细胞的衰老与死亡

细胞的衰老与死亡细胞衰老（cellaging，cellsenescence）细胞衰老－－随时间推移，细胞增殖能力和生理功能下降的变化过程。（形态明显变化，膜通透性脆性增加，细胞器功能下降，遗传物质损伤增加等。）个体衰老建立在细胞总体衰老的基础上，各种衰老表现均有其细胞生物学基础。2正常细胞体外寿命有限

利用来自胚胎和成体的成纤维细胞进行体外培养后发现：胚胎的成纤维细胞分裂传代50次后开始衰退和死亡，成年组织的成纤维细胞培养15～30代就开始死亡。

Hayflick界限（Hayflicklimitation)：体外培养的二倍体细胞的增殖能力和寿命是有一定限度的组成人体组织的细胞寿命有显著差异，保持继续分裂能力的细胞不易衰老。3体外培养的二倍体细胞分裂次数与供体年龄之间呈反比关系。不同物种的细胞最大分裂次数与动物平均寿命成正比关系。常可用胚胎成纤维细胞体外培养的群体倍增次数估计个体的寿命。4Werner综合症和早老症患者的细胞传代次数大大少于常人5体内细胞增殖能力与分化相关高度分化，没有增殖能力（细胞寿命短/长）已分化，暂不增殖未分化，干细胞始终保持增殖能力。6主要表现在对外界环境变化的适应能力降低和维持细胞内稳态的能力的降低，相应的也就出现了形态结构与生化功能上的改变。细胞衰老的表现7由于水分丢失使得体积缩小，细胞“硬化”并失去正常形态。色素沉积（溶酶体清除功能下降）。膜系统脂成分改变，流动性降低，物质合成运输与信号转导发生障碍，机械抗性降低。线粒体数目减少，体积增大，骨架蛋白参与的物质运输与信号转导活动减少。8核膜内陷，核/染色质固缩化

，总的复制转录活动受抑制，染色体端粒缩短；mtDNA突变增加。蛋白质合成下降，变异蛋白出现；酶活性丧失。干细胞增殖分化能力降低。9“错误成灾”学说--DNA损伤和修复功能下降，导致核酸、蛋白质、酶等生物大分子合成错误，引起细胞代谢功能障碍，导致细胞衰老死亡。衰老的原因10自由基氧化损伤--自由基是原子核外层轨道上有不成对电子的分子或原子基团。浓度过高时，常与生物大分子发生反应，破坏生物大分子的结构，从而伤害细胞

。11自由基可破坏核酸分子中的碱基，产生基因突变。自由基可引起脂质过氧化。自由基可破坏蛋白质结构。自由基可损伤细胞骨架蛋白。12端粒Telomere--染色体的末端有一种能稳定染色体结构和功能的特殊成分。它们均是由富含T和G的简单重复序列不断重复而成。这些位于染色体末端的核苷酸重复序列和结合在其上的一些蛋白质共同构成了真核生物染色体的“末端保护帽”，维持染色体结构的稳定。13如果缺少了这种成分，染色体之间就会互相粘连、出现结构的变化或其它错误的行为，以致影响到染色体的生存和正确复制并进一步威胁到细胞的存亡。细胞分裂时DNA复制的不完全将引起端粒区DNA的少量丢失，所以随着细胞分裂次数的增加，端粒不断缩短。14细胞分裂细胞分裂染色体端粒端粒细胞将停止分裂而趋于老化当端粒缩短到一定程度(临界长度)时细胞不再分裂15特定基因衰老相关基因16根据细胞死亡形式的不同，可将其分为两种类型：坏死（necrosis）与凋亡（apoptosis）细胞的死亡17当外界因素超过细胞所承受的强度阈值时，会导致细胞结构和功能的快速崩溃，细胞肿胀膨大，胞膜/核膜破裂，细胞器/核内物质散失，释放出的蛋白又破坏邻近的细胞，于是更多细胞坏死，更多的酶被释放…，产生炎症反应。是一种病理性、被动性死亡。

坏死（necrosis）18左图：正常肝脏结构，肝小叶清晰，细胞完整。右图：丙型肝炎，肝细胞明显肿大坏死，图中空泡样结构是水肿的肝细胞，深色黑点是开始或已经坏死的肝细胞。

19也称程序性细胞死亡（programmedcelldeath，PCD），是细胞在死亡信号诱导下遵循一定程序主动性死亡的过程，涉及基因、信号的调控作用。凋亡(apoptosis)20细胞表面结构改变；内质网膨胀与细胞膜融合。Caspase被活化导致结构蛋白/调节蛋白被切割。细胞骨架逐渐断裂，胞膜塌陷，细胞体积缩小。染色质向核膜聚集，逐渐凝集形成致密斑（“核固缩”）。核膜向内塌陷，细胞核断裂并被分割包被。细胞凋亡的特点21细胞膜的内陷把细胞质分隔包裹，形成凋亡小体（apoptoticbody

）。凋亡小体内细胞器结构完整，线粒体、溶酶体无变化，始终有膜封闭，内溶物无释放，故不会引起炎症。22细胞膜表面的各种蛋白质－糖链结构的改变（膜内侧的磷脂酰丝氨酸暴露于外侧）会被周围细胞探测到，最后由巨噬细胞把凋亡细胞吞入水解，最终完成细胞凋亡的全过程。23凋亡时细胞的生化改变染色质DNA在核小体单位之间的连接处断裂,形成180200bp整数倍的寡核苷酸片段,在凝胶电泳上表现为梯形电泳图谱(DNAladder)24荧光显微镜下凋亡细胞的形态变化

Annexin-Vstaining25细胞坏死与凋亡的形态区别26细胞凋亡细胞坏死诱导因子特定凋亡信号

病理性损伤范围单个细胞成群细胞组织反应细胞吞噬凋亡小体，无炎症释放细胞内容物，伴炎症细胞膜完整，形成凋亡小体溶解破损/通透性增加细胞器完整肿胀，崩解细胞核染色质凝集，核固缩、碎片化染色质弥散，核膜破裂，核内物质丢失溶酶体完整破裂线粒体肿胀、通透性增高、Cytc释放肿胀破裂细胞体积皱缩，失去邻近细胞连接肿胀基因组DNA核酸内切酶活化，DNA降解为特定长度，电泳图谱呈梯状随机降解为任意长度，电泳图谱呈弥散状酶Caspase被活化无Caspase活性能量需求需ATP无需ATP27凋亡的生物学意义参与影响胚胎发育参与免疫应答，清除衰老、受损细胞，维持体内环境稳定28细胞凋亡的机制SydneyBrennerH.RobertHorvitzJohnE.Sulston2002NobelPrize：fortheirdiscoveriesconcerning"geneticregulationoforgandevelopmentandprogrammedcelldeath"29线虫(C.elegans)

30凋亡相关基因细胞凋亡的调控涉及许多基因。其中研究较多的有ced、Bcl-2、p53、Fas/APO-1、c-myc、ICE等。31线虫的细胞凋亡现已发现十几个基因在线虫细胞凋亡过程中起作用。与凋亡直接相关：细胞死亡基因（celldeathgene）Ced-3、Ced-4，作用是诱发凋亡。

；死亡抑制基因（celldeathsuppressergene）Ced-9可使Ced-3、Ced-4失活，抑制凋亡发生。32与凋亡细胞被吞噬细胞吞噬相关：ced-1、ced-2、ced-5、ced-6、ced-7、ced-8和ced-10。与凋亡细胞DNA降解相关：nuc-1。与特异性细胞凋亡相关：ces-1、ces-2、egl-1、her-1。33以线虫为起点，包括caspase、bcl、p53等在内的与人类细胞凋亡调控有密切关系的基因也陆续被发现。34Caspase家族Caspase是Ced-3的同源物，是引起细胞凋亡的关键酶，共同特点是富含半胱氨酸，C端同源区存在半胱氨酸激活位点，被激活后能特异地切割靶蛋白的天冬氨酸残基后的肽键。非活性的caspase均以酶原形式存在，被信号途径激活后，产生caspase级联反应，将细胞内的蛋白质降解。353637根据级联反应中所处的位置，caspase可分为位于上游的起始蛋白和位于下游的效应蛋白启动凋亡：Caspase2，Caspase8，Caspase9，Caspase10、Caspase11凋亡执行：Caspase3，Caspase6，Caspase7Caspase1、4、11参与白细胞介素前体活化，介导炎症产生，不直接参加凋亡信号的传递起始蛋白被激活后对效应蛋白进行切割并使之激活，随后级联反应递次激活下游的caspase。对靶蛋白的水解最终导致程序性细胞死亡。38能够被caspase切割的靶蛋白caspase可以裂解核酸酶抑制物从而激活核酸酶，引起DNA片段化。caspase可以裂解核纤层蛋白，导致核纤层解体、染色质固缩。caspase可以裂解细胞结构蛋白如中间纤维、肌动蛋白等，导致细胞形态的改变。caspase可作用于与DNA修复相关的酶，继而使细胞的增殖与复制受阻并发生凋亡。3940Bcl-2家族

Bcl-2家族蛋白可调节线粒体膜的通透性。促凋亡蛋白Bax能够促进线粒体外膜的通透化，促进细胞凋亡。抗凋亡类蛋白如Bcl-2阻止Bax效应。41自杀相关因子（factorassociatedsuicide,Fas)与FasL42凋亡的信号传导各种内外因素可以启动细胞凋亡，它们可以通过不同的信号传递系统传递凋亡信号，引起细胞凋亡。43死亡受体介导的细胞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。均具有富含半胱氨酸的胞外区和含死亡结构域（Deathdomain，DD）的胞内区。4445活化的caspase-8、10启动caspase的级联反应，使caspase-3、-6、-7的前体蛋白激活，这几种Caspase可降解胞内结构蛋白和功能蛋白；此外活化后的caspase-8引起线粒体中死亡因子的释放，最终导致细胞凋亡。46线粒体介导的细胞凋亡

在脊椎动物细胞的凋亡过程中，线粒体被认为是处于凋亡调控的中心位置。线粒体膜间腔中存在凋亡相关分子（Cytc、AIF），在膜通透性改变情况下可通过线粒体PT孔或Bcl-2家族成员形成的线粒体跨膜通道释放到细胞质中。47线粒体PT孔（permeabilitytransitionpore）主要由位于内膜的腺苷转位因子（ANT）和位于外膜的电压依赖性阴离子通道（VDAC）等蛋白所组成，PT孔开放会引起线粒体跨膜电位下降和细胞色素c释放。48而被细胞内信号激活的促凋亡蛋白Bad或Bax也可以胞质转移到线粒体外膜，使外膜的通透性发生改变，原本松散结合于线粒体内膜外表面的Cytc等凋亡相关蛋白从线粒体膜间隙释放到细胞质中。Cytc与Apaf-1、caspase-9的前体蛋白形成凋亡复合物。49激活后的caspase-9激活下游的caspase-3，进而引发caspase