第十一章細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡

第十一章細(xì)胞衰老與凋亡第一節(jié)細(xì)胞衰老

（aging，senescence，senility）細(xì)胞衰老（cellsenescence)人體的自然壽命約120歲

細(xì)胞衰老是細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的衰變，細(xì)胞生理功能的衰退或喪失。正常的動(dòng)物細(xì)胞無(wú)論是在體內(nèi)生長(zhǎng)還是在體外培養(yǎng)，其分裂次數(shù)總存在一個(gè)“極限值”。此值被稱為“Hayflick”極限，亦稱最大分裂次數(shù)。Hayflick界限(Hayflicklimitation)

細(xì)胞體外傳代次數(shù)與物種的壽命有關(guān)細(xì)胞體外傳代次數(shù)與來(lái)源個(gè)體的年齡成反比.體外培養(yǎng)的細(xì)胞分裂能力逐漸降低組織培養(yǎng)細(xì)胞的分裂次數(shù)的限制（Hayflicklimitation）：50代左右人的成纖維細(xì)胞：胎兒：80代成年人：40代老年人：20代分裂次數(shù)不同物種的最長(zhǎng)壽命質(zhì)膜粘度增加、流動(dòng)性降低脂褐色素沉積,酶的活性發(fā)生變化如頭發(fā)變灰白，由于頭發(fā)基部的黑色素細(xì)胞失去了酪氨酸酶的活性所致。核核膜內(nèi)陷形成皺襞,染色質(zhì)呈異固縮,DNA受到損害,轉(zhuǎn)錄活性降低,核質(zhì)比例減小.細(xì)胞內(nèi)水分減少細(xì)胞收縮,原生質(zhì)脫水,體積縮小.線粒體數(shù)目減少、體積腫脹、嵴退化,并出現(xiàn)空泡mtDNA突變或丟失高爾基體囊泡腫脹,分泌功能、運(yùn)輸功能退化內(nèi)質(zhì)網(wǎng)rER減少包含物糖原減少、脂肪積聚溶酶體功能低下,不能將攝入的大分子全部分解為可溶性成分,也不能及時(shí)排除一、衰老細(xì)胞的形態(tài)變化

二、細(xì)胞衰老的機(jī)理

主要有遺傳學(xué)派（Genetic/Programmedtheories）和差錯(cuò)學(xué)派（Errortheories）遺傳學(xué)派強(qiáng)調(diào)衰老是遺傳決定的自然演進(jìn)過(guò)程差錯(cuò)學(xué)派強(qiáng)調(diào)衰老是由于細(xì)胞中的各種錯(cuò)誤積累引起的，兩者是相互統(tǒng)一的。（一）遺傳學(xué)派

1．程序性衰老

（programmedsenescence）

程序性衰老理論認(rèn)為，生物的生長(zhǎng)、發(fā)育、衰老和死亡都由基因程序控制的衰老實(shí)際上是某些基因依次開(kāi)啟或關(guān)閉的結(jié)果。2.復(fù)制性細(xì)胞衰老(replicativecellsenescence):

認(rèn)為是端粒不斷變短所致，一般體細(xì)胞中端粒酶是沒(méi)有活性的。細(xì)胞增殖次數(shù)與端粒DNA長(zhǎng)度有關(guān)。體細(xì)胞染色體的端粒DNA會(huì)隨細(xì)胞分裂次數(shù)增加而不斷縮短。細(xì)胞DNA每復(fù)制一次端粒就縮短一段，當(dāng)縮短到一定程度至Hayflick點(diǎn)時(shí)，可能會(huì)啟動(dòng)DNA損傷檢測(cè)點(diǎn)（DNAdamagecheckpoint），激活p53，引起p21表達(dá)，導(dǎo)致不可逆地退出細(xì)胞周期，走向衰亡。

人的成纖維細(xì)胞端粒每年縮短14-18bp，可見(jiàn)染色體的端粒有細(xì)胞分裂計(jì)數(shù)器的功能，能記憶細(xì)胞分裂的次數(shù)。

引進(jìn)端粒酶可以增加培養(yǎng)細(xì)胞的傳代次數(shù)3．長(zhǎng)壽基因（longevitygenes）

統(tǒng)計(jì)學(xué)資料表明，子女的壽命與雙親的壽命有關(guān)，各種動(dòng)物都有相當(dāng)恒定的平均壽命和最高壽命物種的壽命主要取決于遺傳物質(zhì)，DNA鏈上可能存在一些“長(zhǎng)壽基因”或“衰老基因”來(lái)決定個(gè)體的壽限。當(dāng)細(xì)胞衰老時(shí)，一些衰老相關(guān)基因（SAG）表達(dá)特別活躍一個(gè)37歲的成人早衰癥患者正常兒童（左）和嬰幼兒早衰癥患者（右）（二）差錯(cuò)學(xué)派

1.代謝廢物積累（wasteproductaccumulation）細(xì)胞代謝產(chǎn)物積累至一定量后會(huì)危害細(xì)胞，引起衰老如：哺乳動(dòng)物脂褐質(zhì)(又稱致密體、殘質(zhì)）的沉積脂褐質(zhì)是一些長(zhǎng)壽命的蛋白質(zhì)和DNA、脂類共價(jià)縮合形成的巨交聯(lián)物次級(jí)溶酶體是形成脂褐質(zhì)的場(chǎng)所由于脂褐質(zhì)結(jié)構(gòu)致密，不能被徹底水解，又不能排出細(xì)胞，結(jié)果在細(xì)胞內(nèi)沉積增多，阻礙細(xì)胞的物質(zhì)交流和信號(hào)傳遞，最后導(dǎo)致細(xì)胞衰老，如老年性癡呆（AD）就是由β-淀粉樣蛋白沉積引起的。

2.自由基學(xué)說(shuō)（freeradicaltheories）

自由基是一類瞬時(shí)形成的含不成對(duì)電子的原子或功能基團(tuán)

自由基含有未配對(duì)電子，具有高度反應(yīng)活性，可引發(fā)鏈?zhǔn)阶杂苫磻?yīng)引起DNA、蛋白質(zhì)和脂類等大分子物質(zhì)變性和交聯(lián)損傷DNA、生物膜、重要的結(jié)構(gòu)蛋白和功能蛋白，從而引起衰老各種現(xiàn)象的發(fā)生。

主要包括：氧自由基（如羥自由基·OH）、氫自由基（·H）、碳自由基、脂自由基等，其中·OH的化學(xué)性質(zhì)最活潑。人體內(nèi)自由基的產(chǎn)生有兩方面：一是環(huán)境中的高溫、輻射、光解、化學(xué)物質(zhì)等引起的外源性自由基；二是體內(nèi)各種代謝反應(yīng)產(chǎn)生的內(nèi)源性自由基。主要途徑有：①由線粒體呼吸鏈電子泄漏產(chǎn)生；②由過(guò)氧化物酶體的多功能氧化酶（MFO）等催化底物羥化產(chǎn)生。清除自由基的防御系統(tǒng)在正常細(xì)胞內(nèi)存在，包括酶系統(tǒng)和非酶系統(tǒng)前者如：超氧化物歧化酶（SOD），過(guò)氧化氫酶（CAT）非酶系統(tǒng)如：維生素E3．線粒體DNA突變（mitochondrialDNAmutation）

mtDNA最容易發(fā)生突變。在線粒體氧化磷酸化生成ATP的過(guò)程中，大約有1-4%氧轉(zhuǎn)化為氧自由基，因此線粒體是自由基濃度最高的細(xì)胞器。mtDNA裸露于基質(zhì)，缺乏結(jié)合蛋白的保護(hù)，最易受自由基傷害催化mtDNA復(fù)制的DNA聚合酶γ不具有校正功能，復(fù)制錯(cuò)誤頻率高缺乏有效的修復(fù)酶，故mtDNA最容易發(fā)生突變。mtDNA突變使呼吸鏈功能受損，進(jìn)一步引起自由基堆積，如此反復(fù)循環(huán)。4.重復(fù)基因失活

主要基因的選擇性重復(fù)是基因組的保護(hù)性機(jī)制重復(fù)基因的一個(gè)拷貝受損或選擇關(guān)閉后，其它拷貝被激活，直到最后一份拷貝用完，這時(shí)細(xì)胞因缺少某種重要產(chǎn)物而衰亡。第二節(jié)細(xì)胞壞死與凋亡

(celldeath)細(xì)胞死亡是指細(xì)胞生命現(xiàn)象的終結(jié)，是細(xì)胞生命現(xiàn)象不可逆的停止。細(xì)胞死亡的方式通常有3種：①細(xì)胞壞死（necrosis）。②細(xì)胞凋亡（apoptosis）。③細(xì)胞程序性死亡（programmedcelldeath，PCD）。PCD和細(xì)胞凋亡常被做為同義詞使用，但兩者實(shí)質(zhì)上是有差異的。凋亡是一個(gè)形態(tài)學(xué)概念，指與細(xì)胞壞死不同PCD是一個(gè)功能性概念，描述在一個(gè)多細(xì)胞生物體中，某些細(xì)胞的死亡是個(gè)體發(fā)育中一個(gè)預(yù)定的，并受到嚴(yán)格控制的正常組成部分，

PCD的最終結(jié)果是細(xì)胞凋亡，但細(xì)胞凋亡并非都是程序化的。

2002年10月7日英國(guó)人悉尼·布雷諾爾、美國(guó)人羅伯特·霍維茨和英國(guó)人約翰·蘇爾斯頓，因在器官發(fā)育的遺傳調(diào)控和細(xì)胞程序性死亡方面的研究，獲諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。一、細(xì)胞壞死

壞死是極端的物理，化學(xué)因素或嚴(yán)重的病理性刺激引起的細(xì)胞損傷和死亡染色質(zhì)團(tuán)塊狀染色體形成串狀片斷細(xì)胞器腫脹細(xì)細(xì)胞壞死的形態(tài)膜不完整內(nèi)容物釋放引起周圍組織炎癥反應(yīng)二、細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡(apoptosis,programmedcelldeath,PCD)是指細(xì)胞在生理或病理?xiàng)l件下由基因控制的自主有序的死亡過(guò)程，又稱程序化細(xì)胞死亡(programmedcelldeath，PCD)。細(xì)胞增殖和細(xì)胞死亡對(duì)生物體具有同樣重要的意義細(xì)胞死亡是發(fā)育過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生的蝌蚪的變態(tài)、哺乳動(dòng)物胚胎指（趾）的形成、神經(jīng)細(xì)胞的死亡蝌蚪變態(tài)成蛙，尾部的細(xì)胞發(fā)生細(xì)胞程序性死亡，通過(guò)血液中甲狀腺激素增加來(lái)刺激。a小鼠的趾間細(xì)胞程序性死亡（紅色）B1天后發(fā)育的小鼠的爪。凋亡細(xì)胞的主要特征

①染色質(zhì)聚集、分塊、位于核膜上，胞質(zhì)凝縮，最后核斷裂，細(xì)胞通過(guò)出芽的方式形成許多凋亡小體

凋亡小體的形成：核染色質(zhì)斷裂為大小不等的片斷，與某些細(xì)胞器如線粒體一起聚集，被反折的細(xì)胞膜所包圍，細(xì)胞表面產(chǎn)生了泡狀或芽狀的突起，逐漸分隔形成凋亡小體②凋亡小體內(nèi)有結(jié)構(gòu)完整的細(xì)胞器，還有凝縮的染色體，可被鄰近細(xì)胞吞噬消化，因始終有膜封閉，沒(méi)有內(nèi)溶物釋放，故不會(huì)引起炎癥；

③凋亡細(xì)胞中仍需要合成一些蛋白質(zhì)，但是在壞死細(xì)胞中ATP和蛋白質(zhì)合成受阻或終止；④核酸內(nèi)切酶活化，導(dǎo)致染色質(zhì)DNA在核小體連接部位斷裂，形成約200bp整數(shù)倍的核酸片段，凝膠電泳圖譜呈梯狀⑤凋亡通常是生理性變化，而細(xì)胞壞死是病理性變化。

球形致密的染色質(zhì)染色質(zhì)邊緣化，細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)碎片化形成凋亡小體，被周圍細(xì)胞吞噬正常細(xì)胞左，正常胸腺細(xì)胞；右，凋亡胸腺細(xì)胞（注意凋亡小體）

A壞死：細(xì)胞膜破裂BC細(xì)胞程序性死亡：細(xì)胞膜完整細(xì)胞核膜變皺染色質(zhì)邊緣化巨噬細(xì)胞被吞入的死亡細(xì)胞細(xì)胞膜完整，鼓泡，形成凋亡小體DNA碎片化染色質(zhì)凝集核碎片化細(xì)胞碎片化細(xì)胞膜完整正常細(xì)胞染色質(zhì)凝集核碎片化細(xì)胞凋亡的一種特征性變化：DNA電泳呈階梯狀——核酸內(nèi)切酶的作用結(jié)果正常核DNA

細(xì)胞壞死與凋亡的形態(tài)區(qū)別

染色質(zhì)邊緣化，染色體固縮，形成星目形，帽狀結(jié)構(gòu)的形態(tài)沿著核膜分布細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)碎片化形成凋亡小體，被周圍細(xì)胞吞噬細(xì)胞凋亡和細(xì)胞壞死的區(qū)別

區(qū)別點(diǎn)細(xì)胞凋亡細(xì)胞壞死起因生理或病理性病理性變化或劇烈損傷范圍單個(gè)散在細(xì)胞大片組織或成群細(xì)胞細(xì)胞膜保持完整，一直到形成凋亡小體破損染色質(zhì)凝聚在核膜下呈半月?tīng)畛市鯛罴?xì)胞器無(wú)明顯變化腫脹、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)崩解細(xì)胞體積固縮變小腫脹變大凋亡小體有，被鄰近細(xì)胞或巨噬細(xì)胞吞噬無(wú)，細(xì)胞自溶，殘余碎片被巨噬細(xì)胞吞噬基因組DNA有控降解，電泳圖譜呈梯狀隨機(jī)降解，電泳圖譜呈涂抹狀蛋白質(zhì)合成有無(wú)調(diào)節(jié)過(guò)程受基因調(diào)控被動(dòng)進(jìn)行炎癥反應(yīng)無(wú)，不釋放細(xì)胞內(nèi)容物有，釋放內(nèi)容物。第三節(jié)細(xì)胞凋亡的分子機(jī)理細(xì)胞凋亡和細(xì)胞增殖是維持體內(nèi)細(xì)胞數(shù)量動(dòng)態(tài)平衡的基本措施。胚胎發(fā)育階段通過(guò)細(xì)胞凋亡清除多余的和已完成使命的細(xì)胞，保證了胚胎的正常發(fā)育；在成年階段通過(guò)細(xì)胞凋亡清除衰老和病變的細(xì)胞，保證了機(jī)體的健康。和細(xì)胞增殖一樣細(xì)胞凋亡也是受基因調(diào)控的精確過(guò)程，由于各種原因引起的細(xì)胞一類特殊的蛋白酶激活（CASPASE），使細(xì)胞中一些關(guān)鍵性的蛋白降解，造成凋亡。凋亡酶

CASPASE（cysteineaspartate-specificprotease）半胱氨酸-天冬氨酸特異蛋白酶又稱半胱天冬酶或切冬酶，此酶的活性中心含有半胱氨酸，它特異性切割A(yù)SP羧基形成的肽鍵。caspase