细胞的衰老和死亡

关于细胞的衰老和死亡

人体衰老时，身体各部分功能都发生衰老。

如: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％

第2页,共77页，2024年2月25日，星期天第一节细胞衰老一、细胞衰老的概念衰老，是时间依赖性的缓慢进程，主要是机体内部结构的衰变，是以细胞的生理功能衰退或丧失而实现的。细胞衰老：是指正常细胞的形态结构、化学成分和生理功能和增殖能力逐渐减弱衰退的现象。第3页,共77页，2024年2月25日，星期天（一）细胞衰老与机体衰老的关系

细胞衰老与人体衰老既有联系又有区别：

1.区别：细胞衰老与人体衰老是两个不同的概念。

2.联系：机体衰老以细胞总体的衰老为基础，细胞总体的衰老反应了机体的衰老。第4页,共77页，2024年2月25日，星期天（二）体内各类细胞的寿命不同1.更新组织细胞如上皮细胞、血细胞。2.稳定组织细胞

如肝脏、肾脏细胞和胃壁细胞。3.恒久组织细胞如神经细胞、骨骼细胞和心肌细胞。4.可耗尽组织细胞如卵巢实质细胞。第5页,共77页，2024年2月25日，星期天（三）细胞在体外培养条件下的寿命Hayflick界限：正常细胞增殖能力是有一定界限的，细胞最大的分裂次数即Hayflick界限。第6页,共77页，2024年2月25日，星期天二、细胞衰老的表现（一）形态学的变化（1）细胞核的变化核膜内折、核质固缩。（2）内质网和线粒体的变化内质网弥散分布，尼氏体含量减少；线粒体数量减少。（3）细胞内色素或腊样物质沉积（4）膜系统的变化

膜的流动性降低，脆性增加。第7页,共77页，2024年2月25日，星期天衰老细胞的形态变化

第8页,共77页，2024年2月25日，星期天（二）生化方面的改变（1）DNA：复制与转录受到抑制，端粒DNA丢失，线粒体DNA特异性缺失，DNA氧化、断裂、交联等。（2）RNA：mRNA和rRNA的含量降低。（3）蛋白质：含量下降，胞内蛋白发生糖基化、氨甲酰化、脱氨基等反应。（4）酶分子：活性中心被氧化，金属离子Ca2+、Zn2+、Mg2+、Fe2+等丢失，导致酶失活。（5）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。第9页,共77页，2024年2月25日，星期天三、细胞衰老的学说差错学派（Errortheories）和遗传学派（Genetic/Programmedtheories）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。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。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。第10页,共77页，2024年2月25日，星期天自由基学说：

通过氧化损伤不饱和脂肪酸、蛋白质和破坏DNA，而引发对细胞膜、核膜、蛋白质等的氧化性损伤，最终导致衰老。自由基：是一类瞬间形成的含不成对电子的原子或分子基团。自由基的来源：１.体外：空气污染、高温、辐射等２.体内：代谢产生；线粒体呼吸链电子泄漏产生；过氧化物酶体催化底物羟化产生。第11页,共77页，2024年2月25日，星期天遗传程序论：衰老是遗传因素决定的程序化过程，是受特定基因控制的。成人早衰症第12页,共77页，2024年2月25日，星期天婴幼儿早衰症第13页,共77页，2024年2月25日，星期天12岁的男孩塞斯·库克9岁的波恩第14页,共77页，2024年2月25日，星期天端粒telomere钟学说：

端粒长度随着分裂次数增加而缩短，当缩短到一定程度的时候细胞就不复制，细胞进入衰老的过程。20世纪30年MeClintoek和Muller玉米和果蝇端粒20世纪70年代Olovnikow细胞分裂程序的中止与端粒复制第15页,共77页，2024年2月25日，星期天2009年诺贝尔奖ElizabethH．BlackburnCarolW．GreiderJackW．Szostak第16页,共77页，2024年2月25日，星期天端粒的结构和功能

染色体端粒是位于真核细胞染色体末端一种特殊结构，由端粒DNA和端粒蛋白质组成。端粒DNA是高度保守的重复核苷酸序列。人的端粒DNA重复序列是5’-TTAGGG-3’。重复长度达15lkb。不具有编码蛋白质的功能；端粒DNA的3’末端较5’末端长12—16bp。第17页,共77页，2024年2月25日，星期天端粒酶的结构和功能

端粒酶是一种核糖核蛋白，具有逆转录活性，不需DNA聚合酶就可以与自身携带的RNA模板合成端粒序列，其活性可以通过调控端粒酶的成分或蛋白质成分来实现。端粒酶在多个物种中均存在，是目前发现的参与端粒长度保持最重要的酶，主要由一段RNA(端粒RNA)和端粒酶催化亚基(TERT)组成。第18页,共77页，2024年2月25日，星期天端粒酶：集天使与魔鬼于一身合成端粒DNA，实现了端粒长度的延伸。肿瘤细胞是具备无限增殖和生长能力的永生细胞，端粒长度以及端粒酶在其中扮演重要角色。第19页,共77页，2024年2月25日，星期天端粒，端粒酶与细胞衰老1.端粒长度和细胞衰老2.端粒酶活性与细胞衰老

沈自尹等通过实验研究发现中药淫羊霍总黄酮具有保护衰老细胞端粒长度缩短作用。通过中药有效成份调节端粒长度的缩短而保护衰老细胞是更安全的治疗措施。第20页,共77页，2024年2月25日，星期天端粒，端粒酶与肿瘤

正常情况下人类体细胞端粒酶的检测结果是阴性的，但在400个肿瘤样品中，85%以上能检测到端粒酶的存在。细胞的端粒酶活性因某些原因被激活，使端粒不断维持在一定的长度，细胞因此逃过死亡而成为无限增殖的细胞——肿瘤细胞。从端粒酶出发治疗肿瘤？第21页,共77页，2024年2月25日，星期天2.还有一些问题需要解决：

1)端粒酶的激活与肿瘤发生之间是因果关系还是相关关系尚需进一步研究；

2)端粒酶在正常细胞无活性，但在生殖细胞、造血干细胞及T、B淋巴细胞中均有酶活性，该方法可能对生殖、造血及免疫系统有影响；

3)端粒长度的维持可能有其他途径，如果这些途径被激活，端粒酶抑制疗法将失败．1.端粒酶活性与恶性肿瘤的这种密切关系，为肿瘤的诊断提了有效的标志物。端粒酶是正常细胞转变为肿瘤细胞的关键性物质，是抗肿瘤治疗的重要靶点，而且，正常细胞与肿瘤组织中端粒酶的表达、端粒的长度和细胞动力学的差异，使得选择端粒酶作为药物靶标成为相对安全的治疗手段。第22页,共77页，2024年2月25日，星期天多利死因的猜想1.线粒体DNA突变自由基mtDNA2.端粒第23页,共77页，2024年2月25日，星期天第二节

细胞死亡

生如夏花之绚烂死如秋叶之精美第24页,共77页，2024年2月25日，星期天细胞死亡的概念细胞因受严重损伤而累及胞核时，呈现代谢停止、结构破坏和功能丧失等不可逆性变化，此即细胞死亡。引起细胞死亡的因素：内因、外因根据细胞死亡模式不同可将细胞死亡分为坏死（necrosis）凋亡（apoptosis）第25页,共77页，2024年2月25日，星期天细胞坏死细胞坏死的形态学改变由酶性消化和蛋白质变性引起参与细胞坏死的酶如果来源于细胞本身的溶酶体则称为细胞自溶（autolysis）若来源于浸润坏死组织内白细胞的溶酶体则称为异溶（heterolysis）第26页,共77页，2024年2月25日，星期天细胞凋亡是指为维持内环境稳定，由基因控制的细胞自主的有序的死亡。由于细胞凋亡受到严格的由遗传机制决定的程序化控制，所以也被称为程序性细胞死亡programmedcelldeath,PCD。第27页,共77页，2024年2月25日，星期天第28页,共77页，2024年2月25日，星期天细胞凋亡的形态学特征细胞体积缩小、连接消失、与周围的细胞脱离，染色质聚集、核质边缘化，胞质凝缩、密度增加，核断裂，胞膜有小泡状形成，胞膜结构仍然完整，形成凋亡小体，凋亡小体可迅速被周围专职或非专职吞噬细胞吞噬。第29页,共77页，2024年2月25日，星期天细胞凋亡的生化特征膜内侧磷脂酰丝氨酸外翻到膜表面，线粒体膜电位消失，通透性改变，释放细胞色素C到胞浆，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DNA降解成为约180bp-200bp整倍数的片段。在细胞凋亡的过程中往往还有新的基因的表达和某些生物大分子的合成作为调控因子。第30页,共77页，2024年2月25日，星期天细胞凋亡的过程1.凋亡的起始细胞膜：表面特化结构（如微绒毛）消失，胞间接触消失，细胞膜依然完整。细胞质：线粒体大体完整，核糖体从内质网脱落,内质网囊腔膨胀并与质膜融合。细胞核：染色质固缩，沿核膜分布。2.凋亡小体的形成细胞内部:染色质断裂，与线粒体等细胞器聚集，为反折的细胞膜所包围。细胞外观:出芽形成凋亡小体。第31页,共77页，2024年2月25日，星期天3.凋亡小体被吞噬消化形成的凋亡小体最终通过特异识别，被邻近的细胞如巨噬细胞或上皮细胞所吞噬。第32页,共77页，2024年2月25日，星期天第33页,共77页，2024年2月25日，星期天细胞凋亡的影响因素一、凋亡抑制因子1.生理性抑制因子2.病毒基因3.其他二、凋亡诱导因子1.生理性诱导因子2.与损伤相关的因子3.与治疗相关的因子第34页,共77页，2024年2月25日，星期天细胞凋亡的生理学意义凋亡现象普遍存在于人类及多种动植物中，是多细胞生物体个体正常发育、维持成体组织结构不可缺少的部分，贯穿于生物全部的生命活动中，是保证个体发育成熟所必需的过程。

例：哺乳动物神经系统的发育过程一旦正常的细胞凋亡过程受到破坏，将引起一系列的疾病，包括癌症、感染性疾病、自身免疫性疾病等。第35页,共77页，2024年2月25日，星期天第36页,共77页，2024年2月25日，星期天第37页,共77页，2024年2月25日，星期天细胞凋亡与坏死的主要特征比较第38页,共77页，2024年2月25日，星期天细胞凋亡的相关基因及其蛋白Ced基因家族（CedGeneFamily）

Ced基因家族是线虫的细胞凋亡相关基因，包括Ced-3、Ced-4、Ced-9等。其中，Ced-3基因编码产物与人半胱氨酸蛋白酶（如ICE）同源，Ced-4基因编码产物与人Apaf-1蛋白同源，Ced-9的编码产物与人的bcl-2有同源性。

第39页,共77页，2024年2月25日，星期天

Ced基因家族的表达产物中，Ced-3和Ced-4能促进细胞凋亡；而Ced-9能与Ced-3和Ced-4形成复合物并抑制其活性，从而抑制细胞凋亡第40页,共77页，2024年2月25日，星期天2.rpr基因（rprGene）

rpr基因是果蝇的凋亡相关基因，该基因编码一种与Fas的DD结构域同源的小分子多肽，以Fas介导凋亡类似的方式激活ICE/Ced-3样蛋白酶，促进细胞凋亡。第41页,共77页，2024年2月25日，星期天3.Bcl-2基因超家族（Bcl-2

GeneSuperfamily）

Bcl-2基因定位于人第18号染色体上，与线虫的Ced-9基因同源，能编码26kD的Bcl-2α和22kD的Bcl-2β两种蛋白。Bcl-2基因为凋亡抑制基因，其表达产物是膜整合蛋白。

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Bcl-2（Bcl-XL）蛋白具有下列抗凋亡作用：①能抑制线粒体PT孔（通透性转变孔）开放，减少Cytc和凋亡诱导因子（AIF）的释放；②能结合和灭活Apaf-1，阻断其对caspase-9活化；③能特异地结合Cytc，阻止其诱导细胞凋亡。第43页,共77页，2024年2月25日，星期天现已发现至少存在29个Bcl-2基因的同源物，它们在线粒体介导的凋亡途径中起调控作用。Bcl-2蛋白家族成员都含有1~4个Bcl-2同源结构域（BH1~4），并且通常有一个羧基端跨膜结构域（transmembraneregion，TM）。

一般说来，BH4是抗凋亡蛋白所特有的结构域，BH3则是与促进凋亡有关的结构域。因此，根据结构不同，Bcl-2家族成员中，有些具有抗凋亡活性，有些则具有促凋亡活性。第44页,共77页，2024年2月25日，星期天根据功能和结构可将Bcl-2家族分为两大类：①抗凋亡的（anti-apoptotic）：如Bcl-2、Bcl-xL、Bcl-w、Mcl-1等。②促凋亡的（pro-apoptotic）：包括多结构域的（如Bax、Bak、Bok）和只有BH3结构域的（如Bad、Bid、Bim、Bik等）两个亚类（图6~7）。

Bcl-2蛋白主要定位于线粒体外膜，可与促凋亡蛋白形成复合体，抑制其作用，因而具有拮抗促凋亡蛋白的功能。而大多数Bcl-2家族的促凋亡蛋白则主要定位于细胞浆，一旦细胞受到凋亡因子的诱导，即可向线粒体膜转位。

第45页,共77页，2024年2月25日，星期天这些促凋亡蛋白通过寡聚化，在线粒体外膜形成跨膜通道；或者开启线粒体的通透性转变孔（permeabilitytransitionpore，PT），促使线粒体内的凋亡因子（cytc）释放，激活蛋白水解酶caspase，引发细胞凋亡。第46页,共77页，2024年2月25日，星期天4.胱-天蛋白酶基因超家族（CaspaseGeneSuperfamily）

哺乳动物中存在的白介素-1β-转化酶（ICE）是细胞凋亡蛋白酶，与线虫的Ced-3同源，都属于胱-天蛋白酶家族（cysteineaspartate-specificprotease，caspase）。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。第47页,共77页，2024年2月25日，星期天

在人类细胞中已发现13个ICE同源物，分为2个亚家族：①ICE亚家族—包括caspase-1、4、5、11、12、13等，主要参与炎症反应；②CED-3亚家族—包括caspase-2、3、6、7、8、9、10等，主要参与细胞凋亡。第48页,共77页，2024年2月25日，星期天目前，已经鉴定的caspase的水解底物包括：多聚（ADP-核糖）聚合酶（PARP）；纤层蛋白（lamins）；caspase依赖的DNA酶抑制蛋白（ICAD）；小核蛋白体蛋白（HnRNPproteins）等20多种。第49页,共77页，2024年2月25日，星期天⑴多聚（ADP-核糖）聚合酶（PARP）是一种与DNA损伤修复、基因完整性监护有关的聚合酶，其作用是将NAD+分子中的ADP转移到与DNA修复相关的酶分子上，提高其催化效率。当细胞凋亡启动时，PARP被caspase剪切，导致受PARP负调控的核酸内切酶活性增高，进而裂解核小体之间的DNA，引发细胞凋亡。⑵纤层蛋白（lamins）属于中间纤维丝蛋白家族，参与构成支撑核内膜的网架结构，同时对染色质的定向和组织起作用。⑶小核糖体蛋白（HnRNPproteins）则参与构成小核蛋白体，与hnRNA的成熟加工有关。第50页,共77页，2024年2月25日，星期天5.Apaf-1基因（Apaf-1Gene）

Apaf-1基因表达的Apaf-1蛋白为凋亡酶激活因子-1（apoptoticproteaseactivatingfactor-1），与线虫的Ced-4蛋白同源，在线粒体介导的凋亡途径中起重要作用。

第51页,共77页，2024年2月25日，星期天

Apaf-1含有3个不同的结构域：①CARD（caspaserecruitmentdomain）结构域，能召集caspase-9；②Ced-4同源结构域，能结合ATP/dATP；③C端结构域，含有色氨酸/天冬氨酸重复序列，当细胞色素c结合到这一区域后，能引起Apaf-多1聚化而激活。第52页,共77页，2024年2月25日，星期天Apaf-1具有激活caspase-3的作用，而这一过程又需要细胞色素c（Apaf-2）和caspase-9（Apaf-3）参与。Apaf-1-细胞色素c复合体与ATP/dATP结合后，Apaf-1就可以通过其CARD结构域召集caspase-9，形成凋亡体（apoptosome），激活caspase-3，启动caspase级联反应。第53页,共77页，2024年2月25日，星期天6.Fas和FasL基因（FasandFasLGenes）

Fas基因，定位于人第10号染色体上，其编码产物为45kD的跨膜受体，属于TNF受体家族。Fas受体（又称APO-1或CD95）的分子结构可分为三个区，即具有三个富含半胱氨酸的胞外区、跨膜区和具有死亡结构域（Deathdomain，DD）的胞内区。第54页,共77页，2024年2月25日，星期天

Fas的胞内区DD结构域可与接头蛋白FADD（Fasassociateddeathdomainprotein）偶联，然后再通过FADD的死亡效应结构域（deatheffecterdomain，DED）与Pro-caspase-8偶联，从而将胞外的凋亡信号传递到细胞内。

Fas与其配体（FasL）的相互作用，是引发细胞凋亡的主要途径之一。Fas与其抗体或FasL结合后，可迅速激活caspase级联反应，裂解DNA，诱发细胞凋亡。

FasL基因定位于人第1号染色体上，主要在活化的淋巴细胞表面表达，产生凋亡信号；也可在T细胞激活过程中被诱导表达。Fas与FasL的协同表达，对胸腺中T淋巴细胞的发育、分化与凋亡以及细胞毒活性起调节作用。第55页,共77页，2024年2月25日，星期天7.IAP基因超家族（IAPGeneSuperfamily）

细胞凋亡抑制因子（inhibitorofapoptosis，IAP）超家族的成员较多，如c-IAP1，c-IAP2，XIAP，NIAP和Survivin等，新的成员仍在不断被发现。IAP家族成员有一个共同的特征，含有一个或多个70个氨基酸的重复序列（BIR），类似于zinc指状的结构。c-IAP1、c-IAP2和XIAP还含有环指状结构域（RING）。第56页,共77页，2024年2月25日，星期天BIR功能域和连接区域介导对caspase的抑制作用，而环指状结构域（RING）则具有泛素化蛋白连接酶的作用，介导caspase-3和-7的泛素化降解作用。第57页,共77页，2024年2月25日，星期天8.p53基因（p53Gene）

p53基因定位于人的第17号染色体上，是一种多功能基因，其表达产物P53能在G1期监视DNA的完整性。如有损伤，则抑制细胞增殖，直到DNA修复完成；如受损DNA不能修复，则诱导细胞进入凋亡程序。

P53作为一种转录因子，是Bax的正调节因子，Bcl-2的负调节因子。当细胞受到射线照射后，P53可迅速上调Bax的表达，从而促进细胞凋亡。第58页,共77页，2024年2月25日，星期天9.c-Myc基因（c-Myc

Gene）

c-Myc基因也是一种多功能基因，定位于人第8号染色体，编码分子量为62kD的蛋白质。c-Myc蛋白位于细胞核内，具有转录因子活性，一方面能激活控制细胞增殖的基因，另一方面也能激活促进细胞凋亡的基因表达，故具有促进细胞增殖和凋亡的双重效应。

c-Myc与Bcl-2之间存在协同作用。Bcl-2能抑制c-Myc所致细胞凋亡，但不影响其促有丝分裂作用，即当生长因子存在、Bcl-2表达时，c-Myc促进细胞增殖，反之则细胞凋亡。第59页,共77页，2024年2月25日，星期天c-Myc蛋白的作用机理与另一种转录因子Max形成异源二聚体有关。此复合物可与特定的DNA序列相结合，发挥调节基因表达的作用。已知这两种转录因子可形成Myc-Max和Max-Max两种不同的二聚体，但它们都能与同一DNA序列相结合，产生不同的调节效应。当缺乏生长因子时，更多的形成Myc-Max复合物，从而诱导细胞凋亡（图14~15）。第60页,共77页，2024年2月25日，星期天第61页,共77页，2024年2月25日，星期天细胞凋亡的分子机制目前已知，细胞凋亡可分为caspase依赖和caspase不依赖两种机制，而caspase依赖的细胞凋亡又包括三种方式：①受体介导的细胞凋亡（外源通路）；②线粒体介导的细胞凋亡（内源通路）；③内质网介导的细胞凋亡（内源通路）。第62页,共77页，2024年2月25日，星期天1.胱-天蛋白酶依赖的细胞凋亡（Caspase-dependentCellApoptosis）

1.1死亡受体介导的细胞凋亡（CellApoptosisMediatedbyDeathReceptor）由存在于细胞膜上的死亡受体介导，将外源型凋亡信号传递到细胞内，引发细胞调亡（图16）。常见的死亡受体包括：TNFR、Fas、DR3、DR4、DR5等。第63页,共77页，2024年2月25日，星期天由死亡受体介导的细胞凋亡信号调控过程第64页,共77页，2024年2月25日，星期天Fas介导的死亡信号

第65页,共77页，2024年2月25日，星期天死亡受体凋亡通路

第66页,共77页，2024年2月25日，星期天1.2线粒体介导的细胞凋亡（CellApoptosisMediat