细胞生物学第13章-2

内容及要求：程序性细胞死亡的概念及其特征程序性细胞死亡的生物学意义程序性细胞死亡与细胞坏死的区别细胞衰老概念及其特征Hayflick界限细胞衰老的分子机制,第十三章程序性细胞死亡与细胞衰老,程序性细胞死亡（programmedcelldeath，PCD）:为维持内环境稳定，由基因控制的细胞自主的有序性的细胞死亡。它涉及一系列基因的激活、表达以及调控等的作用，因而是具有生理性和选择性的。,第一节细胞程序性死亡,细胞凋亡（apoptosis）是由基因决定的细胞自动结束生命的过程。,细胞死亡的方式:细胞凋亡细胞坏死自噬,一、动物细胞的程序性死亡,细胞凋亡（apoptosis），是一个形态学的概念，1972年由Kerr等建议用来描述伴随细胞死亡的一系列形态学上固定的变化形式。“凋亡”一词来自希腊语，意为“分离”，指花瓣或树叶的脱落；apo-ptosis意指细胞凋亡的形态类似秋天花瓣或树叶的凋落一样。,1.细胞凋亡是细胞生命活动的重要过程：确保正常发育、生长：清除多余的、失去功能价值的细胞维持内环境稳定：清除受损突变细胞，自身反应细胞，衰老细胞,（一）细胞凋亡的生物学意义,2.细胞凋亡是生命体抵御外来逆境的重要途径。感染病毒细胞凋亡，阻止病毒复制,(二)细胞凋亡的特征,1.起始阶段：细胞表面及细胞内的变化细胞表面特化结构、细胞间接触消失；细胞体积变小，细胞质浓缩；线粒体大小完整，但游离核糖体增多，内质网解体；染色质固缩。2.凋亡小体形成阶段胞膜结构完整、内陷；核染色质脆裂,边集与细胞器结合被细胞膜包裹，形成泡状突起。3.凋亡小体被临近细胞吞食阶段,形态学特征,正常细胞,凋亡过程、凋亡小体,细胞凋亡的形态学特征,细胞膜泡状化（blebbing）,生化特征,1.DNA发生核小体间断裂，电泳时形成梯状条带(180-200bp整倍数)。2.组织转谷氨酰酶含量升高。,催化谷氨酰氨和赖氨酸之间的交联以及多胺惨入蛋白质，导致蛋白质聚合。聚合蛋白质惨入调亡小体有助于保持其完整性，防止有害物逸出。,3、细胞内活性氧分子增多、胞浆钙离子升高。4、线粒体膜电位消失，膜通透性变大，细胞色素C被释放。,（三）细胞凋亡的检测,1.形态学观察:通过DAPI、Giemsa等染料对染色质进行染色.中性红使活细胞染红色，死细胞不着色，台酚蓝使死细胞染蓝色。丫啶橙，溴乙啶。2.DNA电泳：3.TUNEL测定法:末端脱氧核苷酸转移酶介导的dUTP缺口末端标记测定法。对DNA分子末端3-OH断裂缺口进行原位标记再进行检测。4.彗星电泳法：5.流式细胞分析：,细胞色素C诱导细胞凋亡Lane10h21h32h43h54h6Control7Marker,（四）细胞坏死是由外部的化学、物理或生物因素的侵袭引起的细胞损伤和死亡；是被动的死亡方式，也是病理性的死亡。,原因：凋亡通常是基因决定的生理性变化，而细胞坏死是外在因子引起的病理性变化。发生过程：凋亡过程中细胞不膨胀、不破裂，而是收缩形成凋亡小体，可被吞噬消化；而细胞坏死过程中膜通透性增高，染色质不凝集，无序降解。细胞和细胞器变形肿胀，细胞破裂，症状：凋亡小体始终处于膜封闭状态，没有内容物释放，故不会引起炎症；细胞坏死产生炎症。,细胞凋亡与细胞坏死的主要区别,细胞缓慢收缩，染色质固缩/分离，沿核膜分布，细胞质凝缩,核片段化，细胞膜内折，发芽，形成调亡小体,调亡小体被吞噬,细胞膨胀，染色质串状片段，线粒体基质絮状化,细胞膜破裂，细胞器、染色质毁坏,细胞解体，内容物释放，发烧，被吞噬,（五）细胞自噬,吞噬细胞内原有的物质，清除细胞内受损伤的结构，消除无用的胞质物质和衰老的细胞器的作用方式。是通过溶酶体与自噬泡融合，消化降解的过程。是细胞凋亡的补充途径。也被称之为“第二型细胞程序性死亡”，在两栖类和昆虫变态过程中普遍存在。,细胞衰老（cellageing,cellsenescence）一般的含义是复制衰老，指体外培养的正常细胞经过有限次数的分裂后，停止分裂，细胞形态和生理代谢活动发生显著改变的现象。,第二节细胞衰老,一、细胞衰老的概念,早期的细胞“不死性”观点长期保持分裂能力的原生动物不均等细胞分裂，产生了新的无性系连续培养34年的鸡心脏成纤维细胞细胞血浆中混杂了新的细胞Hela细胞系非正常细胞,二、Hayflick界限,2.物种的寿命与培养细胞寿命有一定关系。动物胚成纤维细胞最大分裂次数与其平均寿命成正比：龟为90-125次；人为40-60次；鸡为15-35次。小鼠为14-28次。,1.概念:细胞至少是培养细胞，不是不死的，而是有一定的寿命；细胞的寿命和增殖能力都具有一定的时间界限。(Hayflick1961，Burnett,1974),三、衰老细胞结构的变化,研究表明，衰老细胞的核、细胞质和细胞膜等各种结构均呈退化性变化。,衰老细胞的形态结构变化,1.DNA：从总体上DNA复制与转录在细胞衰老时均受抑制，端粒DNA丢失，线粒体DNA特异性缺失，DNA氧化、断裂、缺失和交联，甲基化程度降低。2.RNA：mRNA和tRNA含量降低。3.蛋白质：合成下降;自由基使蛋白质肽断裂，交联而变性，蛋白质稳定性下降。酶活性中心被氧化，最终导致酶失活，与衰老相关的-半乳糖甘酶活化（pH6.0）。,衰老细胞分子水平的变化,4.脂类：不饱和脂肪酸被氧化，引起膜脂之间或与脂蛋白之间交联，膜的流动性降低。,五细胞衰老的分子机制,自由基是指那些在原子核外层轨道上具有不成对电子的分子或原子基团，普遍存在于生物系统。,衰老的自由基学说：衰老是由自由基对细胞成分的有害进攻造成的；维持体内适当水平的抗氧化剂和自由基清除能力可以延长寿命和推迟衰老。,活性最强的是氧自由基：O2、OH和各类活性氧中间产物（reactiveoxygenmetaboliteROM）。,1、衰老的自由基学说,细胞内清除自由基的防御系统：酶系统：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：维生素E，C,醌类物质等电子受体。,超表达SOD酶基因使果蝇寿命延长,age1基因突变体使线虫的寿命长于野生型两倍。,clk1基因突变体使酵母线粒体呼吸链中CoQ含量降低，氧自由基减少，延长寿命。,端粒DNA长度与细胞的寿命有关。端粒酶与端粒稳定性密切相关。由于端粒酶的存在，生殖细胞的端粒相当稳定，不会衰老；高度分化的体细胞由于端粒酶处于抑制状态，端粒DNA随着细胞增殖丢失，当端粒缩短到临界长度时引发Hayflick界限，细胞不再分裂。,2、衰老的端粒假说（Harley等1991）,P53P16,P21(CDKI)Cyclin/CDK2,4,6Cyclin/CDK2,4,6RbRbE2F/DPE2F/DPG1SG1S正常细胞周期运转衰老细胞周期运转,缩短的端粒被识为DNA损伤,P,端粒的缩短是如何引发细胞的复制衰老？,3、衰老基因学说,右图：成人早衰症患者平均39岁时出现衰老，47岁左右结束生命。,左图：婴幼儿早衰症在1岁时出现明显衰老，12-18岁即过早夭折。,正常儿童,患者,“长寿基因”或“衰老基因”决定个体的寿限，且可遗传。,一个37岁成人早衰症患者,当细胞衰老时，一些衰老相关基因（SAG）表达特别活跃，其表达水平大大高于年轻细胞，已在人1号染色体、4号染色体及染色体上发现SAG。,4、衰老的线粒体损伤论,细胞衰老与线粒体DNA片段的损伤和丢失（删除突变）有关；线粒体存在衰老基因，该基因表达使电子链传递功能异常，促进氧自由基的生成，导致线粒体DNA产生更多的突变。,细胞代谢产物积累至一定量后会危害细胞，引起衰老。如：哺乳动物脂褐质的沉积。脂褐质是一些长寿命的蛋白质和DNA、脂类共价缩合形成的交联物，次级溶酶体是形成脂褐质的场所。研究发现老年性痴呆脑内的脂褐质，脑血管沉积物中有-淀粉样蛋白沉积。,5、代谢废物积累学说,六.植物细胞凋亡,目前对植物细胞凋亡的研究进展不如动物细胞，但动植物细胞凋亡具有共同的机制。,蓬莱焦叶原基发育过程中的PCD,玉米花发育早期雌雄两性,雄花序,黄眼草野生型与常绿突变体对叶绿体结构的变化,质体小球,