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细胞生物学
Cell Biology
第十二章
程序性细胞死亡与细胞衰老
Cell Biology
第一节 程序性细胞死亡
一、动物细胞的程序性死亡
二、植物细胞与酵母的程序性死亡
第二节 细胞衰老
一、细胞衰老的概念及特征
二、细胞衰老的分子机制
三、细胞衰老与个体衰老和癌症的关系
Cell Biology
第一节 程序性细胞死亡
程序性细胞死亡（PCD）：细胞死亡受到细胞内部某种由遗传机制决定的“死亡程序”控制。
动物细胞的死亡方式：凋亡、坏死、自噬
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一、细胞凋亡(apoptosis)
（一）细胞凋亡的概念与特征
1、细胞凋亡的概念：是受基因调控的生理性细胞自杀行为。
2、细胞凋亡的特征
凋亡起始：染色质固缩并沿核膜分布，细胞质发生皱缩，细胞表面特化结构消失。
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一、细胞凋亡(apoptosis)
凋亡小体形成: 细胞质膜反折，包围染色质片段和细胞器等，形成芽状突起并逐渐分隔，形成凋亡小体。
凋亡小体被吞噬: 凋亡小体被邻近的细胞或体内吞噬细胞所吞噬，并被消化后重新利用。
凋亡细胞表面的吞噬信号。
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一、细胞凋亡(apoptosis)
（二）、细胞凋亡的检测方法
1、形态学观察：染色法、透射和扫描电镜 观察
2、DNA电泳：DNA片段呈现出梯状条带
3、TUNEL测定法：即DNA断裂的原位末端标记法
4、彗星电泳法
5、流式细胞分析
6、磷脂酰丝氨酸外翻
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AO-EB染色检测细胞凋亡
一、细胞凋亡(apoptosis)
（三）、细胞凋亡的生化特征
细胞凋亡的主要特征是形成大小为180～200bp特征性的DNA ladders。
凋亡细胞组织转谷氨酰胺酶tTG（tissue Transglutaminase）积累并达到较高水平。
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一、细胞凋亡(apoptosis)
（四）、细胞凋亡的生物学意义
1、对动物个体的正常发育、自稳态的维持、免疫耐受的形成、肿瘤监控等多种生理及病理过程具有重要意义。
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一、细胞凋亡(apoptosis)
2、是一种生理性保护机制，清除体内多余、受损或危险的细胞而不对周围的细胞或组织产生损害。如：神经元细胞数量的调节、器官细胞数量的稳定、成体细胞的自然更新以及病原体感染细胞的清除等。
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一、细胞凋亡(apoptosis)
3、细胞凋亡不足，如肿瘤。细胞凋亡过度，导致自身免疫病和炎症，如败血症、心肌梗塞、艾滋病、老年痴呆、帕金森病。
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一、细胞凋亡(apoptosis)
（五）、细胞凋亡的分子机制
诱导细胞凋亡的因素有多种，包括物理性因子、化学及生物因子。
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1、线虫的细胞凋亡相关基因—ced基因
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线虫细胞凋亡的研究
线虫（C. elegans)是研究细胞凋亡的理想材料。早期研究发现虫体在不同发育时期某些细胞定期死亡。在整个发育过程中，有131个细胞陆续进入死亡程序，决定这些细胞进入死亡程序的是一系列凋亡基因。现已从中分离出10余个凋亡基因。
正常细胞 走向死亡细胞 死细胞 降解细胞
起动死亡程序
执行死亡程序
被吞噬处理
Ced-2
Ces-1
cgl-1
Ced-9
ced-3 \ 4
Ced-1\2\5
ced-5\6\7
ced-8\10
nec-1
其中研究的较清楚的是ced-9(抑制细胞凋亡）、ced-3,ced-4(促进细胞凋亡)
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2002年诺贝尔生理或医学奖获得者
Sydney Brenner
H. Robert Horvitz
John E. Sulston
2、caspase 家族（杀手蛋白酶）与凋亡
Ced3哺乳类同源物是ICE(Interleukin-1-converting enzyme)，即Caspase1
Caspase活性位点是半胱氨酸(Cysteine)，裂解靶蛋白位点是天冬氨酸残基后的肽键，因此称为Cysteine aspartic acid specific protease，即Caspase。Caspase并不完全降解某一蛋白质。
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Caspase的种类：现已确定15种Caspase。①Caspase-1和-11主要负责白介素前体的活化，不直接参与凋亡信号的传递。
②凋亡起始者，Caspase-2，-8，-9，-10，负责切割执行者的前体，活化执行者。③凋亡执行者，Caspase-3，-6，-7，活化后负责切割细胞结构蛋白和调节蛋白。
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细胞凋亡中caspase级联效应
Caspase的底物：裂解核纤层蛋白，导致细胞核形成凋亡小体；裂解DNase结合蛋白，使DNase释放，降解DNA形成DNA Ladder;裂解参与细胞连接或附着的骨架和其他蛋白，使凋亡细胞皱缩、脱落，便于细胞吞噬；导致膜脂PS重排，便于吞噬细胞识别并吞噬。
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（3）Caspase依赖性的细胞凋亡
主要通过两条途径引发：①由死亡受体起始的外源途径；②由线粒体起始的内源途径。
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外源途径：胞外死亡配体（Fasl或TNF）→受体（质膜表面分子Fas或TNF受体，胞质部分有死亡结构域DD）→募集接头蛋白和起始Caspase酶原形成死亡诱导信号复合物（DISC）→起始Caspase活化→执行Caspase活化→细胞凋亡。
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内源途径：内部或外部凋亡信号的刺激→线粒体外膜通透性改变→向胞质释放凋亡相关因子（细胞色素c）→细胞色素c与Apaf-1及Caspase- 9前体形成凋亡复合体（apoptosome）→Caspase-9活化→执行Caspase活化→细胞凋亡。
内源途径中，细胞色素c的释放是关键步骤。
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4、生死抉择——细胞凋亡的调控
促存活、抑凋亡的途径：
细胞存活因子包括多种有丝分裂原和生长因子。它们与细胞表面受体结合后，启动细胞内信号通路，抑制凋亡的发生。
NF-kB在抗凋亡、促存活的信号通路中的中心地位。
细胞中存在Caspase抑制因子，能够直接与Caspase活性分子结合，阻抑对其底物的切割作用。病毒具有Caspase的天然抑制剂。
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促进凋亡的途径：
死亡配体与受体结合后，通过凋亡的外源途径引发细胞凋亡。
在凋亡的内源途径中， p53起到关键作用。p53是细胞内的一种转录因子，它是重要的促凋亡因子和肿瘤抑制因子。 p53通过激活凋亡正调节因子的表达促进凋亡，同时还能抑制抗凋亡因子的表达。
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二、细胞坏死(necrosis)
当细胞凋亡不能正常发生而细胞必须死亡时，坏死作为凋亡的“替补”方式被细胞采用；此外，分裂旺盛细胞的DNA被持续损伤，也能引发细胞坏死，推测原因可能是DNA损伤引发的ATP水平急剧下降。
能量衰竭是导致坏死的重要原因。
特征：质膜破损，细胞内含物释放，引起周围组织的炎症反应。
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细胞凋亡与坏死区别
细胞凋亡 细胞坏死
细胞膜发泡，膜仍完整 细胞质膜受损、不完整
细胞膜内陷将细胞分割成凋亡小体 细胞肿胀、溶解
不发生炎症反应 发生严重炎症反应
被邻近正常细胞或吞噬细胞所吞噬 被巨噬细胞所吞噬
溶酶体完整 溶酶体裂解
染色质均一凝集 染色质聚集成块、不均一
染色质非随机降解为DNA ladder 染色质DNA被随机降解
三、细胞自噬(autophagy)
细胞自噬是另一种程序性细胞死亡的方式。其特征是细胞中出现大的双层膜包裹的自噬小体。双层膜来自内质网或细胞质中的膜泡，包裹着整个的细胞器或部分细胞质，自噬小体与溶酶体融合后，内含物被溶酶体中的水解酶消化。
细胞自噬是细胞凋亡的补充途径。
细胞自噬的分子机制。
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第二节 细胞衰老
一、细胞衰老的概念
个体衰老：是指随着年龄的增加，机体功能呈现退行性变化，并伴随着生殖能力下降和死亡率上升的现象。
细胞衰老：细胞衰老一般的含义是指复制衰老，指体外培养的正常细胞经过有限次数的分裂后，停止分裂，细胞形态和生理代谢活动发生显著改变的现象。
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第二节 细胞衰老
历史上对细胞衰老的认识：
1、100年前，魏斯曼提出种质不死而体质会衰老死亡的学说。
2、二十世纪30-60年代， Carrel提出细胞不死性观点。体外培养鸡心脏成纤维细胞34年。
3、1961年，Hayflick 提出细胞有一定寿命的观点。
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第二节 细胞衰老
Hayflick界限（Hayflick 1imitation） ：细胞，至少是培养的二倍体细胞，不是不死的，而是有一定的 寿命；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。
细胞的增殖能力与供体年龄和物种有关。
实验证明，二倍体细胞的衰老是由细胞本身决定的。决定细胞衰老的因素在细胞内部，不是外部的环境。并且决定因素在细胞核而非细胞质。
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Hutchinson-Gilford syndrome
二、衰老细胞结构的变化：
1、细胞核的变化：核增大、核膜内折、染色质 固缩。
2、内质网的变化:排列无序、趋于解体、总量减少。
3、线粒体的变化:数量减少、体积增大、多囊体出现 。
4、致密体的生成:由溶酶体线粒体转化而来、衰老细胞常见。
5、细胞膜的变化:呈凝胶相或固相,细胞间隙连接减少。
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体外培养细胞衰老的两个生物学特征：
①生长的不可逆性停滞，细胞停止分裂，加用生长因子无效。
②衰老相关的β-半乳糖苷酶的活化。
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三、细胞衰老的分子机制
1、复制衰老的机制
真核细胞染色体末端端粒随细胞的分裂而缩短。提出细胞衰老的 “有丝分裂钟”学说（Harley,1990）
端粒酶通过逆转录维持端粒的长短。
p53蛋白在复制衰老中的作用。
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2、胁迫诱导的早熟性衰老
氧化损伤理论（自由基理论）
线粒体是自由基产生的主要场所
自由基的破坏作用
3、单细胞生物的衰老（rDNA与衰老）
酵母染色体外rDNA 环（ERC）的积累，导致细胞衰老。
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四、细胞衰老与个体衰老和癌症的关系
体外培养细胞衰老与体内细胞衰老的不一致。
五、延缓个体衰老的方法
1、限制热量，降低活性氧。
2、适当禁食，激发衰老细胞自噬。
3、补充抗衰老物质
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1、程序性细胞死亡的概念、细胞凋亡的概念
2、细胞凋亡的3个阶段
3、细胞凋亡的生理学意义
4、Caspase与细胞凋亡
5、细胞衰老的概念
6、Hayflic界限
7、衰老细胞形态结构的变化
8、复制衰老的机制（端粒缩短引发衰老）
本章重点提示
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