第16章細胞死亡與細胞衰老Homeostasis穩(wěn)態(tài)MitosisApoptosis細胞增殖和細胞死亡對生物體具有同樣重要的意義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)酶學標準來分: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)答的細胞死亡第一節(jié)細胞死亡細胞死亡往往受細胞內(nèi)由遺傳機制決定的“死亡程序”控制，特定的基因表達，是“主動”而非“被動”的過程。也稱為程序性細胞死亡（programmedcelldeathPCD）。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）JunyingYuan,Ph.§apoptosis（apo-ptosis）源自古希臘語，意指花瓣或樹葉的脫落、凋零。（2）Caspase的激活及其級聯(lián)效應(yīng)衰老的成纖維細胞的不同形態(tài)學改變Homeostasis穩(wěn)態(tài)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)；具有自我“清理”功能：降解錯誤折疊的蛋白質(zhì)多聚物；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)錄圖16-11酵母中細胞自噬的信號調(diào)控Biochemistry(Moscow),2005,70,(2):231-239壞死（necrosis）1090cells-131cellsdeath=959cellsPRIZEDHorvitz,andSulstonsharePhysiologyorMedicineNobel1090–131=959(cells)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。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)；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體的形成吞噬（Phagocytosis）（二）細胞凋亡的檢測方法1.形態(tài)學觀察——染色法臺盼藍；DAPI；吉姆薩染色法等圖16-2DAPI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)倍片段圖16-3細胞凋亡的典型特征——DNA梯狀條帶（DNAladders）3.DNA斷裂的原位末端標記法圖16-4原位末端標記法顯示斑馬魚胚胎發(fā)育過程中的細胞凋亡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）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凋亡早期的細胞膜損傷細胞凋亡早期，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（三）細胞凋亡的生理學及醫(yī)學意義

§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病：激活的淋巴細胞凋亡缺陷（ALPS）癌癥：凋亡缺陷老年癡呆/中風：過多神經(jīng)細胞凋亡圖16-5細胞凋亡使得神經(jīng)細胞與靶細胞的數(shù)量相匹配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細胞凋亡參與了免疫耐受的形成機體通過細胞凋亡來剔除受到環(huán)境傷害或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?！靹游锛毎蛲龅碾A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PRIZED

Horvitz,andSulstonsharePhysiologyorMedicineNobel（2002）

“fortheirdiscoveriesconcerninggeneticregulationoforgandevelopmentandprogrammedcelldeath”1090–131=959(cells)（1）Caspase分類及其結(jié)構(gòu)（2）Caspase的激活及其級聯(lián)效應(yīng)（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年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎秀麗隱桿線蟲C.elegans，透明，長僅1mm，體細胞959個1090cells-131cellsdeath=959cellsPathwaystocelldeathinC.elegansandmammalsJunyingYuan,Ph.D.袁鈞瑛XiaodongWang,Ph.D.王曉東發(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bcl-2family抑制細胞凋亡促進細胞凋亡促進細胞凋亡3.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):231-239Find-meand

eat-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ERS反應(yīng)引發(fā)的細胞凋亡Nature,2006,443,796-802二、細胞壞死Fig.1TEMofanecroticcellFig.2TEMofanapoptotic(A)andanormal(N)cellFig.3SEMofanecroticcellFig.4SEMofanapoptoticcell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)控無基因調(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)的病原體圖16-10細胞自噬的特征及過程圖16-11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圖16-12植物細胞程序性死亡的形態(tài)學模式圖四、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)學改變1090–131=959(cells)圖16-12植物細胞程序性死亡的形態(tài)學模式圖XiaodongWang,Ph.oforgandevelopmentandprogrammedcelldeath”464:520–528§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。具有自我“清理”功能：降解錯誤折疊的蛋白質(zhì)多聚物；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。LeonardHayflickin1988NatRevMolCellBiol,2000,1(1):72-76是分裂了55次的老的成纖維細胞，開始衰退，并很快死亡一、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圖

年輕和年老的人二倍體細胞（WI-38細胞株）

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-半乳糖苷酶的活化圖16-13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。活性氧成分包括超氧陰離子、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DNA發(fā)生特異性的突變（三）單細胞生物的衰老圖16-15酵母中ERC生成示意圖三、細胞衰老與個體衰老的關(guān)系迄今未有實驗證據(jù)表明體外培養(yǎng)細胞的衰老現(xiàn)象與個體的衰老有直接的關(guān)聯(lián)細胞衰老可以看做是有機體在長期演化過程中形成的