第16章 細胞死亡與細胞衰老

第16章細胞死亡與細胞衰老MitosisApoptosis細胞增殖和細胞死亡對生物體具有同樣重要的意義Homeostasis穩(wěn)態(tài)細胞死亡的分類根據(jù)形態(tài)特征來分:凋亡；壞死；自噬根據(jù)酶學(xué)標(biāo)準(zhǔn)來分:caspase依賴的細胞死亡；caspase非依賴的細胞死亡等根據(jù)功能方面來分:程序性或意外細胞死亡,生理性或病理性細胞死亡根據(jù)免疫學(xué)特征來分:引起免疫反應(yīng)和不引起免疫應(yīng)答的細胞死亡本章主要內(nèi)容細胞死亡細胞凋亡細胞壞死自噬性細胞死亡細胞衰老第一節(jié)細胞死亡細胞死亡是指細胞生命活動的結(jié)束細胞死亡的方式：1.細胞凋亡（apoptosis）2.壞死（necrosis）3.自噬性細胞死亡（autophagiccelldeath）一、細胞凋亡細胞凋亡是受基因控制的主動的細胞生理性自殺或謀殺行為1972年，澳大利亞病理學(xué)家Kerr提出細胞凋亡（apoptosis）apoptosis（apo-ptosis）源自古希臘語，意指花瓣或樹葉的脫落、凋零。這一命名的生物學(xué)意義在于強調(diào)這種細胞死亡方式是正常的生理過程（一）細胞凋亡的特征凋亡的起始凋亡小的形成吞噬（二）細胞凋亡的檢測方法1.形態(tài)學(xué)觀察——染色法臺盼藍；DAPI；吉姆薩染色法等DAPI染色顯示凋亡細胞的染色質(zhì)凝集A.正常細胞核B.凋亡細胞核（二）細胞凋亡的檢測方法2.DNA電泳凋亡時，細胞內(nèi)特異性核酸內(nèi)切酶活化，染色質(zhì)DNA在核小體間被特異性切割，DNA降解成180～200bp或其整數(shù)倍片段細胞凋亡的典型特征——DNA梯狀條帶（DNAladders）（二）細胞凋亡的檢測方法3.DNA斷裂的原位末端標(biāo)記法轉(zhuǎn)移酶介導(dǎo)的dUTP缺口末端標(biāo)記測定法（TUNEL）脫氧核糖核苷酸末端轉(zhuǎn)移酶（不需要模板！）能對DNA分子斷裂缺口中的3′-OH進行原位標(biāo)記凋亡細胞的核DNA斷裂后產(chǎn)生3′-OH末端，因此可借助一種可觀測的標(biāo)記物如熒光素對單個凋亡細胞核或凋亡小體進行原位染色（二）細胞凋亡的檢測方法3.DNA斷裂的原位末端標(biāo)記法（二）細胞凋亡的檢測方法3.DNA斷裂的原位末端標(biāo)記法原位末端標(biāo)記法顯示斑馬魚胚胎發(fā)育過程中的細胞凋亡（二）細胞凋亡的檢測方法4.彗星電泳法正常細胞的核無DNA斷裂泳動時保持圓球形凋亡細胞中的DNA降解片段在電場中泳動速度較快，細胞核呈現(xiàn)出慧星式圖案（二）細胞凋亡的檢測方法5.流式細胞分析左圖：正常細胞周期右圖：地塞米松處理的細胞在G1峰左側(cè)可見一典型的凋亡峰型（亞二倍體峰）（二）細胞凋亡的檢測方法6.檢測細胞膜成分變化檢測磷脂酰絲氨酸的外翻檢測caspases的激活檢測Cytc的釋放檢測線粒體膜電位的變化等“eatme”signalisthepresenceofphosphatidylserinemoleculesintheouterleafletofPMofapoptoticcells.細胞凋亡早期，位于細胞膜內(nèi)側(cè)的磷脂酰絲氨酸（PS）迅速翻轉(zhuǎn)到細胞膜外側(cè)，使得PS暴露在細胞膜表面，可以用PS與抗凝血劑AnnexinV的相互作用檢測外翻的PS（二）細胞凋亡的檢測方法（三）細胞凋亡的生理學(xué)及醫(yī)學(xué)意義細胞凋亡在正常發(fā)育、自穩(wěn)態(tài)的維持、免疫耐受的形成、腫瘤監(jiān)控等過程中均發(fā)揮重要作用確保正常發(fā)育、生長維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定發(fā)揮積極的防御功能凋亡失調(diào)：不恰當(dāng)激活或抑制；過度凋亡導(dǎo)致疾病AIDS：HIV誘導(dǎo)淋巴細胞凋亡自身免疫疾?。杭せ畹牧馨图毎蛲鋈毕莅┌Y：凋亡缺陷老年癡呆/中風(fēng)：過多神經(jīng)細胞凋亡細胞凋亡使得神經(jīng)細胞與靶細胞的數(shù)量相匹配發(fā)育過程中神經(jīng)細胞的數(shù)量較靶細胞多。靶細胞通過分泌存活因子來調(diào)節(jié)神經(jīng)細胞的數(shù)量。不能獲得足夠存活因子的神經(jīng)細胞發(fā)生凋亡，使得剩下的神經(jīng)細胞與靶細胞的數(shù)量相當(dāng)動物蛻變過程中幼體器官的縮小和退化

（如蝌蚪尾的消失等）也是通過細胞凋亡來實現(xiàn)的高等哺乳類動物指（趾）間蹼的消失、顎融合、腸管腔道的形成、視網(wǎng)膜發(fā)育等過程都必須有細胞凋亡的參與動物發(fā)育過程中的細胞凋亡細胞凋亡參與了免疫耐受的形成細胞凋亡剔除被病原體感染的細胞（四）細胞凋亡的分子機制動物細胞的凋亡誘導(dǎo)因子大致分為：①物理性因子：包括射線（紫外線、γ射線等），較溫和的溫度刺激（如熱激、冷激）等②化學(xué)及生物因子：包括活性氧基團和分子（超氧自由基、羥自由基、H2O2）、鈣離子載體、VK3、視黃酸、細胞毒素、DNA和蛋白質(zhì)合成的抑制劑（如環(huán)已亞胺）、正常生理因子（激素，細胞生長因子等）的失調(diào)，以及凋亡因子如腫瘤壞死因子α（tumornecrosisfactorα,TNFα）處理等（四）細胞凋亡的分子機制動物細胞凋亡的階段：接受凋亡信號；凋亡相關(guān)分子的活化；凋亡的執(zhí)行；凋亡細胞的清除動物細胞凋亡的途徑Caspase依賴性和不依賴于Caspase的細胞凋亡1.Caspase(Cysteineasparticacidspecificprotease)caspases是一組存在于細胞質(zhì)中具有類似結(jié)構(gòu)的蛋白酶它們的活性位點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。因此，caspases稱之為天冬氨酸特異性的半胱氨酸蛋白水解酶

caspases負責(zé)選擇性地切割某些蛋白質(zhì)，切割的結(jié)果是使靶蛋白活化或失活，而非完全降解caspases通常以無活性酶原形式存在于細胞質(zhì)中（1）Caspase分類及其結(jié)構(gòu)Caspase家族成員及其在細胞凋亡過程中的功能（2）Caspase的激活及其級聯(lián)效應(yīng)NatRevMolCellBiol,2010,11(9):621-632（2）Caspase的激活及其級聯(lián)效應(yīng)效應(yīng)caspases對底物的切割使得細胞呈現(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褪Щ顑纱箢悾罕籧aspase活化的代表分子是caspases激活的核酸酶CAD被caspase失活的分子都在維護細胞正常狀態(tài)中發(fā)揮關(guān)鍵作用效應(yīng)caspases還通過切割細胞骨架蛋白使細胞的骨架體系發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，便于細胞改變形態(tài)以及形成凋亡小體等（2）Caspase的激活及其級聯(lián)效應(yīng)2.Caspase依賴性細胞凋亡途徑

死亡受體起始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，負責(zé)招募凋亡信號通路中的信號分子線粒體起始的內(nèi)源途徑內(nèi)源途徑中，線粒體處于中心地位當(dāng)細胞受內(nèi)外部凋亡信號刺激時，胞內(nèi)線粒體的外膜通透性會發(fā)生改變，向細胞質(zhì)中釋放凋亡相關(guān)因子，引發(fā)細胞凋亡Caspase依賴性細胞凋亡信號途徑（1）死亡受體起始的外源途徑（2）線粒體起始的內(nèi)源途徑（2）線粒體起始的內(nèi)源途徑2002年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎透明，長僅1mm，體細胞959個1090cells-131cellsdeath=959cells模式生物：秀麗隱桿線蟲C.elegansPathwaystocelldeathinC.elegansandmammalsJunyingYuan,Ph.D.袁鈞瑛XiaodongWang,Ph.D.王曉東//index.php?act=view&id=20發(fā)現(xiàn)哺乳動物細胞中Ced3的同源蛋白白介素-1β轉(zhuǎn)換酶建立了細胞凋亡內(nèi)源途徑的模型兩位華人科學(xué)家抑制細胞凋亡促進細胞凋亡促進細胞凋亡bcl-2familyNatRevMolCellBiol,2010,11(9):621-632bcl-2family3.Caspase非依賴性的細胞凋亡

凋亡誘導(dǎo)因子

（apoptosisinducingfactor，AIF）限制性內(nèi)切核酸酶GBiochemistry(Moscow),2005,70,(2):231-239J.Exp.Med.,2010,207(9):1807-1817Find-meandeat-mesignal4.穿孔蛋白－顆粒酶介導(dǎo)的細胞凋亡NatureReviewsImmunology,2002,2,735-7475.生死抉擇：細胞凋亡的調(diào)控生存因子通過調(diào)節(jié)Bcl-2家族成員的活性及表達抑制細胞凋亡的發(fā)生內(nèi)源性caspases抑制因子p53通過激活凋亡正調(diào)節(jié)因子的轉(zhuǎn)錄來促進凋亡，同時還能夠抑制抗凋亡因子的轉(zhuǎn)錄Nature,2006,443,796-802ERS反應(yīng)引發(fā)的細胞凋亡二、細胞壞死Fig.1TEMofanecroticcellFig.2TEMofanapoptotic(A)andanormal(N)cellFig.3SEMofanecroticcellFig.4SEMofanapoptoticcell細胞凋亡與壞死的形態(tài)特征細胞凋亡細胞壞死細胞膜不破裂發(fā)生破裂細胞核固縮，DNA片段化，進入凋亡小體彌漫性降解細胞質(zhì)由質(zhì)膜包圍形成凋亡小體溢出，細胞破裂成碎片細胞質(zhì)生化改變?nèi)苊阁w的酶增多溶酶體解體蛋白質(zhì)合成、能量消耗有無基因活動由基因調(diào)控?zé)o基因調(diào)控自吞噬常見缺少線粒體自身溶酶體吞噬腫脹誘發(fā)因素生理性信號理化、病理信號誘導(dǎo)對個體影響生長、發(fā)育、生存所必需引起炎癥細胞凋亡與壞死的比較三、自噬性細胞死亡細胞自噬是通過溶酶體與雙層膜包裹的細胞自身物質(zhì)融合，降解自身物質(zhì)的過程。細胞自噬是促使細胞存活的自我保護機制。細胞面臨代謝壓力時，降解自身蛋白質(zhì)大分子或細胞器，為細胞生存提供原料或ATP具有自我“清理”功能：降解錯誤折疊的蛋白質(zhì)多聚物；功能失常的細胞器；細胞內(nèi)的病原體細胞自噬的特征及過程酵母中細胞自噬的信號調(diào)控四、植物細胞與酵母細胞的程序性死亡1.植物細胞的程序性死亡程序性細胞死亡在正常的植物發(fā)育進程以及對環(huán)境脅迫，如缺氧、高鹽等的反應(yīng)和病原體入侵引發(fā)的過敏反應(yīng)中廣泛存在植物細胞程序性死亡細胞的殘余物被細胞壁固定在原位，不是被周圍細胞吞噬，而是被自身液泡中的水解酶消化能夠誘導(dǎo)植物細胞發(fā)生程序性死亡的因素有多種，主要包括活性氧和植物激素等植物細胞的程序性死亡四、植物細胞與酵母細胞的程序性死亡2.酵母細胞的程序性死亡酵母程序性死亡的形態(tài)學(xué)特征與動物細胞凋亡類似：DNA發(fā)生凝聚、邊緣化和斷裂，Cytc從線粒體釋放等酵母的細胞程序性死亡機制與動物細胞的凋亡機制有類似之處酵母程序性死亡的生理意義第二節(jié)細胞衰老正常成纖維細胞衰老的成纖維細胞的不同形態(tài)學(xué)改變一、細胞衰老的概念及特征細胞衰老主要指復(fù)制衰老，是體外培養(yǎng)的正常細胞經(jīng)過有限次數(shù)的分裂后，停止生長，細胞形態(tài)和生理代謝活動發(fā)生顯著改變的現(xiàn)象。1958年Hayflick等人證實人成纖維細胞的復(fù)制能力是有限的，首次提出了細胞水平上的“衰老”現(xiàn)象，稱為“Hayflick界限”。LeonardHayflickin1988NatRevMolCellBiol,2000,1(1):72-76NatRevMolCellBiol,2000,1(1):72-76是只分裂了20代的年輕成纖維細胞，呈現(xiàn)薄層、細長的形態(tài)；

是分裂了55次的老的成纖維細胞，開始衰退，并很快死亡年輕和年老的人二倍體細胞（WI-38細胞株）Hayflick精心設(shè)計的實驗?zāi)贻p女性細胞(間期可見巴氏小體)+

年老男性細胞(間期無巴氏小體)

混合培養(yǎng)（一樣的外部環(huán)境）

年輕女性細胞倍增次數(shù)多于年老男性細胞★細胞衰老的過程是由細胞自身決定的,而非環(huán)境因素體外培養(yǎng)細胞衰老的生物學(xué)特征生長停滯，細胞停止分裂，并且這種停滯是不可逆的，即使添加生長因子也無濟于事衰老相關(guān)的β-半乳糖苷酶的活化衰老相關(guān)β-半乳糖苷酶染色區(qū)分年輕和衰老的人胚胎成纖維細胞IMR-90二、細胞衰老的分子機制復(fù)制性衰老與端?？s短學(xué)說Nature,2010,464:520–528（一）復(fù)制衰老的機制（二）壓力誘導(dǎo)的早熟性衰老氧化損傷理論認為，衰老現(xiàn)象是由生命活動中代謝產(chǎn)生的活性氧成分造成的損傷積累引起的?；钚匝醭煞职ǔ蹶庪x子、過氧化氫和羥自由基?；钚匝醭煞謱ι锎蠓肿泳袚p傷作用，而且還會使線粒體