第十三章 细胞衰老与凋亡

第十三章细胞衰老与凋亡CELLULARAGINGANDAPOPTOSIS第十三章细胞衰老与凋亡生长、发育、衰老、死亡是生物界新陈代谢的普遍规律,不仅体外培养的细胞存在衰老现象,体内细胞更是有一定的寿命.细胞衰老是细胞生命活动的基本特征之一；细胞死亡是生物界的普遍现象，存在两种不同的形式：

一种是由于某些外界因素的影响引起细胞意外性死亡或者坏死性死亡；

另一种称为细胞凋亡，是细胞遵循自身的程序，结束其生命的过程。

细胞衰老(cellularaging或cellsenescence)

细胞凋亡(Apoptosis)第一节细胞衰老

(cellularaging或cellsenescence)●Hayflick界限(HayflickLimitation）●细胞在体内条件下的衰老●衰老细胞结构的变化●细胞的坏死与程序性死亡●细胞衰老的分子机理一、Hayflick界限(HayflickLimitation）●概念：关于细胞增殖能力和寿命是有限的观点。细胞，至少是培养的二倍体细胞，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

◆

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

◆

细胞的增殖能力与供体年龄有关

◆

物种寿命与培养细胞寿命之间存在着一定的关系●二倍体细胞的衰老是由细胞本身决定的

◆

决定细胞衰老的因素在细胞内部，而不是外部的环境

◆

是细胞核而不是细胞质决定了细胞衰老细胞的寿限细胞也同生物体一样，有一定的寿命，体内总有细胞不断地衰老与死亡,同时又有细胞的增殖与新生进行补充。这不仅发生在胚胎发育过程中，在成年体内的各组织器官中也有细胞的死亡。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。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1961年，LeonardHayflick首次报道了体外培养的人的成纤维细胞(humanfibroblasts)具有增殖分裂的极限。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，相反，来自成年组织的成纤维细胞只能培养15～30代就开始死亡。体外培养的年轻和老的人成纤维细胞的显微形态左边是只分裂了几代的年轻成纤维细胞，呈现薄层、细长的形态；右边是分离了50次的老的成纤维细胞，开始衰退，并很快死亡；1961年，LeonardHayflick首次报道了体外培养的人的成纤维细胞(humanfibroblasts)具有增殖分裂的极限。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，相反，来自成年组织的成纤维细胞只能培养15～30代就开始死亡。Normalhumanfibroblasts(left)andfibroblastsshowingasenescentmorphology(right).物种的寿命与体外培养时细胞传代次数的关系

长寿物种的细胞体外培养的代数比短寿物种的细胞代数多，表明细胞的衰老是由生物本身的程序决定的。灰色部分表示生物的寿命，白色部分部份表示体外培养传代的次数。二、细胞在体内条件下的衰老●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;●正常情况下终生保持分裂的细胞，其分裂能力是否随着有机体年龄的增高而下降？它们会不会衰老？

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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;

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衰老个体内的环境因素影响了细胞的增殖和衰老; ◆

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.三、衰老细胞结构的变化细胞衰老的特征衰老过程中细胞膜体系的变化衰老过程中细胞骨架体系的变化衰老过程中线粒体的变化细胞核的变化衰老过程中内质网、蛋白质合成的变化分子水平的变化细胞核的变化结构变化

体积增大、核膜内折、染色质固缩化、出现核内容物、核仁变化；分子水平变化

端粒和端粒酶可能与细胞衰老及细胞不死性有关；基因表达水平变化

在细胞衰老过程中，甲基化方式在基因表达和抑制方面起重要作用，所有表达的基因或不表达的基因都可能维持失去或重新获得甲基化；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)、染色质固缩化膜系统的变化膜脂相会发生改变。膜的微粘度增加。膜内颗粒在膜平面上进行侧向运动的能力丧失。细胞的间隙连接减少，膜内颗粒聚集体变小。细胞表面电荷的负值减小。细胞表面的蛋白多糖组成明显变化。钙大量进入细胞质基质中，引起磷脂降解，细胞膜崩解。内质网排列无序，膜腔膨胀，膜面上核糖体减少。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

;细胞膜内(P面)颗粒的分布也发生变化

衰老过程中细胞骨架体系的变化细胞骨架被认为是细胞代谢功能的重要调节者，尤其是微丝系统与细胞增殖和细胞分化的调节直接相关。在细胞衰老过程中不仅微丝系统本身的结构、成分发生变化，还发现与微丝相关的信号传送系统发生改变。正常细胞中，核骨架除在维持细胞核的形态方面的作用外，还与染色体的包装，DNA的复制，基因转录及hnRNA的加工等等有关衰老过程中线粒体的变化多数研究工作表明，细胞中线粒体的数量随着年龄的增大而减少，而其体积则随着年龄的增大而增大。最近有人认为衰老过程中自由基对线粒体DNA的损伤造成细胞内线粒体DNA量占细胞总DNA量逐渐减少，但在果蝇中线粒体DNA含量和物理性质都没有变化，而是线粒体DNA的转录产物在衰老过程中逐渐减少，而且这种转录产物主要是16SRNA,它直接影响一些线粒体蛋白质和酶的合成。衰老过程中内质网、蛋白质合成的变化内质网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；蛋白质合成速度降低；一些特异蛋白的出现或原有蛋白发生与衰老有关的结构上的改变。四、细胞衰老的分子机理氧化性损伤学说：代谢过程中产生的活性氧基团或分子(ROS---O2-,OH-,H2O2),引发的氧化性损伤的积累,最终导致衰老。端粒与衰老：发现端粒长度确实与衰老有着密切的关系，提出细胞衰老的“有丝分裂钟”学说(Harley,1990)rDNA与衰老:酵母染色体外rDNA

环(ERC)的积累，导致细胞衰老。沉默信息调节蛋白复合物(Sircomplex)与衰老：Sircomplex存在于异染色质区，其作用在于阻断所在位点DNA转录。SGS1基因和WRN基因与衰老：SGS1基因和WRN基因同源,编码解旋酶;酵母sgs1突变体寿命明显短于野生型(平均9.5代:24.5代);wrn突变引发早老症;p16→Rb

发育程序与衰老:线粒体DNA与衰老:Sen-DNA(80年代);mtDNA突变积累与细胞衰老有关. 第二节细胞凋亡(Apoptosis)●细胞凋亡的概念及其生物学意义●细胞凋亡的形态学和生物化学特征●细胞凋亡的分子调控机理一、细胞凋亡的概念及其生物学意义●概念：细胞凋亡是一个主动的由基因决定的自动结束生命的过程，所以也常常被称为细胞编程死亡(programmedcelldeath,PCD)。凋亡细胞将被吞噬细胞吞噬。●生物学意义：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各种因素的干扰方面都起着非常关键的作用：蝌蚪尾的消失，骨髓和肠的细胞凋亡，脊椎动物的神经系统的发育，发育过程中手和足的成形过程。二、细胞凋亡的形态学和生物化学特征●细胞凋亡与坏死(necrosis)●细胞凋亡的形态学特征●细胞凋亡的生化特征●诱导细胞凋亡的因子●细胞凋亡的检测细胞凋亡与坏死(necrosis)●二者的主要区别是，细胞凋亡过程中，细胞质膜反折，包裹断裂的染色质片段或细胞器，然后逐渐分离，形成众多的凋亡小体（apoptoticbodies），凋亡小体则为邻近的细胞所吞噬。整个过程中，细胞质膜的整合性保持良好，死亡细胞的内容物不会逸散到胞外环境中去，因而不引发炎症反应。相反，在细胞坏死时，细胞质膜发生渗漏，细胞内容物，包括膨大和破碎的细胞器以及染色质片段，释放到胞外，导致炎症反应细胞凋亡的形态学特征◆

凋亡的起始：细胞表面的特化结构如微绒毛消失，细胞间接触的消失，但细胞膜依然完整；线粒体大体完整，但核糖体逐渐从内质网上脱离，内质网囊腔膨胀，并逐渐与质膜融合；染色质固缩，形成新月形帽状结构等形态，沿着核膜分布◆

凋亡小体的形成：核染色质断裂为大小不等的片段，与某些细胞器如线粒体一起聚集，为反折的细胞质膜所包围。细胞表面产生了许多泡状或芽状突起，逐渐形成单个的凋亡小体◆

凋亡小体逐渐为邻近的细胞吞噬并消化细胞凋亡的生化特征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。细胞凋亡的主要特征是形成大小为180～200bp特征性的DNAladders凋亡细胞组织转谷氨酰胺酶tTG(tissue

Transglutaminase)积累并达到较高水平诱导细胞凋亡的因子◆物理性因子，包括射线（紫外线，

射线等），较温和的温度刺激（如热激，冷激）等◆化学及生物因子：包括活性氧基团和分子，DNA和蛋白质合成的抑制剂，激素，细胞生长因子，肿瘤坏死因子

（TNF

），抗Fas/Apo-1/CD95抗体等雌雄同体的秀丽隐杆线虫秀丽隐杆线虫中参与程序性细胞死亡控制的基因关于程序性细胞死亡的分子基础研究最初是在秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis

elegans，CE)中获得突破。在胚胎发育期间，秀丽隐杆线虫有1090个体细胞，但在发育过程中有131个细胞死亡。因此，一个成熟的秀丽隐杆线虫有959个体细胞和约1000～2000个性细胞。线虫的成虫分雌雄同体和雄性两种性别，雌雄同体相当于雌性。虫体透明，有6对染色体，约3000个基因。秀丽隐杆线虫程序性细胞死亡途径及相关基因●秀丽隐杆线虫的细胞死亡是一种典型的程序性细胞死亡。15个基因（大致可分为4组）分别在不同程度上与CE的PCD有关。●

ced-3

(celldeathabnormal)、ced-4、ced-9和egl-1四个基因构成了线虫执行死亡的“死亡机器”(deathmachinery)。遗传学研究发现ced-3和ced-4是细胞杀手，在ced-3或ced-4突变体中，雌雄同体发育中应该死去的131个细胞都活下来了;ced-9可抵消ced-3和ced-4的作用，防止细胞被杀死，因此是存活因子，在ced-3和ced-4的杀死细胞作用中起负调控。进一步的研究发现真正的细胞杀手是ced-3而不是ced-4。ced-3编码的蛋白与哺乳动物中的白细胞介素转换酶［(interleukin-1β(IL-1β)-covertingenzyme,ICE)］号码相类似。蛋白酶解级联反应介导的程序性细胞死亡

天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶，又称为切东酶(caspase),切割的靶蛋白包括以下几类：⑴蛋白激酶：⑵核纤层蛋白：⑶细胞结构蛋白：⑷与DNA修复相关的酶类遭caspase切割后失活；⑸caspase激活的DNase(CAD)抑制蛋白：蛋白酶解级联反应介导的程序性细胞死亡（a）每一个自杀性的蛋白酶以非活性的形式存在，它可以被同一蛋白酶家族中的另一个成员裂解切割而自我激活。(b)每一被激活的蛋白酶分子能够切割许多蛋白酶分子，并将它们激活。以这种方式，开始激活的少量蛋白酶通过激活的级联反应，激活大量的蛋白酶。某些被激活的蛋白酶能够切割细胞内一些关键的蛋白，如核纤层蛋白，导致细胞的有控制的死亡。细胞凋亡的检测◆形态学观测：染色法、透射和扫描电镜观察◆DNA电泳：DNA片段就呈现出梯状条带,即LadderDNA◆TUNEL测定法，即DNA断裂的原位末端标记法◆彗星电泳法（cometassay）◆流式细胞分析根据凋亡细胞DNA断裂和丢失，采用碘化丙啶使DNA产生激发荧光，用流式细胞仪检出凋亡的亚二倍体细胞，同时又能观察细胞的周期状态。三、细胞凋亡的分子调控机理●线虫(C.elegans)凋亡研究发现ced3,ced4基因促进细胞凋亡，ced9基因阻止ced3/ced4的激活，抑制细胞凋亡。Ced3哺乳类同源物是ICE(Interleukin-1-convertingenzyme)，即Caspase1●Caspase家族与凋亡●Bcl-2家族、线粒体与细胞凋亡●细胞凋亡的分子机理Caspase家族与凋亡Caspase家族·Caspase活性位点是半胱氨酸(Cysteine)，裂解靶蛋白位点是天冬氨酸残基后的肽键，因此称为Cysteineasparticacicspecificprotease，即Caspase。最早发现人类中与线虫ced-3同源的基因是ICE，白介素-1β转换酶(Interleukin-1β-convertingenzyme)基因,该酶能将白介素前体切割为活性分子而故名。Caspase活化胞外信号分子诱导的细胞凋亡途径caspase家族蛋白酶的结构与功能按照结构同源性的大小，可以将caspase蛋白酶分为三个组，分别以caspase-1、caspase-2和caspase-3为代表。其中最重要的是caspase-1、caspase-3和caspase-8。Caspase活化Caspase自身以非活化的Procaspase存在，其激活依赖于其他的Caspase在它的天冬氨酸位点裂解活化或自身活化：ICE即IL-1b将34kD的前体剪切为17kD的成熟IL-1b；

caspase-3可以被多种因素活化，在CTL细胞的杀伤作用中，它既可被Fas/FasL途径活化，也可以通过颗粒酶B途径活化；caspase-8可以自我活化，也可以在颗粒酶B的剪切下活化。胞外信号分子诱导的细胞凋亡途径凋亡信号通路当细胞接受凋亡信号分子(Fas,TNF等细胞外)后，凋亡细胞表面信号分子受体相互聚集并与细胞内的衔接蛋白(Adaptorprotein)结合，这些衔接蛋白又募集Procaspases聚集在受体部位，Procaspase相互活化并产生级联反应，使细胞凋亡；细胞内信号对程序性细胞死亡的激发；下游Caspases活化后，作用底物：裂解核纤层蛋白，导致细胞核形成凋亡小体；裂解DNase结合蛋白，使DNase释放，降解DNA形成DNALadder；

裂解参与细胞连接或附着的骨架和其他蛋白，使凋亡细胞皱缩、脱落，便于细胞吞噬；导致膜脂PS重排，便于吞噬细胞识别并吞噬。Bcl-2家族、线粒体与细胞凋亡◆Bcl-2是一种原癌基因，是ced-9在哺乳类中的同源物，能抑制细胞凋亡；与线粒体及内质网膜相结合；Bcl-2蛋白的羧基末端有一穿膜的结构域；Bcl-2家族成员的基因中，常常含有三个保守的Bcl-2同源区，即BH1，BH2和BH3◆Bcl-2线粒体与细胞凋亡◆哺乳动物细胞中发现的Apaf2即是CytCBcl-2、线粒体与细胞凋亡◆当Caspase8活化后，它一方面作用于Procaspase3，另一方面使Bid裂解成2个片段，其中含BH3结构域的C-端片段被运送到线粒体，与Bcl-2/Bax的BH3结构域形成复合物，导致细胞色素C释放。CytC与胞质中Ced4同源物Apaf-1(凋亡蛋白酶活化因子apoptosisproteaseactivatingfactor)结合并活化Apaf-1，活化的Apaf-1再活化Procaspase9，最后引起细胞凋亡在蝌蚪向蛙发育中的变态反应中的编程死亡的作用：对于生物发育成熟后一些不再需要的结构通过程序性细胞死亡加以消除。例如蝌蚪的尾巴就是靠程序性细胞死亡消除的，当蝌蚪变成蛙时，尾巴经编程死亡而消除。主要是血液中甲状腺激素的增加诱导细胞的编程死亡。程序性细胞死亡对发育中神经细胞数量的调节生成的神经细胞多于能够支持它们生存的生存因子的数量,这些生存因子是由靶细胞释放出来的.某些得不到生存因子的神经细胞则通过编程死亡而消失;细胞的程序性死亡不仅参与形态建成，而且能够调节细胞的数量和质量。例如在神经系统的发育过程中，神经细胞必需通过“竞争上岗”获得生存的机会。在胚胎中产生的神经细胞一般是过量的，然后通过竞争数量有限的从靶细胞分泌出来的生存因子，只有那些获得足够生存因子的神经细胞才能生存下去，而其他的神经细胞将会通过程序性死亡而消失在形态建成中编程死亡起重要作用。如手指和脚趾在发育的早期是连在一起的，通过编程死亡使一部分细胞进入自杀途径才将单个指加以分开；编程死亡在小鼠足趾形成中的作用(a)开始时足趾是相连在一起的；(b)经编程死亡足趾分开。

a正常T细胞杂交瘤细胞b凋亡细胞(扫描电镜)c凋亡细胞(透射电镜)

凋亡细胞的细胞核染色质分解凝缩核裂解；形成凋亡小体

巨噬细胞溶酶体消化凋亡小体，图为大鼠前列腺细胞凋亡.程序性死亡细胞的形态结构变化核小体片段、核纤层断裂消失、形成核碎片、发芽(bybudding)、起泡(byzelosls)、形成凋亡小体(apoptoticbody)。caspase超家族成员及其相应底物名称及其别名底物caspase-1(ICE)Pro-IL

；pro-caspase3，7caspase-2(Nedd-2/ICH1)caspase-3(apopain/CPP32/Yama)PARP；SREBP；DFF；DNA-PKcaspase-4(Tx/ICH2/ICErel-II)caspase-5(ICErel-III/TY)caspase-6(Mch2)LaminA；keratin18caspase-7(ICE-LAP3/Mch3/CMH-1)PARP；pro-caspase6；DFFcaspase-8(FLICE/MACH/Mch5)caspase-9(ICE-LAP6/Mch6)caspase-10(Mch4/FLICE2)PARPcaspase-11(ICH3)ICE家族成员A：3类caspase：蓝色参与炎症反应，红色为执行者，绿色为启动者；B：caspase-3的结构模型；C：caspase-3的活化过程BCL-2家族成员

bcl-2：

bcl-2基因是程序性细胞死亡研究中最受重视的原癌基因之一，是B细胞淋巴瘤/白血病基因(Bcelllymphoma/leukemia-2)，人的bcl-2与线虫ced-9基因的功能上相似，结构上有同源性；

Bcl-2为抑制细胞凋亡基因，是膜的整合蛋白。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家族成员线粒体介导的细胞凋亡途径细胞内源信号也会激发细胞的程序性死亡，包括：DNA损伤、细胞质中Ca2+浓度过高、极度氧胁迫（产生大量的自由基）等。在内源信号中有些是促进细胞死亡的正控制信号，如细胞色素c,凋亡蛋白酶激活因子(apoptoticprotease-activatingfactor，Apaf)。内源信号中也有抑制细胞死亡的负控制信号，如哺乳动物中的Bcl-2蛋白(Bcl-2protein)和Bcl-x蛋白。Fas介导的细胞凋亡Fas又称作APO-1/CD95，属TNFR和NGFR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具有三个富含半胱氨酸的胞外区和一个称为死亡结构域。Fas的配体FasL(Fasligand)与Fas结合后，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，最终导致细胞凋亡。Fas介导的细胞凋亡裂解DNase结合蛋白正常的细胞与编程性死亡细胞形态比较a.扫描电镜观察的正常T-细胞；b.扫描电镜观察的编程死亡的T-细胞的形态，表面可见许多芽；c.用抑制剂处理的正处于膜起泡阶段(membraneblebbingstage)的编程死亡细胞的透射电镜照片。坏死细胞凋亡细胞左，正常胸腺细胞；右，凋亡胸腺细胞（注意凋亡小体）细胞凋亡和细胞坏死的区别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。细胞凋亡凋亡细胞的主要特征是：染色质聚集、分块、位于核膜上，胞质凝缩，最后核断裂，细胞通过出芽的方式形成许多凋亡小体；凋亡小体内有结构完整的细胞器，还有凝缩的染色体，可被邻近细胞吞噬消化，因始终有膜封闭，没有内溶物释放，故不会引起炎症；凋亡细胞中仍需要合成一些蛋白质，但是在坏死细胞中ATP和蛋白质合成受阻或终止；核酸内切酶活化，导致染色质DNA在核小体连接部位断裂，形成约200bp整数倍的核酸片段，凝胶电泳图谱呈梯状；凋亡通常是生理性变化，而细胞坏死是病理性变化。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（自赵允、翟中和）编程死亡细胞的DNA梯状谱型抽提其中的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)谱型成年小鼠各类细胞的寿命接近或等于动物自身寿命的细胞缓慢更新（长于30天，短于动物的平均寿命）的细胞快速更新（少于30天）的细胞神经元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胞骨细胞唾液腺细胞红细胞和白细胞肌细胞胰脏腺泡细胞及胰岛细胞角膜上皮细胞胃酶原细胞胃壁细胞

脂肪细胞肝细胞

肾髓质细胞

成年小鼠各类细胞的寿命根据前表细胞寿命情况将细胞分为三类：第一类细胞的寿命接近于动物的整体寿命，如神经元，脂肪细胞，肌细胞等。第二类是缓慢更新的细胞，其寿命比机体的寿命短，如肝细胞，胃壁细胞等。第三类是快速更新的细胞，如皮肤的表皮细胞，红细胞和白细胞等，它们在正常情况下终生保持分裂能力。细胞衰老(cellularaging，cellsenescence)衰老的概念：机体衰老：衰老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。人体是由细胞组织起来的,组成细胞的化学物质在运动中不断受到内外环境的影响而发生损伤，造成功能退行性下降而老化。细胞衰老：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。细胞死亡(celldeath)细胞死亡的一般定义是细胞生命现象不可逆的停止。细胞死亡有两种形式：坏死性死亡，是由外部的化学、物理或生物因素的侵袭而造成的细胞崩溃裂解；程序性死亡，是细胞在一定的生理或病理条件下按照自身的程序结束其生存。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。P53将细胞阻止在G1期的机理当DNA受到损伤时，P53蛋白合成增加，并被激活；激活的P53促进编码Cdk抑制蛋白P21的基因转录。P21蛋白与S期周期蛋白-Cdk复合物结合，并使它们失活，因此，细胞被阻止在G1期。Cdk抑制蛋白控制细胞增殖的质量增殖与衰老机理：细胞有严格的自我调节机制，控制着细胞增殖的质量。如DNA因某种原因造成损伤后，细胞被阻止在S期，G2期就不能进行。在这一调控过程中，Cdk抑制蛋白(Cdkinhibitorproteins)起重要作用，这些抑制蛋白可以阻止Cdk的装配或抑制Cdk的活性。例如当DNA在S期受到损伤时可使抑癌基因P53的产物P53蛋白浓度升高，P53蛋白进一步激活编码Cdk抑制蛋白P21基因的转录和表达，合成的P21蛋白抑制S-期周期蛋白-Cdk复合物的活性，一直等待受损伤的DNA修复和正确复制之后才进入G2期。个体内的环境因素影响了细胞的增殖和衰老多细胞有机体中细胞数量和质量的控制在多细胞生物体中，细胞分化发育到一定的阶段，细胞的数量要控制在一定的水平。不同的生物控制的细胞数量水平是不同的，这主要是细胞数量的差异。那么是什么原因控制着这种数量的差异?这主要是细胞的增殖、细胞的存活寿命和细胞的死亡这三者间有着严格的调控机制。信号控制细胞的增殖单细胞的生物如细菌和酵母的增殖速率依周围环境中的营养而定。而多细胞的生物体中的细胞是高度组织化的，需要补充细胞数量时，由特定的组织发出指令。动物细胞的增殖仅有营养是不够的，还必须有指令，由指令决定细胞是进行增殖还是停止进入细胞周期。Rb蛋白参与的细胞周期的调控就是信号控制细胞增殖的典型例子。某些生长因子和它们的作用表中除红细胞生成素外，其它生长因子都能激活多种类型细胞的增殖；体外培养的大多数动物细胞都需要一些特别的生长因子促使细胞的分裂和增殖。这些生长因子主要是选择性的调控某些与分裂增殖有关基因的表达，进行细胞分裂的控制。表14-2列出一些常见的生长因子以及它们的作用。生长因子功能※血小板生长因子(PDGF)激活结缔组织细胞增殖表皮生长因子(EGF)激活皮肤组织细胞增殖成纤维细胞生长因子(FGF)激活成纤维细胞增殖肝细胞生长因子(HGF)激活肝细胞增殖红细胞生成素(EPO)激活红细胞的增殖、分化和发育细胞坏死与程序性细胞死亡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,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。细胞衰老的机理的不同学派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)，强调衰老是由于细胞中的各种错误积累引起的，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。遗传学派(Genetic/Programmedtheories)，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。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差错学派差错学派的理论基点：代谢废物积累学说蛋白质和DNA、脂类共价缩合形成的巨交联物大分子交联学说

DNA交联和胶原胶联、胶原交联和动脉硬化、微血管病变

自由基学说

O2··、OH·和各类活性氧中间产物体细胞突变学说诱发和自发突变积累和功能基因的丧失DNA损伤修复学说

在DNA的修复能力下降、DNA的错误累积遗传论学派遗传学派理论基点：细胞有限分裂学说

动物细胞在体内、体外的分裂“极极值”

重复基因失活学说

选择性重复是基因组的保护性机制，也可能是决定细胞衰老速度的一个因素；实验证明小鼠肝细胞重复基因的转录灵敏度随年龄而逐渐降低。哺乳动物rRNA基因数随年龄而减少。衰老基因学说

DNA链上可能存在一些“长寿基因”或“衰老基因”来决定个体的寿限；衰老相关基因（SAG）表达，人1号染色体、4号染色体及ⅹ染色体上发现SAG。细胞增殖次数与端粒DNA长度

端粒(telomere)：是染色体末端的一种特殊结构，其DNA由简单的串联重复序列组成。端粒酶(telomerase)：是一种核糖核蛋白酶，由RNA和蛋白质组成。端粒酶RNA是合成端粒DNA的模板,端粒酶能催化端粒DNA的合成.“有丝分裂钟”学说：随着细胞的每次分裂，端粒不断缩短；当端粒长度缩短达到一定程度时，细胞就进入衰老。细胞增殖次数与端粒DNA长度Harley等1991发现体细胞染色体的端粒DNA会随细胞分裂次数增加而不断缩短。DNA复制一次端粒就缩短一段，当缩短到一定程度至Hayflick点时，细胞停止复制，而走向衰亡。资料表明人的成纤维细胞端粒每年缩短14~18bp，可见染色体的端粒有细胞分裂计数器的功能，能记忆细胞分裂的次数。端粒的长度还与端聚酶的活性有关，端聚酶是一种反转录酶，能以自身的RNA为模板合成端粒DNA，在精原细胞和肿瘤细胞(如Hela细胞)中有较高的端聚酶活性，而正常体细胞中端聚酶的活性很低，呈抑制状态。线虫(C.elegans)凋亡ced-3(celldeathabnormal)、ced-4、ced-9和egl-1四个基因构成了线虫执行死亡的“死亡机器”(deathmachinery)。遗传学研究发现ced-3

和ced-4是细胞杀手，在ced-3或ced-4突变体中，雌雄同体发育中应该死去的131个细胞都活下来了;ced-9可抵消ced-3和ced-4

的作用，防止细胞被杀死，因此是存活因子，在ced-3和ced-4的杀死细胞作用中起负调控。进一步的研究发现真正的细胞杀手是ced-3而不是ced-4,ced-3编码的蛋白与哺乳动物中的白细胞介素转换酶［(interleukin-1β（IL-1β）-coverting

enzyme,ICE)］号码相类似。ICE属于日益扩大的半胱氨酸蛋白酶家族，该家族至少有30个成员，统称为天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶(caspase)。Ced-4的作用是转换器（adapter）,对ced-3引起的程序性细胞死亡起促进作用。凋亡酶caspaseCaspase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。它们均有以下特点：

酶活性依赖于半胱氨酸残基的亲核性；总是在天冬氨酸之后切断底物，所以命名为caspase(cysteine

aspartate-specificprotease)，方便起见本文称之为凋亡酶，又称之为切东酶；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。1.天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶(caspase，cysteine-containingaspartate-specificproteases)2.有两类caspase，一类是起始者(initiators),另一类是执行者(executioners)。起始caspase在外来蛋白信号的作用下被切割激活，激活的起始caspase对执行者caspase进行切割并使之激活，被激活执行者caspase通过对caspase靶蛋白的水解，导致程序性细胞死亡执行者caspase在程序性细胞死亡中的作用动物机体的细胞数量控制的途径在健康的成年人体的骨髓和