《细胞生物学》-细胞13章 细胞死亡与细胞衰老2

Chapter13

CellDeathandCellaging

正常体外培养的人二倍体成纤维细胞只能进行有限次数分裂,并且其分裂次数与供体年龄有关()正确A错误B提交单选题10分下列属于细胞复制衰老的特征的有()细胞不可逆地停止分裂A细胞内溶酶体体积增大,细胞内脂褐质减少B衰老细胞端粒长度明显减少C衰老相关的β-半乳糖苷酶活化D提交多选题10分胚胎发育过程中没有细胞衰老现象。()正确A错误B提交单选题10分32名受试对象被分成太极组(练1年以上)、快走组(练1年以上)以及不做运动组。通过对外周血液CD34(+)干细胞的测定，研究发现太极组的CD34(+)干细胞数目优于不做运动组，但与快走组没有显著差异。但研究又证实，太极拳练3年以上，可增加干细胞数量3至5倍，高于练快走的1至2倍。CD34干细胞1984年被美国科学家发现，会选择性地黏附于人类及其他哺乳动物的造血干细胞表面，并随细胞的成熟逐渐减弱至消失，在多细胞生物个体的演化过程、细胞调节、组织生理学以及疾病发生中都有着至关重要的作用。第二节、细胞衰老一、衰老的概念及特征衰老(senescing，aging)：是机体在退化时期生理功能下降和紊乱的综合表现,是不可逆的生命过程。人的衰老与细胞的衰老相关联。细胞衰老（cellularaging或cellsenescence）：也指复制衰老，培养的正常细胞经过有限次分裂后，停止分裂，细胞形态和生理代谢活动发生显著改变的现象。生命现象不可逆的衰退和终止过程机体衰老——人的寿命到底有多长？

哺乳类动物的寿命应该是其生长期的7倍。人的生长期是最后一颗牙齿长出来的时间(20-25岁)。因此人的寿命应该为100-175岁，正常应该是120岁。现代人类面临着3种衰老：生理性衰老：随着年龄的增长而出现的生理性退化

病理性衰老：由于内外因素导致的病理变化，因而使衰老现象提前发生，也称“早衰”心理性衰老细胞衰老（cellularaging或cellsenescence）：也指复制衰老，培养的正常细胞经过有限次分裂后，停止分裂，细胞形态和生理代谢活动发生显著改变的现象。生命现象不可逆的衰退和终止过程（一）细胞衰老的相关研究

早在1881年，德国生物学家魏斯曼就提出有机体终究会死亡，因为组织不可能永远能够自我更新，而细胞凭借分裂来增加数量的能力也是有限的。34年的鸡心细胞的否定：Carrel和Ebeling认为细胞本身不会衰老，衰老是由于环境的影响造成的；特别是20世纪40-50年代，由于L系小鼠细胞和Hela细胞系的建立，又使细胞不死性的观点更加巩固；直到60年代初，Hayflick等人的出色工作对细胞不死的观点彻底动摇了。

Hayflick界限

Hayflick通过对不同生物的胚成纤维细胞的体外培养，发现物种寿命和培养细胞寿命之间存在着确切的相互关系。

Hayflick巧妙的设计实验，进一步证明了决定细胞衰老的因素在细胞内部，而不是外部环境。Hayflick的一些经典实验：1Hayflick等进行细胞连续传代实验，发现平均只能传代40～60次，此后细胞就逐渐解体并死亡。细胞来源人胚胎成纤维细胞中年人成纤维细胞老年人成纤维细胞可增殖代数40-60

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2-4体外培养的年轻和老的人成纤维细胞的显微形态2从胎儿肺取到的成纤维细胞可在体外培养条件下传代50次。而从成人肺取到的成纤维细胞只能传代20次，可见细胞的增殖能力与供体的年龄有关。体外培养成纤维细胞来自胎儿可传代50次（与供体年龄有关）来自成人可传代20次来自小鼠可传代14－28次（与供体物种特性有关）来自乌龟可传代90－125次

3.1961年Hayflick等观察到在人二倍体成纤维细胞体外连续培养时，增殖能力有一定限度。正常细胞培养到一定时期，会出现生长停滞，渐渐失去有丝分裂的能力并在细胞内积累大量碎片和颗粒，最终难免死亡。海弗立克认为这是人的寿命在细胞水平的表示。

Hayflick还比较取自寿命长度不同的生物的胚成纤维细胞在体外培养条件下的传代次数和寿命的关系，发现物种寿命与培养细胞寿命之间存在着确定的相互关系

物种的寿命与体外培养时细胞传代次数的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早衰症是人体衰老中的一种病症早老症病人细胞培养只传代2-4次左：9岁右：8岁细胞的寿限根据细胞的增殖能力，寿命，可将人体（哺乳动物）的组织细胞主要分为3类：恒久组织细胞：出生后，细胞不再分裂，其寿命接近于动物的整体寿命。如神经、骨骼、心肌细胞；稳定组织细胞：其寿命比机体的寿命短，可补偿性增生。如：肝、肾细胞；更新组织细胞：寿命短，其衰老和凋亡在个体发育的早期也会发生，但可快速更新。如上皮细胞、血细胞。成年小鼠各类细胞的寿命近似动物寿命缓慢更新>30d迅速更新<30d神经元细胞肾上腺皮质细胞皮肤表皮细胞肾上腺髓质细胞肾皮质细胞口腔和胃肠道上皮细胞骨细胞唾液腺细胞红细胞、白细胞胃酶原细胞胰岛细胞角膜上皮细胞脂肪细胞胃壁细胞肾髓质细胞肝细胞肌细胞4用巴氏小体做标记

老男和少女细胞的培养证明细胞内部决定衰老：取老年男性个体的细胞（间期无巴氏小体）和年轻女性个体的细胞（间期有巴氏小体）进行单独或混合培养，并统计其倍增次数。

结果发现：混合培养中的两类细胞的倍增次数与各自单独培养时相同，即在同一培养液，当年轻细胞旺盛增殖的同时，年老细胞就停止生长了；5胞质体和完整细胞的融合实验

年轻细胞的胞质体与年老的完整细胞融合时，得到的杂种细胞不能分裂；年老细胞的胞质体与年轻的完整细胞融合时，杂种细胞的分裂能力几乎与年轻细胞相同。

充分说明决定细胞的衰老是细胞核，而不是细胞质。Hayflick和Moorhead将研究结果投往《实验医学杂志》，但是该杂志的编辑，著名的劳氏肿瘤病毒发现者，诺贝尔生理医学奖获得者佩顿.劳斯回信说，只要体外培养环境合适，细胞是能够无限增殖的，该杂志拒绝接受发表；幸运的是《实验细胞研究》杂志，很快在1961年发表了这一伟大发现，随后在1974年，澳大利亚的诺贝尔奖获得者伯内特首次将这一发现称为“Hayflick界限”Hayflick得出这样的结论：

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，这就是Hayflick界限从而引出了细胞最高分裂次数的问题Hayflick得出这样的结论：

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，这就是Hayflick界限从而引出了细胞最高分裂次数的问题启示：

学习Hayflick在设计实验方面的科研思维，积极创新的精神学习Hayflick敢于挑战权威、追求真理的高尚品德对于体外培养的人的二倍体成纤维细胞,决定其衰老的主要因素是()细胞核A细胞培养条件B细胞膜C细胞质D提交单选题10分（二）细胞在体内条件下的衰老1.在机体内，细胞的衰老和死亡是常见的现象，甚至在个体发育的早期也会发生；2.正常情况下终生保持分裂的细胞，其分裂能力也表现出随着有机体年龄的增高而下降；

①衰老动物体内，细胞分裂速度显著减慢，其原因主要是G1期明显延长；

②衰老个体内的环境因素影响了细胞的增殖和衰老；

③骨髓干细胞移植实验说明随着年龄的增加，干细胞增殖速度也趋缓慢.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，如人眼的视力调节能力随年龄而降低，到老年性疾病引起死亡率的提高，如肾、心、脑组织中血管的故障、骨质疏松、肺功能和免疫功能的缺陷等等，都是以细胞发生的变化为基础的。特别是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。

骨骼肌的重量是随年龄变化的，70岁以上的老人肌肉的重量只有成年初期的将近一半左右。新生儿到95岁老人的脑细胞数与年轻呈反比，每年失去成年时期的0.8%，至60岁时将失去一半。此外，运动神经的传导速度和感觉神经的传导速度也都随年龄增加而降低，大约每年递减0.4%左右。一名男子从36岁到75岁味觉丧失64％肾小球减少44％肾小球过滤率减少31％脊神经元减少37％神经传导速度减慢10％脑供血量减少20％肺活量减少44％细胞衰老的特征是什么？（三）衰老细胞的形态学特征

(1)细胞内水分减少：胶体失去电荷、失水，导致细胞失水，细胞收缩，体积减小，不溶性蛋白增加，细胞硬度增加。（2）色素生成和色素颗粒沉积：神经细胞胞浆中、肝细胞、肌细胞中脂褐质（致密体、老年色素、脂色质）增加。（3）细胞质膜变化：膜流动性降低，黏性增加，不饱和脂肪酸含量下降，胆固醇/磷脂比值升高，孵磷脂/鞘磷脂比值降低。膜脂质过氧化。导致细胞兴奋性降低，物质转运效率降低，对环境的刺激性反应降低。（4）线粒体变化：数目减少，体积增加，mtDNA与衰老呈正相关（缺失突变）。自由基损伤，细胞能量供应不足。（5）细胞核变化：细胞核增大，染色深，核内有包含物。细胞核的核膜内折（invagination）,最终导致核膜崩解。染色质固缩化，端粒缩短。DNA氧化、断裂、缺失和交联，甲基化程度降低，RNA含量降低。（6）细胞骨架变化：微丝系统结构和成分发生改变。（7）蛋白质合成发生变化：合成速度降低，或特异蛋白合成和蛋白结构发生变化，发生修饰、交联，活性下降（8）其它变化ER呈弥散性分散于核周胞质中，rER的总量是减少；Golgi体碎裂；细胞间的间隙连接数目减少；膜内颗粒的分布也发生变化；A.第20代的年轻细胞，细胞体积较小，极少表达衰老相关β-半乳糖苷酶B.第55代的衰老细胞，细胞体积明显增大，表达衰老细胞特征的偏中性的

β-半乳糖苷酶（四）衰老细胞的生物学特征

(1)不可逆的生长停滞：细胞停止分裂（2）β-半乳糖苷酶（SAβ-gal）的高表达

（四）衰老细胞的生物学特征

（3）持续性的DNA损伤反应（4）氧化的自由基的水平较高（5）肿瘤抑制基因的表达量比较高（p16ink4a）（6）分泌大量炎症因子（7）有些衰老细胞的端粒缩短（8）有些衰老细胞还出现衰老相关异染色质集中现象

二、细胞衰老的分子机制1、复制衰老的机制（细胞衰老的端粒假说）2、压力诱导的早熟性衰老自由基理论（氧化性损伤学说）衰老的损伤积累理论线粒体损伤论3、单细胞生物的衰老1、复制衰老的机制（细胞衰老的端粒假说）细胞衰老的端粒假说Harley等人发现人体内成纤维细胞端粒每年缩短14－18bp，1990年，他提出细胞衰老的端粒假说。主要思想：端粒是细胞衰老的“有丝分裂钟”，随细胞每次分裂，端粒不断缩短；当端粒长度缩短达到一个阈值时细胞进入衰老。生殖细胞（精细胞）、癌细胞具有端粒酶活性，能维持端粒长度，能持续增殖，不引起细胞衰老；体细胞端粒酶活性处于抑制状态。细胞增殖的信号控制成视网膜细胞瘤蛋白（RB蛋白）在细胞增殖中的作用RB蛋白是抑癌基因的表达的原型蛋白。是一种打开细胞周期开关的分子钥匙。控制钥匙的是生长因子。在G1期进入S期过程中，Cdk4、Cdk6/细胞周期蛋白D复合物使RB蛋白磷酸化，释放出E2F，合成S期蛋白，促使细胞从G1期进入S期，细胞周期正常运行。（正常年轻细胞中）CDK抑制蛋白控制细胞增殖的质量CDK抑制蛋白（CDKI）可抑制CDK的装配或或抑制CDK的活性。在S期，当DNA受到损伤时，激活肿瘤抑制基因P53表达P53蛋白，进一步激活CDK抑制基因P21的表达，合成P21蛋白，P21蛋白抑制S期周期蛋白-CDK复合物的表达，导致细胞停滞在G1/S期，最终引发细胞衰老。2、压力诱导的早熟性衰老自由基理论（氧化性损伤学说）该理论认为，代谢过程中产生的活性氧基团或分子（reactiveoxygenspecies，ROS）引发的氧化性损伤的积累，最终导致衰老。ROS主要有三种类型：①O2-，即超氧自由基；②OH-，即羟自由基；③H2O2。自由基一旦生成，它们就能不断扩增，发生级联反应。其高度活性引发脂类、蛋白质和核酸分子的氧化性损伤，从而导致细胞结构的损伤乃至破坏。呼吸链产生的ROS→mtDNA损伤、突变→编码的蛋白质（电子传递链组分）受损→产生更多ROS……从而促进细胞衰老。抗氧化酶和抗氧化物剂是都是自由基反应的有效终止剂，可延缓衰老。一些护肤美容产品为什么可以延缓细胞的衰老？3、单细胞生物的衰老酵母的复制生命周期（RLS）：与核糖体rRNA基因（rDNA）数量有关。通过同源重组，形成环形rDNA（ERC）。推测ERC积累掠夺了DNA正常复制和转录所需要的重要物质，从而抑制了细胞的生长，使酵母细胞衰老。酵母中染色体外的环形rDNA（ERC）生成SIR2/3/4，SGS1抑制酵母染色体上rDNA的同源重组。其它衰老机制（理论）（1）衰老的损伤积累理论DNA复制错误，蛋白质合成错误等。错误成灾理论：差错积累，并迅速扩大，引起代谢功能大幅度降低，导致衰老。（2）线粒体损伤论衰老期间人mtDNA出现异常，如阿尔茨海默氏病（Alzheimerdisease，AD）脑组织mtDNA损伤甚为多见；人线粒体常见丢失片段为5.0、7.0和13.0kb。还发现mtDNA的片段丢失现象随年龄增加而增加，且男性高于女性。研究发现，mtDNA缺失突变存在“热点”。1980s，Cumings等人提出mtDNA中存在着衰老DNA（Sen-DNA）。（3）基因程序理论衰老是遗传上的程序性过程，是受到特定基因控制。－Hayflick的细胞培养实验；－各种动物都有相当恒定的平均寿命和最高寿命；－现已发现某些可能的“长寿基因”或“衰老基因”，子女的寿命与双亲的寿命有关。三、细胞衰老与个体衰老的关系由于体外培养细胞与体内细胞存在较大差异，表明体外培养细胞的衰老现象与个体的衰老有直接的关联的实验证据还比较少。细胞衰老可以看做是有机体在长期演化过程中形成的防止细胞过度生长即癌化的一种机制。体内细胞衰老的机制仍有待研究。BakerDJ,ChildsBG,DurikM,etal.Naturallyoccurringp16Ink4a-positivecellsshortenhealthylifespan.Nature,2016,530(7589):184-189.2016年2月11日，“Nature”报导了个体衰老和细胞衰老之间的联系的新的进展（Barkeretal.,2016)。在成年阶段积累的p16Inκ4a阳性的细胞会影响寿命，并且导致多个器官出现年龄相关的改变，通过治疗将其移除也许能够成为延长健康生命的一个非常引人注目的方法。Abstract:Cellularsenescence,astress-inducedirreversiblegrowtharrestoftencharacterizedbyexpressionofp16Ink4a(encodedbytheInk4a/Arflocus,alsoknownasCdkn2a)andadistinctivesecretoryphenotype,preventstheproliferationofpreneoplasticcellsandhasbeneficialrolesintissueremodellingduringembryogenesisandwoundhealing.Senescentcellsaccumulateinvarioustissuesandorgansovertime,andhavebeenspeculatedtohavearoleinageing.Toexplorethephysiologicalrelevanceandconsequencesofnaturallyoccurringsenescentcells,hereweuseapreviouslyestablishedtransgene,INK-ATTAC,toinduceapoptosisinp16Ink4a-expressingcellsofwild-typemicebyinjectionofAP20187twiceaweekstartingatoneyearofage.Weshowthatcomparedtovehiclealone,AP20187treatmentextendedmedianlifespaninbothmaleandfemalemiceoftwodistinctgeneticbackgrounds.Theclearanceofp16Ink4a-positivecellsdelayedtumorigenesisandattenuatedage-relateddeteriorationofseveralorganswithoutapparentsideeffects,includingkidney,heartandfat,whereclearancepreservedthefunctionalityofglomeruli,cardio-protectiveKATPchannelsandadipocytes,respectively.Thus,p16Ink4a-positivecellsthataccumulateduringadulthoodnegativelyinfluencelifespanandpromoteage-dependentchangesinseveralorgans,andtheirtherapeuticremovalmaybeanattractiveapproachtoextendhealthylifespan.与细胞衰老有关的最新研究进展李忠,白宗科,张丽伟,钱其军.免疫衰老及其相关疾病的防治[J].中国肿瘤生物治疗杂志,2020,27(04):341-350.徐舜,崔红晶,赵炜,孙雪荣,袁源,郑婷婷,熊兴东,刘新光.细胞衰老分子机制的研究进展[J].广东医科大学学报,2020,38(01):1-10.陈祥宁,刘洋,纪俊峰.清除衰老细胞在衰老与老龄化相关疾病中的研究进展[J].生物化学与生物物理进展,2019,46(12):1150-1161.马少缔,吕东鹤,霍健,王姗姗,朴金花.细胞衰老及在个体衰老中的作用[J].黑龙江医药科学,2017,40(06):14-15.中国人口老龄化加快,2022年将进入深度老龄化社会。2019年中国65岁及以上人口为17603万,较2018年增加945万,占比为12.6%、较2018年上升0.7个百分点。与历史数据相比,人口老龄化程度加快;2001～2010年中国老龄化程度年均增加0.2个百分点,2011～2018年年均增加约0.4个百分点?根据2015年《世界人口展望》报告预测,到2050年,中国60岁以上老年人口将达到36.5%,这意味着我国人口老龄化形势更加严峻,成为最严重的人口老龄化国家之一。不同于欧美等发达国家,我国处于经济欠发达时期步入人口老龄化阶段,并且老龄化程度不断加快,这对我国经济健康发展造成重大影响。事实上,中国老龄化在不断加深的同时,我国的经济发展已经步入高质量发展阶段,产业结构的转型与升级成为当前重大改革难题。那么,人口作为影响经济活动的一个重要变量,日益严重的老龄化对我国产业结构升级的影响方向和强度如何?此外,我国地域辽阔,人口在不同地区之间分布具有差异性和不平衡性,导致地区间老龄化程度差异较大,这些影响是否存在区域异质性?这些问题就非常值得关注。探讨这些问题对研究人口老龄化与产业结构升级之间的关系进而对我国的经济发展具有重要的指导意义。根据实证研究结果,本文得到的主要结论如下:（1）人口老龄化对产业结构升级的影响表现出显著区域异质性。全国、东部以及中部地区对产业结构升级具有著推动效应,西部表现并不明显,而在东北地区对产业结构升级具有抑制效应。（2）人口老龄化对产业结构升级具有较为明显的空间效应。具体表现为:人口老龄化对本地、周边地区产业结构升级的影响均表现出推动作用,并且通过空间溢出效应对周边地区产生影响时,直接效应