第十一节细胞衰老与细胞死亡

1、细胞分化细胞分化基因特异性（差别性）表达基因特异性（差别性）表达细胞衰老与细胞死亡细胞衰老与细胞死亡细胞生物学教研室第一节第一节 细胞衰老细胞衰老(cellular aging, cell senescence)一名男子从一名男子从 36 岁到岁到 75 岁岁味觉丧失味觉丧失 64肾小球减少肾小球减少 44肾小球过滤率减少肾小球过滤率减少 31脊神经元减少脊神经元减少 37神经传导速度减慢神经传导速度减慢 10脑供血量减少脑供血量减少 20肺活量减少肺活量减少 44 生物体形态结构和生理功能随年龄增加而显现生物体形态结构和生理功能随年龄增加而显现出的不可逆的衰退现象，这种衰退增加了有机体对出的

2、不可逆的衰退现象，这种衰退增加了有机体对疾病和死亡的易感性，这种现象称为疾病和死亡的易感性，这种现象称为衰老衰老。 个体的衰老是细胞的衰老引起的个体的衰老是细胞的衰老引起的。细胞衰老细胞衰老 经典实验经典实验 体外培养成纤维细胞体外培养成纤维细胞来自胎儿来自胎儿 可传代可传代 50 次次 （与供体年龄有关）（与供体年龄有关） 来自成人来自成人 可传代可传代 20 次次来自小鼠来自小鼠 可传代可传代 1428 次次 （与供体物种（与供体物种来自乌龟来自乌龟 可传代可传代 90125 次次 特性有关）特性有关） Hayflick界限界限 细胞、至少是培养的细胞，有一定寿命的。它细胞、至少是培养的细

3、胞，有一定寿命的。它们的增殖能力不是无限的，而是有一定界限的。们的增殖能力不是无限的，而是有一定界限的。物种寿命与培养细胞寿命之间存在着确定的相互关系物种寿命与培养细胞寿命之间存在着确定的相互关系物种物种 成纤维细胞传代数成纤维细胞传代数 个体最长寿命（年）个体最长寿命（年） 龟龟 90125 175 水貂水貂 3034 15 鸡鸡 1535 8小鼠小鼠 1428 3.5人胚胎人胚胎 4060 120出生至出生至15岁岁 2040 15岁以上岁以上 1030 早老病患者早老病患者 210 1020 高等动物体内存在高等动物体内存在4种不同类型的细胞。种不同类型的细胞。 3、恒久组织细胞恒久组织

4、细胞：高度分化的细胞，这类细胞的寿命接近于：高度分化的细胞，这类细胞的寿命接近于动物的整体寿命，如动物的整体寿命，如神经细胞和骨骼肌、心肌细胞神经细胞和骨骼肌、心肌细胞等。在胚等。在胚胎发育终了时，这些细胞不再增加数量。它们随着个体衰老胎发育终了时，这些细胞不再增加数量。它们随着个体衰老而衰老，或者由于这些细胞的衰老、死亡引起个体死亡。但而衰老，或者由于这些细胞的衰老、死亡引起个体死亡。但可由干细胞增殖、分化以补充之。可由干细胞增殖、分化以补充之。2、稳定组织细胞稳定组织细胞：分化程度较高的细胞，正常情况下无明：分化程度较高的细胞，正常情况下无明显衰老现象，细胞分裂少见，但受损时，剩余细胞可重

5、新显衰老现象，细胞分裂少见，但受损时，剩余细胞可重新分裂，补充失去的细胞。如分裂，补充失去的细胞。如肝、肾细胞肝、肾细胞等。等。1、不断更新组织细胞不断更新组织细胞：是快速更新的细胞。如：是快速更新的细胞。如上皮细胞、血上皮细胞、血细胞细胞。4、可耗尽组织细胞可耗尽组织细胞：如人类的：如人类的卵巢实质细胞卵巢实质细胞。（一）细胞核的变化（一）细胞核的变化在细胞衰老变化中在细胞衰老变化中核膜内陷核膜内陷。神经细胞尤为明显，这种。神经细胞尤为明显，这种内折随年龄增长而增加，最后可能导致核膜崩解。内折随年龄增长而增加，最后可能导致核膜崩解。染色质固缩化染色质固缩化是另一个重要变化。在衰老细胞中，细胞

6、是另一个重要变化。在衰老细胞中，细胞核固缩，还常常出现核内容物，核质染色加深，核的细核固缩，还常常出现核内容物，核质染色加深，核的细致结构逐渐消失，核仁也发生明显的变化致结构逐渐消失，核仁也发生明显的变化. .（二）细胞膜的变化（二）细胞膜的变化 细胞的间隙连接明显减少细胞的间隙连接明显减少，组成间隙连接的膜内颗粒，组成间隙连接的膜内颗粒聚集体变小，这种变化使细胞间代谢协作减少了。聚集体变小，这种变化使细胞间代谢协作减少了。膜脂相发生改变，胆固醇与磷脂之比增大，膜脂相发生改变，胆固醇与磷脂之比增大，膜流动性下膜流动性下降降。细胞衰老的特征细胞衰老的特征（三）内质网的变化（三）内质网的变化 内质

7、网排列变得内质网排列变得无序无序，膜腔膨胀扩大甚至，膜腔膨胀扩大甚至崩解崩解，膜面，膜面上上核糖体数量减少核糖体数量减少。（四）线粒体的变化（四）线粒体的变化 细胞中线粒体的数量细胞中线粒体的数量随着年龄的增大而减少随着年龄的增大而减少，而其，而其体积体积则增大则增大。同时，线粒体的结构也发生变化，。同时，线粒体的结构也发生变化，肿胀空泡化肿胀空泡化，内，内部嵴大大减少。部嵴大大减少。线粒体崩解线粒体崩解是细胞衰老变化的重要标志。是细胞衰老变化的重要标志。 因为线粒体的呼吸链是损伤性自由基的发源地。线粒体因为线粒体的呼吸链是损伤性自由基的发源地。线粒体DNA成为自由基的主要攻击目标。成为自由基

8、的主要攻击目标。（五）致密体的生成（五）致密体的生成 溶酶体溶酶体消化功能减退，消化功能减退，脂褐质脂褐质增加；增加；老年斑老年斑（六）（六） 细胞骨架的改变细胞骨架的改变 微丝数量减少，结构和成分发生改变，核骨架改变微丝数量减少，结构和成分发生改变，核骨架改变（七）细胞内生化改变（七）细胞内生化改变 蛋白质合成速率降低，蛋白质合成速率降低，细胞内酶含量和活性降低细胞内酶含量和活性降低。（八）细胞外基质改变（八）细胞外基质改变 细胞外基质细胞外基质大分子交连增加大分子交连增加。（九）细胞内水分减少，体积减小（九）细胞内水分减少，体积减小细胞衰老的分子机制细胞衰老的分子机制差错学派：差错学派：强

9、调衰老是由于细胞中的各种强调衰老是由于细胞中的各种错误积累错误积累引起的。引起的。 代谢废物积累学说、自由基学说、线粒体代谢废物积累学说、自由基学说、线粒体DNA突变学说突变学说遗传学派遗传学派：强调衰老是强调衰老是遗传决定的自然演进遗传决定的自然演进过程。过程。（一）衰老的遗传学说（一）衰老的遗传学说 生物的生长、发育、衰老和死亡都是由基因生物的生长、发育、衰老和死亡都是由基因程序控制的，衰老实际上是某些基因依次开启和程序控制的，衰老实际上是某些基因依次开启和关闭的结果。关闭的结果。 细胞核基因组内存在遗传细胞核基因组内存在遗传“生物钟生物钟”。1衰老基因衰老基因 细胞中可能存在细胞中可能存

10、在衰老基因衰老基因，衰老基因的，衰老基因的表达产物，是一种可表达产物，是一种可抑制抑制DNA和蛋白正和蛋白正常合成、促进衰老的抑制素常合成、促进衰老的抑制素。成人早衰症和婴幼儿早衰症成人早衰症和婴幼儿早衰症Werner综合征综合征(WS)又称又称成人型早老症成人型早老症，患者平均寿命，患者平均寿命为为46岁岁,是一种罕见的常染色体隐性遗传病，主要特征是一种罕见的常染色体隐性遗传病，主要特征是衰老加速。主要临床表现是过早出现的衰老征象是衰老加速。主要临床表现是过早出现的衰老征象本病是染色体本病是染色体8pll一一12的的WRN(也称也称Rec03)基因突变所基因突变所致。该基因编码致。该基因编码

11、DNA解旋酶和外切核酸酶，突变导致解旋酶和外切核酸酶，突变导致该酶活性丧失，端粒丢失加快。该酶活性丧失，端粒丢失加快。婴幼儿早衰症不足婴幼儿早衰症不足8 8岁就表现出早衰症状岁就表现出早衰症状2. 抗衰老相关基因抗衰老相关基因 细胞中存在细胞中存在抗衰老相关基因抗衰老相关基因，抗衰老相，抗衰老相关基因的表达产物，增强机体代谢能力关基因的表达产物，增强机体代谢能力及应急能力。及应急能力。3. 染色体端粒和衰老染色体端粒和衰老端粒随着细胞分裂的不断进行而逐渐变短。当端粒缩短到一个端粒随着细胞分裂的不断进行而逐渐变短。当端粒缩短到一个临界长度时，启动停止细胞分裂的信号，细胞退出细胞周期，临界长度时，

12、启动停止细胞分裂的信号，细胞退出细胞周期，此时细胞不再分裂并出现老化，细胞开始死亡，此称为第一死此时细胞不再分裂并出现老化，细胞开始死亡，此称为第一死亡期亡期(M1)或危险期。因而人们把或危险期。因而人们把端粒的长度作为细胞的有丝端粒的长度作为细胞的有丝分裂钟分裂钟来对待。来对待。端粒酶是一种反转录酶，由端粒酶是一种反转录酶，由RNA和蛋白质组成和蛋白质组成将人的端粒酶反转录酶亚基（将人的端粒酶反转录酶亚基（hTRT）基因引入正常的人视网基因引入正常的人视网膜色素上皮细胞，其端粒长度明显增加，分裂旺盛，作为细胞膜色素上皮细胞，其端粒长度明显增加，分裂旺盛，作为细胞衰老指标的衰老指标的半乳糖苷酶

13、活性则明显降低。同时，表达端粒半乳糖苷酶活性则明显降低。同时，表达端粒酶的细胞寿命比正常细胞至少长酶的细胞寿命比正常细胞至少长20代，且其核型正常。代，且其核型正常。F4 端粒复制端粒复制.TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTG.AACCCCAACCCC AACCCCAAC5335dGTP.TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTT.AACCCCAACCCC AACCCCAAC5335dGTP.TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTTG.AACCCCAACCCC AACCCCAAC53353RNA templateTelomerase（二）错误累计（二）错误累计自由基

14、学说自由基学说衰老起因于代谢过程中不断产生的自由基衰老起因于代谢过程中不断产生的自由基自由基自由基瞬时形成的含不配对电子、原子团，瞬时形成的含不配对电子、原子团，特殊状态的分子和离子。超氧阴离子自由基，过特殊状态的分子和离子。超氧阴离子自由基，过氧化氢氧化氢损坏细胞膜结构，增加损坏细胞膜结构，增加DNA突变，造成功能蛋白突变，造成功能蛋白质合成误差；促进核酸和蛋白质的分子内和分子质合成误差；促进核酸和蛋白质的分子内和分子间逐步发生化学交联，使细胞不能发挥正常的功间逐步发生化学交联，使细胞不能发挥正常的功能，最终死亡；维持体内适当水平的自由基清除能，最终死亡；维持体内适当水平的自由基清除剂可以延

15、长寿命，延缓衰老。剂可以延长寿命，延缓衰老。H2O H OH带有不成对电子的基团称为自由基自由基的反应活泼性特别强1.细胞自由基细胞自由基自由基在细胞内的产生是有多种原因的，如生物自由基在细胞内的产生是有多种原因的，如生物氧化、辐射、受污染物的侵害以及细胞内的酶促氧化、辐射、受污染物的侵害以及细胞内的酶促反应等过程中都会释放自由基。反应等过程中都会释放自由基。自由基一旦生成，它们就能不断扩增，发生级联自由基一旦生成，它们就能不断扩增，发生级联反应。反应。 对磷脂的氧化和对对磷脂的氧化和对DNA造成损伤可能是主要的。造成损伤可能是主要的。细胞内存在清除自由基的防御系统，包括酶系细胞内存在清除自由

16、基的防御系统，包括酶系统 和 非 酶 系 统 。 前 者 如统 和 非 酶 系 统 。 前 者 如 超 氧 化 物 歧 化 酶超 氧 化 物 歧 化 酶（SOD），），过氧化氢酶（过氧化氢酶（CAT）以及谷胱甘肽以及谷胱甘肽过氧化物酶（过氧化物酶（GHSPX）。）。后者如后者如Ve和和VC。超表达超表达Cu/Zn SOD和过氧化氢酶的转基因果蝇和过氧化氢酶的转基因果蝇寿命比野生型长寿命比野生型长34%；而将人；而将人SODI的基因转入的基因转入成年果蝇的运动神经元中，能使果蝇寿命延长成年果蝇的运动神经元中，能使果蝇寿命延长40%。2.线粒体自由基假说线粒体自由基假说 细胞中许多自由基是由线粒体

17、制造出来的细胞中许多自由基是由线粒体制造出来的, 当当自由基一旦形成，线粒体中合成自由基一旦形成，线粒体中合成ATP的组分和线的组分和线粒体粒体DNA(比核比核DNA更易受氧化损伤更易受氧化损伤)首当其冲。首当其冲。自由基引起的线粒体损伤最终干扰了自由基引起的线粒体损伤最终干扰了ATP产生的产生的效率并增加了自由基的输出效率并增加了自由基的输出。细胞衰老与死亡细胞衰老与死亡细胞衰老细胞衰老细胞死亡细胞死亡？第二节第二节 细胞死亡细胞死亡一、细胞坏死一、细胞坏死(necrosis)极端的物理、化学或其他严重的病理性因素诱发极端的物理、化学或其他严重的病理性因素诱发的细胞死亡，的细胞死亡，“病理性

18、细胞死亡病理性细胞死亡”细胞坏死时，细胞质细胞坏死时，细胞质膜发生渗漏膜发生渗漏，细胞内容物，细胞内容物，包括膨大和破碎的细胞器以及染色质片段，释放包括膨大和破碎的细胞器以及染色质片段，释放到胞外，导致到胞外，导致炎症反应炎症反应曾经：曾经：被动的、非自主过程（被动的、非自主过程（necrosis=make die) 目前：目前： 程序性的，双刃剑程序性的，双刃剑二、细胞凋亡（二、细胞凋亡（apoptosis） 1965年澳大利亚科学家发现，结扎鼠门静脉后，年澳大利亚科学家发现，结扎鼠门静脉后，肝实质组织中有一些散在的肝实质组织中有一些散在的死亡细胞死亡细胞体积收缩、体积收缩、染色质凝集、从其

19、周围的组织中脱落并被吞噬、染色质凝集、从其周围的组织中脱落并被吞噬、机体机体无炎症反应无炎症反应,显然不同于细胞坏死。在胚胎发显然不同于细胞坏死。在胚胎发育生物学、免疫系统的研究，肝细胞死亡研究基育生物学、免疫系统的研究，肝细胞死亡研究基础上础上,1972年年Kerr等三位科学家首次提出了等三位科学家首次提出了细胞凋细胞凋亡亡的概念。的概念。 细胞凋亡是细胞凋亡是一个主动的由基因决定的自动结束生一个主动的由基因决定的自动结束生命命的过程，所以也常常被称为细胞编程死亡的过程，所以也常常被称为细胞编程死亡（programmed cell death, PCD）。）。它是一个主动的、高度有序的、基因

20、控制的、一它是一个主动的、高度有序的、基因控制的、一系列酶参与的过程。系列酶参与的过程。 选用古希腊名词选用古希腊名词apoptosis（=dropping off）命名，）命名，强调这是一强调这是一自然的生理过程自然的生理过程。细胞凋亡细胞凋亡 （apoptosis）细胞凋亡的生物学意义细胞凋亡的生物学意义细胞凋亡是机体细胞凋亡是机体生存和发育的基础生存和发育的基础，它涉及生，它涉及生命活动中的许多领域。命活动中的许多领域。细胞凋亡对于多细胞生物个体发育的正常进行，细胞凋亡对于多细胞生物个体发育的正常进行，自身平衡的保持以及抵御外界各种因素的干扰自身平衡的保持以及抵御外界各种因素的干扰方面都

21、起着非常关键的作用。方面都起着非常关键的作用。1. 确保正常生长发育确保正常生长发育在胚胎发育过程中，特定区域的细胞群会发生自在胚胎发育过程中，特定区域的细胞群会发生自然凋亡，然凋亡，清除这些细胞有利于器官的形态发生清除这些细胞有利于器官的形态发生。如果没有程序性死亡，机体的胚胎发育则不能正如果没有程序性死亡，机体的胚胎发育则不能正常进行。常进行。细胞凋亡的生物学意义细胞凋亡的生物学意义脊椎动物的神经系统在发育过程中通过脊椎动物的神经系统在发育过程中通过细胞凋亡细胞凋亡来来调调节神经细胞的数量节神经细胞的数量，使之与需要支配的靶细胞数量相，使之与需要支配的靶细胞数量相适应。适应。凋亡在凋亡在正

22、常的细胞生存与死正常的细胞生存与死亡亡的平衡中起调节作用，如的平衡中起调节作用，如果该平衡出现问题则导致肿果该平衡出现问题则导致肿瘤、阿尔兹海默病和类风湿瘤、阿尔兹海默病和类风湿关节炎等疾病的发生。关节炎等疾病的发生。2、维持机体内环境稳定、维持机体内环境稳定细胞凋亡的生物学意义细胞凋亡的生物学意义细胞可通过凋亡的形式细胞可通过凋亡的形式清除清除些病毒感染的细些病毒感染的细胞、肿瘤细胞、衰老的胞、肿瘤细胞、衰老的细胞以及受损伤的细胞。细胞以及受损伤的细胞。3、发挥积极的防御功能、发挥积极的防御功能 细胞凋亡的生物学意义细胞凋亡的生物学意义细胞表面的特化结构如微绒毛消失，细胞间细胞表面的特化结构

23、如微绒毛消失，细胞间接触的消失，但细胞膜依然完整；接触的消失，但细胞膜依然完整；细胞内脱水，细胞体积缩小，线粒体大体完细胞内脱水，细胞体积缩小，线粒体大体完整，但核糖体逐渐从内质网上脱离，内质网整，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；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，染色质固缩，形成新月形帽状结构等形态，沿着核膜分布沿着核膜分布。 凋亡的起始：凋亡的起始：细胞凋亡的主要变化细胞凋亡的主要变化1. 形态变化形态变化核染色质断裂为大小不等的片段，与某些细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，为反折的细胞质膜胞器如线粒体

24、一起聚集，为反折的细胞质膜所包围。细胞表面产生了许多泡状或芽状突所包围。细胞表面产生了许多泡状或芽状突起，逐渐形成单个的起，逐渐形成单个的凋亡小体凋亡小体。 凋亡小体的形成凋亡小体的形成凋亡执行期凋亡执行期 凋亡小体逐渐为邻近的细胞吞噬并消化凋亡小体逐渐为邻近的细胞吞噬并消化凋亡消亡期凋亡消亡期 a 正常正常T细胞杂交瘤细胞细胞杂交瘤细胞 b 凋亡细胞凋亡细胞(扫描电镜扫描电镜) c 凋亡细胞凋亡细胞(透射电镜透射电镜)内源性内源性核酸内切酶活化核酸内切酶活化，染色质染色质DNA在核小体连在核小体连接部断裂接部断裂。被降解为（。被降解为（180-200bp）整数倍片段，整数倍片段，凝胶电泳呈梯

25、状凝胶电泳呈梯状-DNA Ladder 。2. 生化变化生化变化鉴定细胞凋亡的方法鉴定细胞凋亡的方法1 1、正常细胞；、正常细胞；2 2、细胞凋、细胞凋亡的起始，染色质固缩、亡的起始，染色质固缩、分离并沿核膜分布，细胞分离并沿核膜分布，细胞质亦发生固缩；质亦发生固缩；3 3、凋亡、凋亡中的细胞，细胞质膜反折，中的细胞，细胞质膜反折，包围细胞碎片，如染色质包围细胞碎片，如染色质片断和细胞器，形成芽状片断和细胞器，形成芽状突起，以后逐渐分隔，形突起，以后逐渐分隔，形成凋亡小体；成凋亡小体；4 4、凋亡小、凋亡小体被邻近细胞吞噬；体被邻近细胞吞噬；5 5、坏死的早期阶段，染色体坏死的早期阶段，染色体

26、形成串状片段，细胞器膨形成串状片段，细胞器膨胀，线粒体基质呈絮状；胀，线粒体基质呈絮状；6 6、坏死的最后阶段，细、坏死的最后阶段，细胞膜破裂，细胞解体内容胞膜破裂，细胞解体内容物散逸。物散逸。细胞坏死与凋亡的比较细胞坏死与凋亡的比较凋亡与坏死的区别凋亡与坏死的区别染色质呈絮状染色质呈絮状不规则移位不规则移位 细胞器肿胀细胞器肿胀染色质凝聚在核膜染色质凝聚在核膜下呈半月状下呈半月状细胞器无明显变化细胞器无明显变化细胞肿胀细胞肿胀自溶自溶内容物释放内容物释放引起炎症反应引起炎症反应细胞体积固缩变小细胞体积固缩变小细胞膜完整细胞膜完整凋亡小体形成凋亡小体形成凋亡小体被邻凋亡小体被邻近细胞或巨噬近细

27、胞或巨噬细胞吞噬细胞吞噬 无炎症反应无炎症反应细胞凋亡细胞凋亡细胞坏死细胞坏死概概 念念基因控制的自主过程，表现为细胞缩基因控制的自主过程，表现为细胞缩小，核内染色质浓缩，核质边缘化，小，核内染色质浓缩，核质边缘化，膜发泡，凋亡小体形成。膜发泡，凋亡小体形成。非自主过程，质膜丧失完整性非自主过程，质膜丧失完整性和化学梯度，细胞质内容物外和化学梯度，细胞质内容物外泄引起细胞溶解死亡。泄引起细胞溶解死亡。刺刺 激激生理或病理情况。生理或病理情况。病理情况例如毒素、严重缺氧、病理情况例如毒素、严重缺氧、缺血和缺乏缺血和缺乏ATPATP。形态学形态学细胞皱缩，与邻近细胞连接丧失。细胞皱缩，与邻近细胞连

28、接丧失。肿胀，形态不规则。肿胀，形态不规则。细胞膜细胞膜完整，鼓泡，形成凋亡小体。完整，鼓泡，形成凋亡小体。溶解或通透性增加。溶解或通透性增加。细胞器细胞器完整完整受损受损细胞核细胞核固缩，染色质边缘化固缩，染色质边缘化染色质不规则转移染色质不规则转移线粒体线粒体肿胀，通透性增加，细胞色素肿胀，通透性增加，细胞色素c c释放释放肿胀，破裂，肿胀，破裂，ATPATP耗竭耗竭生化特征生化特征核小体核小体DNADNA断裂成断裂成185185bp x nbp x n片段片段随机断裂成大小不等片段随机断裂成大小不等片段能量要求能量要求依赖依赖ATPATP不依赖不依赖ATPATP组织分布组织分布单个或成群

29、细胞单个或成群细胞成片细胞成片细胞组织反应组织反应非炎症非炎症炎症炎症结结 局局吞噬细胞吞噬部分膜性结构吞噬细胞吞噬部分膜性结构细胞内容物溶解释放细胞内容物溶解释放细胞凋亡与坏死的主要特征比较细胞凋亡与坏死的主要特征比较影响细胞凋亡的因素影响细胞凋亡的因素（一）诱导因素（一）诱导因素物理性因子：包括射线（紫外线，物理性因子：包括射线（紫外线， 射线等）射线等）化学因子：包括活性氧基团和分子化学因子：包括活性氧基团和分子生物因子：生物因子：DNA和蛋白质合成的抑制剂，激素，和蛋白质合成的抑制剂，激素，细胞生长因子，肿瘤坏死因子细胞生长因子，肿瘤坏死因子 （TNF ）等等（二）抑制因素（二）抑制因

30、素1、细胞因子、细胞因子2、某些激素、某些激素3、其他：、其他：Zn2+、药物、药物、EB病毒病毒细胞凋亡的分子机理细胞凋亡的分子机理（一）线虫细胞凋亡相关的基因和蛋白质（一）线虫细胞凋亡相关的基因和蛋白质秀丽隐杆线虫秀丽隐杆线虫1090个细胞个细胞 ，131个细胞凋亡。个细胞凋亡。 找到一系列与细胞凋亡有关的基因找到一系列与细胞凋亡有关的基因秀丽隐杆线虫秀丽隐杆线虫秀丽隐杆线虫秀丽隐杆线虫 C. elegans，透明，长仅，透明，长仅1mm，体细胞，体细胞959个个1090 cells - 131 cells death = 959 cells ced-3、ced-4基因突变或缺失，使凋亡受

31、阻，有多余细基因突变或缺失，使凋亡受阻，有多余细胞存在胞存在诱发、启动凋亡诱发、启动凋亡； 移入移入 ced-9，使凋亡受阻；失去，使凋亡受阻；失去 ced-9，使细胞凋亡，使细胞凋亡抑制凋亡抑制凋亡。 Sydney Brenner Robert Horvitz John Sulston 2002年诺贝尔生理学和医学奖年诺贝尔生理学和医学奖（二）哺乳细胞凋亡相关基因（二）哺乳细胞凋亡相关基因 1. caspase家族家族 也称也称ICE/ced家族家族。哺乳动物中的与线虫。哺乳动物中的与线虫ced-3同源同源的的基基因。编码的是一组与细胞因子成熟和细胞凋亡有关的因。编码的是一组与细胞因子成熟和

32、细胞凋亡有关的蛋白酶。定位于人类染色体蛋白酶。定位于人类染色体11q23，编码由编码由404个氨基个氨基酸残基组成的酸残基组成的45kd蛋白。迄今已发现了蛋白。迄今已发现了11个同源基因，个同源基因，1996年后这些家族成员统称为年后这些家族成员统称为Caspase。 ced-3= Caspase1Caspase活性位点是半胱氨酸活性位点是半胱氨酸，裂解靶蛋白位裂解靶蛋白位点是天冬氨酸残基后的肽键，因此称为点是天冬氨酸残基后的肽键，因此称为天冬氨天冬氨酸特异性的半胱氨酸蛋白水解酶酸特异性的半胱氨酸蛋白水解酶 （Cysteine aspartic acic specific protease），

33、即），即Caspase；caspases 负责选择性地切割某些蛋白质，切割负责选择性地切割某些蛋白质，切割的结果是使靶蛋白活化或失活，而非完全降解的结果是使靶蛋白活化或失活，而非完全降解caspases通常以无活性酶原形式存在于细胞质通常以无活性酶原形式存在于细胞质中中 Caspase3 Caspase6 参与细胞凋亡的执行参与细胞凋亡的执行 Caspase7lCaspase1lCaspase11 负责白细胞介素前体的活化，不直负责白细胞介素前体的活化，不直 接参与细胞凋亡信号的传导接参与细胞凋亡信号的传导lCaspase2lCaspase8 参与细胞凋亡的起始参与细胞凋亡的起始lCaspas

34、e9lCaspase10lCaspase11切割执行者前体，活化切割执行者前体，活化2、bcl-2 膜的整合蛋白膜的整合蛋白，主要存在于线粒体外膜、核膜及部，主要存在于线粒体外膜、核膜及部分内质网中。分内质网中。bcl-2蛋白在正常组织自身稳定方面起蛋白在正常组织自身稳定方面起重要作用，重要作用， bc1-2的功能相当于线虫中的的功能相当于线虫中的ced9。Bcl-2家族分为两类家族分为两类。一类是一类是抗凋亡抗凋亡的主要有的主要有Bcl-2、Bcl-xl、Bcl-w、Mcl-1。一类是一类是促进凋亡促进凋亡的主要包括的主要包括Bax、Bak、Bad。细胞中细胞中Bax和和Bcl-2的比例决定

35、了细胞是否死亡的命运。的比例决定了细胞是否死亡的命运。 3、Fas/APO-1 跨膜蛋白，跨膜蛋白，Fas蛋白与蛋白与Fas配体结合后，引起配体结合后，引起Caspase-8、Caspase-10自身被激活，启动自身被激活，启动Caspase的级联反应，最终导致细胞凋亡的级联反应，最终导致细胞凋亡 4、p53 是一种是一种抑癌基因抑癌基因，其生物学功能是在，其生物学功能是在G1期监视期监视DNA的的完整性完整性。如有损伤，。如有损伤，P53蛋白表达、聚集并进一步上调蛋白表达、聚集并进一步上调一系列基因一系列基因(p21便是其中之一便是其中之一)表达。导致表达。导致G1期阻滞，期阻滞，使细胞赢得

36、时间，直到使细胞赢得时间，直到DNA修复完成。修复完成。损伤不能修复，损伤不能修复，P53就激活那些诱导细胞凋亡的基就激活那些诱导细胞凋亡的基因转录，使细胞进入凋亡状态。因转录，使细胞进入凋亡状态。当当p53基因发生缺失或异常时，基因发生缺失或异常时，p53失去对细胞的失去对细胞的监视作用，带着损伤的监视作用，带着损伤的DNA进入进入S期，其结果是细期，其结果是细胞因遗传不稳定性而产生突变和染色体畸变，最后胞因遗传不稳定性而产生突变和染色体畸变，最后导致细胞癌变。导致细胞癌变。细胞凋亡的信号通路细胞凋亡的信号通路1. Caspase依赖性细胞凋亡途径依赖性细胞凋亡途径死亡受体起始的外源途径死亡

37、受体起始的外源途径起始于死亡配体与受体的结合起始于死亡配体与受体的结合死亡配体主要是肿瘤坏死因子（死亡配体主要是肿瘤坏死因子（TNF）家族成员；胞质部）家族成员；胞质部分均含有死亡结构域，负责招募凋亡信号通路中的信号分分均含有死亡结构域，负责招募凋亡信号通路中的信号分子子线粒体起始的内源途径线粒体起始的内源途径内源途径中，线粒体处于中心地位内源途径中，线粒体处于中心地位当细胞受内外部凋亡信号刺激时，胞内线粒体的外膜通透当细胞受内外部凋亡信号刺激时，胞内线粒体的外膜通透性会发生改变，向细胞质中释放凋亡相关因子，引发细胞性会发生改变，向细胞质中释放凋亡相关因子，引发细胞凋亡凋亡2.Caspase非

38、依赖性的细胞凋亡非依赖性的细胞凋亡下游下游Caspases活化后，作用的底物有：活化后，作用的底物有： 裂解核纤层蛋白，导致细胞核形成凋亡小体。裂解核纤层蛋白，导致细胞核形成凋亡小体。 裂解裂解DNase结合蛋白，使结合蛋白，使DNase释放，进而降释放，进而降解解DNA形成形成DNA Ladder。 裂解参与细胞连接或附着的骨架和其他蛋白，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，便于细胞吞噬。使凋亡细胞皱缩、脱落，便于细胞吞噬。 导致膜脂导致膜脂PS（卵磷脂）重排，便于吞噬细胞（卵磷脂）重排，便于吞噬细胞识别并吞噬。识别并吞噬。细胞凋亡与医学细胞凋亡与医学(一一)与发育

39、的关系与发育的关系 胚胎发育过程中只有识别迁移到位的细胞才能生胚胎发育过程中只有识别迁移到位的细胞才能生存，而一些存，而一些迷途错位的细胞则自然凋亡迷途错位的细胞则自然凋亡，这是一，这是一种简便的清除机制。种简便的清除机制。免疫系统的发育是细胞自然凋亡最具代表性的例免疫系统的发育是细胞自然凋亡最具代表性的例子。子。95%的前的前T和前和前B细胞均要凋亡，如果细胞不细胞均要凋亡，如果细胞不能发生凋亡，则白细胞数量增加，将会发生能发生凋亡，则白细胞数量增加，将会发生白血白血病病。(二二)与疾病的关系与疾病的关系1细胞凋亡过度，导致心血管疾病细胞凋亡过度，导致心血管疾病导致心律失常的右心室发育不良性心肌病与心导致心律失常的右心室发育不良性心肌病与心肌细胞过度凋亡有关；肌细胞过度凋亡有关；急性心梗的早期和再灌注期，发现有大量的凋急性心梗的早期和再灌注期，