第13章-细胞衰老与凋亡

第十三章细胞衰老与凋亡

(cellsenescingandapoptosis）

第一节细胞的衰老衰老(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。个体的衰老与细胞的衰老相关联。现代人类面临着3种衰老：◆生理性衰老◆病理性衰老◆心理性衰老癌细胞或培养的细胞系是不正常细胞，其染色体数目或形态已经不同于原先的细胞。

培养细胞的增殖能力与供体年龄有关。培养细胞寿命与物种寿命之间存在着一定的关系。细胞来源人胚肺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40-60202-4不同年龄来源的人成纤维细胞的增殖代数体外培养的年轻人和老人的成纤维细胞的显微形态组织块迁移法获得的bMGEs细胞生物学特征

A贴壁的乳腺上皮细胞形成的管状结构（×100）Tube-likestructureofbMGEs（×100）D

乳腺上皮细胞形成单克隆（×100）

MonocloneofbMGEs（×100）C

原代培养牛乳腺上皮细胞（×100）ThebMGEsinisolatedforprimaryculture（×100）A不同形态牛乳腺上皮细胞（×100）DifferentmorphologicalofbMGEs（×100）B乳腺上皮细胞分泌脂滴（×100）Lipiddroplets-LikeofdifferentiatedbMECs（×100）乳腺上皮细胞分化的管腔（×100）Tube-likestructureofbMGEs（×100）F

乳腺上皮细胞分化的分泌泡（×100）SecretoryvacuoleofdifferentiatedbMECs（×100）H衰老的乳腺上皮细胞×100SenescenceofbMECs×100IEA贴壁的乳腺上皮细胞形成的管状结构（×100）Tube-likestructureofbMGEs（×100）D

乳腺上皮细胞形成单克隆（×100）

MonocloneofbMGEs（×100）C

原代培养牛乳腺上皮细胞（×100）ThebMGEsinisolatedforprimaryculture（×100）A不同形态牛乳腺上皮细胞（×100）DifferentmorphologicalofbMGEs（×100）B复制衰老：体外培养的正常细胞经过有限次数的分裂后，停止分裂，细胞形态和生理代谢活动发生显著的改变现象。（但基本代谢过程仍能维持）迄今为止，除了胚胎干细胞和肿瘤细胞，来自不同生物、不同年龄的原代培养的细胞均存在复制衰老的现象。复制衰老与生物体衰老的联系大多数生物学家认为复制衰老与生物体整体衰老相关,是体内衰老现象的一种体外反映。随着生物体年龄的增加,衰老细胞不断在体内积聚。1965年Hayflick最早提出复制衰老是“衰老在细胞水平的表现”Hayflick界限1961年，Hayflick等人首次报道了体外培养细胞有分裂极限的现象。他利用来自胚胎和成体的成纤维细胞进行体外培养，发现胚胎的成纤维细胞分裂传代50次后开始衰退和死亡，而来自成年组织的成纤维细胞只能培养15～30代就开始死亡。Hayflick界限：指细胞的增殖能力和寿命不是无限的，而是有一定的界限。单独培养混合培养增殖旺盛增殖次数少增殖情况与单独培养时相同探究：人体细胞衰老是由细胞本身决定的还是环境因素决定的？实验结果发现：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；而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与年轻细胞几乎相同。实验证明：是细胞核决定了细胞衰老。对于细胞来说，衰老是不可避免的，衰老的原因在于细胞本身。探究：调控细胞衰老的物质在细胞质还是在细胞核呢？Hayflick比较了不同生物的胚成纤维细胞在体外培养条件下的传代数和寿命，发现物种寿命与培养细胞寿命之间存在着确定的相关关系。正常儿童与早老症儿童的比较通常在13岁左右因心脏病发作或中风等而死亡

衰老细胞结构的变化

细胞核的变化：体外培养的二倍体细胞，细胞核随着细胞分裂次数的增加不断增大；细胞核的核膜内折（invagination）、染色质固缩化；内质网的变化：衰老动物内质网成分弥散性地分散于核周胞质中，粗面内质网的总量似乎是减少了；线粒体的变化：通常细胞中线粒体的数量随龄减少，而其体积则随龄增大；致密体的生成：脂褐质，老年色素等膜系统的变化：衰老的细胞，其膜流动性降低、韧性减小。衰老细胞间间隙连接减少；细胞膜内（P面）颗粒(紧密连接蛋白)的分布也发生变化（减少）。

致密体（densebodies）是衰老细胞中常见的一种结构，是由溶酶体或线粒体转化而来。致密体的其它名称，如脂褐质（lipofuscin）、老年色素（agepigment）、血褐质（hemofuscin）、脂色素（lipochrome）、黄色素（yellowpigment）、透明蜡体（hyaloceroid）及残体（residualbodies）等。细胞形态变化总体来说老化细胞的各种结构呈退行性变化。衰老细胞的形态变化表现有：1、核：增大、染色深、核内有包含物2、染色质：凝聚、固缩、碎裂、溶解3、质膜：粘度增加、流动性降低4、细胞质：色素积聚、空泡形成5、线粒体：数目减少、体积增大6、高尔基体：碎裂7、尼氏体：消失（粗面内质网常呈现规则的平行排列，游离核糖体分布于其间，它们在光镜下呈嗜碱性颗粒或小块，称尼氏体）8、包含物：糖原减少、脂肪积聚包含物在细胞质中，除细胞器外，还有一些其他有形成分，它们有的是细胞的代谢产物，有的是储存的营养物质9、核膜：内陷分子水平的变化

衰老细胞会出现脂类、蛋白质和DNA等细胞成分损伤，细胞代谢能力降低，主要表现在以下方面：DNA：复制与转录受到抑制，但也有个别基因会异常激活，端粒DNA丢失，线粒体DNA特异性缺失，DNA氧化、断裂、缺失和交联，甲基化程度降低。RNA：mRNA和tRNA含量降低。蛋白质：含成下降，细胞内蛋白质发生糖基化、氨甲酰化、脱氨基等修饰反应，导致蛋白质稳定性、抗原性，可消化性下降，自由基使蛋白质肽断裂，交联而变性。氨基酸由左旋变为右旋。酶分子：活性中心被氧化，金属离子Ca2+、Zn2+、Mg2+、Fe2+等丢失，酶分子的二级结构，溶解度，等电点发生改变，总的效应是酶失活。脂类：不饱和脂肪酸被氧化，引起膜脂之间或与脂蛋白之间交联，膜的流动性降低。

细胞核的核膜内折、染色质固缩化。

细胞衰老的分子机制

氧化性损伤学说：代谢过程中产生的活性氧基团或分子（reactiveoxygenspecies，ROS。包括超氧自由基、羟自由基和H2O2），引发的氧化性损伤的积累，最终导致衰老。端粒与衰老：端粒长度随年龄增长而下降，提出细胞衰老的“有丝分裂钟”学说（Harley,1990）：随着细胞的每次分裂，端粒不断缩短，当端粒长度缩短到一个阈值时，细胞就进入衰老。线粒体DNA与衰老：随年龄增长，线粒体DNA突变相当显著，mtDNA的突变积累与细胞衰老有关。TelomerehTERT-bMGEs端粒长度检测

hTERT-bMGEs在5代，12代，18代，27代端粒平均TRF为17.73kb±0.80kb衰老的机理学说关于衰老的机理具有许多不同的学说，概括起来主要有差错学派（Errortheories）和遗传学派（Genetic/Programmedtheories）两大类，前者强调衰老是由于细胞中的各种错误积累引起的，后者强调衰老是遗传决定的自然演进过程。其实，现在看来两者是相互统一的。（一）差错学派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“差错”积累，导致细胞衰老。根据对导致“差错”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。（二）遗传学派认为衰老是遗传决定的自然演进过程，一切细胞均有内在的预定程序决定其寿命，而细胞寿命又决定种属寿命的差异，外部因素只能使细胞寿命在限定范围内变动1．程序性衰老（programmedsenescence）2．复制性衰老（replicativesenescence）3．长寿基因（longevitygenes）

第二节细胞凋亡(Apoptosis)

细胞死亡是维持组织机能和形态所必需的。细胞死亡有3种方式：即①细胞坏死（necrosis）。②细胞凋亡（apoptosis）。③细胞自噬（autophagy）

虽然凋亡与坏死的最终结果极为相似，但它们的过程与表现却有很大差别。细胞坏死（necrosis）：坏死是细胞受到强烈理化或生物因素作用，引起细胞无序变化的死亡过程。细胞凋亡(apoptosis）：是一个主动的由基因决定的自动有序结束生命的过程。细胞凋亡受到严格的由遗传机制决定的程序化调控，也称为细胞程序性死亡（programmedcelldeath，PCD）。细胞自噬(autophagy)：是真核生物中进化保守的对细胞内物质进行周转的重要过程。该过程中一些损坏的蛋白或细胞器被双层膜结构的自噬小泡包裹后，送入溶酶体(动物）或液泡（酵母和植物）中进行降解并得以循环利用。

◆细胞凋亡的意义：细胞凋亡对于多细胞生物个体发育的正常进行，自稳平衡的保持以及抵御外界因素的干扰等方面起着关键的作用。●清除多余无用的细胞。●组织细胞的更新。细胞凋亡与坏死是两种截然不同的细胞学现象。主要特征区别：细胞凋亡：细胞质膜反折，包裹断裂的染色质片段或细胞器，逐渐分离形成众多的凋亡小体（apoptoticbodies），凋亡小体被邻近的细胞吞噬。整个过程中，细胞质膜保持完整，细胞内容物不会逸散到胞外，不引发炎症反应。细胞坏死：表现为细胞胀大，细胞质膜发生渗漏，细胞内容物释放到胞外，核变化较慢，DNA降解不充分，引起局部严重的炎症反应。坏死细胞凋亡细胞正常细胞与细胞凋亡比较细胞凋亡的形态学特征

细胞凋亡在形态学上可分为三个阶段：（1）凋亡的起始。细胞凋亡的起始，染色质固缩、分离并沿核膜分布，细胞质亦发生固缩；（2）凋亡小体的形成。细胞质膜反折，包围细胞碎片，如染色质片断和细胞器，形成芽状突起，以后逐渐分隔，形成凋亡小体；（3）凋亡小体逐渐为邻近的细胞所吞噬并消化。细胞凋亡的生化特征细胞凋亡的主要特征是发生核小体断裂，形成大小为180～200bp特征性的梯状条带(DNAladders)。是鉴定细胞凋亡最可靠的方法。凋亡细胞tTG(组织转谷氨酰胺酶,tissueTransglutaminase)积累并达到较高水平。细胞色素c诱导的凋亡细胞DNA电泳图1．细胞色素c诱导0h2．细胞色素c诱导1h3．细胞色素c诱导2h4．细胞色素c诱导3h5．细胞色素c诱导4h6．阴性对照7．Marker有关细胞凋亡的