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

细胞的程序性死亡,细胞衰老,细胞坏死。

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

细胞的程序性死亡,细胞衰老,细胞坏死。

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

细胞的程序性死亡,细胞衰老,细胞坏死。

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.

细胞的程序性死亡,细胞衰老,细胞坏死。

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

细胞的程序性死亡,细胞衰老,细胞坏死。

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

细胞的程序性死亡,细胞衰老,细胞坏死。

正常儿童(左)和婴幼儿早衰症患者(右)

细胞的程序性死亡,细胞衰老,细胞坏死。

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。

细胞的程序性死亡,细胞衰老,细胞坏死。

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

细胞的程序性死亡,细胞衰老,细胞坏死。

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

细胞的程序性死亡,细胞衰老,细胞坏死。

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。

细胞的程序性死亡,细胞衰老,细胞坏死。

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

细胞的程序性死亡,细胞衰老,细胞坏死。

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。

细胞的程序性死亡,细胞衰老,细胞坏死。

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

细胞的程序性死亡,细胞衰老,细胞坏死。

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

细胞的程序性死亡,细胞衰老,细胞坏死。

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)

细胞的程序性死亡,细胞衰老,细胞坏死。

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

细胞的程序性死亡,细胞衰老,细胞坏死。

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。

细胞的程序性死亡,细胞衰老,细胞坏死。

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)

细胞的程序性死亡,细胞衰老,细胞坏死。

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

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ve24.html