翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第细胞生物学（第4版）版）Copyright高等教育出版社2011第第16章章 细胞死亡与细胞衰老细胞死亡与细胞衰老翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011MitosisApoptosis细胞增殖和细胞死亡对生物体具有同样重要的意义细胞增殖和细胞死亡对生物体具有同样重要的意义Homeostasis 稳态稳态翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011细胞死亡的分类细胞死亡的分类根据形态特征形态特征来分:凋亡；坏死；自噬凋亡；坏死；自噬根据酶学标准酶学标准来分:caspase依赖依赖的细胞死亡；caspase非依赖非依赖的细胞死亡等根据功能方面功能方面来分:程序性程序性或意外意外细胞死亡,生理生理性性或病理性病理性细胞死亡根据免疫学特征免疫学特征来分:引起免疫反应引起免疫反应和不引起免疫不引起免疫应答应答的细胞死亡翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011本章主要内容本章主要内容u细胞死亡l细胞凋亡l细胞坏死l自噬性细胞死亡u细胞衰老翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011第一节第一节 细胞死亡细胞死亡细胞死亡是指细胞生命活动的结束细胞死亡的方式：1.细胞凋亡（apoptosis）2.坏死（necrosis）3.自噬性细胞死亡（autophagiccelldeath）翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011一、细胞凋亡细胞凋亡是受基因控制的主动的细胞生理性自杀或谋杀行为1972年，澳大利亚病理学家Kerr提出细胞凋亡（apoptosis）apoptosis（apo-ptosis）源自古希腊语，意指花瓣或树叶的脱落、凋零。这一命名的生物学意义在于强调这种细胞死亡方式是正常的生理过程翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011（一）细胞凋亡的特征（一）细胞凋亡的特征1.凋亡的起始2.凋亡小的形成3.吞噬翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011（二）细胞凋亡的检测方法（二）细胞凋亡的检测方法1. 形态学观察形态学观察染色法染色法台盼蓝；DAPI；吉姆萨染色法等DAPI染色显示凋亡细胞的染色质凝集A.正常细胞核B.凋亡细胞核翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011（二）细胞凋亡的检测方法（二）细胞凋亡的检测方法2. DNA电泳电泳凋亡时，细胞内特异性核酸内切酶活化，染色质DNA在核小体间被特异性切割，DNA降解成180200bp或其整数倍片段细胞凋亡的典型特征DNA梯状条带（DNAladders）翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011（二）细胞凋亡的检测方法（二）细胞凋亡的检测方法3. DNA 断裂的原位末端标记法断裂的原位末端标记法转移酶介导的dUTP缺口末端标记测定法（TUNEL）脱氧核糖核苷酸末端转移酶（不需要模板！）能对DNA分子断裂缺口中的3-OH进行原位标记凋亡细胞的核DNA断裂后产生3-OH末端，因此可借助一种可观测的标记物如荧光素对单个凋亡细胞核或凋亡小体进行原位染色翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011（二）细胞凋亡的检测方法（二）细胞凋亡的检测方法3. DNA 断裂的原位末端标记法断裂的原位末端标记法翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011（二）细胞凋亡的检测方法（二）细胞凋亡的检测方法3. DNA 断裂的原位末端标记法断裂的原位末端标记法原位末端标记法显示斑马鱼胚胎发育过程中的细胞凋亡翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011（二）细胞凋亡的检测方法（二）细胞凋亡的检测方法4. 彗星电泳法彗星电泳法正常细胞的核无DNA断裂泳动时保持圆球形凋亡细胞中的DNA降解片段在电场中泳动速度较快，细胞核呈现出慧星式图案翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011（二）细胞凋亡的检测方法（二）细胞凋亡的检测方法5. 流式细胞分析流式细胞分析左图：正常细胞周期左图：正常细胞周期 右图：地塞米松右图：地塞米松处理的细胞在处理的细胞在G1峰左侧可见一典型的凋亡峰型（亚二倍体峰）峰左侧可见一典型的凋亡峰型（亚二倍体峰）翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011（二）细胞凋亡的检测方法（二）细胞凋亡的检测方法6. 检测细胞膜成分变化检测细胞膜成分变化检测磷脂酰丝氨酸的外翻检测caspases的激活检测Cytc的释放检测线粒体膜电位的变化等“eat me” signal is the presence ofphosphatidylserine molecules in theouterleafletofPMofapoptoticcells.翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011细胞凋亡早期，位于细胞膜内侧的磷脂酰丝氨酸（PS）迅速翻转到细胞膜外侧，使得PS暴露在细胞膜表面，可以用PS与抗凝血剂AnnexinV的相互作用检测外翻的PS（二）细胞凋亡的检测方法（二）细胞凋亡的检测方法翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011（三）细胞凋亡的生理学及医学意义（三）细胞凋亡的生理学及医学意义细胞凋亡在正常发育、自稳态的维持、免疫耐受的形成、肿瘤监控等过程中均发挥重要作用确保正常发育、生长维持内环境稳定发挥积极的防御功能凋亡失调：不恰当激活或抑制；过度凋亡导致疾病AIDS：HIV诱导淋巴细胞凋亡自身免疫疾病：激活的淋巴细胞凋亡缺陷癌症：凋亡缺陷老年痴呆/中风：过多神经细胞凋亡翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011细胞凋亡使得神经细胞与靶细胞的数量相匹配细胞凋亡使得神经细胞与靶细胞的数量相匹配发育过程中神经细胞的数量较靶细胞多。靶细胞通过分泌存活因子来调节神经细胞的数量。不能获得足够存活因子的神经细胞发生凋亡，使得剩下的神经细胞与靶细胞的数量相当翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011动物蜕变过程中幼体器官的缩小和退化（如蝌蚪尾的消失等）也是通过细胞凋亡来实现的高等哺乳类动物指（趾）间蹼的消失、颚融合、肠管腔道的形成、视网膜发育等过程都必须有细胞凋亡的参与动物发育过程中的细胞凋亡动物发育过程中的细胞凋亡翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011细胞凋亡参与了免疫耐受的形成细胞凋亡参与了免疫耐受的形成翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011细胞凋亡剔除被病原体感染的细胞细胞凋亡剔除被病原体感染的细胞翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011（四）细胞凋亡的分子机制（四）细胞凋亡的分子机制动物细胞的凋亡诱导因子大致分为： 物理性因子物理性因子：包括射线（紫外线、射线等），较温和的温度刺激（如热激、冷激）等 化学及生物因子化学及生物因子：包括活性氧基团和分子（超氧自由基、羟自由基、H2O2）、钙离子载体、VK3、视黄酸、细胞毒素、DNA和蛋白质合成的抑制剂（如环已亚胺）、正常生理因子（激素，细胞生长因子等）的失调，以及凋亡因子如肿瘤坏死因子（tumornecrosisfactor,TNF）处理等翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011（四）细胞凋亡的分子机制（四）细胞凋亡的分子机制动物细胞凋亡的阶段：接受凋亡信号；凋亡相关分子的活化；凋亡的执行；凋亡细胞的清除动物细胞凋亡的途径Caspase依赖性和不依赖于Caspase的细胞凋亡翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社20111. Caspase (Cysteine aspartic acid specific protease)caspases是一组存在于细胞质中具有类似结构的蛋白酶它们的活性位点均包含半胱氨酸残基，能够特异地切割靶蛋白天冬氨酸残基后的肽键。因此，caspases称之为天冬氨酸特异性的半胱氨酸蛋白水解酶caspases负责选择性地切割某些蛋白质，切割的结果是使靶蛋白活化或失活，而非完全降解caspases通常以无活性酶原形式存在于细胞质中翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011（1） Caspase 分类及其结构分类及其结构翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011Caspase 家族成员及其在细胞凋亡过程中的功能家族成员及其在细胞凋亡过程中的功能翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011（2） Caspase 的激活及其级联效应的激活及其级联效应翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011Nat Rev Mol Cell Biol, 2010, 11(9): 621-632（2） Caspase 的激活及其级联效应的激活及其级联效应翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011效应caspases对底物的切割使得细胞呈现出凋亡的一系列形态学和分子生物学特征。可以分为被活化和失活两大类：l被caspase活化的代表分子是caspases激活的核酸酶CADl被caspase失活的分子都在维护细胞正常状态中发挥关键作用l效应caspases还通过切割细胞骨架蛋白使细胞的骨架体系发生结构变化，便于细胞改变形态以及形成凋亡小体等（2） Caspase 的激活及其级联效应的激活及其级联效应翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社20112. Caspase依赖性细胞凋亡途径依赖性细胞凋亡途径 死亡受体起始的外源途径死亡受体起始的外源途径起始于死亡配体与受体的结合死亡配体主要是肿瘤坏死因子（TNF）家族成员；胞质部分均含有死亡结构域，负责招募凋亡信号通路中的信号分子线粒体起始的内源途径线粒体起始的内源途径内源途径中，线粒体处于中心地位当细胞受内外部凋亡信号刺激时，胞内线粒体的外膜通透性会发生改变，向细胞质中释放凋亡相关因子，引发细胞凋亡翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011Caspase 依赖性细胞凋亡信号途径依赖性细胞凋亡信号途径 翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011（1）死亡受体起始的外源途径）死亡受体起始的外源途径翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011（2）线粒体起始的内源途径）线粒体起始的内源途径翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011（2）线粒体起始的内源途径）线粒体起始的内源途径翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社20112002年诺贝尔生理学或医学奖年诺贝尔生理学或医学奖翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011透明，长仅1mm，体细胞959个1090cells-131cellsdeath=959cells模式生物：秀丽隐杆线虫模式生物：秀丽隐杆线虫 C. elegans翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011Pathways to cell death in C. elegans and mammals翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011Junying Yuan, Ph.D.袁钧瑛袁钧瑛Xiaodong Wang, Ph.D.王晓东王晓东https:/yuan.med.harvard.edu/http:/www.nibs.ac.cn/index.php?act=view&id=20发现哺乳动物细胞中Ced3的同源蛋白白介素-1转换酶建立了细胞凋亡内源途径的模型两位华人科学家两位华人科学家翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011抑制细胞凋亡促进细胞凋亡促进细胞凋亡bcl-2 family翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011Nat Rev Mol Cell Biol, 2010, 11(9): 621-632bcl-2 family翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社20113. Caspase非依赖性的细胞凋亡非依赖性的细胞凋亡 凋亡诱导因子（apoptosisinducingfactor，AIF）限制性内切核酸酶GBiochemistry (Moscow), 2005, 70, (2): 231-239翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011J. Exp. Med., 2010, 207(9): 1807-1817Find-me and eat-me signal翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社20114. 穿孔蛋白颗粒酶介导的细胞凋亡穿孔蛋白颗粒酶介导的细胞凋亡Nature Reviews Immunology, 2002, 2, 735-747翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社20115. 生死抉择：细胞凋亡的调控生死抉择：细胞凋亡的调控翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011生存因子通过调节生存因子通过调节Bcl-2 家族成员的活性及表达抑家族成员的活性及表达抑制细胞凋亡的发生制细胞凋亡的发生翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011内源性内源性caspases 抑制因子抑制因子翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011p53 通过激活凋亡正调节因子的转录来促进凋亡，同时还能通过激活凋亡正调节因子的转录来促进凋亡，同时还能够抑制抗凋亡因子的转录够抑制抗凋亡因子的转录翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011Nature, 2006, 443, 796-802ERS 反应引发的细胞凋亡反应引发的细胞凋亡翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011二、细胞坏死翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011Fig.1TEMofanecroticcellFig.2TEMofanapoptotic(A)andanormal(N)cellFig.3SEMofanecroticcellFig.4SEMofanapoptoticcell细胞凋亡与坏死的形态特征细胞凋亡与坏死的形态特征翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011细胞凋亡细胞坏死细胞膜不破裂发生破裂细胞核固缩，DNA片段化，进入凋亡小体弥漫性降解细胞质由质膜包围形成凋亡小体溢出，细胞破裂成碎片细胞质生化改变溶酶体的酶增多溶酶体解体蛋白质合成、能量消耗有无基因活动由基因调控无基因调控自吞噬常见缺少线粒体自身溶酶体吞噬肿胀诱发因素生理性信号理化、病理信号诱导对个体影响生长、发育、生存所必需引起炎症细胞凋亡与坏死的比较细胞凋亡与坏死的比较翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011三、自噬性细胞死亡u细胞自噬是通过溶酶体与双层膜包裹的细胞自身物质融合，降解自身物质的过程。u细胞自噬是促使细胞存活的自我保护机制。l细胞面临代谢压力时，降解自身蛋白质大分子或细胞器，为细胞生存提供原料或ATPl具有自我“清理”功能：降解错误折叠的蛋白质多聚物；功能失常的细胞器；细胞内的病原体翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011细胞自噬的特征及过程细胞自噬的特征及过程翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011酵母中细胞自噬的信号调控酵母中细胞自噬的信号调控翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011四、植物细胞与酵母细胞的程序性死亡1. 植物细胞的程序性死亡植物细胞的程序性死亡程序性细胞死亡在正常的植物发育进程以及对环境胁迫，如缺氧、高盐等的反应和病原体入侵引发的过敏反应中广泛存在植物细胞程序性死亡细胞的残余物被细胞壁固定在原位，不是被周围细胞吞噬，而是被自身液泡中的水解酶消化能够诱导植物细胞发生程序性死亡的因素有多种，主要包括活性氧和植物激素等翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011植物细胞的程序性死亡植物细胞的程序性死亡翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011四、植物细胞与酵母细胞的程序性死亡2.酵母细胞的程序性死亡酵母程序性死亡的形态学特征与动物细胞凋亡类似：DNA发生凝聚、边缘化和断裂，Cytc从线粒体释放等酵母的细胞程序性死亡机制与动物细胞的凋亡机制有类似之处酵母程序性死亡的生理意义翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011第二节第二节 细胞衰老细胞衰老正常成纤维细胞衰老的成纤维细胞的不同形态学改变翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011一、细胞衰老的概念及特征细胞衰老主要指复制衰老，是体外培养的正常细胞经过有限次数的分裂后，停止生长，细胞形态和生理代谢活动发生显著改变的现象。1958年Hayflick等人证实人成纤维细胞的复制能力是有限的，首次提出了细胞水平上的“衰老”现象，称为“Hayflick界限界限”。翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011Leonard Hayflick in 1988Nat Rev Mol Cell Biol , 2000, 1(1): 72-76翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011Nat Rev Mol Cell Biol , 2000, 1(1): 72-76a.是只分裂了20代的年轻成纤维细胞，呈现薄层、细长的形态；b.是分裂了55次的老的成纤维细胞，开始衰退，并很快死亡年轻和年老的人二倍体细胞（年轻和年老的人二倍体细胞（WI-38细胞株）细胞株） 翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011Hayflick 精心设计的实验精心设计的实验年轻女性细胞(间期可见巴氏小体)+年老男性细胞(间期无巴氏小体)混合培养（一样的外部环境）年轻女性细胞倍增次数多于年老男性细胞 细胞衰老的过程是由细胞自身决定的细胞衰老的过程是由细胞自身决定的, 而非环境因素而非环境因素翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011体外培养细胞衰老的生物学特征体外培养细胞衰老的生物学特征生长停滞，细胞停止分裂，并且这种停滞是不可逆的，即使添加生长因子也无济于事衰老相关的-半乳糖苷酶的活化衰老相关-半乳糖苷酶染色区分年轻和衰老的人胚胎成纤维细胞IMR-90翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011二、细胞衰老的分子机制复制性衰老与端粒缩短学说翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011Nature, 2010, 464: 520528（一）复制衰老的机制（一）复制衰老的机制翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011（二）压力诱导的早熟性衰老（二）压力诱导的早熟性衰老氧化损伤理论认为，衰老现象是由生命活动中代谢产生的活性氧成分造成的损伤积累引起的。活性氧成分包括超氧阴离子、过氧化氢和羟自由基。活性氧成分对生物大分子均有损伤作用，而且还会使线粒体DNA发生特异性的突变翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011（三）单细胞生物的衰老（三）单细胞生物的衰老酵母中酵母中ERC 生成示意图生成示意图 翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011三、细胞衰老与个体衰老的关系迄今未有实验证据表明体外培养细胞的衰老现象与个体的衰老有直接的关联细胞衰老可以看做是有机体在长期演化过程中形成的防止细胞过度生长即癌化的一种机制体内细胞衰老的机制仍有待研究How and Why do We Age? 翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011细胞衰老与疾病细胞衰老与疾病早老症（Hutchinson-GilfordSyndrome）儿童翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）高等教育出版社2011本章小结本章小结细胞死亡的方式细胞凋亡的概念及其形态特征细胞凋亡的生理意义细胞凋亡的分子机制细胞衰老的特征及其分子机制Hayflick界限翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）Copyright高等教育出版社2011Thank you!