第13章 细胞衰老与凋亡

第十三章细胞衰老与凋亡ChapterThirteenCellsenescenceandapoptosis“生、老、病、死”是生命的四个必然的过程人类面临着三种衰老：①生理性衰老：随年龄增长所表现出的生理退化，一切生物皆存在②病理性衰老：由于内在或外在原因使人体发生病理性变化，使衰老提前发生，称早衰③心理性衰老：由于心态的提前老化而影响整体功能第一节细胞衰老一、衰老的概念衰老(aging，senescence)：随年龄增加，生物内环境稳定性下降，结构与生理机能退行性变化，趋向死亡不可逆的过程。衰老发生在整体水平、种群水平、个体水平、细胞水平以及分子水平等层次。机体的衰老并不等于所有细胞的衰老，但细胞的衰老与机体衰老密切相关二、细胞的寿限1、Hayflick界限(Hayflicklimitation)：细胞在体外培养条件下，即使条件适宜，细胞也不能无限制地进行分裂，而是有一定界限细胞的分裂能力与个体年龄有关，从胎儿肺得到的成纤维细胞可传代50次，而从成人得到的肺成纤维细胞只能传代20次。2、细胞的寿限各类细胞的寿命各不相同，一般来说，能够保持持续分裂能力的细胞相对不容易衰老，分化程度高又不分裂的细胞寿命大多有限人体细胞的动态分类人体细胞寿命依增殖，分化，生存时间，分4类①更新组织：执行某种功能的特化细胞，一定时间后衰老死亡，由新细胞分化补充，如上皮细胞、血细胞。②稳定组织细胞：分化程度较高，功能专一，一般没明显衰老，不分裂，但终生保持分裂能力，受破坏时，其余细胞也能分裂，补充失去的细胞，如肝、肾细胞。③恒久组织细胞：高度分化细胞，一生没细胞更替，破坏后不能得补充。如神经细胞，骨骼细胞和心肌细胞。④可耗尽组织细胞：卵巢实质细胞，一生中逐渐消耗，不能得到补充，最后消耗殆尽。三、细胞衰老的形态学特征细胞衰老主要是细胞生理生化的变化，也反映在细胞形态结构和功能上：1、细胞内水分的减少：蛋白质水合能力下降,衰老细胞水分减少，细胞皱缩，体积缩小。2、核变化:核膜内折，染色体固缩化，端粒缩短3、线粒体的变化：随年龄增大，数量减少，体积增大，内容物呈网状化并形成多囊体，mtDNA缺失突变4、质膜的变化：流动性下降，磷脂减少，不饱和脂肪酸下降；膜脂过氧化，对刺激反应性下降5、内质网的变化：RER趋向减少和无序化6、蛋白质合成：核糖体合成效率及准确性降低7、色素生成及致密体形成：色素生成随衰老而增加，并在溶酶体或线粒体中沉积衰老细胞的形态变化核增大、染色深、核内有包含物染色质凝聚、固缩、碎裂、溶解质膜粘度增加、流动性降低细胞质色素积聚、空泡形成线粒体数目减少、体积增大、mtDNA突变或丢失高尔基体碎裂包含物糖原减少、脂肪积聚核膜内陷四、分子水平的变化衰老细胞DNA、蛋白质和脂类等成分损伤，代谢能力降低，主要表现：DNA：复制与转录受抑制，个别基因异常激活，端粒DNA丢失，线粒体DNA特异缺失，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，蛋白质糖基化、氨甲酰化、脱氨基等修饰，使蛋白质稳定性、抗原性、可消化性下降，自由基使肽断裂、交联而变性。aa由左旋变为右旋酶分子：活性中心被氧化，Ca2+、Zn2+、Mg2+、Fe2+等丢失，酶分子二级结构、溶解度、等电点改变，酶失活脂类：不饱和脂肪酸被氧化，引起膜脂间或与脂蛋白间交联，膜流动性下降。五、细胞衰老的分子机制对衰老机理具有不同学说，主要有:差错学说(Errortheories):强调衰老是由于细胞中的各种错误积累引起.遗传学说(Genetic/Programmedtheories):强调衰老是遗传决定的自然演进过程。（一）差错学说细胞衰老是细胞成分因内外环境受损，因缺乏完善修复，使“差错”积累，导致细胞衰老。根据“差错”的“主因”的不同，又可分不同学说。1.代谢废物积累

(wasteproductaccumulation)代谢产物超量积累危害细胞，引起衰老.褐脂质沉积是典型例子:脂褐质是长寿蛋白和DNA、脂类形成的巨交联物。脂褐质结构致密，在溶酶体不能水解也不能外排，在细胞内沉积，阻碍物质交流和信号传递，使细胞衰老.老年性痴呆(AD)是由β-淀粉样蛋白沉积引起。2．大分子交联(crosslinking)过量的大分子交联是衰老的主要因素，如DNA交联和胶原交联均可损害其功能，引起衰老。在临床方面胶原交联和动脉硬化、微血管病变有密切关系。3．自由基学说

(freeradicaltheories)（1）自由基性质:自由基是指在原子核核外层轨道上具有不成对电子的分子或功能基团。如AB两个原子各提供一个电子通过共价键形成分子A:B，这两个电子是配对的，如发生均裂,A和B各带走一个电子形成.A和.B，即称自由基。自由基种类：氧自由基、氢自由基、碳自由基、脂自由基，以氧自由基化学性质最活泼。氧自由基主要包括：超氧自由基.O2，羟自由基.OH和H2O2自由基产生的因素：外源性:由环境辐射、光解、化学物质等引起的内源:由代谢反应产生,是自由基主要来源途径：①线粒体呼吸链电子泄漏产生；②过氧化物酶体的多功能氧化酶催化底物羟化。③机体血红蛋白、肌红蛋白可经非酶促反应产生自由基。（2）自由基对生物大分子的损伤自由基含未配对电子，具高度活性，易与细胞内的生物大分子发生反应，并发生伤害①自由基与核酸分子中的碱基发生加成反应，.OH加到碱基双链上,破坏碱基产生基因突变②自由基可加成到膜脂及不饱和脂肪酸双链,引起脂质过氧化,并产生新的自由基③自由基常攻击肽链上的脯氨酸残基，造成蛋白质断裂。同时，自由基还引起蛋白质交联、破坏蛋白质高级结构④自由基的氧化也常损伤细胞骨架蛋白：肌动蛋白与氧化型谷胱甘肽（GSSG）之间形成二硫键，导致分子表面电荷改变，引起大分子聚集(3)衰老的自由基学说美国科学家Harman1955年提出，核心内容:①衰老是自由基对细胞成分的有害攻击所造成;②该学说提出的自由基是氧自由基;③维持体内适当水平的抗氧化剂和自由基清除剂可延长寿命和推迟衰老正常细胞内存在清除自由基的防御系统，包括①酶系统:超氧化物歧化酶(SOD)，过氧化氢酶(CAT)，谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-PX);②非酶系统:VE、醌类物质等电子受体。将铜锌超氧化物岐化酶基因导入果蝇，使转基因株具3个拷贝的SOD基因，其寿命比野生型延长1/3。为衰老的自由基学说提供了证据。4．线粒体DNA突变线粒体是自由基浓度最高的细胞器，氧化磷酸化过程中，1-4%的氧转为活性氧(ROS)。mtDNA裸露，易受伤害发生突变，mtDNA复制的聚合酶γ没校正功能，复制错误频率高。mtDNA突变使呼吸链受损，自由基堆积，循环脑、心、骨骼肌的氧负荷最大，是最易衰老组织5.体细胞突变与DNA修复

外源理化因子，内源自由基均可损伤DNA，使体细胞突变。辐射可致年轻的哺乳动物出现衰老症状，与个体正常衰老相似。正常机体存在DNA修复机制，可使损伤DNA修复，年龄增加修复能力下降，使DNA错误累积，最终细胞衰老死亡。DNA的修复并不均一，转录活跃基因被优先修复，在同一基因中转录区被优先修复，彻底的修复仅发生在细胞分裂的DNA复制时期，这是干细胞能永保青春的原因。6．重复基因失活真核生物基因组中存在大量重复序列。主要基因的选择性重复是基因组的保护机制，也是决定细胞衰老的因素，重复基因的一个拷贝受损或关闭后，其它拷贝被激活，直到最后一份拷贝用完，细胞因缺少某种重要产物而衰亡。小鼠肝细胞重复基因的转录灵敏度随年龄增加而降低，哺乳动物rRNA基因数随年龄增加而减少（二）遗传学说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)生物的生长、发育、衰老和死亡都由基因程序控制，衰老是某些基因依次开启或关闭的结果。小鼠肝中，胚胎早期表达的胞质丙氨酸转氨酶为A型，随后停止表达，在衰老时表达B型。其它类似的衰老标志物(markers):如肝中的衰老标志蛋白2也是在老年期表达。衰老还与神经内分泌系统退行性变化及免疫系统的程序性衰老有关。2．细胞衰老的端粒假说细胞增殖次数与端粒有关。体细胞染色体端粒DNA随细胞分裂次数增加而缩短。细胞DNA复制1次端粒缩短1段，至Hayflick点时，启动DNA损伤检测点，不可逆退出细胞周期，走向衰亡。人成纤维细胞端粒每年缩短14-18bp，染色体的端粒具细胞分裂计数器的功能。端粒长度与端粒酶活性有关，端粒酶是一种反转录酶，由RNA和蛋白质组成，所含的RNA是合成端粒DNA的模板，而所含的反转录亚基则催化端粒DNA的合成。生殖细胞、干细胞和肿瘤细胞端粒酶活性较高，正常体细胞端粒酶活性低，呈抑制状态3．长寿基因（longevitygenes）各种动物都有相当恒定的平均寿命和最高寿命，成人早衰症(Werner‘ssyndrome)病人平均39岁时出现衰老，47岁左右死亡，患婴幼儿早衰症的小孩在1岁时出现明显衰老，12-18岁夭折。由此看物种寿命主要取决于遗传物质，DNA链上可能存在“长寿基因”或“衰老基因”决定个体寿限.

一个37岁的成人早衰症患者

正常儿童（左）和婴幼儿早衰症患者细胞衰老时，衰老相关基因(SAG)表达活跃，人1号、4号及X染色体上发现SAG。线虫均寿命3.5d,age-1突变,提高均寿命65%，最大寿命110%,该突变型有较强的抗氧化酶活性早老综合症患者体内解旋酶基因存在突变，该基因位于8号染色体短臂，称WRN基因。淀粉样蛋白前体基因(APP)突变，导致基因产物β淀粉样蛋白易于在脑组织中沉积，引起AD。第二节细胞坏死与凋亡死亡是生命的普遍现象，但细胞死亡并非与机体死亡同步。正常组织中，常发生“正常”的细胞死亡，它是维持组织机能和形态所必需。细胞死亡的方式通常有2种：①细胞坏死(necrosis)。②细胞凋亡(apoptosis)。一、细胞坏死细胞受到化学因素(如酸、碱、毒物)、物理因素(如热、辐射)和生物因素(如病原体)等环境因素伤害，引起细胞死亡的现象。是一种被动死亡细胞坏死初期，细胞质膜通透性增加，线粒体和ER肿胀、崩解，结构脂滴游离、空泡化，蛋白质颗粒增多，核发生固缩。胞质蛋白变性、凝固或碎裂，嗜碱性核蛋白降解，细胞质呈强嗜酸性，坏死细胞苏木精/伊红染色，胞质呈红色，原有微细结构消失坏死后期，细胞膜破裂，细胞内容物流出，引起周围组织炎症反应。细胞坏死与凋亡的形态区别

二、细胞凋亡(cellapoptosis)又称程序性细胞死亡(PCD)：是细胞接受基因指令后的主动死亡。凋亡的细胞散落在正常组织中，无炎症反应，不遗留疤痕。死亡细胞的碎片很快被巨噬细胞或相邻细胞所清除，不影响其它细胞的功能程序性细胞死亡表现出明显的形态学特征：①核酸内切酶活化，使染色质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；②染色质在核膜下聚集成染色质块，细胞不断脱水，胞质凝缩，核膜在核孔处断裂，细胞以出芽方式形成凋亡小体（apoptoticbody）；③凋亡小体内有结构完整的细胞器、凝缩的染色质，可被邻近细胞吞噬消化，始终有膜封闭，没内溶物释放，不引起炎症。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。左:正常胸