醫(yī)學細胞生物學第十二章細胞的衰老和死亡

醫(yī)學細胞生物學第十二章細胞的衰老和死亡當前第1頁\共有66頁\編于星期三\21點細胞的基本生命活動之一。大多數(shù)細胞都要經(jīng)歷增殖、分化、衰老直至死亡的過程。細胞衰老：細胞對環(huán)境變化的適應能力減弱和維持細胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定能力降低,同時發(fā)生的形態(tài)結(jié)構(gòu)的改變。

第一節(jié)細胞的衰老

agingorsenescence當前第2頁\共有66頁\編于星期三\21點一、細胞的壽命與增殖能力和分化程度密切相關(guān)機體細胞分4類（細胞的壽命的角度）（一）恒久組織細胞

在機體出生后便永久失去了分裂能力,但高度分化的專業(yè)工作細胞。衰老變化的特點是細胞的數(shù)量減少和細胞內(nèi)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。主要包括：心肌、骨骼肌、骨、腎上腺髓質(zhì)、腎髓質(zhì)和神經(jīng)細胞等。當前第3頁\共有66頁\編于星期三\21點光鏡照片顯示人類心肌細胞（左）、骨骼肌細胞（中）和骨細胞（右）（fromC.Starr,1998)細胞壽命較長，可觀察到衰老變化的現(xiàn)象，是研究細胞衰老的良好對象。當前第4頁\共有66頁\編于星期三\21點（二）穩(wěn)定組織細胞在機體出生后便停止分裂、但終生保留分裂能力、具有較高分化程度的專業(yè)工作細胞。主要包括皮膚結(jié)締組織、呼吸道上皮、腎上腺皮質(zhì)、腎皮質(zhì)、唾腺細胞、胰腺及胰島、胃壁和肝細胞。這類細胞在正常情況下沒有明顯的衰老死亡，但最終也將發(fā)生衰老和死亡。當前第5頁\共有66頁\編于星期三\21點光鏡照片顯示人類呼吸道上皮（左）和皮下致密結(jié)締組織（右）（fromC.Starr,1998)當前第6頁\共有66頁\編于星期三\21點（三）更新組織細胞有一定壽命的專業(yè)工作細胞。主要包括皮膚的表皮、角膜、毛囊、口腔黏膜上皮、胃腸道上皮、精原細胞和造血細胞。不同組織的更新速度不同,如小腸絨毛上皮的生命周期為2～5天,表皮細胞約1～2月。這類細胞壽命短，因而不發(fā)生衰老變化。當前第7頁\共有66頁\編于星期三\21點光鏡照片顯示人類皮膚（fromC.Starr,1998)當前第8頁\共有66頁\編于星期三\21點（四）可耗盡組織細胞是一種專業(yè)工作細胞,在機體一生的某一階段逐漸減少,但得不到補充,最后消耗殆盡。如卵巢實質(zhì)細胞當前第9頁\共有66頁\編于星期三\21點（五）體外培養(yǎng)細胞的壽命1、Hayflik界限體外培養(yǎng)的細胞也有一定的壽命。1961年，Hayflick和Moorhead實驗，培養(yǎng)的人二倍體細胞表現(xiàn)出明顯的衰老、退化和死亡的過程。

當前第10頁\共有66頁\編于星期三\21點將細胞數(shù)以1：2的比率連續(xù)進行傳代，則平均只能傳代40-60次，此后細胞就逐漸解體并死亡。

當前第11頁\共有66頁\編于星期三\21點細胞，至少是培養(yǎng)的細胞，不是不死的，而是有一定的壽命；它們的增殖能力不是無限的，而是有一定的界限——“Hayflick界限”。當前第12頁\共有66頁\編于星期三\21點2、體外培養(yǎng)細胞的壽命與

供體物種壽命和供體個體年齡的關(guān)系Hayflick比較了多種動物成纖維細胞在體外培養(yǎng)下的傳代次數(shù)和壽命的關(guān)系發(fā)現(xiàn)：體外培養(yǎng)細胞的壽命取決于供體物種的壽命供體個體的年齡。當前第13頁\共有66頁\編于星期三\21點生命越長壽，細胞傳代的次數(shù)越多不同種屬的平均壽命及其成纖維細胞的分裂代數(shù)種類平均壽命（年）培養(yǎng)細胞分裂代數(shù)海龜

175

90～125人110

40～60雞3015～35小鼠3.514～28當前第14頁\共有66頁\編于星期三\21點體外培養(yǎng)細胞的增殖傳代的能力也可反映出該種屬細胞在體內(nèi)的衰老狀況。

供者年齡群體分裂代數(shù)人胚胎40～60出生后至15歲20～40

15歲以上10～30

早老癥患者2～10不同年齡人成纖維細胞分裂代數(shù)的比較當前第15頁\共有66頁\編于星期三\21點4、決定細胞衰老的因素Hayflik將取自老年男性細胞和年輕女性個體細胞(間期可見巴氏小體)進行單獨或混合培養(yǎng)，結(jié)果混合培養(yǎng)中的兩類細胞的倍增次數(shù)與各自單獨培養(yǎng)時相同。結(jié)果說明:巴氏小體的污染并沒有影響細胞的衰老，決定細胞衰老的因素在細胞內(nèi)部，而不是外部的環(huán)境。當前第16頁\共有66頁\編于星期三\21點Wright和Hayflik實驗

年輕的細胞質(zhì)體與年老的完整細胞融合時，得到的雜種細胞不能分裂；而年老的細胞質(zhì)體與年輕的完整細胞融合時，雜種細胞的分裂能力與年輕細胞幾乎相同。結(jié)果說明:是細胞核而不是細胞質(zhì)決定了細胞衰老的表現(xiàn)。當前第17頁\共有66頁\編于星期三\21點

二、細胞衰老的特征

1．細胞內(nèi)水分減少，致使細胞脫水收縮，體積變小。2．細胞色素顆粒沉積增多，如脂褐素也稱老年色素，在光鏡下呈黃褐色的圓形或橢圓形顆粒。脂褐素在胞漿中沉積隨老年化過程而增加，如肝細胞、肌細胞和神經(jīng)細胞中的積聚更為明顯。

當前第18頁\共有66頁\編于星期三\21點細胞衰老的特征3．細胞器的衰老變化：（1）細胞膜的流動性降低：衰老的細胞膜發(fā)生脂質(zhì)過氧化反應，流動性明顯減弱，因而細胞的興奮性降低。（2）線粒體的數(shù)量隨著年齡的增大而減少，而其體積則隨著年齡的增大而增大。（3）高爾基復合體的分泌功能與囊泡運輸功能下降；溶酶體酶活性降低；內(nèi)質(zhì)網(wǎng)數(shù)量減少。（4）細胞核的變化：染色質(zhì)固化，核膜內(nèi)折。

當前第19頁\共有66頁\編于星期三\21點細胞衰老的特征4．化學組成與生化反應的改變(1)蛋白質(zhì)合成的速度下降；(2)細胞內(nèi)酶的活性與含量改變：老年神經(jīng)細胞內(nèi)單氨氧化酶升高、SOD下降，硫胺素焦磷酸酶的活性減弱。

當前第20頁\共有66頁\編于星期三\21點三、細胞衰老的機制

關(guān)于細胞衰老的機制，曾先后提出過多種學說，但至今尚無統(tǒng)一的認識。人們已經(jīng)認識到，細胞衰老是由體內(nèi)多種因素引起的，人類的衰老還受到社會和環(huán)境等因素的影響,使得衰老機制更加復雜。當前第21頁\共有66頁\編于星期三\21點

細胞衰老的機制

1．自由基理論

自由基是在外層軌道上具有不成對電子的分子或原子基團，與其他物質(zhì)反應奪取電子，引起一些極重要的生物分子失活，導致對細胞的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生有害的生物學效應。機體清除自由基的能力隨齡的增加而下降，導致衰老。

當前第22頁\共有66頁\編于星期三\21點2、遺傳程序論細胞的衰老是按照各自特定的程序和時間進行的；認為細胞的退化和衰老是由基因控制的，如退化基因(deg)和機械傳感基因(mec)是控制神經(jīng)細胞衰老的遺傳因子。衰老是遺傳上的程序化過程，受特定基因控制。當前第23頁\共有66頁\編于星期三\21點遺傳基因的變異對衰老的發(fā)生影響極大，例如人類常染色體隱性遺傳病早老癥

8歲的早老癥患者當前第24頁\共有66頁\編于星期三\21點端粒與衰老近年來，提出端粒DNA序列的縮短可能是細胞衰老的重要原因，人體細胞端粒長度隨年齡增加而縮短。發(fā)現(xiàn)端粒長度、端粒酶活性與衰老有著密切的關(guān)系，提出細胞衰老的“端粒鐘”或“有絲分裂鐘”學說當前第25頁\共有66頁\編于星期三\21點細胞衰老還有其它學說：如神經(jīng)免疫網(wǎng)絡說、錯誤成災說、鈣調(diào)蛋白學說等。當前第26頁\共有66頁\編于星期三\21點

第二節(jié)細胞凋亡

死亡是生命的普遍現(xiàn)象，但細胞死亡并非與機體死亡同步。正常的組織中，經(jīng)常發(fā)生“正?！钡募毎劳觯蔷S持組織機能和形態(tài)所必需的。當前第27頁\共有66頁\編于星期三\21點

細胞死亡的標志

判斷細胞是否死亡，常用細胞活體染色方法進行鑒別，由于細胞死亡時，細胞膜通透性發(fā)生改變，喪失原有功能及增殖能力，可被臺盼藍染成藍色。

當前第28頁\共有66頁\編于星期三\21點

一、細胞死亡的方式

①細胞壞死necrosis②細胞凋亡cellapoptosis也稱細胞程序性死亡（programmedcelldeath）當前第29頁\共有66頁\編于星期三\21點（一）細胞壞死（necrosis）：——是由于某些外界因素，如局部缺血、物理、化學和生物因子的作用而產(chǎn)生的急性損傷所致，故稱為病理性死亡。

被動當前第30頁\共有66頁\編于星期三\21點

（一）細胞壞死

necrosis

特征細胞壞死誘導因素強烈刺激受累范圍成群細胞死亡膜完整性早期即喪失細胞體積增大腫脹染色質(zhì)稀疏成網(wǎng)狀細胞器腫張破壞溶酶體破壞外溢細胞形狀破裂成碎片基因組DNA隨機降解大分子合成不需要基因調(diào)控無后果引起炎癥反應意義病理死亡方式當前第31頁\共有66頁\編于星期三\21點細胞壞死

necrosis當前第32頁\共有66頁\編于星期三\21點細胞凋亡是一個主動的由基因決定的自動結(jié)束生命的過程。

主動程序性細胞死亡（programmedcelldeath，PCD）

是多細胞生物為調(diào)控機體發(fā)育、維護內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定，由基因控制的細胞主動死亡過程

（二）細胞凋亡（cellapoptosis）當前第33頁\共有66頁\編于星期三\21點

1、研究歷史

1.凋亡概念的形成和形態(tài)學的研究(1972）1972年Kerr等在英國癌癥雜志發(fā)表論文，首次提出細胞凋亡(apotosis)的概念。宣告了對細胞凋亡的真正探索的開始。2．DNA的降解和內(nèi)源性核酸內(nèi)切酶的參與。(1987）3.蛋白質(zhì)水解酶活化的研究(1995)當前第34頁\共有66頁\編于星期三\21點4.細胞膜的變化(1997)5.線粒體的變化和分子生物學的研究(1998-)1)相關(guān)基因及調(diào)控2）信號轉(zhuǎn)導3）各種分子及其相互作用及相互關(guān)系4）疾病機制的闡明，以及新療法的探索及問世。當前第35頁\共有66頁\編于星期三\21點2002年10月7日英國人悉尼·布雷諾爾、美國人羅伯特·霍維茨和英國人約翰·蘇爾斯頓，因在器官發(fā)育的遺傳調(diào)控和細胞程序性死亡方面的研究獲諾貝爾諾貝爾生理與醫(yī)學獎。

2002年諾貝爾生理與醫(yī)學獎獲得者（圖片來自）當前第36頁\共有66頁\編于星期三\21點

2、細胞凋亡過程當前第37頁\共有66頁\編于星期三\21點2、細胞凋亡的過程細胞連接消失，微絨毛消失；細胞質(zhì)密度增加，核質(zhì)濃縮成一個或幾個大的團塊，細胞核進而裂解為碎塊，形成凋亡小體，凋亡小體很快被單核巨噬細胞吞噬。當前第38頁\共有66頁\編于星期三\21點凋亡的起始細胞質(zhì)密度增加凋亡小體的形成凋亡小體逐漸被吞噬細胞吞噬當前第39頁\共有66頁\編于星期三\21點當前第40頁\共有66頁\編于星期三\21點當前第41頁\共有66頁\編于星期三\21點當前第42頁\共有66頁\編于星期三\21點3、凋亡的特征特征細胞凋亡

誘導因素生理及弱刺激受累范圍單個細胞丟失膜完整性保持到晚期細胞體積減少、固縮染色質(zhì)凝聚成半月形細胞器無明顯變化溶酶體保持完整細胞形狀形成凋亡小體基因組DNA有控降解大分子合成一般需要基因調(diào)控有后果不引起炎癥反應意義生理死亡方式當前第43頁\共有66頁\編于星期三\21點apoptosis當前第44頁\共有66頁\編于星期三\21點壞死細胞凋亡細胞4、細胞凋亡與細胞壞死的區(qū)別當前第45頁\共有66頁\編于星期三\21點特征細胞凋亡細胞壞死誘導因素生理及弱刺激強烈刺激細胞數(shù)量單個細胞丟失成群細胞死亡膜完整性保持到晚期早期即喪失染色質(zhì)凝聚呈半月狀稀疏呈網(wǎng)狀細胞核早期固縮斷裂晚期破裂細胞器無明顯變化腫脹、破裂細胞內(nèi)容物無釋放釋放細胞形狀形成凋亡小體破裂成碎片基因組DNA有控降解隨機降解大分子合成一般需要不需要基因調(diào)控有無后果不引起炎癥反應引起炎癥反應意義生理死亡方式病理死亡方式當前第46頁\共有66頁\編于星期三\21點

細胞壞死與凋亡的形態(tài)區(qū)別當前第47頁\共有66頁\編于星期三\21點二、細胞凋亡形態(tài)學改變及生化特征細胞調(diào)亡有許多特定的形態(tài)學和生化特征主要：（1）調(diào)亡小體（apoptoticbody）（2）DNA片段化（fragmentation）

當前第48頁\共有66頁\編于星期三\21點當前第49頁\共有66頁\編于星期三\21點（1）凋亡小體電鏡觀察凋亡細胞體積變小，細胞質(zhì)濃縮。凋亡Ⅰ期的細胞核內(nèi)染色質(zhì)高度盤繞，出現(xiàn)許多稱為氣穴現(xiàn)象的空泡結(jié)構(gòu)。細胞凋亡的晚期，細胞核裂解為碎塊，產(chǎn)生凋亡小體。

當前第50頁\共有66頁\編于星期三\21點NuclearmorphologicalchangesofHeLacellsinapoptosisprocess（488nm400）當前第51頁\共有66頁\編于星期三\21點當前第52頁\共有66頁\編于星期三\21點圖15-8左，正常胸腺細胞；右，凋亡胸腺細胞（注意凋亡小體）

當前第53頁\共有66頁\編于星期三\21點當前第54頁\共有66頁\編于星期三\21點（2）DNA片段化（fragmentation）由核酸內(nèi)切酶將核小體間的連接DNA降解形成長度為180～200bp整倍數(shù)的寡聚核苷酸片段在瓊脂糖凝膠電泳中呈特征性的“梯狀”條帶（ladder）當前第55頁\共有66頁\編于星期三\21點當前第56頁\共有66頁\編于星期三\21點1．細胞色素c誘導0h2．細胞色素c誘導1h3．細胞色素c誘導2h4．細胞色素c誘導3h5．細胞色素c誘導4h6．陰性對照7．Marker細胞色素c誘導的凋亡細胞DNA電泳圖當前第57頁\共有66頁\編于星期三\