高中生物競(jìng)賽：第十五章 細(xì)胞衰老與細(xì)胞程序性死亡課件

第十五章細(xì)胞衰老與細(xì)胞程序性死亡本章主要內(nèi)容細(xì)胞衰老01細(xì)胞程序性死亡02第一節(jié)細(xì)胞衰老的概念細(xì)胞復(fù)制衰老的特征細(xì)胞復(fù)制衰老的機(jī)制細(xì)胞衰老細(xì)胞衰老與個(gè)體衰老一、細(xì)胞衰老的概念細(xì)胞衰老（Cellsenescence），也稱(chēng)復(fù)制衰老（Replicativesenescence，RS）：指絕大多數(shù)正常細(xì)胞在經(jīng)歷有限次數(shù)分裂后，不再具有增殖能力，細(xì)胞形態(tài)結(jié)構(gòu)和代謝活動(dòng)也發(fā)生顯著改變的現(xiàn)象細(xì)胞衰老與G0期的細(xì)胞靜止（Cellquiescence）狀態(tài)不同：后者在特定生理?xiàng)l件下可以返回細(xì)胞周期繼續(xù)增殖；而衰老細(xì)胞是不可逆地處于增殖停滯狀態(tài)Fig.

Thesenescentphenotypeinducedbymultiplestimuli細(xì)胞是否具有無(wú)限增殖能力問(wèn)題的認(rèn)識(shí)過(guò)程在1891年，德國(guó)生物學(xué)家AugustWeismann就提出“有機(jī)體終究會(huì)死亡，因?yàn)榻M織不可能永遠(yuǎn)能夠自我更新，而細(xì)胞憑借分裂來(lái)增加數(shù)量的能力也是有限的AugustWeismann(1834-1914)TheGermanzoologistthehypothesisofa“celldivisionlimit”細(xì)胞是否具有無(wú)限增殖能力問(wèn)題的認(rèn)識(shí)過(guò)程AlexisCarrel的認(rèn)為，體外培養(yǎng)的細(xì)胞是能夠永生不死的，如果它停止增殖是因?yàn)榕囵B(yǎng)條件不適宜了1912-1946雞胚成纖維細(xì)胞的培養(yǎng)AlexisCarrel(1873-1944)FrenchsurgeonandbiologistTheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1912wasawardedtoAlexisCarrel"inrecognitionofhisworkonvascularsutureandthetransplantationofbloodvesselsandorgans."ScientificAmerican,Vol.166,No.1(JANUARY·1942),pp.22-24細(xì)胞是否具有無(wú)限增殖能力問(wèn)題的認(rèn)識(shí)過(guò)程1958年，LeonardHayflick證實(shí)大多數(shù)正常細(xì)胞只能進(jìn)行有限次數(shù)的分裂SomaticCellsHaveaFiniteLifespanYoungandoldhumandiploidcells(strainWI-38)a|YoungcellsinphaseIIatpopulationdoubling20.b|OldcellsinphaseIIIatpopulationdoubling55.NatRevMolCellBiol,2000,1(1):72-76細(xì)胞是否具有無(wú)限增殖能力問(wèn)題的認(rèn)識(shí)過(guò)程1974年，澳大利亞生物學(xué)家MacfarlaneBurnett在他的著作《內(nèi)在變異》（IntrinsicMutagenesis）中首次將這一發(fā)現(xiàn)稱(chēng)為“Hayflick界限（HayflickLimit）”，表示細(xì)胞在進(jìn)入增殖停滯狀態(tài)前的有限倍增次數(shù)SirFrankMacfarlaneBurnet(1899-1985)anAustralianvirologistwonaNobelPrizein1960forpredictingacquiredimmunetolerance二、細(xì)胞復(fù)制衰老的特征形態(tài)特征衰老細(xì)胞變得大而扁平；質(zhì)膜的流動(dòng)性降低，細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)改變，細(xì)胞黏附性增強(qiáng)，細(xì)胞內(nèi)溶酶體體積增大，內(nèi)部含有大量未分解的脂類(lèi)成分如脂褐質(zhì)（lipofuscin）分子特征細(xì)胞不可逆地停止分裂；若干細(xì)胞周期的負(fù)調(diào)節(jié)因子如p21，p16，p53表達(dá)上調(diào)或活性增強(qiáng)；衰老相關(guān)的β-半乳糖苷酶（Senescenceassociatedβ-galactosidase，SABG）活化；衰老細(xì)胞端粒長(zhǎng)度明顯減少；出現(xiàn)衰老相關(guān)異染色質(zhì)集中（Senescence-associatedheterochromatinfoci，SAHF）現(xiàn)象；產(chǎn)生一系列衰老特征性分泌物（Senescence-associatedsecretoryphenotype，SASP），包括炎性因子，金屬蛋白酶等，招募免疫細(xì)胞前來(lái)吞噬衰老細(xì)胞，同時(shí)改變了周?chē)?xì)胞的微環(huán)境體外培養(yǎng)細(xì)胞衰老的生物學(xué)特征圖15-1衰老相關(guān)β-半乳糖苷酶（SABG）染色區(qū)分年輕和衰老的人胚胎成纖維細(xì)胞IMR-90A.第20代的年輕細(xì)胞，細(xì)胞體積較小，SABG呈陰性。B.第55代的衰老細(xì)胞，細(xì)胞體積明顯增大，多數(shù)表達(dá)SABG衰老細(xì)胞的表型特征Fig.Phenotypiccharacteristicsofsenescentcells.

Diagramdepictingsomeofthephenotypicalterationsassociatedwithsenescenceinitiation,earlysenescence,andlatephasesofsenescence.衰老細(xì)胞的識(shí)別Fig.Identifyingsenescentcells.Theuseofseveral

molecularmarkers

thatrepresentdifferentcharacteristicsofcellsenescenceisnecessaryforidentifyingsenescentcells.Themarkersaredividedintocategoriesaccordingtotheirfunction.Acombinationof

markers

representingdifferentcategoriesmightincreasethevalidityoftheidentificationSASP（衰老相關(guān)分泌表型）的功能Fig.TheSASPisanimportantmediatorofthepathophysiologicalfunctionsofsenescentcells.

SchemesummarizingsomeofthefunctionsassociatedwiththeSASP.TheSASPmediatesmanyofthecell-extrinsicfunctionsofsenescentcells.AmongthoseitreinforcesseveralaspectsofsenescenceincludinggrowtharrestandtheSASPitselfviaanautocrineloop.TheSASPalsorecruitsimmunecells,suchasmacrophages,neutrophils,andnaturalkiller(NK)cellstophagocytoseandeliminatethesenescentcell.SecretionofMMPsandfactorssuchasVEGFcanremodelthesurroundingtissue,inducingangiogenesisandreducingfibrosis.Finally,secretionofmoleculessuchasTGF-βcanspreadthesenescencephenotypeinaparacrinemannertosurroundingcells.復(fù)制性衰老與端粒縮短學(xué)說(shuō)三、細(xì)胞復(fù)制衰老的機(jī)制Hayflick精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)?zāi)贻p女性細(xì)胞(間期可見(jiàn)巴氏小體)+

年老男性細(xì)胞(間期無(wú)巴氏小體)

混合培養(yǎng)（一樣的外部環(huán)境）

年輕女性細(xì)胞倍增次數(shù)多于年老男性細(xì)胞★細(xì)胞衰老由細(xì)胞自身因素決定的，與環(huán)境條件無(wú)關(guān)三、細(xì)胞復(fù)制衰老的機(jī)制圖15-2細(xì)胞衰老的信號(hào)通路A.正常年輕細(xì)胞中，CDK的活化導(dǎo)致Rb蛋白磷酸化，與轉(zhuǎn)錄因子E2F分離，被釋放的E2F活化下游基因的轉(zhuǎn)錄，促使細(xì)胞從G1期進(jìn)入S期，細(xì)胞周期正常運(yùn)行。B.隨著細(xì)胞增殖，端粒的縮短會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)DNA修復(fù)體系包括p53的活化，p53繼而誘導(dǎo)p21的表達(dá)，p21使得CDKs失去活性，從而阻止Rb蛋白的磷酸化，Rb不能與E2F分離，E2F處于持續(xù)失活狀態(tài)，不能正常起始G1/S檢驗(yàn)點(diǎn)若干關(guān)鍵因子的轉(zhuǎn)錄，細(xì)胞周期停滯導(dǎo)致細(xì)胞衰老。在細(xì)胞衰老的另一條信號(hào)通路中，氧化損傷等因素可以通過(guò)誘導(dǎo)p16的表達(dá)導(dǎo)致細(xì)胞衰老Replicativesenescenceistriggeredbyp53activationinaswitch-likemanner.端粒的縮短如何引發(fā)細(xì)胞的復(fù)制衰老呢？Fig.Molecularpathwayscontrollinggrowtharrestduringsenescence.

Avarietyofstressorsinducesenescence-associatedgrowtharrest.Cellcycleexitisregulatedbyinductionofthep16INK4a/Rbandp53/p21CIP1

pathways.端粒的縮短如何引發(fā)細(xì)胞的復(fù)制衰老呢？Fig.Pathwaysregulatingsenescence-mediatedarrest.Thesenescencegrowtharrestisregulatedthroughtwomainpathways,p16INK4a/Rbandp53/p21CIP1,bothwhichconvergeonrepressionofCDK4/6.The

INK4A/ARF

locusisnormallysilencedbyPolycombrepressivecomplexes(PRCs)andbecomesactivatedduringsenescence.Thep53/p21CIP1

pathwayisactivateddownstreamoftheDNAdamageresponse(DDR)fromrepair-resistantDNAsegmentswithchromatinalterationsreinforcingsenescence(DNA-SCARS).脅迫誘導(dǎo)的早熟性衰老（stress-inducedprematuresenescence，SIPS）Stress-inducedprematuresenescence(SIPS)signalingpathway.Avarietyofstimuli,suchastelomereerosion,DNAdamage,oncogeneactivation,oxidativestress,anticancerdrugsandionizingradiation,inducecell-cyclearrestandtranscriptionofsenescence-associatedgenes.Senescencesignalingandgrowtharrest-responsesignalingpathwayshavebeenshowntooverlap.Uponsensingsenescencesignals,thecellcyclecheckpointmachinerycanforcethecelltoexitthecellcycleviatheCDK4inhibitorp16andtheMDM2inhibitorARF.Senescence-inducingstimulileadtoupregulationofp21,whichblocksthecyclinD/CDK4-mediatedhyperphosphorylationofpRb,andprovokescellcyclearrestand,ultimately,cellularsenescence.Alternatively,theseeventsinduceARF,whichblockstheactivityofthep53inhibitorMDM2andtherebyactivatesp53.Oneofthecharacteristicsofsenescentcellsisachangeinmorphology,suchasenlargement,flattening,andincreasedgranularity.Inaddition,senescentcellsortissueexhibitincreasedactivityofsenescence-associatedβ-galactosidase(SA-β-gal),areliablebiomarkerofsenescence.BMBRep.2014Feb;47(2):51–59.個(gè)體的衰老（aging）是指隨著年齡的增加，機(jī)體功能呈現(xiàn)退行性變化的現(xiàn)象個(gè)體衰老伴隨著生殖能力的下降，死亡率的上升以及對(duì)一系列疾病如癌癥，糖尿病，心血管系統(tǒng)功能障礙，神經(jīng)退行性疾病等的易感性增加個(gè)體衰老的機(jī)制非常復(fù)雜，涉及分子，細(xì)胞，組織，器官各個(gè)層面HowandWhydoWeAge?四、細(xì)胞衰老與個(gè)體衰老個(gè)體衰老在基因和蛋白質(zhì)分子水平上的主要標(biāo)志（hallmarks）基因組DNA損傷在衰老個(gè)體中明顯積累衰老個(gè)體的染色體端粒長(zhǎng)度明顯縮短衰老個(gè)體的DNA及組蛋白某些位點(diǎn)甲基化或乙?；揎棸l(fā)生改變，染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)變化等表觀遺傳修飾的改變，及其引起的基因表達(dá)異常衰老個(gè)體細(xì)胞內(nèi)協(xié)助蛋白折疊的體系（如分子伴侶）以及降解非正常折疊蛋白質(zhì)的體系（如泛素-蛋白酶體，自噬體-溶酶體）發(fā)生障礙導(dǎo)致錯(cuò)誤蛋白的堆積個(gè)體衰老在細(xì)胞水平上的主要標(biāo)志（hallmarks）衰老個(gè)體中失去增殖能力和功能減退的細(xì)胞累積，不能被免疫系統(tǒng)及時(shí)清除。同時(shí)，衰老細(xì)胞的分泌物又造成周?chē)?xì)胞及組織器官生存微環(huán)境的惡化，出現(xiàn)個(gè)體衰老的體征成體干細(xì)胞因?yàn)榧?xì)胞衰老而減弱甚至喪失組織更新的能力細(xì)胞通訊的失調(diào)，尤其是涉及傳遞營(yíng)養(yǎng)信號(hào)的多條信號(hào)通路，如感受葡萄糖濃度的胰島素及胰島素樣生長(zhǎng)因子信號(hào)通路，感受氨基酸濃度的mTOR信號(hào)通路等，營(yíng)養(yǎng)過(guò)剩導(dǎo)致上述信號(hào)通路持續(xù)活化，加速了個(gè)體衰老線粒體功能障礙：衰老個(gè)體中線粒體損傷的累積造成能量代謝等功能性障礙TheHallmarksofAging細(xì)胞衰老是個(gè)體衰老的根源Fig.Senescenceasacentralhallmarkofaging.Telomeredamage,epigeneticdysregulation,DNAdamage,andmitochondrialdysfunctionareprimarydriversofdamageinaging.Severalofthesedriversofdamagecaninducesenescence.Senescencecaninturndrivetheconsequentialaginghallmarksinresponsetodamage:stemcellexhaustionandchronicinflammation.Otherresponsestodamage,suchasproteostaticdysfunctionandnutrientsignalingdisruption,arealsointegrallylinkedwiththesenescenceresponse.細(xì)胞衰老的生物學(xué)效應(yīng)Fig.

Biologicalconsequencesofcellularsenescence.Cellularsenescencecanbeinducedbyvarioustriggers,including,butnotlimitedto,telomeredysfunction,oncogeneactivation,reactiveoxygenspeciesandcell–cellfusion.Short-termpresenceofsenescentcellsplaysabeneficialroleintumorsuppression,woundhealingandembryonicdevelopment.However,thelong-termpersistenceofsenescentcellsintissuescanparadoxicallypromotetumorigenesisanddevelopmentofage-relateddiseases細(xì)胞衰老與疾病早老癥（Hutchinson-GilfordSyndrome）兒童第二節(jié)多種形式的細(xì)胞死亡及其生物學(xué)意義細(xì)胞凋亡的生理過(guò)程及其特征細(xì)胞凋亡的分子機(jī)制細(xì)胞程序性死亡細(xì)胞壞死的分子機(jī)制植物細(xì)胞程序性死亡的分子機(jī)制一、多種形式的細(xì)胞死亡及其生物學(xué)意義Majorcelldeathsubroutines.Mammaliancellsexposedtounrecoverableperturbationsoftheintracellularorextracellularmicroenvironmentcanactivateoneofmanysignaltransductioncascadesultimatelyleadingtotheirdemise.Eachofsuchregulatedcelldeath(RCD)modesisinitiatedandpropagatedbymolecularmechanismsthatexhibitaconsiderabledegreeofinterconnectivity.Moreover,eachtypeofRCDcanmanifestwithanentirespectrumofmorphologicalfeaturesrangingfromfullynecrotictofullyapoptotic,andanimmunomodulatoryprofilerangingfromanti-inflammatoryandtolerogenictopro-inflammatoryandimmunogenic.

ADCD:autophagy-dependentcelldeath,

ICD:immunogeniccelldeath,

LDCD:lysosome-dependentcelldeath,

MPT:mitochondrialpermeabilitytransition.From:Molecularmechanismsofcelldeath:recommendationsoftheNomenclatureCommitteeonCellDeath2018多種形式的細(xì)胞死亡隨機(jī)被動(dòng)性死亡：物理或化學(xué)因素導(dǎo)致程序性死亡（programmedcelldeath，PCD）：細(xì)胞具有內(nèi)在遺傳機(jī)制控制的主動(dòng)性死亡方式；是維持生物體正常生長(zhǎng)發(fā)育及生命活動(dòng)的必要條件不同類(lèi)型細(xì)胞在不同條件下表現(xiàn)出的程序性細(xì)胞死亡方式：動(dòng)物細(xì)胞的凋亡（apoptosis）程序性壞死（necrosis）自噬性細(xì)胞死亡（autophagiccelldeath）植物細(xì)胞的程序性死亡（一）動(dòng)物細(xì)胞的凋亡（apoptosis）1885年，德國(guó)生物學(xué)家Flemming就曾描述過(guò)卵巢濾泡細(xì)胞的凋亡形態(tài)特征。他觀察到細(xì)胞死亡時(shí)伴隨染色質(zhì)的水解，因此將這種細(xì)胞死亡稱(chēng)作“染色質(zhì)溶解（chromatolysis）”1965年，澳大利亞病理學(xué)家JohnKerr觀察到結(jié)扎大鼠肝門(mén)靜脈后，在局部缺血的情況下，大鼠肝細(xì)胞死亡細(xì)胞的質(zhì)膜及溶酶體保持完整，細(xì)胞內(nèi)含物不會(huì)釋放到膜外，不會(huì)誘導(dǎo)機(jī)體發(fā)生炎癥反應(yīng)。1972年Kerr將這一現(xiàn)象命名為細(xì)胞凋亡（apoptosis）“apoptosis”一詞源自古希臘語(yǔ)，意指花瓣或樹(shù)葉的脫落、凋零，這一命名意在強(qiáng)調(diào)這種細(xì)胞死亡方式是正常的生理過(guò)程Adiagramdescribingthemorphologyofapoptosis.AdaptedfromKerretal.(1972)細(xì)胞凋亡的生理學(xué)意義保證正常胚胎發(fā)育進(jìn)程，塑造個(gè)體及器官形態(tài)，形成免疫耐受維持生物體內(nèi)的自穩(wěn)態(tài)生理保護(hù)，腫瘤監(jiān)控圖15-3原位末端標(biāo)記法顯示斑馬魚(yú)胚胎發(fā)育過(guò)程中的細(xì)胞凋亡正常16體節(jié)期的斑馬魚(yú)胚胎（Con16s）在發(fā)育過(guò)程中部分細(xì)胞發(fā)生凋亡，突變體（248a-/-16s）有大量細(xì)胞發(fā)生凋亡。原位末端標(biāo)記法即轉(zhuǎn)移酶介導(dǎo)的dUTP缺口末端標(biāo)記法（terminaldeoxynucleotidyltransferase-mediateddUTPnickendlabeling，TUNEL）。這一方法能對(duì)DNA分子斷裂缺口中的3′-OH進(jìn)行原位熒光標(biāo)記，用熒光顯微鏡能觀察到單個(gè)凋亡細(xì)胞圖15-4細(xì)胞凋亡使得神經(jīng)細(xì)胞與靶細(xì)胞的數(shù)量相匹配發(fā)育過(guò)程中神經(jīng)細(xì)胞的數(shù)量較靶細(xì)胞多。靶細(xì)胞通過(guò)分泌存活因子來(lái)調(diào)節(jié)神經(jīng)細(xì)胞的數(shù)量。不能獲得足夠存活因子的神經(jīng)細(xì)胞發(fā)生凋亡，使得剩下的神經(jīng)細(xì)胞與靶細(xì)胞的數(shù)量相當(dāng)動(dòng)物發(fā)育過(guò)程中的細(xì)胞凋亡PROGRAMMEDCELLDEATHDURINGDEVELOPMENT.A,Examplesofcellsthatundergoprogrammedcelldeath.B–D,Programmedcelldeathintheembryonicmousepaw.Atday12.5ofdevelopment,thedigitsarefullyconnectedbywebbing.Byday13.5,thewebbinghasstartedtodie,andbyday14.5,allthewebbingcellsaregone.E,Cellsundergoingprogrammedcelldeathtakeupacridineorange,whereascellsofthesurroundinghealthytissuedonot.細(xì)胞凋亡參與了免疫耐受的形成殺傷性T-淋巴細(xì)胞使被感染細(xì)胞發(fā)生凋亡（二）程序性壞死（programmednecrosis）Necroptosisinmodelorganisms與細(xì)胞凋亡類(lèi)似，這種細(xì)胞膜破裂的死亡過(guò)程，也受到細(xì)胞內(nèi)特異基因的控制缺乏特異性的分子標(biāo)記和抑制劑，目前對(duì)程序性壞死生理功能的了解還較為有限程序性壞死可能在機(jī)體免疫反應(yīng)中發(fā)揮重要作用（三）自噬性細(xì)胞死亡（autophagiccelldeath）細(xì)胞自噬（autophagy）是細(xì)胞通過(guò)溶酶體與雙層膜包裹的細(xì)胞自身物質(zhì)融合，從而降解細(xì)胞自身物質(zhì)的過(guò)程現(xiàn)在了解的自噬性死亡現(xiàn)象主要存在于昆蟲(chóng)的變態(tài)過(guò)程中，幼蟲(chóng)的許多細(xì)胞通過(guò)自噬性死亡和凋亡的共同作用被清除，從而建成新的成體結(jié)構(gòu)自噬性細(xì)胞死亡在其它物種生理過(guò)程中的作用尚不明確。TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine2016"forhisdiscoveriesofmechanismsforautophagy."Fig.Inyeast(leftpanel)alargecompartmentcalledthevacuolecorrespondstothelysosomeinmammaliancells.Ohsumigeneratedyeastlackingvacuolardegradationenzymes.Whentheseyeastcellswerestarved,autophagosomesrapidlyaccumulatedinthevacuole(middlepanel).Hisexperimentdemonstratedthatautophagyexistsinyeast.Asanextstep,Ohsumistudiedthousandsofyeastmutants(rightpanel)andidentified15genesthatareessentialforautophagy.（四）植物細(xì)胞的程序性死亡細(xì)胞程序性死亡在植物中廣泛存在。主要生理功能包括：植物防御病原體的反應(yīng)或稱(chēng)超敏反應(yīng)（hypersensitiveresponse，HR）植物對(duì)環(huán)境脅迫的反應(yīng)植物發(fā)育進(jìn)程中發(fā)揮作用植物細(xì)胞程序性死亡的方式與動(dòng)物細(xì)胞差別較大。往往利用溶酶體（液泡）中的水解酶來(lái)消化分解死亡細(xì)胞，主要包括兩種方式：植物細(xì)胞內(nèi)液泡膜破裂，水解酶釋放出來(lái)消化細(xì)胞內(nèi)含物，整個(gè)細(xì)胞被迅速直接地分解而死亡（一般發(fā)生在植物發(fā)育進(jìn)程中）；液泡膜與細(xì)胞膜發(fā)生融合，水解酶釋放到細(xì)胞外觸發(fā)細(xì)胞死亡（植物被細(xì)胞外復(fù)制的病原體感染時(shí)會(huì)誘發(fā)這種反應(yīng)）二、細(xì)胞凋亡的生理過(guò)程及其特征圖15-5細(xì)胞凋亡的過(guò)程及特征A.細(xì)胞凋亡過(guò)程模式圖。1正常細(xì)胞；2細(xì)胞凋亡的起始，染色質(zhì)固縮并沿核膜分布，細(xì)胞皺縮；3凋亡中的細(xì)胞，細(xì)胞質(zhì)膜反折，包裹染色質(zhì)片段和細(xì)胞器等細(xì)胞碎片，形成芽狀突起并逐漸脫離，形成凋亡小體；4凋亡小體被吞噬細(xì)胞吞噬。B.凋亡細(xì)胞的電鏡照片，顯示染色質(zhì)的變化。上圖：染色質(zhì)凝集并沿核膜分布；中圖，下圖：染色質(zhì)片段逐漸“離開(kāi)”原來(lái)的細(xì)胞核，進(jìn)入核膜包圍的泡狀結(jié)構(gòu)典型動(dòng)物細(xì)胞的凋亡過(guò)程，形態(tài)學(xué)上可分為三個(gè)階段凋亡的起始凋亡小的形成凋亡小體被吞噬細(xì)胞核內(nèi)染色質(zhì)固縮凝集圖15-6DAPI染色顯示凋亡細(xì)胞的染色質(zhì)凝集。A.正常細(xì)胞核。B.凋亡細(xì)胞核。4′，6-二脒基-2-苯基吲哚（4′，6-diamidino-2-phenylindole，DAPI），是常用的一種與DNA結(jié)合的熒光染料三、細(xì)胞凋亡的分子機(jī)制動(dòng)物細(xì)胞凋亡的過(guò)程包括4個(gè)階段：接受凋亡信號(hào)；凋亡相關(guān)分子的活化；凋亡的執(zhí)行；凋亡細(xì)胞的清除動(dòng)物細(xì)胞凋亡的途徑Caspase依賴(lài)性和不依賴(lài)于Caspase的凋亡1.Caspases及其基本類(lèi)型簡(jiǎn)介Caspase（Cysteineasparticacicspecificprotease）：是一組天冬氨酸特異性的半胱氨酸蛋白水解酶caspases通常以無(wú)活性酶原形式存在于細(xì)胞質(zhì)中活性位點(diǎn)均包含半胱氨酸殘基，能夠特異地切割靶蛋白天冬氨酸殘基后的肽鍵，切割的結(jié)果是使靶蛋白活化或失活，而非完全降解Caspases的發(fā)現(xiàn)源于秀麗隱桿線蟲(chóng)（Caenorhabditiselegans）發(fā)育的研究Fig.Schematicrepresentationofstructuralfeaturesofmammaliancaspases透明，長(zhǎng)僅1mm，體細(xì)胞959個(gè)1090cells-131cellsdeath=959cells模式生物：秀麗隱桿線蟲(chóng)C.elegansTheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine2002"fortheirdiscoveriesconcerninggeneticregulationoforgandevelopmentandprogrammedcelldeath."線蟲(chóng)和哺乳動(dòng)物體內(nèi)細(xì)胞死亡的途徑caspase家族部分成員及其功能炎癥caspases：包括caspase-1，-4，-5，-11，-12，負(fù)責(zé)產(chǎn)生有活性的白介素-1凋亡caspases，包括caspase-2，-3，-6，-7，-8，-9，-10，負(fù)責(zé)介導(dǎo)細(xì)胞凋亡；按照功能可分為兩類(lèi)起始caspase（caspase-2等）負(fù)責(zé)對(duì)效應(yīng)酶的前體進(jìn)行切割，產(chǎn)生有活性的效應(yīng)caspases效應(yīng)caspase（caspase-3等）負(fù)責(zé)切割細(xì)胞核內(nèi)、細(xì)胞質(zhì)中的結(jié)構(gòu)蛋白和調(diào)節(jié)蛋白，使其失活或活化，保證凋亡程序的正常進(jìn)行caspases家族成員還參與了細(xì)胞自噬，壞死，分化等生命活動(dòng)的調(diào)控2.caspases在細(xì)胞凋亡中的作用機(jī)制接受凋亡信號(hào)刺激后，酶原分子在特異的天冬氨酸位點(diǎn)被切割，產(chǎn)生的兩段多肽形成大小兩個(gè)亞基，再聚合成異二聚體，此即具有活性的酶NatRevMolCellBiol,2010,11(9):621-632caspases的活化：同源活化(homo-activation)；異源活化(hetero-activation)圖15-7細(xì)胞凋亡過(guò)程中caspases的活化效應(yīng)caspases底物效應(yīng)caspases對(duì)底物的切割使得細(xì)胞呈現(xiàn)出凋亡的一系列形態(tài)學(xué)和分子生物學(xué)特征?？梢苑譃楸换罨捅皇Щ顑纱箢?lèi)：被caspase活化的代表分子是caspases激活的核酸酶CAD（caspaseactivatedDNase）被caspase失活的代表分子是聚腺苷酸二磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶（poly（ADP-ribose）polymerase，PARP）效應(yīng)caspases還通過(guò)切割細(xì)胞骨架蛋白使細(xì)胞的骨架體系發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，便于細(xì)胞改變形態(tài)以及形成凋亡小體等DNA梯狀條帶（DNALadders）是細(xì)胞凋亡的標(biāo)志之一圖15-8細(xì)胞凋亡的典型特征-DNA梯狀條帶（DNAladders）A.DNA梯狀條帶產(chǎn)生過(guò)程示意圖。細(xì)胞凋亡時(shí)，細(xì)胞內(nèi)特異性DNA內(nèi)切酶活化，染色質(zhì)DNA被隨機(jī)地在核小體間切割，降解成180～200bp或其整數(shù)倍片段。B.正常細(xì)胞與凋亡細(xì)胞的DNA電泳照片。a對(duì)照的正常人胚腎293細(xì)胞DNA；b，過(guò)量表達(dá)腫瘤壞死因子受體1（TNFR-1）誘導(dǎo)凋亡的293細(xì)胞DNA。由于提取DNA過(guò)程中保持細(xì)胞核膜的完整，因此正常細(xì)胞的提取物中幾乎沒(méi)有DNA；而凋亡細(xì)胞凋亡小體中的DNA被提取出來(lái)，長(zhǎng)度相差200bp或其整數(shù)倍的DNA分子經(jīng)瓊脂糖凝膠電泳分離，呈現(xiàn)梯狀條帶3.細(xì)胞凋亡信號(hào)通路死亡受體引發(fā)的外源途徑起始于死亡配體與受體的結(jié)合死亡配體主要是腫瘤壞死因子（TNF）家族成員；胞質(zhì)部分均含有死亡結(jié)構(gòu)域（deathdomain，DD），負(fù)責(zé)招募凋亡信號(hào)通路中的接頭蛋白線粒體引發(fā)的內(nèi)源途徑內(nèi)源途徑中，線粒體處于中心地位當(dāng)細(xì)胞受內(nèi)外部凋亡信號(hào)刺激時(shí)，線粒體膜通透性會(huì)發(fā)生改變，向細(xì)胞質(zhì)中釋放凋亡相關(guān)因子，引發(fā)細(xì)胞凋亡圖15-9凋亡信號(hào)通路凋亡信號(hào)通路（1）死亡受體起始的外源途徑（2）線粒體起始的內(nèi)源途徑JunyingYuan,Ph.D.袁鈞瑛XiaodongWang,Ph.D