细胞生物学 第十章 细胞衰老与死亡

1、第十章 细胞的衰老与死亡第一节第一节 细胞衰老（细胞衰老（cell senescence）一、细胞衰老的概念和特点一、细胞衰老的概念和特点 细胞衰老：细胞衰老： 细胞的形态结构、化学成分和生理功能逐渐衰退的现象。细胞的形态结构、化学成分和生理功能逐渐衰退的现象。 大多数细胞都要经历从未分化到分化、分化到衰老、大多数细胞都要经历从未分化到分化、分化到衰老、衰老到死亡的历程衰老到死亡的历程。 机体衰老机体衰老细胞衰老细胞衰老 细胞总体的衰老反应了机体的衰老，细胞的衰老是机体细胞总体的衰老反应了机体的衰老，细胞的衰老是机体衰老和老年病发病的基础。衰老和老年病发病的基础。二、二、 细胞的寿命与细胞的寿

2、命与 Hayflick 界限界限总有细胞不断地衰老与死亡，又有细胞的增殖与总有细胞不断地衰老与死亡，又有细胞的增殖与新生进行补充。新生进行补充。不同类型细胞的寿命很不一致。不同类型细胞的寿命很不一致。 细胞的寿命接近于动物的整体寿命：细胞的寿命接近于动物的整体寿命：神经元、脂神经元、脂肪细胞、肌细胞等。肪细胞、肌细胞等。 缓慢更新的细胞，其寿命比机体寿命短：缓慢更新的细胞，其寿命比机体寿命短：肝细胞、肝细胞、胃壁细胞。胃壁细胞。 快速更新的细胞：快速更新的细胞：表皮细胞、红细胞和白细胞。表皮细胞、红细胞和白细胞。 细胞的寿命还受到内、外环境条件的影响细胞的寿命还受到内、外环境条件的影响 Hay

3、flick界限界限 1961年，年，Hayflick 首次报道了体外培养的人成首次报道了体外培养的人成纤维细胞纤维细胞 (human fibroblast) 具有增殖分裂的极限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进行体外培养。他利用来自胚胎和成体的成纤维细胞进行体外培养，发现胚胎的成纤维细胞分裂传代，发现胚胎的成纤维细胞分裂传代50次后开始衰退和次后开始衰退和死亡，而来自成年组织的成纤维细胞只能培养死亡，而来自成年组织的成纤维细胞只能培养1530代就开始死亡。代就开始死亡。体外培养的年轻和老的人成纤维细胞的形态体外培养的年轻和老的人成纤维细胞的形态物种的寿命与体外培养时细胞传代

4、次数的关系物种的寿命与体外培养时细胞传代次数的关系三、三、 细胞衰老的表现细胞衰老的表现1. 形态改变形态改变核：核： 增大、染色深、核内有包含物增大、染色深、核内有包含物染色质：染色质： 凝聚、固缩、碎裂、溶解凝聚、固缩、碎裂、溶解质膜：质膜： 粘度增加、流动性降低粘度增加、流动性降低细胞质：细胞质： 色素积聚、空泡形成色素积聚、空泡形成线粒体：线粒体： 数目减少、体积增大数目减少、体积增大高尔基体：高尔基体：碎裂碎裂尼氏体：尼氏体： 消失消失包含物：包含物： 糖原减少、脂肪积聚糖原减少、脂肪积聚核膜：核膜： 内陷内陷 2、分子水平的变化、分子水平的变化DNA：总体上总体上DNA复制与转录均

5、受抑制，但个别基因会异复制与转录均受抑制，但个别基因会异常激活，端粒常激活，端粒DNA丢失，线粒体丢失，线粒体DNA特异性缺失，特异性缺失，DNA氧化、氧化、断裂、缺失和交联，甲基化程度降低。断裂、缺失和交联，甲基化程度降低。RNA：mRNA和和tRNA含量降低。含量降低。蛋白质：蛋白质：合成下降，细胞内蛋白质发生糖基化、氨甲酰化、合成下降，细胞内蛋白质发生糖基化、氨甲酰化、脱氨基等修饰反应，导致蛋白质稳定性、抗原性，可消化性下脱氨基等修饰反应，导致蛋白质稳定性、抗原性，可消化性下降，自由基使蛋白质肽断裂，交联而变性。氨基酸由左旋变为降，自由基使蛋白质肽断裂，交联而变性。氨基酸由左旋变为右旋。

6、右旋。酶分子：酶分子：活性中心被氧化，金属离子活性中心被氧化，金属离子Ca2+、Zn2+、Mg2+、Fe2+等丢失，酶分子的二级结构，溶解度，等电点发生改变，等丢失，酶分子的二级结构，溶解度，等电点发生改变，总的效应是酶失活。总的效应是酶失活。脂类：脂类：不饱和脂肪酸被氧化，引起膜脂之间或与脂蛋白之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。间交联，膜的流动性降低。四、细胞衰老的发生机制四、细胞衰老的发生机制（一）遗传决定学说（一）遗传决定学说 衰老是遗传上的一个程序化衰老是遗传上的一个程序化过程，其推动力和决定因素过程，其推动力和决定因素是遗传的基因组。是遗传的基因组

7、。 控制生长发育和衰老的基因控制生长发育和衰老的基因都在特定时期有序地开启和都在特定时期有序地开启和关闭（衰老相关基因）。关闭（衰老相关基因）。正常儿童（左）正常儿童（左）婴幼儿早衰症患者（右）婴幼儿早衰症患者（右）（二）氧化损伤学说（二）氧化损伤学说（衰老的自由基理论）（衰老的自由基理论） 自由基：自由基：在外层轨道上具有不成对电子的分子或原在外层轨道上具有不成对电子的分子或原子基团。与其他物质反应时为夺取电子，引起细胞子基团。与其他物质反应时为夺取电子，引起细胞氧化性损伤。氧化性损伤。 自由基在机体代谢过程中产生（如代谢产生的活性自由基在机体代谢过程中产生（如代谢产生的活性氧基团氧基团RO

8、S） ，引发氧化性损伤，导致衰老。，引发氧化性损伤，导致衰老。 污染、辐射、化学物质等可增加自由基形成。污染、辐射、化学物质等可增加自由基形成。 消除自由基的物质可一定程度延缓衰老，如超氧岐消除自由基的物质可一定程度延缓衰老，如超氧岐化酶化酶(SOD)(SOD)、维生素、维生素E E等。等。（三）端粒钟学说（三）端粒钟学说 端粒随细胞的分裂不断缩短；端粒随细胞的分裂不断缩短； 端粒长度缩短到一定阈值时，细胞进入衰老。端粒长度缩短到一定阈值时，细胞进入衰老。（四）代谢废物累积学说（四）代谢废物累积学说 细胞功能下降细胞功能下降代谢废物不能及时排出胞外，代谢废物不能及时排出胞外，不能降解消化不能降

9、解消化代谢废物代谢废物占据的空间占据的空间 影响影响代谢废物运输代谢废物运输阻碍正常生理功能阻碍正常生理功能衰老。衰老。 脂褐质脂褐质淀粉样蛋白淀粉样蛋白阿尔茨海默病。阿尔茨海默病。（五）基因转录或翻译差错学说（五）基因转录或翻译差错学说 年龄增长年龄增长DNA复制效率下降，核酸、蛋白复制效率下降，核酸、蛋白质、酶等大分子的合成差错质、酶等大分子的合成差错细胞功能降低细胞功能降低衰老衰老死亡。死亡。（六）线粒体（六）线粒体DNA损伤学说损伤学说（七）其他学说（七）其他学说抗衰老基因抗衰老基因SOD基因基因P53基因基因APOC3基因基因衰老基因衰老基因MORF4基因基因P16基因基因P21基因

10、基因五、细胞衰老的相关基因五、细胞衰老的相关基因 细胞坏死（细胞坏死（necrosis）：指由环境因子或病理状态：指由环境因子或病理状态导致的细胞死亡，为被动性、非正常的死亡。导致的细胞死亡，为被动性、非正常的死亡。 细胞凋亡（细胞凋亡（apoptosis）：指在特定信号诱导下，按：指在特定信号诱导下，按一定程序发生的细胞死亡，为主动的、由基因决定一定程序发生的细胞死亡，为主动的、由基因决定的正常死亡，亦称的正常死亡，亦称程序性死亡程序性死亡（programmed cell death，PCD）。）。第二节第二节 细胞死亡细胞死亡一、细胞死亡的原因一、细胞死亡的原因 正常死亡正常死亡 非正常死

11、亡非正常死亡 物理的、化学的、生物的物理的、化学的、生物的二、细胞死亡的特征与形式二、细胞死亡的特征与形式1. 坏死坏死2. 细胞凋亡细胞凋亡3. 细胞自噬细胞自噬4. 细胞胀亡细胞胀亡第三节第三节 细胞凋亡细胞凋亡PRIZED Horvitz, and Sulston share Physiology or Medicine Nobel （2002） “for their discoveries concerning genetic regulation for their discoveries concerning genetic regulation of organ developm

12、ent and programmed cell deathof organ development and programmed cell death”1090 131= 959(cells) 细胞凋亡是细胞在一定的生理或病理条件下，遵细胞凋亡是细胞在一定的生理或病理条件下，遵循自身的程序，自己结束其生命的过程。循自身的程序，自己结束其生命的过程。 细胞凋亡亦被称为细胞编程性死亡（），细胞凋亡亦被称为细胞编程性死亡（），即在一定的时间内，细胞按一定的程序发生的死即在一定的时间内，细胞按一定的程序发生的死亡，具有严格的基因时控性和选择性。亡，具有严格的基因时控性和选择性。一、细胞凋亡的概念与特征

13、一、细胞凋亡的概念与特征（一）细胞坏死的形态特征（一）细胞坏死的形态特征 细胞受到激烈的化学（强酸、细胞受到激烈的化学（强酸、强碱、有毒物质等）、物理（强碱、有毒物质等）、物理（热、辐射等）和生物（病原体热、辐射等）和生物（病原体等）等环境因素的伤害引起。等）等环境因素的伤害引起。 细胞膜和细胞器的质膜发生破细胞膜和细胞器的质膜发生破裂，裂，线粒体肿胀。线粒体肿胀。 继而溶酶体破裂继而溶酶体破裂, , 胞浆外溢，胞浆外溢，细胞解体并引起周围组织发生细胞解体并引起周围组织发生炎症反应炎症反应。细胞核细胞核 染色质断成核小体片段，浓缩成块染色质断成核小体片段，浓缩成块，聚集于核膜，聚集于核膜下或中

14、央部异染色质区，核呈新月状、花瓣状等；下或中央部异染色质区，核呈新月状、花瓣状等； 染色质进一步聚集，使核膜在核膜孔处断裂，形染色质进一步聚集，使核膜在核膜孔处断裂，形成核碎片或核残片。成核碎片或核残片。细胞质细胞质 线粒体增大，嵴增多，空泡化线粒体增大，嵴增多，空泡化； 内质网腔增殖膨大；内质网腔增殖膨大； 细胞骨架结构变得致密和紊乱。细胞骨架结构变得致密和紊乱。（二）细胞凋亡的形态特征（二）细胞凋亡的形态特征细胞膜细胞膜微绒毛、细胞突起及细胞间连接等逐渐消失；微绒毛、细胞突起及细胞间连接等逐渐消失；细胞膜起泡，但仍完整，未失去选择通透性细胞膜起泡，但仍完整，未失去选择通透性；与细胞间连接有

15、关的蛋白质从凋亡的膜上消失，但与细胞间连接有关的蛋白质从凋亡的膜上消失，但新出现一些生物大分子调节凋亡细胞的清除。新出现一些生物大分子调节凋亡细胞的清除。A、Normal cell B、Apoptosis: Apoptotic bodies 细胞凋亡时质膜始终完细胞凋亡时质膜始终完整，胞膜内陷将内容物包整，胞膜内陷将内容物包被成一些囊状小泡，即被成一些囊状小泡，即凋凋亡小体亡小体(apoptotic body)，后者被周围细胞吞噬，无后者被周围细胞吞噬，无细胞内容物外泄，不引起细胞内容物外泄，不引起炎症反应。炎症反应。 （三）（三） 细胞凋亡时细胞生化改变的复杂性和多样性细胞凋亡时细胞生化改变

16、的复杂性和多样性1. DNA片段化片段化 凋亡时，细胞的内源性核凋亡时，细胞的内源性核酸内切酶特异地在核小体联酸内切酶特异地在核小体联接区切断接区切断DNA链，形成长度链，形成长度为为180-200bp整数倍的寡聚整数倍的寡聚核苷酸片段，在琼脂糖凝胶核苷酸片段，在琼脂糖凝胶电泳时，表现出特征性的电泳时，表现出特征性的DNA梯状条带梯状条带 (DNA ladders)。 坏死时坏死时DNA随意断裂，电随意断裂，电泳呈弥散条带（泳呈弥散条带（smear）。）。2. 细胞凋亡中起关键作用的蛋白酶细胞凋亡中起关键作用的蛋白酶3. 胞浆胞浆Ca2+和和 pH变化变化 细胞凋亡的整个过程由细胞凋亡的整个过

17、程由多种蛋白酶通过级联切多种蛋白酶通过级联切割割控制。控制。 控制凋亡的蛋白酶控制凋亡的蛋白酶 有有 caspase家族、粒酶或家族、粒酶或分裂素等。分裂素等。 Ca2+ 能诱导细胞凋亡。能诱导细胞凋亡。 H+ 浓度引起的胞浆碱化和酸化均能影响细胞浓度引起的胞浆碱化和酸化均能影响细胞凋亡。凋亡。4. 线粒体在细胞凋亡中的作用线粒体在细胞凋亡中的作用 线粒体在细胞凋亡调控中起很重要的作用。线粒体在细胞凋亡调控中起很重要的作用。 呼吸链受损，能量代谢受破坏呼吸链受损，能量代谢受破坏细胞死亡；细胞死亡；释放细胞色素释放细胞色素C (cytochrome C, cyt C，为凋，为凋亡所必须的亡所必须

18、的caspase家族的激活物家族的激活物)； 是是ROS的主要来源，的主要来源，ROS是凋亡的信使分子和是凋亡的信使分子和效应分子；效应分子； 渗透转变孔渗透转变孔 (PT pores) 通透性增高，这是凋通透性增高，这是凋亡早期的决定性变化。亡早期的决定性变化。 诱导因素诱导因素 多种无多种无ATP缺乏的生理或病理因素缺乏的生理或病理因素 强烈的刺激因素（毒素等）强烈的刺激因素（毒素等） 能量需求能量需求 依赖依赖ATP 不依赖不依赖ATP 细胞细胞 皱缩、与相邻细胞的连接丧失皱缩、与相邻细胞的连接丧失 肿胀肿胀 细胞质膜细胞质膜 始终保持良好的整合性始终保持良好的整合性 破裂破裂 细胞器细

19、胞器 形态改变较轻，结构完整形态改变较轻，结构完整 肿胀、破裂、结构崩解肿胀、破裂、结构崩解 细胞核细胞核 固缩、断裂，并可为质膜分块包裹固缩、断裂，并可为质膜分块包裹 固缩、核被膜破裂、分解固缩、核被膜破裂、分解 凋亡小体凋亡小体 形成一个或多个形成一个或多个 无无 DNA 核小体核小体DNA断裂，有规律地降解断裂，有规律地降解 随机降解随机降解 分子机制分子机制 由凋亡相关基因调控由凋亡相关基因调控 无基因调控无基因调控 代谢反应代谢反应 蛋白酶参与的级联反应蛋白酶参与的级联反应 无有秩序的代谢反应无有秩序的代谢反应 周围组织反应周围组织反应 无炎症性破坏，不留瘢痕无炎症性破坏，不留瘢痕

20、引起炎症反应引起炎症反应 对个体影响对个体影响 个体正常存活的需要个体正常存活的需要 有损伤、破坏作用有损伤、破坏作用细胞凋亡和细胞坏死的区别细胞凋亡和细胞坏死的区别 细胞凋亡细胞凋亡 细胞坏死细胞坏死四、细胞凋亡的检测四、细胞凋亡的检测1）形态学检测）形态学检测2）生化特征检测）生化特征检测 主要针对核小体片段主要针对核小体片段3）流式细胞仪检测）流式细胞仪检测凋亡引发包括细胞膜、细胞器和细胞核等的改变，造成荧凋亡引发包括细胞膜、细胞器和细胞核等的改变，造成荧光染料对凋亡细胞光染料对凋亡细胞DNA可染性发生改变；以及细胞形态的可染性发生改变；以及细胞形态的改变影响了光散射特性。这些均可通过流式细胞