亡，ced9基因阻止ced3/ced4的激活 基因阻止ced3/ced4的激活， 因促进细胞凋亡，ced9基因阻止ced3/ced4的激活， 抑制细胞凋亡。ced3哺乳类同源物是 哺乳类同源物是ICE 白介素- 转移酶) 抑制细胞凋亡。ced3哺乳类同源物是ICE(白介素- 1β转移酶), 即Caspase1 在哺乳动物中相应同源物： 在哺乳动物中相应同源物：ced3=ICE, ced4=apaf1, ced9=bcl、 ced9=bcl、2 Caspase家族 Caspase自身以非活化的 家族： 自身以非活化的Procaspase Caspase家族：Caspase自身以非活化的Procaspase 存在，其激活依赖于其他的Caspase Caspase在它的天冬氨酸 存在，其激活依赖于其他的Caspase在它的天冬氨酸 位点裂解活化或自

身活化 Caspase依赖性细胞凋亡途径 Caspase依赖性细胞凋亡途径

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