细胞的衰老与死亡细胞的衰老与死亡第十五章第十五章外表 Thinning skin or wrinkle; Hair loss; 生理 Increased body fat, Reduced Muscle mass and strength, Stiff joints or muscle stiffness, Elevated cholesterol, reduced bone density心理 Easy to be fatigue Depression, Emotional instable.衰老(senescing，aging)是机体在退化时期生理功能下降和紊乱的综合表现,是不可逆的生命过程。小肠上皮细胞25天 胰腺上皮细胞50天皮肤表皮细胞12个月白细胞7-14天红细胞120天肝细胞500天神经细胞几十年心肌细胞几十年机体的衰老与细胞的衰老是两个概念，但有密切联系机体的衰老是以总体细胞的衰老为基础的生物体的衰老可能是组织中干细胞的衰老所致第一节第一节 细胞衰老细胞衰老 随着时间的推移随着时间的推移, ,细胞增殖能力和生理细胞增殖能力和生理功能逐渐下降的变化过程。细胞在形态功能逐渐下降的变化过程。细胞在形态上发生明显变化，细胞皱缩，质膜透性上发生明显变化，细胞皱缩，质膜透性和脆性提高，线粒体数量减少，染色质和脆性提高，线粒体数量减少，染色质固缩、断裂等。固缩、断裂等。细胞衰老细胞衰老(cellularaging)培养的细胞？一、细胞的增值能力和寿命一、细胞的增值能力和寿命 细胞衰老是否由于环境的影响？老年男性细胞年轻女性细胞老年男性细胞年轻女性细胞统计细胞倍增次数混合培养中的两类细胞与各自分别培养细胞的倍增次数一致细胞核决定细胞衰老的表达年轻细胞胞质体与年老细胞融合年老细胞胞质体与年轻细胞融合不能分裂与年轻细胞相似 1961年，年，Hayflick 首次报道了体外培养细首次报道了体外培养细胞有增殖分裂的极限。他利用来自胚胎和成胞有增殖分裂的极限。他利用来自胚胎和成体的成纤维细胞进行体外培养，发现胚胎的体的成纤维细胞进行体外培养，发现胚胎的成纤维细胞分裂传代平均成纤维细胞分裂传代平均40-60次后开始衰退次后开始衰退和死亡，而来自成年组织的成纤维细胞只能和死亡，而来自成年组织的成纤维细胞只能培养培养1530代就开始死亡。代就开始死亡。 1. Hayflick界限（Hayflick limitation）体外培养的二倍体细胞的增殖能力和寿命不是无限的，而是有一定限度。2.2.体外传代数与物种的寿命相关体外传代数与物种的寿命相关物种物种寿命（年寿命（年） 细胞可传代数细胞可传代数小鼠小鼠 3 3 1212鸡鸡 3030 2525龟龟 200200 140140 3.3.与细胞来源个体的年龄成反比与细胞来源个体的年龄成反比 胚胎胚胎 细胞可传代数细胞可传代数 年龄年龄 40-6040-60 新生儿新生儿20-4020-401515岁以上岁以上 10-3010-30早老症患者早老症患者2-102-10早老症儿童与正常儿童的比较早老症儿童与正常儿童的比较婴幼儿早衰症：1岁时衰老，寿命1218岁，绝大多数Hutchinson-Gilford 早老症的致病原因是由体内核纤层蛋白A（lamin A）基因突变所致。lamin A的基因突变影响DNA损伤修复，基因组不稳定，从而使lamin A蛋白缺陷的细胞终止分裂，衰老过程加速并过早死亡。Hutchinson-Gilford syndrome Regeneration 代表代表寿命寿命NO神经元细胞、肌细胞神经元细胞、肌细胞最长最长慢更新慢更新肝细胞、胃壁细胞、肝细胞、胃壁细胞、肾细胞肾细胞较长较长快更新快更新表皮细胞、红细胞、表皮细胞、红细胞、毛囊细胞毛囊细胞短短4.4.同一机体不同类型细胞的寿命同一机体不同类型细胞的寿命体外培养的年轻和老人成纤维细胞的显微形态体外培养的年轻和老人成纤维细胞的显微形态二、细胞衰老的特征二、细胞衰老的特征 蛋白质亲水胶体系统的胶粒失去电荷而相互聚集，不溶性蛋白质增多衰老细胞中水分含量减少细胞内水分减少，细胞萎缩衰老细胞中出现色素蓄积 细胞衰老时出现的一种棕黄色的小体，主要成分是不溶性的蛋白颗粒，在电镜下可见是由单位膜包裹的。在衰老的神经细胞和肌肉细胞中较多。脂褐质(lipofuscin)膜损伤，残余小体增加，消化功能下降溶酶体硫胺素焦磷酸酶内质网的变化 粗面内质网数量减少，排列无序，膜膨胀、崩解， 膜表面核糖体数量减少，光面内质网呈空泡状。 高尔基复合体的变化 囊泡肿胀，伴有扁平囊的断裂崩解，分 泌功能降低。蛋白质合成速率降低衰老细胞所有种类蛋白质合成量下降？衰老组织和细胞中纤连蛋白过量表达衰老细胞的蛋白质合成发生变化20代55代半乳糖苷酶（SA -gal）表达增加磷脂含量下降，胆固醇/磷脂的比值升高；磷脂中不饱和脂肪酸含量及卵磷脂与鞘磷脂的比值随年龄而下降细胞膜的黏滞性增加，膜流动性降低核膜内折与染色质固缩化线粒体体积增大JC-1染色染色成体干细胞的衰老导致干细胞增殖与分化能力衰退dentate gyrus齿状回区颗粒细胞星形胶质细胞1.1.错误成灾学说错误成灾学说2.2.自由基的学说自由基的学说3.3.端粒与端粒酶学说端粒与端粒酶学说 4.4.遗传程序学说遗传程序学说 三、细胞衰老的学说三、细胞衰老的学说1.1.错误成灾学说错误成灾学说DNADNA损伤修复损伤修复DNADNA损伤损伤修复不正常修复不正常基因受损表达异常基因受损表达异常衰老衰老 自由基是指在外层轨道上具有不成自由基是指在外层轨道上具有不成对价电子的分子或原子团，如对价电子的分子或原子团，如“H H”、“CHCH3 3” 等。等。2 2、自由基学说、自由基学说生物膜生物膜不饱和脂肪酸过氧化，流动不饱和脂肪酸过氧化，流动性下降，脆性增加，脂双层性下降，脆性增加，脂双层断裂，膜性细胞器受损。断裂，膜性细胞器受损。DNADNA氧化，交联，变性断裂，扰氧化，交联，变性断裂，扰乱复制和转录，发生突变乱复制和转录，发生突变蛋白质蛋白质交联，变性，沉淀。交联，变性，沉淀。酶活性降低。酶活性降低。人体自由基的来源 环境中高温、辐射、光解、化学物质等引起的外源性自由基FeSN-1, N-3, N-4H+FeSN-2FMNcyt cIIICuBaa3 Q0Qib bFeSC1SDHcyt cCoQNADHSuccinateComplexIComplexIIComplexIIIComplexIVO2O2-H2O2SOD2.OH-Fe2+IMSSOD1H2O2O2O2-MATRIX体内各种代谢反应产生的内源性自由基过氧化物酶体的多功能氧化酶等催化底物羟化产生抗氧化酶过氧化物酶 Peroxisome抗氧化物酶活性抗氧化物anti-oxidant moleculerepaired membraneDamaged DNA谷胱甘肽、维生素C、维生素E、-胡萝卜素、半胱氨酸、硒化物、巯基乙醇等 氧化损伤理论的证据主要来自体细胞，大多数为终末分化细胞，由于终末分化细胞不能自我更新换代，他们对活性氧成分的积累更为敏感 哺乳动物中符合这一机制的细胞是脑、心脏和骨骼肌细胞3 3、端粒与端粒酶学说、端粒与端粒酶学说 1. 在染色体末端形成保护性的帽状结构，使染色体免受核酸酶和其他不稳定因素的破坏和影响，维持染色体结构稳定端粒的形成使端粒的形成使染色体末端不染色体末端不会和其他末端会和其他末端融合融合2. 保证染色体DNA的完全复制Telomere Length (humans)Number of Doublings2010Cellular (Replicative) SenescenceNormal Somatic Cells(Telomerase Negative)Telomeres shorten from 10-15 kb(germ line) to 3-5 kb after 50-60 doublings(average lengths of TRFs)Cellular senescence is triggered whencells acquire one or a few critically short telomeres. 3.3.在细胞的衰老和死亡以及肿瘤在细胞的衰老和死亡以及肿瘤的发生和治疗中起重要作用的发生和治疗中起重要作用衰衰老老细细胞胞端端粒粒长长度度的的缩缩短短会会诱诱导导细细胞胞中中p53 含含量量明明显显增增加加，继继而而诱诱导导p21的的表表达达，抑抑制制Cdk的的活活化化，使使得得Rb不不能能被被磷磷酸酸化化，E2F处处于于持持续续失失活活状状态态，最最终终引引发发细细胞胞衰老。衰老。 端粒酶是一种由蛋白质和RNA组成的核糖核蛋白酶。具有延长端粒末端重复序列的功能，如果端粒酶活性丧失，端粒将逐渐缩短，从而导致细胞衰老。端粒酶端粒酶端粒酶与端粒的关系端粒酶与端粒的关系细胞分裂细胞分裂端粒缩短端粒缩短M1期期触发信号触发信号细胞老化细胞老化病毒转化，抗癌基因突变病毒转化，抗癌基因突变M2 2期期染色体异常，染色体异常，端粒功能丧失端粒功能丧失激活端粒酶激活端粒酶细胞死亡细胞死亡细胞永生化细胞永生化端粒重新合成端粒重新合成端粒酶在衰老和永生端粒酶在衰老和永生中的作用模型中的作用模型不支持这一学说的报道某些小鼠终生保持较长的端粒，并未因此获得较长的寿命剔除端粒酶基因的小鼠，前5代中未观察到寿命的缩短 每一物种本身固有其遗传基因上的衰老程序，衰老是由遗传控制得程序性过程，生物体细胞内特定基因按照预定程序有序的开启和关闭，控制着个体的生长发育、衰老死亡。4 4、遗传程序学说、遗传程序学说衰老细胞年轻细胞年轻细胞核的DNA合成受到抑制异质双核细胞阻遏基因阻遏基因阻遏物阻遏物阻遏阻遏衰老基因衰老基因（抑制基因）（抑制基因）抑制剂抑制剂（蛋白质）（蛋白质）一定拷贝数一定拷贝数阻遏基因阻遏基因阻遏物阻遏物阻遏阻遏衰老基因衰老基因（抑制基因）（抑制基因）抑制剂抑制剂（蛋白质）（蛋白质）拷贝数不足拷贝数不足DNADNA、蛋白质合成受阻、细胞衰老死亡蛋白质合成受阻、细胞衰老死亡 衰老基因衰老基因 染色体1、4、7号及X染色体上发现了衰老相关基因（1）MORF4基因：位于4号染色体上，基因发生突变可导致细胞永生化（2）p16和p21基因： 基因产物是CDK抑制因子（CKI），可通过抑制CDK的活性导致细胞周期停滞， 阻断细胞增殖，导致细胞衰老细胞衰老时细胞衰老时p16 表达增强，能特异性地拮抗表达增强，能特异性地拮抗Cdk4、Cdk6结合结合cyclinD，而使，而使G1-Cdk失活，从而阻止失活，从而阻止Rb蛋白磷酸化蛋白磷酸化,使使Rb不能与不能与E2F分离，分离，E2F处于持续失活状态，细胞被滞留在处于持续失活状态，细胞被滞留在G1期，从而阻断细胞周期的期，从而阻断细胞周期的正常运行，维持了衰老细胞不可逆的生长停滞状态。正常运行，维持了衰老细胞不可逆的生长停滞状态。(3)老年性退行性疾病有关的基因 载脂蛋白E4 -冠状动脉硬化 淀粉样蛋白基因-阿尔茨海默病 长寿基因蛋白质生物合成延长因子DNA解旋酶klotho 提高Mn-SOD 活性sirt1激活HDL途径清除胆固醇Wernerssyndrome成人早衰症：成人早衰症：39岁出现衰老，岁出现衰老，47岁生命结束岁生命结束C. elegans平均寿命3.5天，age-1单基因突变，可提高平均寿命65%，提高最大寿命110%，该基因是长寿基因？阻遏基因阻遏基因阻遏物阻遏物阻遏阻遏衰老基因衰老基因（抑制基因）（抑制基因）抑制剂抑制剂（蛋白质）（蛋白质）拷贝数不足拷贝数不足DNADNA、蛋白质合成受阻、细胞衰老死亡蛋白质合成受阻、细胞衰老死亡思考题思考题1.简述细胞衰老的主要特征。2. 什么是Hayflick界限?3. 细胞衰老与个体衰老的关系如何?4. 简述细胞衰老各学说主要内容谢谢！