细胞的衰老凋亡

细胞的衰老与凋亡细胞的衰老Cellularaging

衰老（aging，senescence，senility）通常指生物发育成熟后，在正常情况下随着年龄的增加，机能减退，内环境稳定性下降，结构中心组分退行性变化，趋向死亡的不可逆的现象。衰老和死亡是生命的基本现象，衰老过程发生在生物界的整体水平、种群水平、个体水平、细胞水平以及分子水平等不同的层次。至少从细胞水平来看，死亡是不可避免的。衰老是细胞的基本生命活动之一。大多数细胞都要经历增殖、分化、衰老直至死亡的过程。细胞衰老：细胞对环境变化的适应能力减弱和维持细胞内环境的稳定能力降低,同时发生的形态结构的改变。细胞衰老是一个不可逆的过程

细胞衰老是客观存在的。同新陈代谢一样,细胞衰老是细胞生命活动的客观规律。对多细胞生物而言,细胞的衰老和死亡与机体的衰老和死亡是两个不同的概念,

机体的衰老并不等于所有细胞的衰老,但是细胞的衰老又是同机体的衰老紧密相关的。

细胞衰老的主要表现:●针对环境变化适应能力降低●维持细胞内环境恒定的能力降低●细胞内原生质与水分的减少，细胞收缩、失去正常形态●细胞核收缩、结构不清、染色加深●核质比减少●细胞内有色素或蜡样物质沉积●氨基酸与蛋白质合成速率下降●不溶性蛋白质的增多使得细胞的硬度增加●酶的活性与含量改变●细胞增殖有关参数特有改变。衰老细胞的形态变化核增大、染色深、核内有包含物染色质凝聚、固缩、碎裂、溶解质膜粘度增加、流动性降低细胞质色素积聚、空泡形成线粒体数目减少、体积增大、mtDNA突变或丢失高尔基体碎裂包含物糖原减少、脂肪积聚核膜内陷一、细胞的寿命与增殖能力和分化程度密切相关1、机体细胞的寿命

各类细胞本身的寿命很不一样,一般说来,能够保持持续分裂能力的细胞是不容易衰老的。分化程度高又不分裂的细胞寿命却是有限的。机体细胞根据细胞的寿命分4类●恒久组织细胞在机体出生后便永久失去了分裂能力,是高度分化的专业工作细胞。衰老变化的特点是细胞的数量减少和细胞内结构发生变化。主要包括：心肌、骨骼肌、骨、肾上腺髓质、肾髓质和神经细胞等。细胞寿命较长，可观察到衰老变化的现象，是研究细胞衰老的良好对象。人类心肌细胞骨骼肌细胞骨细胞光镜●稳定组织细胞在机体出生后便停止分裂、但终生保留分裂能力、具有较高分化程度的专业工作细胞。主要包括皮肤结缔组织、呼吸道上皮、肾上腺皮质、肾皮质、唾腺细胞、胰腺及胰岛、胃壁和肝细胞。这类细胞在正常情况下没有明显的衰老死亡，但最终也将发生衰老和死亡。●更新组织细胞执行某种功能的特化细胞，经过一定时间后衰老死亡，由新细胞分化成熟补充如上皮细胞、血细胞，构成更新组织的细胞可分为３类：①干细胞，能进行增殖又能进入分化过程②过渡细胞，来自干细胞，是能伴随细胞分裂趋向成熟的中间细胞③成熟细胞，不再分裂，经过一段时间后衰老和死亡

●可耗尽组织细胞是一种专业工作细胞,在机体一生的某一阶段逐渐减少,但得不到补充,最后消耗殆尽。如卵巢实质细胞2、体外培养细胞的寿命●Hayflik界限体外培养的细胞也有一定的寿命。

1961年，Hayflick和Moorhead实验，培养的人二倍体细胞表现出明显的衰老、退化和死亡的过程。

将细胞数以1：2的比率连续进行传代，则平均只能传代40-60次，此后细胞就逐渐解体并死亡。

细胞，至少是培养的细胞，不是不死的，而是有一定的寿命；它们的增殖能力不是无限的，而是有一定的界限——“Hayflick界限”。体外培养成纤维细胞来自胎儿可传代50次（与供体年龄

来自成人可传代20次有关）来自小鼠可传代14－28次（与供体物种来自乌龟可传代90－125次特性有关）物种寿命与培养细胞寿命之间存在着确定的相互关系体外培养的人和动物细胞的寿命与他们个体寿命的关系物种成纤维细胞传代数个体最长寿命（年）龟90－125175（？）水貂30－3410鸡15－3530小鼠14－283.5人胚胎40－60110

出生至15岁20－4015岁以上10－30早老病患者2－1010－20●细胞在体内条件下的衰老

人体和动物的各种器官和组织都是由细胞组成的，整体水平的老化是机体各部分组织细胞老化的总的反映。从五官的感觉功能的老年性退化，到老年性疾病引起死亡率的提高，都是以细胞发生的变化为基础的。

那些出生后不再进行有丝分裂的细胞所组成的器官和组织，其细胞以及基质的衰老变化必然会显示出该器官功能的衰退。细胞的衰老学说遗传程序说(geneticprogramtheory)体细胞突变论(somaticmutationtheory)错误成灾说(errorcatastrophetheory)自由基理论(freeradicaltheory)线粒体损伤论

(mitochondrialdamagetheory)衰老基因(senescencegene)和衰老相关基因(senescence-associatedgene)●遗传程序说（geneticprogramtheory）

机体从生命一开始，其生长、发育、衰老与死亡都按遗传密码中规定的程序进行，在生命过程中随着时间的推延，有关基因启动与关闭的命令按时发生，细胞“自我摧毁”的计划按期执行。

有三方面的证据：①Hayflick的细胞培养实验②发现人从30岁开始，人体各种器官的功能有1%的减退③衰老基因控制的早老综合症（symptomsofearlyaging）早衰症是人体衰老中的一种病症遗传结构在衰老过程中作用的几种假说：①重复基因利用枯竭说②DNA修复能力下降说③细胞衰老的端粒假说④长寿基因说37岁

研究表明当细胞衰老时，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X染色体上发现SAG。●细胞损伤积累说（wearandteartheory）

细胞衰老是各种细胞成分在受到内外环境的损伤作用后，因缺乏完善的修复，使“损伤”积累，导致细胞衰老。根据对导致“损伤”的主要因子和主导因子的认识不同，可分为不同的学说，这些学说各有实验证据。①代谢废物积累②大分子交联说③自由基说④线粒体损伤论⑤体细胞突变与DNA修复⑥差错灾难学说⑦微量元素减少说⑧神经内分泌系统功能减退说细胞的凋亡programmedcelldeathPCD

死亡意味着生命的终止是生物界普遍的现象。细胞的死亡有两种不同形式：一种是坏死（性）或意外（性）死亡（necrosis），它是由某些外界因素比如局部贫血，高热以及物理、化学损伤和生物侵袭等造成细胞急速死亡，是一种被动性死亡。

另一种称之为程序性死亡（programmedcelldeathPCD）是由基因控制的自杀程序引起的主动性死亡。例如鼠的爪在胚胎发育过程中成形，起初是一种类似铲状的结构，只有当爪间的细胞死亡后爪才能分开。其实人的手和足在胚胎发育过程中的成形也与鼠类似。多细胞生物随时都在进行着有规律的程序化细胞死亡，如人类的淋巴细胞系统、神经系统等。

细胞凋亡是指为维持内环境稳定，由基因控制的细胞自主的有序的死亡。细胞坏死：细胞肿胀、解体，释放出内容物，引起炎症反映。细胞凋亡：细胞核和细胞质收缩，染色质常断裂。凋亡与坏死的主要特征比较区别点细胞凋亡细胞坏死起因生理或病理性病理性变化或剧烈损伤范围单个散在细胞大片组织或成群细胞细胞膜保持完整，一直到形成凋亡小体破损染色质凝聚在核膜下呈半月状呈絮状细胞器无明显变化肿胀、内质网崩解细胞体积固缩变小肿胀变大凋亡与坏死的主要特征比较凋亡小体有，被邻近细胞或巨噬细胞吞噬无，细胞自溶，残余碎片被巨噬细胞吞噬基因组DNA有控降解，电泳图谱呈梯状随机降解，电泳图谱呈涂抹状蛋白质合成有无调节过程受基因调控被动进行炎症反应无，不释放细胞内容物有，释放内容物。细胞凋亡（apoptosis），（细胞编程死亡programmedcelldeath）：一种有次序、受控制并按某种预定程序发展的生理性的自然死亡过程。特征：形成凋亡小体(apoptoticbody)。最主要特征：DNA凝胶电泳时呈现出特征性的梯形带。

程序化细胞死亡具有明显的形态学特征,包括细胞变圆，染色质聚集、分块，胞质皱缩。正常胸腺细胞凋亡胸腺细胞●梯带电泳

程序化细胞死亡最突出的生化特征是染色质DNA的有控裂解，并且是由于内源性内切核酸酶基因的活化和表达而造成的结果。这种由内源性内切核酸酶切割的染色质DNA断片大小是有规律的，即都为200bp的倍数。因此，抽提其中的DNA，进行琼脂糖凝胶电泳时，或进行氯化铯溴化乙锭超速离心时，呈现出梯状(1adder)谱型，可作为鉴别是否发生程序化细胞死亡的一个重要的生化标志。●凋亡的生理功能

①成熟个体中，组织细胞的自然更新如骨髓和肠中，每小时约有10亿个细胞凋亡②清除已完成生理功能的细胞③清除多余的、发育不正常的细胞（如大脑中没有正确连接的神经元）④清除对机体有害的细胞（如对自身抗原起反应的胸腺T细胞）⑤清除受损的、有癌前病变或受病毒等感染的细胞■程序性细胞死亡的过程●程序性细胞死亡分为两个阶段：①死亡激活期,此阶段主要是接受来自内部或外部的死亡信号并做出反应,即接受指令并决定死亡。②死亡执行期,即执行一套死亡程序，包括发生染色质凝缩,并逐步分布在核膜周围；接着发生细胞质浓缩,此时桥粒和中间纤维的连接被破坏，膜泡形成凋亡小体，最后被吞噬细胞吞噬和降解等。●程序性死亡的细胞之所以能够被吞噬细胞识别和吞噬，是因为这些细胞的表面具有的信号，这种信号在正常细胞的表面是不存在的。研究得最清楚的被吞噬信号是存在于程序化死亡细胞质膜脂双层外叶的磷脂酰丝氨酸分子，它一般存在于正常细胞质膜脂双层的内叶。

●细胞凋亡的分子机制细胞凋亡的基因调控机制最先是从线虫（c.elegas）研究开始的。线虫在个体发育中，成体的1090个体细胞中，有131个注定是要自然凋亡。在线虫中已发现14个与细胞凋亡相关的基因。其中研究得比较深入的有促进细胞凋亡的ced-3和ced-4基因，以及抑制细胞凋亡的ced-9基因。

秀丽隐杆线虫(Caenorbabditis

Elegans)秀丽隐杆线虫(Caenorbabditis

Elegans)1090个细胞，131个细胞凋亡找到一系列与细胞凋亡有关的基因

ced-3、ced-4诱发、启动凋亡

ced-9抑制凋亡①ced-3、ced-4基因突变或缺失，使凋亡受阻②移入ced-9使凋亡受阻③失去ced-9使细胞凋亡

细胞凋亡的途径主要有两条：★通过胞外信号激活细胞内的凋亡酶caspase★通过线粒体释放凋亡酶激活因子激活caspase。

这些活化的caspase可将细胞内的重要蛋白降解，引起细胞凋亡。（1）caspase蛋白家族与凋亡①caspase蛋白家族的基因，是哺乳动物中克隆出的与线虫细胞凋亡基因ced-3的同源基因。

caspase蛋白是一个半胱氨酸蛋白酶。迄今已发现了11个同源基因，它能选择性地切割蛋白质使其失活或激活。②Caspase属于半胱氨酸蛋白酶，相当于线虫中的ced-3，这些蛋白酶是引起细胞凋亡的关键酶，一旦被信号途径激活，能将细胞内的蛋白质降解，使细胞不可逆的走向死亡。Caspase家族成员均有以下特点：①总是在天冬氨酸之后切断底物，所以命名为caspase（cysteine

aspartate-specificprotease）②都是由两大、两小亚基组成的异四聚体，大、小亚基由同一基因编码，前体被切割后产生两个活性亚基。★caspase家族成员基本功能①执行者（executioner或effector），如caspase-3、6、7，它们可直接降解胞内的结构蛋白和功能蛋白，引起凋亡，但不能通过自催化（autocatalytic）或自剪接的方式激活②启动者（initiator），如caspase-8、9，收到信号后，能通过自剪接而激活，然后引起caspase级联反应，如caspase-8可依次激活caspase-3、6、7。炎症反应执行者启动者caspase3Caspase3的活化

Caspase

可激活名叫CAD（caspase-activatedDnase）的核酸酶，CAD能在核小体的连接区将其切断，形成约为200bp整数倍的核酸片段。正常情况下CAD存在于胞质中，并且与抑制蛋白结合，不能进入细胞核。Caspase活化后可以降解抑制蛋白结合，释放出CAD，使它进入细胞核降解DNA。（2）caspase的抑制因子，称为IAPs（inhibitorsofapoptosisproteins），属于一个庞大的蛋白家族。它们能与caspase结合，抑制其活性。

（3）Apaf-1

凋亡酶激活因子-1（apoptoticproteaseactivatingfactor-1），在线虫中的同源物为ced-4，在线粒体参与的凋亡途径中具有重要作用，该基因敲除后，小鼠神经细胞过多，脑畸形发育。Apaf-1含有3个不同的结构域：①CARD（caspaserecruitmentdomain）结构域，能召集caspase-9②ced-4同源结构域，能结合ATP/dATP③C端结构域，含有色氨酸/天冬氨酸重复序列，当细胞色素c结合到这一区域后，能引起Apaf-1多聚化而激活。

Apaf-1具有激活Caspase-3的作用，而这一过程又需要细胞色素c（Apaf-2）和caspase-9（Apaf-3）参与。Apaf-1/细胞色素c复合体与ATP/dATP结合后，Apaf-1就可以通过其CARD结构域召集caspase-9，形成凋亡体（apoptosome），激活caspase-3，启动caspase级联反应。Apaf-1+细胞色素cATPdATPcaspase9凋亡小体激活caspase3（4）bcl2家族

细胞凋亡抑制基因，名称来源于B细胞淋巴瘤/白血病-2(B-celllymphoma/Leukemia-2，bcl-2)，最早由Tsujimoto（1985）从伴有14、18染色体易位的淋巴瘤细胞中发现，在正常人体内位于18号染色体。

bcl-2基因是抑制细胞程序性死亡的基因，可抑制多种原因诱导的细胞凋亡

Bcl-2为凋亡抑制基因，是膜的整合蛋白，其功能相当于线虫中的ced-9。现已发现至少19个同源物，它们在线粒体参与的凋亡途径中起调控作用，能控制线粒体中细胞色素c等凋亡因子的释放。

Bcl-2是一个不断扩增的多基因家族的原型（prototypes），其在哺乳类中的家族成员有Bcl-x,Mcl-1,Bax,Bak,Bad,A1和Bik-1。大量实验证明它是多细胞动物中普遍存在的“长寿”基因。神经元寿命长，bcl-2的表达则高于其他类型细胞。根据功能和结构可将Bcl-2基因家族分为两类：一类是抗凋亡的（anti-apoptotic），如：Bcl-2、Bcl-xl、Bcl-w、Mcl-1；一类是促进凋亡的（pro-apoptotic），如：Bax、Bak、Bad、Bid、Bim，Bid、Bad。Bcl-2蛋白家族成员概况家族成员与Bcl-2同源性Bcl-2抑制凋亡

Bcl-xl44抑制凋亡Bcl-x

促进凋亡Bax21促进凋亡Bak28促进凋亡Bad促进凋亡A140抑制凋亡Mcl-135抑制凋亡

Bcl-2蛋白存在于线粒体膜、内质网膜以及外核膜上，但主要定位于线粒体外膜，它拮抗促凋亡蛋白的功能。大多数促凋亡蛋白则主要定位于细胞质，一旦细胞受到凋亡因子的诱导，它们可以向线粒体转位，通过寡聚化在线粒体外膜形成跨膜通道，或者开启线粒体的PT孔，从而导致线粒体中的凋亡因子释放，激活caspase，导致细胞凋亡。

（5）Fas

Fas又称作APO-1/CD95，属TNF受体家族。Fas基因编码产物为分子量45KD的跨膜蛋白，分布于胸腺细胞，激活的T和B淋巴细胞，巨噬细胞，肝、脾、肺、心、脑、肠、睾丸和卵巢细胞等。Fas蛋白与Fas配体结合后，会激活caspase，导致靶细胞走向凋亡。细胞表面的凋亡受体是属于肿瘤坏死因子受体（TNFR）家族的跨膜蛋白，它们包括Fas（Apo-1/CD95）、TNFR1、DR3/WSL、DR4/TRAIL-R1和DR5/TRAIL-R2。其配体属于TNF家族，目前已比较清楚的是Fas介导的细胞凋亡途径。

Fas具有三个富含半胱氨酸的胞外区和一个称为死亡结构域（Deathdomain，DD）的胞内区。

Fas的配体FasL（Fas

ligand）与Fas结合后，Fas三聚化使胞内的DD区构象改变，然后与接头蛋白FADD（Fasassociateddeathdomain）的DD区结合，而后FADD就能与Caspase-8（或10）前体蛋白结合，形成DISC(death-inducingsignalingcomplex)，引起caspase-8、10通过自身剪激活，它们启动caspase的级联反应，使caspase-3、6、7激活，这几种Caspase可降解胞内结构蛋白和功能蛋白，最终导致细胞凋亡。（6）p53p53是肿瘤抑制基因，可以阻断细胞周期和诱导细胞凋亡。这是P53蛋白表达并进一步上调一系列基因表达的结果。

P21便是其中之一。如果损伤不能修复，P53就激活诱导细胞凋亡的基因转录，使细胞进入凋亡状态。

（7）myc

在许多人类恶性肿瘤细胞中都发现有c-myc的过度表达，它能促进细胞增殖、抑制分化。在凋亡细胞中c-myc也是高表达，作为转录调控因子，一方面它能激活那些控制细胞增殖的基因，另一方面也激活促进细胞凋亡的基因，给细胞两种选择：增殖或凋亡。当生长因子存在，Bcl-2基因表达时，促进细胞增殖，反之细胞凋亡。

（8）ATM

ATM（ataxiatelangiectasia-mutatedgene）是与DNA损伤检验有关的一个重要基因。正常细胞经放射处理后，DNA损伤会激活修复机制，如DNA不能修复则诱导细胞凋亡。ATM是DNA损伤检验点的一个重要的蛋白激酶

●线粒体与细胞凋亡细胞应激反应或凋亡信号