细胞衰老与凋亡的概述

1、细胞衰老和死亡细胞衰老和死亡 第一节第一节 细胞衰老细胞衰老一一. 细胞衰老的概念细胞衰老的概念 1. 衰老衰老(aging)：生物体的形态、结：生物体的形态、结构和生理功能逐渐衰退的总现象。构和生理功能逐渐衰退的总现象。 有两层含义：一是其增殖分化的停止。有两层含义：一是其增殖分化的停止。二是其同时能够维持细胞的基本功能。二是其同时能够维持细胞的基本功能。成成年年小小鼠鼠各各类类细细胞胞的的寿寿命命接近或等于接近或等于自自身寿命身寿命的细胞的细胞神经元、肾髓质、肌细胞神经元、肾髓质、肌细胞脂肪、胃酶原细胞脂肪、胃酶原细胞骨、肾上腺髓质细胞骨、肾上腺髓质细胞缓慢缓慢更新的细更新的细胞胞(长于长

2、于30天天)呼吸道上皮、肾上腺皮质细胞呼吸道上皮、肾上腺皮质细胞肾皮质、皮肤结缔组织、肝细胞肾皮质、皮肤结缔组织、肝细胞胰脏腺泡及胰岛、唾液腺细胞胰脏腺泡及胰岛、唾液腺细胞快速快速更新的细更新的细胞胞(少于少于30天天)皮肤表皮、角膜上皮细胞皮肤表皮、角膜上皮细胞口腔和胃肠道上皮细胞口腔和胃肠道上皮细胞红细胞、白细胞红细胞、白细胞细胞总体的衰老可以反映机体的衰老，而机细胞总体的衰老可以反映机体的衰老，而机体的衰老是以总体细胞的衰老为基础的。根体的衰老是以总体细胞的衰老为基础的。根据细胞衰老速度不同将其分为三类：据细胞衰老速度不同将其分为三类： 动物培养细胞传代 寿命（年）小鼠123鸡2530龟

3、140200人（胚胎成纤维细胞）5060100人（新生儿成纤维细胞）3040人（青年成纤维细胞）2030人（成年成纤维细胞）1030 体外培养细胞寿命与机体寿命成正比。体外培养细胞寿命与机体寿命成正比。细胞的增值能力与供体年龄有关。细胞的增值能力与供体年龄有关。二、细胞衰老的表现：二、细胞衰老的表现：主要表现为对环境变化适应能力的降低和维持主要表现为对环境变化适应能力的降低和维持细胞内环境能力的降低。细胞内环境能力的降低。（一）形态结构变化（一）形态结构变化1.细胞内水分减少：失去正常形态，代谢速率减细胞内水分减少：失去正常形态，代谢速率减慢。慢。2.细胞内色素沉积：脂褐质小体随年龄增加而增细

4、胞内色素沉积：脂褐质小体随年龄增加而增多。多。3. 细胞膜的衰老变化：磷脂含量下降，膜变厚、细胞膜的衰老变化：磷脂含量下降，膜变厚、流动性下降、物质转运障碍。流动性下降、物质转运障碍。4. 内膜系统的变化：内膜系统的变化：内质网逐渐减少，高内质网逐渐减少，高而基体囊泡肿胀、扁平囊泡断裂崩解，溶而基体囊泡肿胀、扁平囊泡断裂崩解，溶酶体功能减退、酶漏出细胞自溶。酶体功能减退、酶漏出细胞自溶。5. 细胞中的线粒体细胞中的线粒体随年龄增大数目减少、随年龄增大数目减少、体积增大。体积增大。6.细胞核的衰老变化：细胞核的衰老变化：核固缩，常染色质核固缩，常染色质减少，染色加深，核质比减小。减少，染色加深，

5、核质比减小。（二）功能变化（二）功能变化1.染色质转录活性下降。染色质转录活性下降。2、蛋白质合成下降，酶活性改变。、蛋白质合成下降，酶活性改变。细胞在体内条件下衰老细胞在体内条件下衰老原代小鼠原代小鼠F1代代小鼠小鼠F2代代小鼠小鼠移植的皮肤细胞可存活移植的皮肤细胞可存活78年。年。小鼠的皮肤细胞在体内衰老的主要是体内环境。小鼠的皮肤细胞在体内衰老的主要是体内环境。三、细胞衰老的特征：三、细胞衰老的特征：1、普遍性、普遍性2、内生性、内生性3、渐进性、渐进性4、累积性、累积性5、危害性、危害性三三. 细胞衰老的学说细胞衰老的学说1、细胞磨损学说、细胞磨损学说1）错误成灾学说）错误成灾学说差误

6、成灾学说是由差误成灾学说是由Orgel明确提出的，认为在明确提出的，认为在DNA复复制，转录和翻译中发生误差，这种误差可以不断扩大，制，转录和翻译中发生误差，这种误差可以不断扩大，造成细胞衰老、死亡。如造成细胞衰老、死亡。如DNA转录转录mRNA的过程发生的过程发生微小的差异，带有该微小差异的微小的差异，带有该微小差异的mRNA会翻译出进一会翻译出进一步偏离的蛋白质，该蛋白质如果属于步偏离的蛋白质，该蛋白质如果属于DNA聚合酶会合聚合酶会合成差异程度更大的成差异程度更大的DNA，这样的差错经过每一次信息，这样的差错经过每一次信息传递都扩大一些，形成恶性循环，使细胞内积累许多传递都扩大一些，形成

7、恶性循环，使细胞内积累许多差错分子造成灾难，细胞正常功能不能发挥，致使细差错分子造成灾难，细胞正常功能不能发挥，致使细胞衰老、死亡。胞衰老、死亡。 2）自由基学说：）自由基学说： 正常代谢反应的中间产物每含自由基，正常代谢反应的中间产物每含自由基，对细胞会造成不可逆的损伤，如脂类的过对细胞会造成不可逆的损伤，如脂类的过氧化与大分子的交联，其后果是使胞内酶氧化与大分子的交联，其后果是使胞内酶失活，以及象脂褐质一类的惰性物质在胞失活，以及象脂褐质一类的惰性物质在胞内沉积。此说虽然无直接证据，但以抗氧内沉积。此说虽然无直接证据，但以抗氧化剂或自由基净化剂饲喂小鼠可延长寿命，化剂或自由基净化剂饲喂小鼠

8、可延长寿命，或抑制脂褐质的形成。此外，抗氧化剂还或抑制脂褐质的形成。此外，抗氧化剂还有加强机体免疫反应，抑制肿瘤及自体免有加强机体免疫反应，抑制肿瘤及自体免疫疾病等作用，都从侧面为此说提供了间疫疾病等作用，都从侧面为此说提供了间接的证据，然而也有一些反面的实验结果。接的证据，然而也有一些反面的实验结果。 3）大分子交联学说）大分子交联学说 该学说由该学说由Bjorksten于于1963年提出的，后经年提出的，后经Verzar加以发展。其主要论点是：机体中蛋白加以发展。其主要论点是：机体中蛋白质，核酸等大分子可以通过共价交叉结合，形质，核酸等大分子可以通过共价交叉结合，形成巨大分子。这些巨大分子

9、难以酶解，堆积在成巨大分子。这些巨大分子难以酶解，堆积在细胞内，干扰细胞的正常功能。这种交联反应细胞内，干扰细胞的正常功能。这种交联反应可发生于细胞核可发生于细胞核DNA上，也可以发生在细胞外上，也可以发生在细胞外的蛋白胶原纤维中。目前有一些证据支持交联的蛋白胶原纤维中。目前有一些证据支持交联学说。皮肤胶原的可提取性以及胶原酶对其消学说。皮肤胶原的可提取性以及胶原酶对其消化作用随增龄降低，而其热稳定性和抗张强度化作用随增龄降低，而其热稳定性和抗张强度则随年龄的增高而增强了；大鼠尾腱上的条纹则随年龄的增高而增强了；大鼠尾腱上的条纹数目及所具备的热收缩力随年龄的增高而增加，数目及所具备的热收缩力随

10、年龄的增高而增加，溶解度却随年龄增高而降低。这些结果表明，溶解度却随年龄增高而降低。这些结果表明，在年老时胶原的多肽链发生了交联，并日益增在年老时胶原的多肽链发生了交联，并日益增多。该学说与自由基学说有类似之处，亦不能多。该学说与自由基学说有类似之处，亦不能说明衰老发生的根本机制。说明衰老发生的根本机制。 2、遗传程序假说：、遗传程序假说： 1)衰老基因学说衰老基因学说 首先报道诱导永生细胞衰老实验的是首先报道诱导永生细胞衰老实验的是Sugawara等人，用正常细胞和永生仓鼠细胞融合后，出现等人，用正常细胞和永生仓鼠细胞融合后，出现衰老表现。将人衰老表现。将人1号染色体导入永生仓鼠细胞则号染色

11、体导入永生仓鼠细胞则细胞出现衰老迹象。细胞出现衰老迹象。Sugawara等认为等认为1号染色体号染色体上携有仓鼠永生细胞系的衰老基因。有人说细胞上携有仓鼠永生细胞系的衰老基因。有人说细胞衰老是被激活的或在细胞增殖后期作用显著的基衰老是被激活的或在细胞增殖后期作用显著的基因控制的结果，由此认同了衰老基因的存在，缺因控制的结果，由此认同了衰老基因的存在，缺失这些基因使细胞发生永生化。正常细胞和肿瘤失这些基因使细胞发生永生化。正常细胞和肿瘤细胞杂交后，杂交细胞表现衰老，说明了正常细细胞杂交后，杂交细胞表现衰老，说明了正常细胞能够弥补肿瘤细胞在衰老程序中的缺陷。人们胞能够弥补肿瘤细胞在衰老程序中的缺陷

12、。人们发现使细胞衰老的染色体似乎也有特异性，如对发现使细胞衰老的染色体似乎也有特异性，如对于同一种细胞导入于同一种细胞导入2号染色体，细胞出现衰老表号染色体，细胞出现衰老表现，导入现，导入3、6、7、9、11或或12号染色体细胞仍号染色体细胞仍能继续生长，也没有形态的改变。能继续生长，也没有形态的改变。 导入染色体可以使细胞从永生向衰老转变，不导入染色体可以使细胞从永生向衰老转变，不能就认为其上一定携有衰老基因，任何引起细胞能就认为其上一定携有衰老基因，任何引起细胞功能下降的因素都可以导致衰老。从进化上讲，功能下降的因素都可以导致衰老。从进化上讲，多细胞生物也没有必要强制性存在衰老基因。多细胞

13、生物也没有必要强制性存在衰老基因。 2）基因阻遏平衡论）基因阻遏平衡论 于于1992年由吕占军教授提出，以后又作了年由吕占军教授提出，以后又作了部分补充。严格说该学说属于一种生命学部分补充。严格说该学说属于一种生命学说，因其不仅解释衰老也解释肿瘤和分化。说，因其不仅解释衰老也解释肿瘤和分化。该学说同时考虑到衰老、分化和肿瘤现象，该学说同时考虑到衰老、分化和肿瘤现象，考虑到基因结构及组成，生物进化等多方考虑到基因结构及组成，生物进化等多方面的问题，但其中的许多论点和直接实验面的问题，但其中的许多论点和直接实验依据尚在进一步地验证和提供过程中。依据尚在进一步地验证和提供过程中。 3、端粒学说、端粒

14、学说端粒学说由Olovnikov提出，认为细胞在每次分裂过程中都会由于DNA聚合酶功能障碍而不能完全复制它们的染色体，因此最后复制DNA序列可能会丢失，最终造成细胞衰老死亡。 端粒是真核生物染色体末端由许多简单重复序列和相关蛋白组成的复合结构，具有维持染色体结构完整性和解决其末端复制难题的作用。端粒酶是一种逆转录酶，由RNA和蛋白质组成，是以自身RNA为模板，合成端粒重复序列，加到新合成DNA链末端。在人体内端粒酶出现在大多数的胚胎组织、生殖细胞、炎性细胞、更新组织的增生细胞以及肿瘤细胞中。正因如此，细胞每有丝分裂一次，就有一段端粒序列丢失，当端粒长度缩短到一定程度，会使细胞停止分裂，导致衰老

15、与死亡。 大量实验说明端粒、端粒酶活性与细胞衰老及永大量实验说明端粒、端粒酶活性与细胞衰老及永生有着一定的联系。第一个提供衰老细胞中端粒生有着一定的联系。第一个提供衰老细胞中端粒缩短的直接证据是来自对体外培养成纤维细胞的缩短的直接证据是来自对体外培养成纤维细胞的观察，通过对不同年龄供体成纤维细胞端粒长度观察，通过对不同年龄供体成纤维细胞端粒长度与年龄及有丝分裂能力的关系观察到随着增龄，与年龄及有丝分裂能力的关系观察到随着增龄，端粒的长度逐渐变短，有丝分裂的能力明显渐渐端粒的长度逐渐变短，有丝分裂的能力明显渐渐变弱；变弱；Hastie发现结肠端粒限制性片段的长度随发现结肠端粒限制性片段的长度随供

16、体年龄增加逐渐缩短，平均每年丢失供体年龄增加逐渐缩短，平均每年丢失33bp的重的重复序列；植物中不完整的染色体在受精作用中得复序列；植物中不完整的染色体在受精作用中得以修复，而不能在已经分化的组织中修复，这在以修复，而不能在已经分化的组织中修复，这在较为高等的真核生物中也证实了体细胞中端粒酶较为高等的真核生物中也证实了体细胞中端粒酶的活性受抑制；精子的端粒要比体细胞长，体细的活性受抑制；精子的端粒要比体细胞长，体细胞缺失端粒酶活性就会逐渐衰老，而生殖细胞系胞缺失端粒酶活性就会逐渐衰老，而生殖细胞系的端粒却可以维持其长度；转化细胞能够通过端的端粒却可以维持其长度；转化细胞能够通过端粒酶的活性完全

17、复制端粒以得永生。粒酶的活性完全复制端粒以得永生。 但是许多问题用端粒学说还不能解释。体细胞端粒长度与有丝分裂能力呈正比，这一点实验已经证实了，而不同的体细胞其有丝分裂能力是不尽相同的，胃肠黏膜细胞的分裂增殖速度就比较快，神经细胞分裂的速度就比较慢。曾有人就不同年龄供体角膜内皮细胞的端粒长度进行研究发现角膜内皮细胞内端粒长度长期维持在一个较高的水平，而端粒酶却不表达。另外，Kippling发现，鼠的端粒比人类长近5-10倍，寿命却比人类短的多。这些都提示体细胞端粒长度与个体的寿命及不同组织器官的预期寿命并非一致。生殖细胞的端粒酶活性长期维持较高的水平却不会象肿瘤那样无限制分裂繁殖；端粒长度由端

18、粒酶控制，那何种因素控制端粒酶呢？生殖细胞内端粒酶活性较高，为什么体细胞中没有较高的端粒酶活性。看来端粒的长度缩短是衰老的原因还是结果尚需进一步研究。活性氧基团导致细胞损伤和衰老活性氧基团导致细胞损伤和衰老 （氧化损伤学说，自由基理论）（氧化损伤学说，自由基理论） 自由基自由基(free radical):不成对电子或原子基团构不成对电子或原子基团构 成的高度活化分子成的高度活化分子 O2超氧自由基；超氧自由基；OH 羟自由基；羟自由基；自由基与其他分子反应时产生的活性氧基团自由基与其他分子反应时产生的活性氧基团（ROS）导致细胞发生氧化性损伤。）导致细胞发生氧化性损伤。 自由基自由基衰老基因

19、学说衰老基因学说衰老基因与抗衰老基因衰老基因与抗衰老基因1. 衰老基因衰老基因人类：载脂蛋白人类：载脂蛋白E4基因、基因、淀粉样蛋淀粉样蛋 白基因白基因 p16, p53 p21 RB基因基因2. 抗衰老基因抗衰老基因 WRN bcl-2染色体端粒缩短与细胞衰老染色体端粒缩短与细胞衰老 端粒端粒端端 粒粒 钟钟 学学 说（说（telomere clock theory)端粒（端粒（telomere)telomere)是染色体末端特殊结构。是染色体末端特殊结构。人类端粒（人类端粒（TTAGGG)n n=250-1500TTAGGG)n n=250-1500端粒长度取决于端粒酶的活性。端粒长度取决

20、于端粒酶的活性。 stop端端 粒粒 长长 度度端粒酶端粒酶 RNA（核蛋白酶）（核蛋白酶） 蛋白质蛋白质端粒酶端粒酶维持细胞分裂时染色体端粒长度维持细胞分裂时染色体端粒长度端粒酶活性（端粒酶活性（+）：胚胎细胞、生殖细胞、肿瘤细胞）：胚胎细胞、生殖细胞、肿瘤细胞端粒酶活性（端粒酶活性（- -）：正常组织：正常组织 Dolly - 20%端粒长度与衰老相关端粒长度与衰老相关模板序列模板序列CUAACUAACCCUAACCCUAAC C GGGATTGGGATT第二节第二节 细胞死亡细胞死亡细胞死亡的形式：细胞坏死细胞死亡的形式：细胞坏死(necrosis)和和 细胞凋亡细胞凋亡(apoptos

21、is)。一一. 细胞死亡：细胞死亡：生命现象不可逆的终止。生命现象不可逆的终止。二二. 细胞凋亡细胞凋亡细胞坏死细胞坏死：由于多种致病因子、物理、化学、和：由于多种致病因子、物理、化学、和 生物因子的作用，而产生的急性损伤生物因子的作用，而产生的急性损伤 致。亦称病理性死亡。致。亦称病理性死亡。细胞凋亡细胞凋亡：由基因控制的细胞自主的有序性的死：由基因控制的细胞自主的有序性的死 亡。因受相关基因的调控，亦称编程亡。因受相关基因的调控，亦称编程 性细胞死亡性细胞死亡(progremmed cell death, PCD)。胸腺细胞胸腺细胞正常正常凋亡细胞坏死细胞坏死与与细胞凋亡细胞凋亡的的比较比

22、较细胞凋亡过程中的小鼠趾细胞凋亡过程中的小鼠趾一天以后中的小鼠趾一天以后中的小鼠趾细细胞胞凋凋亡亡三三. 细胞凋亡的特点细胞凋亡的特点 凋亡小体凋亡小体(apoptotic body)：胞膜内陷包围凝集断裂的染：胞膜内陷包围凝集断裂的染色质和细胞器形成的囊状小泡。色质和细胞器形成的囊状小泡。 左左侧示哺乳类乳腺细胞的凋亡，染色质凝集，核膜崩解。侧示哺乳类乳腺细胞的凋亡，染色质凝集，核膜崩解。 右右侧示哺乳类正常的乳腺细胞。侧示哺乳类正常的乳腺细胞。透射电镜透射电镜扫扫描描电电镜镜正常细胞正常细胞细胞细胞凋亡凋亡开始开始染色质固缩，染色质固缩，沿核膜分布，沿核膜分布，细胞质亦固缩细胞质亦固缩细胞

23、膜反折，细胞膜反折，凋亡小体形成凋亡小体形成染色体形成串状片段，细胞染色体形成串状片段，细胞器膨胀，线粒体基质呈絮状。器膨胀，线粒体基质呈絮状。细胞膜破裂，细胞解体，细胞膜破裂，细胞解体，机体炎症反应。机体炎症反应。细胞细胞坏死坏死开始开始细胞细胞凋亡凋亡a.MOC染色质染色质DNA降解降解 各种原因引起核各种原因引起核酸内切酶活化使酸内切酶活化使细胞凋亡发生基细胞凋亡发生基本生化改变。本生化改变。 DNA降解有规降解有规则，早期出现则，早期出现180200bp片断，片断，琼脂糖凝胶电泳琼脂糖凝胶电泳呈呈阶梯状阶梯状。200bp400bp600bp800bp哺乳动物细胞凋亡的基因调控哺乳动物细胞