细胞衰老与细胞死亡

CellAging&Death细胞衰亡

2002年10月7日英国人悉尼·布雷诺尔、美国人罗伯特·霍维茨和英国人约翰·苏尔斯顿，因在细胞程序性死亡方面的研究获诺贝尔诺贝尔生理与医学奖。SydnyBrennerH.RobertHorvitzJohnE.Sulston

细胞衰老的概念细胞衰老的特征细胞衰老的机制细胞衰老细胞衰老与细胞凋亡细胞衰老细胞衰老与细胞凋亡细胞衰老细胞衰老（CellSenescence）细胞衰老(cellularaging)是细胞在其生命过程中发育到成熟后，随着时间的增加所发生的在形态结构和生理功能方面出现的一系列慢性、进行性、退化性的变化。BA培养细胞的衰老现象衰老细胞(A)，正常细胞(B)细胞衰老与机体衰老——细胞分化异类对多细胞生命机体而言，细胞衰老和机体衰老是两个不同的概念，机体衰老并不意味着所有细胞衰老，因为在机体发育的不同阶段，机体内总是有细胞在不断衰老与死亡。细胞衰老与细胞凋亡细胞衰老Hayflick界限——细胞分化异类Hayflick和Moorhead的细胞培养实验；正常细胞具有一定寿命；细胞寿命具有种属及组织细胞特异性；细胞寿命与来源组织年龄有关。细胞衰老与细胞凋亡细胞衰老体外培养细胞的寿命成年小鼠各类细胞的寿命接近或等于动物自身的寿命缓慢更新(>30天)的细胞快速更新(<30天)的细胞神经元呼吸道上皮唾液腺上皮皮肤表皮细胞胃酶原细胞肾上腺皮质细胞肾皮质细胞角膜上皮细胞脂肪细胞、肌细胞胰腺泡细胞、胰岛细胞口腔上皮细胞胃肠道上皮细胞肾上腺髓质细胞肝细胞、胃壁细胞红细胞白细胞骨细胞、肾髓质细胞皮肤结缔组织细胞细胞衰老的概念细胞衰老的特征细胞衰老的机制细胞衰老细胞衰老与细胞凋亡细胞衰老大约4～8百万新生儿中有1例患有婴幼儿早老症(Hutchinson-Gilfordsyndrome,HGS)，他们出生时似乎健康，但是大概在18～24个月时就会表现出加速老化的症状，包括生长发育障碍、机体脂肪和头发减少、老化样的皮肤、关节僵硬、髋关节脱位，所有孩子平均在13岁的时候就会死于心脏病或者是中风。2003年美国科学家发现婴幼儿早老症是由于核纤层蛋白A(LaminA)基因突变造成的，核纤层蛋白A突变会使DNA受损修复系统丧失功能，导致早衰现象。婴幼儿早老症成人早老症(Wernersyndrome)成人早老症(progeriaofadult)又名Werner综合征(Wernersyndrome，WS)，是一种罕见的常染色体隐性遗传性疾病，以特征性的鸟形、面具形脸，身材矮小，幼年即出现早老特征，硬皮病样皮肤损害和内分泌代谢异常为特点。细胞衰老的特征形态结构改变生化特征改变细胞衰老与细胞凋亡细胞衰老形态特征改变细胞核固缩,核膜内折,端粒缩短;内质网和线粒体减少,线粒体肿胀;细胞内色素或腊样物质沉积;膜系统常常处于凝胶相或固相状态，膜流动性降低；胞间连接减少，代谢协作减弱；细胞表面微绒毛增加，流动性和通透性减小；细胞内水分减少，细胞皱缩。细胞衰老与细胞凋亡细胞衰老生化特征改变细胞脱水收缩，渗透压升高，细胞硬度增大；氨基酸和蛋白质合成效率降低；细胞增殖能力减弱，集落形成率降低；某些关键酶的含量和活性降低；蛋白和基因化学修饰显著。细胞衰老与细胞凋亡细胞衰老细胞衰老的概念细胞衰老的特征细胞衰老的机制细胞衰老细胞衰老与细胞凋亡细胞衰老细胞衰老的机制遗传决定学说自由基学说端粒钟学说代谢废物累积学说基因转录翻译差错学说其他……细胞衰老与细胞凋亡细胞衰老细胞死亡的方式细胞死亡的检测细胞凋亡的调节细胞凋亡的意义细胞凋亡细胞衰老与细胞凋亡细胞凋亡细胞死亡的方式细胞死亡的检测细胞凋亡的调节细胞凋亡的意义细胞凋亡细胞衰老与细胞凋亡细胞凋亡细胞坏死细胞凋亡细胞死亡的形式细胞衰老与细胞凋亡细胞凋亡细胞坏死（Necrosis）细胞坏死(necrosis)是指细胞在受到强烈刺激，如机械损伤、毒性物质的毒害、极端温度或酸碱度所导致的细胞死亡过程。细胞坏死时，细胞膜和核膜破裂，细胞内成分溢出，影响到邻近周围细胞，并引发炎症反应。两个特点被动死亡—他杀炎症反应细胞衰老与细胞凋亡细胞凋亡细胞凋亡（apoptosis）细胞凋亡(apoptosis)是在特定信号诱导下，细胞内的死亡级联反应被触发所致的生理或病理性、主动性的死亡过程。其主要特征是细胞质浓缩、细胞膜形成泡状结构，变皱、染色质DNA被降解为220bp或其整倍数的片段、并形成由膜结构包被的凋亡小体，同时细胞内RNA和蛋白质的合成增加，凋亡的细胞随后被周围的正常细胞所吞噬，没有任何炎症和坏死现象发生。两个特点主动死亡—自杀无炎症反应细胞衰老与细胞凋亡细胞凋亡细胞坏死vs细胞凋亡项目细胞凋亡细胞坏死诱导因素多种生理或病理因素强烈的刺激因素能量需求ATP依赖性ATP非依赖性细胞形态皱缩，相邻细胞连接丧失肿胀细胞膜始终保持良好完整性破裂细胞器形态改变轻，结构完整肿胀、破裂，结构崩解细胞核固缩、断裂，并为质膜分块包裹固缩，核膜破裂、分解凋亡小体一个或多个无DNA核小体间DNA断裂，有规律降解随机降解分子机制由相关凋亡基因调节无基因调节代谢反应蛋白酶参与的级联反应无秩序的代谢反应组织反应无炎症性反应引起炎症反应对机体影响个体正常存活、发育的需要有损伤、破坏作用坏死细胞(A)和凋亡细胞(B)细胞坏死vs细胞凋亡程序性细胞死亡（programmedcelldeath,PCD）是在一定时间内，细胞按一定的程序发生死亡，细胞死亡具有严格的基因时控性和选择性。

PCD的最终结果是细胞凋亡，但细胞凋亡并非都是程序化的。细胞衰老与细胞凋亡细胞凋亡细胞凋亡的特征细胞形态学特征细胞生物化学特征细胞衰老与细胞凋亡细胞凋亡细胞凋亡形态学特征染色质DNA断裂成片段、边缘化，胞核形成新月小体；细胞质浓缩，膜性细胞器膨大；细胞连接丧失，表面微绒毛消失；形成凋亡小体。细胞衰老与细胞凋亡细胞凋亡胸腺细胞的扫描电镜观察正常细胞vs凋亡细胞细胞凋亡过程播放动画细胞凋亡过程大体可分为四个阶段：（1）凋亡信号转导：启动信号Ca2+、cAMP、神经酰胺等；（2）凋亡基因激活：表达酶类和其他物质；(3)细胞凋亡的执行：核酸内切酶(DNase)和Caspases；（4）凋亡细胞的清除：被临近的巨噬细胞或其他细胞吞噬分解。细胞凋亡生物化学特征特异性核酸内切酶活化，染色质DNA被降解，电泳后形成梯带状(DNAladder)；凋亡过程中蛋白酶如caspase等进行蛋白酶级联切割；Ca2+浓度快速升高，pH发生变化；多种RNA和蛋白质合成；线粒体发生系列显著变化。细胞衰老与细胞凋亡细胞凋亡细胞凋亡时DNA的特征性降解失巢凋亡——特殊的细胞程序性死亡因细胞与细胞外基质和其他细胞脱离接触而诱发；正常上皮细胞或不具转移性的实体瘤细胞从原位脱落进入血流引发；意义在于防止脱落细胞种植并生长于其他不适宜的地方；转移的恶性肿瘤细胞具极强的抗失巢凋亡特性。细胞衰老与细胞凋亡细胞凋亡非凋亡性细胞程序性死亡——无典型细胞凋亡特征卵巢黄体细胞卵巢卵泡闭锁烟草幼蝇蛾幼虫体节肌细胞秀丽隐杆线虫雄性个体连接细胞细胞衰老与细胞凋亡细胞凋亡细胞死亡的方式细胞死亡的检测细胞凋亡的调节细胞凋亡的意义细胞凋亡细胞衰老与细胞凋亡细胞凋亡鉴定细胞死亡最直接、最快捷的方法是活性染色法。常用的有台盘蓝和中性红。因细胞死亡后，膜结构变化，只有死细胞才能被台盘蓝染色，活细胞不被染色。应用中性红染色时，活细胞染色而死细胞无色，借以鉴别细胞。离体细胞的活性染料拒染观察卵巢皮质薄片经胶原酶消化后分离卵泡，后者经cal-AM/EH-I染色后置倒置荧光显微镜下观察，结果显示健康卵泡为绿色(B)，基本健康卵泡为红绿相间(C,存活卵母细胞为绿色，部分死亡颗粒细胞显示红色)，死亡卵泡整体呈现红色(D)，图E中箭头显示一死亡卵泡。fromMartinez-Madrid,etal,2004胶原酶分离卵巢卵泡的活性检测细胞死亡的方式细胞死亡的检测细胞凋亡的调节细胞凋亡的意义细胞凋亡细胞衰老与细胞凋亡细胞凋亡细胞死亡的调节——细胞凋亡的调节秀丽广杆线虫哺乳动物细胞衰老与细胞凋亡细胞凋亡细胞凋亡的调节——秀丽广杆线虫凋亡决定基因吞噬相关基因核酸酶基因细胞类型基因细胞衰老与细胞凋亡细胞凋亡细胞凋亡的调节——秀丽广杆线虫凋亡决定基因——生存还是死亡促凋亡基因：ced-3、ced-4；抗凋亡基因：ced-9；上游基因(ced-9)，下游基因(ced-3、ced-4)；ced-3可独立发挥作用，ced-4在胚胎发生时表达，依赖于ced-3。细胞衰老与细胞凋亡细胞凋亡吞噬相关基因——清除凋亡小体凋亡细胞的吞噬和清除；种类：ced-1/2/5/6/7/8/10。细胞凋亡的调节——秀丽广杆线虫细胞衰老与细胞凋亡细胞凋亡核酸酶基因——DNA粉碎机nuc-1基因(编码Ca2+/Mg2+依赖性核酸内切酶)；控制对染色质DNA随机降解。细胞凋亡的调节——秀丽广杆线虫细胞衰老与细胞凋亡细胞凋亡细胞类型基因——天使的选择ces-1/ces-2：线虫细胞存活调控基因；eg1-1/her-1：调节神经元和生殖系统体细胞的凋亡。细胞凋亡的调节——秀丽广杆线虫细胞衰老与细胞凋亡细胞凋亡细胞凋亡的调节——哺乳动物Bcl-2家族ICE/Caspase家族细胞凋亡蛋白酶激活因子其他与细胞凋亡有关的基因细胞衰老与细胞凋亡细胞凋亡细胞凋亡的调节——哺乳动物最初是在B细胞淋巴瘤/白血病-2(B-celllymphoma/Leukemia-2，bcl-2)中发现；Bcl-2蛋白存在于多种细胞内膜上，但主要定位于线粒体外膜；多个成员，具有共同的Bcl-2同源结构域(BH)，通常还有一C-端跨膜结构域；Bcl-2家族根据结构和功能分为两类：抗凋亡的如Bcl-2、Bcl-xl、Bcl-w和Mcl-1等；促凋亡的如Bcl-xs、Bax、Bak、Bad、Bid以及Bim等。Bcl-2基因家族——与线虫Ced-9同源细胞衰老与细胞凋亡细胞凋亡Bcl-2家族成员及功能

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，或者开启线粒体内膜通道，导致线粒体中cytc释放，激活切冬酶，导致细胞凋亡。胞质中的促凋亡蛋白可通过不同的方式激活，包括去磷酸化，如Bad；被caspase加工为活性分子，如Bid；从结合蛋白上释放出来，如Bim是与微管蛋白结合在一起的。细胞凋亡的调节——哺乳动物一种半胱氨酸特异的天冬氨酸水解酶(cysteine

aspartate-specificprotease)；同一基因编码，前体被切割后产生两个大小两亚基，形成异四聚体；分为两类(ICE/CED)、三种(ICE/凋亡启动者/凋亡执行者)；细胞中存在caspase抑制因子(IAPs)家族通过BIR结构域能与caspase结合，并抑制其活性。ICE/Caspase家族——与线虫Ced-3同源细胞衰老与细胞凋亡细胞凋亡ICE/Caspase家族成员及功能白介转化酶(炎症反应)凋亡启动者(凋亡启动)凋亡执行者(凋亡执行)细胞凋亡的调节——哺乳动物与ced-4同源的细胞凋亡蛋白酶激活因子(apoptoticproteaseactivatingfactor,Apaf)；具有多个成员，包括Apaf-1、Apaf-2(细胞色素c)和Apaf-3(caspase-9)；含有3个不同结构域：caspase募集结构域(caspaserecruitmentdomain,CARD)，能够募集caspase-9(Apaf-3)。ced-4同源结构域，能结合ATP/dATP。C-端结构域，能与Apaf-2(cytc)结合。细胞凋亡蛋白酶激活因子——与线虫Ced-4同源细胞衰老与细胞凋亡细胞凋亡细胞凋亡的调节——哺乳动物其他细胞凋亡相关基因p53ATMc-mycc-ablC-kitAPO-1/CD95细胞衰老与细胞凋亡细胞凋亡细胞凋亡的调节——哺乳动物其他细胞凋亡相关基因——p53抗癌基因，充当“分子警察”的功能，主要在DNA的完整性；如细胞DNA有损伤，则抑制细胞增殖，直到DNA修复完成；如果细胞DNA损伤不能被修复，则诱导其调亡。细胞衰老与细胞凋亡细胞凋亡p53在细胞分裂过程中染色质DNA损伤检测中的作用细胞凋亡的调节——哺乳动物其他细胞凋亡相关基因——ATMATM最早发现于毛细血管扩张性共济失调症患者，是与DNA损伤检验有关的一个重要基因；人类中大约有1%的人是ATM缺失的杂合子，表现出对电离辐射敏感和易患癌症。细胞衰老与细胞凋亡细胞凋亡细胞凋亡的调节——哺乳动物其他细胞凋亡相关基因——c-myc双刃基因：既能促进细胞增殖，也能使细胞发生凋亡;离体体系中存在足够的生长因子时，细胞增殖、分裂;生长因子含量不足，细胞凋亡。细胞衰老与细胞凋亡细胞凋亡细胞凋亡的调节——哺乳动物其他细胞凋亡相关基因——c-abl慢性髓性粒细胞性白血病(CML)的标记染色体—费城染色体(Ph)；C-abl基因位于9号染色体上，转位到22号染色体染色体断裂簇集区(bcr)，形成bcr-abl融合蛋白；c-abl－bcr融合蛋白具有较高的酪氨酸蛋白激酶活性，促进骨髓细胞增殖，抑制细胞凋亡。细胞衰老与细胞凋亡细胞凋亡细胞凋亡的调节——哺乳动物其他细胞凋亡相关基因——c-kit编码干细胞生长因子受体；编码产物具有受体酪氨酸蛋白激酶活性；细胞生存基因，促进细胞存活、增殖。细胞衰老与细胞凋亡细胞凋亡细胞凋亡的调节——哺乳动物其他细胞凋亡相关基因——APO-1/CD95APO-1/CD95亦称Fas，属TNF受体家族。Fas蛋白为分子量为45kd的跨膜蛋白，主要分布于胸腺细胞、激活的T和B淋巴细胞以及巨噬细胞等。Fas蛋白与Fas配体结合后，会激活caspase，导致靶细胞走向凋亡。细胞衰老与细胞凋亡细胞凋亡细胞凋亡与信号转导细胞衰老与细胞凋亡细胞凋亡细胞凋亡与信号转导