细胞生物学第十三章程序性细胞死亡与细胞衰老

1、第十三章第十三章 程序性细胞死亡与细胞衰老程序性细胞死亡与细胞衰老 第一节第一节 程序性细胞死亡程序性细胞死亡v一、动物细胞的程序性死亡一、动物细胞的程序性死亡 二、植物细胞与酵母的程序性死亡二、植物细胞与酵母的程序性死亡 第二节第二节 细胞衰老细胞衰老v 一、细胞衰老的概念及特征一、细胞衰老的概念及特征v 二、细胞衰老的分子机制二、细胞衰老的分子机制 三、细胞衰老与个体衰老和癌症的关系三、细胞衰老与个体衰老和癌症的关系第一节 程序性细胞死亡v程序性细胞死亡：细胞死亡受到细胞内部程序性细胞死亡：细胞死亡受到细胞内部某种由遗传机制决定的某种由遗传机制决定的“死亡程序死亡程序”控制。控制。v动物细

2、胞的死亡方式：凋亡、坏死、自噬动物细胞的死亡方式：凋亡、坏死、自噬v一、细胞凋亡一、细胞凋亡v（一）细胞凋亡的概念与特征（一）细胞凋亡的概念与特征v1、细胞凋亡的概念：是受基因调控的生理、细胞凋亡的概念：是受基因调控的生理性细胞自杀行为。性细胞自杀行为。第一节 程序性细胞死亡v2、细胞凋亡的特征、细胞凋亡的特征v凋亡起始：染色质固缩并沿核膜分布，细凋亡起始：染色质固缩并沿核膜分布，细胞质发生皱缩，细胞表面特化结构消失。胞质发生皱缩，细胞表面特化结构消失。 v凋亡小体形成凋亡小体形成: 细胞质膜反折，包围染色细胞质膜反折，包围染色质片段和细胞器等，形成芽状突起并逐渐质片段和细胞器等，形成芽状突起

3、并逐渐分隔，形成凋亡小体。分隔，形成凋亡小体。 v凋亡小体被吞噬凋亡小体被吞噬: 凋亡小体被邻近的细胞凋亡小体被邻近的细胞或吞噬细胞所吞噬，并被消化后重新利用。或吞噬细胞所吞噬，并被消化后重新利用。 v（二）、细胞凋亡的检测方法（二）、细胞凋亡的检测方法1、形态学观察：染色法、透射和扫描电镜、形态学观察：染色法、透射和扫描电镜 观察观察2、DNA电泳：电泳：DNA片段呈现出梯状条带片段呈现出梯状条带3、TUNEL测定法：即测定法：即DNA断裂的原位末端断裂的原位末端标记法标记法4、彗星电泳法、彗星电泳法5、流式细胞分析、流式细胞分析 彗星电泳法v（三）、细胞凋亡的生化特征（三）、细胞凋亡的生化

4、特征 细胞凋亡的主要特征是形成大小为细胞凋亡的主要特征是形成大小为180180200bp200bp特征性的特征性的DNA laddersDNA ladders。 凋亡细胞组织转谷氨酰胺酶凋亡细胞组织转谷氨酰胺酶tTGtTG（tissue tissue TransglutaminaseTransglutaminase）积累并达到较高水平。）积累并达到较高水平。第一节 程序性细胞死亡v（四）、细胞凋亡的生物学意义（四）、细胞凋亡的生物学意义 对动物个体的正常发育、自稳态的维对动物个体的正常发育、自稳态的维持、免疫耐受的形成、肿瘤监控等多持、免疫耐受的形成、肿瘤监控等多种生理及病理过程具有重要意义。

5、种生理及病理过程具有重要意义。1 1 有利于清除多余细胞有利于清除多余细胞 胚胎发育的某个胚胎发育的某个阶段，特定区域的多余细胞发生凋亡，利阶段，特定区域的多余细胞发生凋亡，利于器官的形态形成。如指和趾的形成。神于器官的形态形成。如指和趾的形成。神经元细胞的凋亡。经元细胞的凋亡。2 2 有利于清除无用细胞有利于清除无用细胞 形态发生时，一形态发生时，一些遗迹随发育而凋亡。如尾芽和鳃的定期些遗迹随发育而凋亡。如尾芽和鳃的定期消亡、蝌蚪退尾、人体性别的分化。消亡、蝌蚪退尾、人体性别的分化。3 3 有利于清除发育不正常的细胞有利于清除发育不正常的细胞、有害细有害细胞。胞。 作为自身的一种保护机制。作

6、为自身的一种保护机制。 4 4 有利于清除完成正常使命的衰老细胞有利于清除完成正常使命的衰老细胞 如人红细胞、动物表皮细如人红细胞、动物表皮细胞、胃肠道细胞胞、胃肠道细胞 5 5 维持器官、组织细胞数目相对平衡维持器官、组织细胞数目相对平衡 细细胞凋亡和细胞增殖是一个相反的过程，细胞凋亡和细胞增殖是一个相反的过程，细胞增殖低下和胞增殖低下和/ /或凋亡过盛，引起器官萎或凋亡过盛，引起器官萎缩，肿瘤发生既与细胞增殖过度有关，又缩，肿瘤发生既与细胞增殖过度有关，又与细胞凋亡不足有关。与细胞凋亡不足有关。v（五）、细胞凋亡的分子机制（五）、细胞凋亡的分子机制 诱导细胞凋亡的因素有多种，包括物理诱导细

7、胞凋亡的因素有多种，包括物理性因子、化学及生物因子。性因子、化学及生物因子。v1、线虫的细胞凋亡相关基因、线虫的细胞凋亡相关基因ced基因基因线虫细胞凋亡的研究线虫细胞凋亡的研究 线虫（线虫（C. elegansC. elegans) )是研究细胞凋亡的理想材料，提供了一是研究细胞凋亡的理想材料，提供了一个良好的模型。它虫体透明，易于观察。早期研究发现虫体个良好的模型。它虫体透明，易于观察。早期研究发现虫体在不同发育时期某些细胞定期死亡。在整个发育过程中，有在不同发育时期某些细胞定期死亡。在整个发育过程中，有131131个细胞陆续进入死亡程序，决定这些细胞进入死亡程序的个细胞陆续进入死亡程序，

8、决定这些细胞进入死亡程序的是一系列凋亡基因。现已从中分离出是一系列凋亡基因。现已从中分离出1010余个凋亡基因。余个凋亡基因。正常细胞正常细胞 走向死亡细胞走向死亡细胞 死细胞死细胞 降解细胞降解细胞起动死亡程序起动死亡程序执行死亡程序执行死亡程序被吞噬处理被吞噬处理Ced-2Ces-1cgl-1Ced-9ced-3 4Ced-125ced-567ced-810nec-1其中研究的较清楚的是其中研究的较清楚的是ced-9(抑制细胞凋亡）、抑制细胞凋亡）、ced-3,ced-4(促进细胞凋亡促进细胞凋亡)2002年诺贝尔生理或医学奖获得者Sydney BrennerH. Robert Horvi

9、tzJohn E. SulstonvCed3哺乳类同源物是哺乳类同源物是ICE(Interleukin-1-converting enzyme)，即，即Caspase1 v2、caspase 家族（杀手蛋白酶）与凋亡家族（杀手蛋白酶）与凋亡vCaspase活性位点是活性位点是半胱氨酸半胱氨酸(Cysteine)，裂解靶蛋白位点是裂解靶蛋白位点是天冬氨酸天冬氨酸残基后的肽键，残基后的肽键，因此称为因此称为Cysteine aspartic acid specific protease，即，即Caspase。Caspase并不完并不完全降解某一蛋白质全降解某一蛋白质。CaspaseCaspase的

10、种类的种类：现已确定：现已确定1515种种CaspaseCaspase。Caspase-1Caspase-1和和-11-11主要负责白介素前体的主要负责白介素前体的活化，不直接参与凋亡信号的传递。活化，不直接参与凋亡信号的传递。凋凋亡起始者，亡起始者，Caspase-2Caspase-2，-8-8，-9-9，-10-10，负，负责切割执行者的前体，活化执行者。责切割执行者的前体，活化执行者。凋凋亡执行者，亡执行者，Caspase-3Caspase-3，-6-6，-7-7，活化后负，活化后负责切割细胞结构蛋白和调节蛋白。责切割细胞结构蛋白和调节蛋白。CaspaseCaspase的底物：的底物：裂

11、解核纤层蛋白，导致裂解核纤层蛋白，导致细胞核形成凋亡小体；裂解细胞核形成凋亡小体；裂解DNaseDNase结合蛋结合蛋白，使白，使DNaseDNase释放，降解释放，降解DNADNA形成形成DNA DNA Ladder;Ladder;裂解参与细胞连接或附着的骨架裂解参与细胞连接或附着的骨架和其他蛋白，使凋亡细胞皱缩、脱落，和其他蛋白，使凋亡细胞皱缩、脱落，便于细胞吞噬；导致膜脂便于细胞吞噬；导致膜脂PSPS重排，便于重排，便于吞噬细胞识别并吞噬。吞噬细胞识别并吞噬。细胞凋亡中caspase级联效应v（3 3）CaspaseCaspase依赖性的细胞凋亡依赖性的细胞凋亡v主要通过两条途径引发：主

12、要通过两条途径引发：由死亡受由死亡受体起始的外源途径；体起始的外源途径；由线粒体起始由线粒体起始的内源途径。的内源途径。v外源途径外源途径：胞外配体（：胞外配体（FaslFasl或或TNFTNF）受体（质膜表面分子受体（质膜表面分子FasFas或或TNFTNF受体）受体）募集接头蛋白和起始募集接头蛋白和起始CaspaseCaspase酶原形酶原形成死亡诱导信号复合物（成死亡诱导信号复合物（DISCDISC）起起始始CaspaseCaspase活化活化执行执行CaspaseCaspase活化活化细胞凋亡。细胞凋亡。 v内源途径内源途径：内部或外部凋亡信号的刺激：内部或外部凋亡信号的刺激线粒体线粒

13、体外膜通透性改变外膜通透性改变向胞质释放凋亡相关因子（细向胞质释放凋亡相关因子（细胞色素胞色素c c）细胞色素细胞色素c c与与Apaf-1Apaf-1及及CaspaseCaspase- 9- 9前前体形成凋亡复合体（体形成凋亡复合体（apoptosomeapoptosome）Caspase-9Caspase-9活化活化执行执行CaspaseCaspase活化活化细胞凋亡。细胞凋亡。v 内源途径中，细胞色素内源途径中，细胞色素c c的释放是关键步骤。线的释放是关键步骤。线粒体通透性主要受粒体通透性主要受Bcl-2Bcl-2蛋白家族的调控。蛋白家族的调控。Bcl-2Bcl-2是线虫抗凋亡蛋白是线

14、虫抗凋亡蛋白Ced-9Ced-9在哺乳类中的同源物，在哺乳类中的同源物，Bcl-2Bcl-2蛋白家族通常含有蛋白家族通常含有BHBH结构域，根据功能分结构域，根据功能分为两组：为两组：Bcl-2Bcl-2，Bcl-xLBcl-xL，Bcl-wBcl-w等抑制细胞凋亡；等抑制细胞凋亡；BaxBax，BakBak，NoxaNoxa等促进细胞凋亡。等促进细胞凋亡。v4 4、生死抉择、生死抉择细胞凋亡的调控细胞凋亡的调控 v细胞中存在细胞中存在CaspaseCaspase抑制因子，能够直接与抑制因子，能够直接与CaspaseCaspase活性分子结合，阻抑对其底物的切割作活性分子结合，阻抑对其底物的切

15、割作用。如用。如c-IAPc-IAP（inhibitor of apoptosisinhibitor of apoptosis）家族、）家族、c-FLIPc-FLIP、BARBAR和和ARCARC等。等。v细胞存活因子包括多种有丝分裂原和生长因子。细胞存活因子包括多种有丝分裂原和生长因子。它们与细胞表面受体结合后，启动细胞内信号通它们与细胞表面受体结合后，启动细胞内信号通路，抑制凋亡的发生。在抗凋亡、促存活的信号路，抑制凋亡的发生。在抗凋亡、促存活的信号通路中，通路中，NF-kBNF-kB处于中心地位。处于中心地位。 vp53p53是细胞内的一种转录因子，它是重要的促凋是细胞内的一种转录因子，

16、它是重要的促凋亡因子和肿瘤抑制因子。亡因子和肿瘤抑制因子。 v二、细胞坏死二、细胞坏死v当细胞凋亡不能正常发生而细胞必须死亡当细胞凋亡不能正常发生而细胞必须死亡时，坏死作为凋亡的时，坏死作为凋亡的“替补替补”方式被细胞方式被细胞采用；此外，分裂旺盛细胞的采用；此外，分裂旺盛细胞的DNA被持续被持续损伤，也能引发细胞坏死，推测原因可能损伤，也能引发细胞坏死，推测原因可能是是RARP被活化。被活化。v特征特征：质膜破损，细胞内含物释放，引起：质膜破损，细胞内含物释放，引起周围组织的炎症反应。周围组织的炎症反应。细胞凋亡与坏死区别细胞凋亡与坏死区别 细胞凋亡细胞凋亡细胞坏死细胞坏死细胞膜发泡，膜仍完

17、整细胞膜发泡，膜仍完整细胞质膜受损、不完整细胞质膜受损、不完整细胞膜内陷将细胞分割成细胞膜内陷将细胞分割成凋亡小体凋亡小体细胞肿胀、溶解细胞肿胀、溶解不发生炎症反应不发生炎症反应发生严重炎症反应发生严重炎症反应被邻近正常细胞或吞噬细被邻近正常细胞或吞噬细胞所吞噬胞所吞噬被巨噬细胞所吞噬被巨噬细胞所吞噬溶酶体完整溶酶体完整溶酶体裂解溶酶体裂解染色质均一凝集染色质均一凝集染色质聚集成块、不均一染色质聚集成块、不均一染色质非随机降解为染色质非随机降解为DNA DNA ladderladder染色质染色质DNADNA被随机降解被随机降解v三、细胞自噬三、细胞自噬v细胞自噬是另一种程序性细胞死亡的方式。

18、细胞自噬是另一种程序性细胞死亡的方式。其特征是细胞中出现大的双层膜包裹的自其特征是细胞中出现大的双层膜包裹的自噬小体。双层膜来自内质网或细胞质中的噬小体。双层膜来自内质网或细胞质中的膜泡，包裹着整个的细胞器或部分细胞质，膜泡，包裹着整个的细胞器或部分细胞质，自噬小体与溶酶体融合后，内含物被溶酶自噬小体与溶酶体融合后，内含物被溶酶体中的水解酶消化。体中的水解酶消化。v细胞自噬是细胞凋亡的补充途径。细胞自噬是细胞凋亡的补充途径。v细胞自噬的分子机制。细胞自噬的分子机制。第二节 细胞衰老一、细胞衰老的概念与特征一、细胞衰老的概念与特征v1、概念：细胞衰老一般的含义是指复制衰老，、概念：细胞衰老一般的

19、含义是指复制衰老，指体外培养的正常细胞经过有限次数的分裂后，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停止分裂，细胞形态和生理代谢活动发生显著改变的现象。变的现象。v细胞不死性观点细胞不死性观点:（二十世纪（二十世纪30-60年代）年代） 证据：证据：Carrel认为，体外培养的细胞是能够永认为，体外培养的细胞是能够永生不死的。体外培养鸡心脏成纤维细胞生不死的。体外培养鸡心脏成纤维细胞34年。年。 第二节 细胞衰老vHayflickHayflick界限（界限（Hayflick 1imitationHayflick 1imitation） ：细胞，：细胞

20、，至少是培养的二倍体细胞，不是不死的，而是有至少是培养的二倍体细胞，不是不死的，而是有一定的一定的 寿命；它们的增殖能力不是无限的，而寿命；它们的增殖能力不是无限的，而是有一定的界限，这就是有一定的界限，这就 是是 HayflickHayflick界限。界限。v 细胞的增殖能力与供体年龄有关。细胞的增殖能力与供体年龄有关。v二倍体细胞的衰老是由细胞本身决定的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，不是外部的环决定细胞衰老的因素在细胞内部，不是外部的环境。境。细胞来细胞来源源人胚肺成人胚肺成纤维细胞纤维细胞中年人成中年人成纤维细胞纤维细胞老年人成老年人成纤维细胞纤维细胞可增殖可增殖代数代数 40-6040-60 2020 2-42-4不同年龄来源的人成纤维细胞的增殖代数不同年龄来源的人成纤维细胞的增殖代数Hutchinson-Gilford syndromev二、衰老细胞结构的变化二、衰老细胞结构的变化v1 1、细胞核的变化：、细胞核的变化：核增大、核膜内