第二十四章第二十四章 细胞的衰老和死亡细胞的衰老和死亡Chapter 24 Cellular aging and death Chapter 24 Cellular aging and death医学细胞生物学与遗传学教研室 田强概 述衰老（aging）和死亡（death）是生命的 基本现象。细胞衰老和死亡是不可避免的，是细胞生 命活动的必然规律。第一节 细胞的衰老一、细胞衰老（Cellular agingCellular aging）的概念 1、定义 是细胞内部结构的衰变。在正常情况下细胞随着年龄的增加，机能和结构发生退行 性变化，趋向死亡的不可逆的现象。第一节 细胞的衰老一、细胞衰老（Cellular agingCellular aging）的概念 1、定义 2、细胞的寿限 细胞来源人胚肺成纤维细胞中年人成纤维细胞老年人成纤维细胞可增殖代数40-60 20 2-4体外细胞可传代的次数与细胞来源个体的年龄成反比。第一节 细胞的衰老一、细胞衰老（Cellular agingCellular aging）的概念 1、定义 2、细胞的寿限 4016012080 255075100鼠鸡人龟寿 命 的 最 大 限 度培 养 细 胞 分 裂 最 高 次 数 动物体细胞在体外可传代的次数与物种的寿命有关。第一节 细胞的衰老一、细胞衰老（Cellular agingCellular aging）的概念 1、定义 2、细胞的寿限 Hayflick界限（Hayflick limitation）：细胞，至少是培养细胞，不是不死的，而是有一定的寿命的；它们的增殖能力不是无限的，而是有一定的界限，这就是Hayflick界限。体外培养细胞所具有增殖分裂的极限。第一节 细胞的衰老二、细胞衰老（Cellular agingCellular aging）的表现 （一）形态学改变 体外培养的年轻和衰老的人成纤维细胞的显微形态第一节 细胞的衰老二、细胞衰老（Cellular agingCellular aging）的表现 （一）形态学改变 1、DNA:复制与转录受到抑制。 2、RNA: mRNA和tRNA含量降低。 3、蛋白质：含量下降；肽键断裂、交联变性。 4、酶：活性中心被氧化，酶失活。 5、脂类：不饱和脂肪酸被氧化，膜的流动性降低。（二）生化改变第一节 细胞的衰老二、细胞衰老（Cellular agingCellular aging）的表现 （一）形态学改变 （二）生化改变（三）细胞外基质改变 大分子交联增加。（四） 细胞内水分减少请观察以上的各图片,说明了人的一生是怎样的过程?为什么?3.细胞内水分减少，萎 缩体积变小、代谢减慢1.细胞内酶活性下降2.细胞内色素沉积出现老年斑？出现老年斑？头发会变白？头发会变白？皮肤变干燥，出现皱纹？ 4.细胞内呼吸速度减慢，核体积增大，染色质固 缩，染色加深。5.细胞膜通透性功能改变，物质运输功能降低。3.细胞内水分减少，萎 缩体积变小、代谢减慢1.细胞内酶活性下降2.细胞内色素沉积出现老年斑？出现老年斑？头发会变白？头发会变白？皮肤变干燥，出现皱纹？ 代谢废物累积学说 大分子交联学说 自由基学说 线粒体DNA突变学说 体细胞突变与DNA修复学说 差错灾难学说 微量元素学说 神经内分泌学说程序性衰老学说重复基因失活学说复制性衰老学说长寿基因学说终末分化学说损伤积累学派 遗传学派三、细胞衰老的机制1. 长寿基因学说衰老是一个过程，是在一定阶段，由一些基因依 次触发启动所致，是细胞或机体本身的固有结果。（1）促进衰老的基因，称为衰老基因 （2）抑制衰老的基因，称为抗衰老基因或长寿基因三、细胞衰老的机制衰老基因：细胞衰老时，一些衰老相关基因（SAG）表达特别活跃，其表达水平大大高于年轻细胞，已在 人1号染色体、4号染色体及X染色体上发现SAG。 如：载脂蛋白E4基因、淀粉样蛋白基因、 p16、p53、p21、RB基因抗衰老基因：抗氧化酶类基因、延长因子-1a、凋亡抑制 基因成人早衰症（Werners syndrome ）：平均39岁时出现衰老，47岁左右生命结束。 病因：WRN基因突变Werners syndrome 婴幼儿早衰症（Hutchinson-Gilford syndrome ）：1岁时开始出现明显的衰老，1218岁生命结束。病因：核纤层蛋白A（LMNA）基因突变Hutchinson-Gilford syndrome（左边：9岁；右边：8岁）2. 代谢废物积累学说三、细胞衰老的机制阻碍细胞的物质交换和信号传递细胞功能下降代谢废物不能及时排出胞外或降解与消化越积越多，占据的空间越来越大影响细胞代谢废物的运输引起细胞衰老细胞内代谢产物的积累至一定量后，会引起细胞衰老。例：脂褐素沉积3.自由基学说三、细胞衰老的机制自由基：一类瞬时形成的含不成对电子的原子或功能基团。包括氧自由基、氢自由基、碳自由基、脂自由基等 。外源性自由基：由环境中的高温、辐射、光解、化学物质等引起。内源性自由基：由体内各种代谢反应产生，是人体自由基的主要来源。3.自由基学说三、细胞衰老的机制正常细胞内存在清除自由基的防御系统，包括： 酶系统（抗氧化酶）：超氧化物岐化酶（SOD），过氧化 氢酶（CAT）等 非酶系统（抗氧化剂）：维生素才C、维生素E、醌类物质 当自由基产生超过机体的清除能力，过多的 自由基就会对许多细胞组织造成损伤。4. 复制性衰老学说（端粒钟学说）端粒：位于染色体末端，由 端粒DNA和端粒蛋白构成；起 稳定染色体末端的作用。三、细胞衰老的机制细胞增殖次数与端粒DNA长度有关。Harley等1991发现体细胞染色体的端粒DNA会随细胞分裂次数增加而不断缩短。细胞DNA每复制一次端粒就缩短一 段，当缩短到一定程度至Hayflick点时，可能会启动DNA损 伤检测点，激活p53，导致不可逆地退出细胞周期，走向衰 亡。三、细胞衰老的机制4. 复制性衰老学说（端粒钟学说）35为什么干细胞、肿瘤细胞等可以永生化？端粒酶（Telomerase）端粒酶是一种由RNA和蛋白质组成的反转录酶，能以自身的RNA为模板合成端粒DNA，对于端粒的 稳定有至关重要的作用。端粒-端粒酶：2009年度诺贝尔生理学或医学奖 三、细胞衰老的机制4. 复制性衰老学说（端粒钟学说）细胞死亡（cell death）：是细胞衰老的 结果，是细胞生命现象不可逆的停止及细胞生命 的结束。 第二节 细胞死亡 染液活细胞死细胞中性红红色无色台盼蓝无色蓝色活体染色两类：被动死亡细胞坏死（cell necrosis）；主动死亡程序性细胞死亡（programmed cell death, PCD），或细胞凋亡（apoptosis）。 第二节 细胞死亡 一、细胞坏死细胞坏死（cell necrosis）：指细胞受到化学因素、物理因素和生物因素等环境因素的伤 害，引起细胞死亡的病理过程。细胞坏死主要由酶性消化和蛋白质变性 引起。细胞坏死时，细胞膜和细胞器破裂溶解，细胞内容物释放引起周围组织产生的炎症反应对其他 细胞具有破坏作用，常表现为成群细胞的丢失或 破坏。二、细胞凋亡 细胞凋亡（apoptosis）：是指体内细胞主动发生的、有基因控制的细胞自主 结束生命的过程，是细胞 为适应生存环境而主动采 取的死亡方式。“for their discoveries concerning genetic regulation of organ development and programmed cell death”1090 131= 959(cells)王晓东：最年轻美国科学 院院士（41）从事的是细胞凋亡规 律的研究。2000年，他 和助手们进行了一项实验 ，研究一种神秘的线粒体 蛋白质Smac，这种蛋白 质可以打破肿瘤的“坚硬 堡垒”，诱使肿瘤细胞“ 自杀”，对研究治疗癌症 方法有重要帮助。从 1996年他建立起自己的 研究室后，他的论文成果 在8年间被其他科学家引 用超过了15000次。（一） 凋亡发生的形态变化1. 凋亡的起始：细胞膜表面微绒毛和细胞间连接的减少、消失 ，但细胞膜保持完整，未失去通透性；细胞质浓缩、细胞器改变（细胞脱水、细胞质 浓缩、细胞体积缩小、核糖体、线粒体聚集、细 胞骨架结构排列紊乱）； 染色质固缩。二、细胞凋亡 2. 凋亡小体的形成：当凋亡细胞核染色质裂解形成大小不等的碎片后，细胞膜皱缩，整个细胞经过类似胞吐的方式，形 成一些大、小不等的，由细胞膜包裹的、表面光滑 的球形小体，称为凋亡小体（apoptosis body）。凋亡小体是判断细胞凋亡的主要形态结构之一。（一） 凋亡发生的的形态变化二、细胞凋亡 3. 凋亡小体逐渐被邻近的细胞所吞噬并消化 （一） 凋亡发生的的形态变化二、细胞凋亡 图：凋亡的形态变化碎裂1、胞浆内Ca2+浓度增加；2、细胞内活性氧增加；3、核酸内切酶活化、DNA断裂，电泳后呈梯 状（DNA ladder）。（二） 凋亡发生的的生化变化二、细胞凋亡 细胞凋亡与细胞坏死的区别 坏死 凋亡1.性质 2.诱导因素强烈刺激，随机发生较弱刺激，非随机发生3.生化特点4.形态变化6.DNA电泳5.炎症反应7.凋亡小体8.基因调控被动过程，无新蛋白合成， 不耗能 主动过程，有新蛋白合成 ，耗能 细胞结构全面溶解、破坏、 细胞肿胀 胞膜及细胞器相对完整 细胞皱缩，核固缩弥散性降解，电泳呈均一 DNA片状 DNA片段化（180-200bp） ，电泳呈“梯”状条带溶酶体破裂，局部炎症 反应溶酶体相对完整，局部 无炎症反应有病理性，非特异性生理性或病理性，特异性无有无Caspase家族 Apoptosis is carried out by a proteolytic system caspase Why called caspase?Active site: Cysteine Cleavage site: Asparatic acid 天冬氨酸特异性的半光氨酸蛋白水解酶Cysteine Asparatic acid specific protease 使抑制凋亡因子失活，如CAD/ICAD 破坏细胞结构，如Lamina 将调节区与催化区分离，使蛋白失活，如GelsolinCaspase 如何杀死细胞？（三） 细胞凋亡与医学的关系1. 凋亡的生理学意义去除不需要的结构（蝌蚪发育、指端发育）；控制细胞数目（神经系统发育）；去除有害细胞（癌细胞的清除）； 产生无细胞器的细胞（哺乳动物红细胞等）；细胞的自我保护作用（病毒侵入细胞启动凋亡）。1、凋亡的生理学意义2、细胞凋亡与疾病的关系（1）细胞过度凋亡，导致心血管疾病； （2）细胞凋亡受阻，导致肿瘤的发生；（3）细胞凋亡过渡或不足导致自身免疫病；（4）神经系统的退行性病变。（三） 细胞凋亡与医学的关系小 结 掌握：细胞的寿命（Hayflick界限 ）；细胞衰老的概念和特征；细胞坏死和细胞凋亡的概念、特征、区别； 熟悉：细胞衰老的机制 了解：细胞凋亡的影响因素、细胞凋亡的分子机制，细胞凋亡与医学。练习题 名词解释：Hayflick界限、细胞衰老、细胞坏死、细胞凋亡 问答题：1、细胞衰老有哪些特征？2、细胞凋亡的基本过程？3、细胞凋亡和细胞坏死的主要特征比较。4、细胞衰老的机制有哪些，其要观点是什么？（ 4种）凋亡细胞染色质DNA断片大小有规律，即都为180-200bp正倍数的寡核苷酸片段，进行DNA琼脂 糖凝胶电泳时出现特征性的梯状条带（DNA ladders