医学细胞生物学细胞的衰老与细胞死亡.ppt

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1、第十五章第十五章 细胞的衰老与细胞死亡细胞的衰老与细胞死亡 第一节第一节 细胞衰老细胞衰老 一、一、细胞衰老的概念细胞衰老的概念 细胞衰老：细胞衰老：是指正常细胞的形态结构、化学成分和生理功能和增殖能力逐渐减弱衰退的现象。（一）（一）细胞衰老与机体衰老的关系细胞衰老与机体衰老的关系 细胞衰老与人体衰老既有联系又有区别：1.区别：细胞衰老与人体衰老是两个不同的概念。2.联系：机体衰老以细胞总体的衰老为基础，细 胞总体的衰老反应了机体的衰老。（二）体内各类细胞的寿命不同（二）体内各类细胞的寿命不同1.与机体寿命接近的细胞 如神经元、脂肪细胞、骨骼细胞和心肌细胞。2.缓慢更新的细胞 如肝脏、肾脏细胞

2、和胃壁细胞。3.快速更新的组织细胞 如上皮细胞、血细胞。（三）细胞在体外培养条件下的寿命（三）细胞在体外培养条件下的寿命Hayflick界限：正常细胞增殖能力是有一定界限的，细胞最大的分裂次数即Hayflick界限。二、细胞衰老的表现二、细胞衰老的表现（一）形态学的变化（一）形态学的变化（1）细胞核的变化 核膜内折、核质固缩。（2）内质网和线粒体的变化 内质网弥散分布，尼克体含量减少；线粒体数量减少。（3）细胞内色素或腊样物质沉积（4）膜系统的变化膜的流动性降低，脆性增加（二）（二）生化方面的改变生化方面的改变（1）DNA：复制与转录受到抑制，端粒DNA丢失，线粒体 DNA特异性缺失，DNA氧

3、化、断裂、交联等。（2）RNA：mRNA和rRNA的含量降低。（3）蛋白质：含量下降，胞内蛋白发生糖基化、氨甲酰 化、脱氨基等反应。（4）酶分子：活性中心被氧化，金属离子Ca2+、Zn2+、Mg2+、Fe2+等丢失，导致酶失活。（5）脂类：不饱和脂肪酸被氧化，引起膜脂之间或与脂蛋 白之间交联，膜的流动性降低。三、细胞衰老的学说三、细胞衰老的学说l遗传程序论遗传程序论：衰老是遗传因素决定的程序化过程，是受特定基因控制的。成人早衰症婴婴幼幼儿儿早早衰衰症症12岁的男孩塞斯库克 9岁的波恩l自由基学说自由基学说：通过氧化损伤不饱和脂肪酸、蛋白质和破坏DNA，而引发对细胞膜、核膜、蛋白质等的氧化性损伤

4、，最终导致衰老。自由基：是一类瞬间形成的含不成对电子的原子或分子基团。自由基的来源：.体外：空气污染、高温、辐射等.体内：代谢产生；线粒体呼吸链电子泄漏产生；过氧化物酶体催化底物羟化产生。l端粒钟学说端粒钟学说：端粒长度随着分裂次数增加而缩短，当缩短到一定程度的时候细胞就不复制，细胞进入衰老的过程。人类的端粒：TTAGGG/CCCTAA的重复序列端粒酶的结构第二节 细胞死亡 细胞死亡的形式有两种：细胞坏死(necrosis)：是细胞受到物理、化学和生物因素等损伤后而引起细胞被动死亡的现象。亦称病理性死亡。细胞凋亡细胞凋亡(apoptosis)：是由基因控制的细胞有序性的主动死亡现象。又称生理性

5、死亡。细胞坏死细胞坏死与与细胞凋亡细胞凋亡Necrosis vs Apoptosis第三节第三节 细胞凋亡细胞凋亡apoptosisapoptosisapoptosisapoptosis 凋亡时细胞的形态学改变凋亡时细胞的形态学改变细胞变圆细胞变圆微绒毛消失微绒毛消失胞质浓缩胞质浓缩空泡化空泡化凋亡小体凋亡小体 初期：初期：核染色质高度浓缩核染色质高度浓缩凝集在核周边凝集在核周边,边集边集细胞体积缩小细胞体积缩小中期：中期：胞膜内陷胞膜内陷出芽出芽浓缩核裂解浓缩核裂解膜自行分割膜自行分割致死前期致死前期可逆期可逆期致死期致死期 不可逆期不可逆期后期：后期：邻近的上皮细胞、邻近的上皮细胞、M、瘤

6、细胞等吞噬凋亡小体瘤细胞等吞噬凋亡小体一、细胞凋亡的特征一、细胞凋亡的特征（一）形态学特征（一）形态学特征1.1.细胞核的变化 染色质凝集、分块，呈新月状、花瓣状位于核膜下。最后核膜断裂。2.细胞质的变化 细胞质明显浓缩，线粒体（体积增大、嵴增多，出现空泡）和内质网（腔增殖膨大），细胞骨架变得致密和紊乱。左图：哺乳类乳左图：哺乳类乳腺细胞的凋亡腺细胞的凋亡右图：哺乳类正右图：哺乳类正常的乳腺细胞常的乳腺细胞 在凋亡过程中，由于没有膜的破裂，所以没有内容物的释放，故不会引起周围组织发生炎症。3.细胞膜的变化原有的特化结构逐渐消失；细胞膜起泡，但结构完整；外层细胞膜新出现了磷脂酰丝氨酸等生物大分子

7、。.产生凋亡小体产生凋亡小体 凋亡小体(apoptotic body)：细胞凋亡时，形成的一些大小不等的、有完整胞膜的、内含胞质、细胞器及染色质片断的球形结构。凋亡小体的命运：被邻近细胞吞噬消化凋亡小体的命运：被邻近细胞吞噬消化（二）细胞凋亡的生物化学特征（二）细胞凋亡的生物化学特征 1.1.DNA片段化片段化 凋亡细胞中核酸核酸内切酶内切酶活化，特异性地切割核小体，形成180200bp 整数倍的DNA片段。琼脂糖凝胶电泳显示梯状条带。200bp400bp600bp800bp2.产生与细胞凋亡有关的酶如，Caspase家族等蛋白酶被活化。3.细胞质中Ca2+浓度和pH值 细胞内Ca2+库释放，

8、使细胞质内Ca2+浓度增高。Ca2+作为凋亡信号，诱导细胞凋亡。pH值先急剧增高（碱性），之后又缓慢降低（酸性）。细胞凋亡与坏死的区别细胞凋亡与坏死的区别坏死坏死 凋亡凋亡1.性质性质 病理性病理性 生理性或病理性生理性或病理性 2.诱导因素诱导因素 强烈的刺激（极端环境）强烈的刺激（极端环境）较弱刺激（生理较弱刺激（生理/病理因素）病理因素）3.生化特点生化特点 被动过程，无蛋白合成，被动过程，无蛋白合成，主动过程，有新蛋白合成，主动过程，有新蛋白合成，不耗能不耗能ATP 耗能量耗能量ATP4.形态变化形态变化 细胞结构全面溶解、破坏、细胞结构全面溶解、破坏、胞膜及细胞器相对完整胞膜及细胞器

9、相对完整 细胞肿胀细胞肿胀 细胞皱缩，核固缩细胞皱缩，核固缩电泳电泳 随机降解，电泳呈均一随机降解，电泳呈均一 DNA片段化（片段化（180-200bp）DNA片状片状 电泳呈电泳呈“梯梯”状条带状条带6.炎症反应炎症反应 溶酶体破裂，局部炎症反应溶酶体破裂，局部炎症反应 溶酶体相对完整，无炎症反应溶酶体相对完整，无炎症反应7.凋亡小体凋亡小体 无无 有有8.基因调控基因调控 无无 有有 秀丽隐杆线虫（C.elegans）：）：最初有1030个体细胞，发育过程131细胞凋亡，成 虫只有959个细胞组成。在细胞凋亡的实施阶段起作用的基因主要有在细胞凋亡的实施阶段起作用的基因主要有3个：个：Ced

10、-3、Ced-4和和Ced-9，其中Ced-3和 Ced-4的作用是诱发凋亡，Ced-9抑制Ced-3、Ced-4的作用，使凋亡不能发生。凋亡信号转导凋亡信号转导 凋亡基因激活凋亡基因激活 凋亡的执行凋亡的执行 凋亡细胞的清除凋亡细胞的清除凋亡过程可大致分成凋亡过程可大致分成4 4个阶段个阶段二、诱导细胞凋亡的因素二、诱导细胞凋亡的因素1.物理因素：如射线、高温；2.化学性因素：如强酸、强碱；细胞因子（肿瘤坏死因子）、激素（糖皮质激素），抗癌药物等;.病毒（如HIV、EB病毒）；细菌；毒素；DNA损伤，细胞质中钙离子浓度过高；4.细胞缺血、缺氧等。1.Caspase家族蛋白是引起细胞凋亡的关键

11、酶，即凋亡酶。按功能可分为两类：执行凋亡酶执行凋亡酶：caspase-3、6、7，只能执行凋亡，不能自身激活。启动凋亡酶启动凋亡酶：caspase-2、8、9、10，启动凋亡，同 时即可自我激活也可激活执行凋亡酶。caspase的抑制因子：的抑制因子：IAPs三、细胞凋亡的分子机制（一）细胞凋亡的相关基因和蛋白Caspase家族蛋白的特点：酶活性依赖于半胱氨酸残基的亲核性；总是在天冬氨酸之后切断底物；都是由两大、两小亚基组成的异四聚体。大、小亚基由同一基因编码，由蛋白质前体被切割后产生。作用：作用：可降解胞内结构蛋白和功能蛋白，最终导可降解胞内结构蛋白和功能蛋白，最终导致细胞凋亡致细胞凋亡。C

12、aspase对底物的切割效应对底物的切割效应1.1.水解核酸酶抑制物水解核酸酶抑制物 释放释放CADCAD2.2.切割核纤层蛋白、核孔蛋白切割核纤层蛋白、核孔蛋白3.3.破坏细胞骨架破坏细胞骨架4.4.阻断阻断DNADNA复制和修复复制和修复Bcl-2Bcl-2家族包括两类蛋白质：家族包括两类蛋白质：抗凋亡蛋白：如抗凋亡蛋白：如Bcl-2Bcl-2Bcl-2Bcl-2，Bcl-xl、Bcl-w、Mcl-1 促凋亡蛋白促凋亡蛋白：如，如，Bax、Bak、Bad、Bid、Bim 通过调节线粒体中的凋亡因子的释放，调节细胞凋亡。2.Bcl-2基因基因家族3.Apaf-1蛋白（凋亡激活因子-1）Apa

13、f-1含有含有3个不同的结构域个不同的结构域：（1）能召集caspase-9；（2）ced-4 同源结构域同源结构域，能结合ATP/dATP；（3）C端结构域端结构域，与细胞色素C结合。通过形成凋亡体，凋亡体可以激活caspase-3。4.Fas Fas又称作APO-1/CD95，为跨膜蛋白，分布于胸腺细胞、T淋巴细胞、B淋巴细胞、NK细胞、内皮细胞、上皮细胞等。与fas配体结合后可以激活caspase8，导致靶细胞走向凋亡。5.p53lp53基因是一种抑癌基因；基因是一种抑癌基因；l生物学功能是在生物学功能是在G1期监视期监视DNA的完整性；的完整性；如有如有损伤，则抑制细胞增殖。直到损伤，

14、则抑制细胞增殖。直到DNADNA修复完成；修复完成；l当当DNA损伤不能修复时，损伤不能修复时，p53蛋白持续增高，易蛋白持续增高，易位到线粒体，引起线粒体膜的破裂，释放细胞色位到线粒体，引起线粒体膜的破裂，释放细胞色素素C；细胞凋亡细胞凋亡除上所述，还有除上所述，还有myc、ATM 等凋亡相关蛋白。等凋亡相关蛋白。6.myc 在许多人类恶性肿瘤细胞中都发现有c-myc的过度表达，它能促进细胞增殖、抑制分化。c-myc还参于细胞调亡的控制。在凋亡细胞中c-myc也是高表达。c-myc对增殖和凋亡的调节是一样的。作为转录凋控因子，一方面激活那些控制细胞增殖的基因，另一方面也激活促进细胞凋亡的基因

15、，给细胞两种选择：增殖或凋亡。当生长因子存在，bcl-2基因表达时，促进细胞增殖，反之细胞凋亡。(二二)细胞凋亡的信号转导通路细胞凋亡的信号转导通路1.膜表面死亡受体通路（细胞外信号）死亡受体通路死亡受体通路（Extrinsic or cytoplasmic pathwayExtrinsic or cytoplasmic pathway）死亡受体死亡受体 TNFR TNFR、FasRFasR、DRDR3 3、DRDR4 4、DRDR5 5等等是一类通过与相应配体结合，传递细胞凋亡信号的跨胞膜蛋白。是一类通过与相应配体结合，传递细胞凋亡信号的跨胞膜蛋白。通路（通路（pathwaypathway）

16、FSAL FADDFADDPro-caspase-8Pro-caspase-8Caspase-8Caspase-8Caspase-3Caspase-3Pro-caspase-3Pro-caspase-3细细胞胞凋凋亡亡生长因子、信号、生长因子、信号、生长因子、信号、生长因子、信号、FasFas抗体抗体抗体抗体FasRFADDFADD（Fas-associated death domainFas-associated death domain）；）；）；）；DD DD（death domaindeath domain）；）；）；）；DED DED（death effector domaindea

17、th effector domain）。）。）。）。DEDDEDDEDDEDDDDD杀伤性杀伤性T淋巴细胞诱导病原体感染的靶细胞凋亡淋巴细胞诱导病原体感染的靶细胞凋亡NADH-CoQNADH-CoQ氧化氧化还原酶还原酶 复合物复合物 CoQH2-细胞细胞色素色素C还原酶还原酶 复合物复合物cytQ细胞色素细胞色素C C氧化酶氧化酶复合物复合物线粒体呼吸链的结构线粒体呼吸链的结构线粒体PT孔2.细胞凋亡的线粒体通路 线粒体通路线粒体通路应激反应凋亡信号（如，应激反应凋亡信号（如，ROS）线粒体PT孔开启细胞色素细胞色素C（凋亡激活因子）（凋亡激活因子）Apaf-1Caspase-9释放释放凋亡体

18、凋亡体激活激活Caspase-3ATP/dATP 特异性水解特异性水解Bid激活激活Caspase-8含BH3结构域被运送到线粒体（通透性增高）膜通透性膜通透性、线粒体肿胀、线粒体肿胀、mmApaf-1Apaf-1活化活化Cyt.cCyt.c线线线线 粒粒粒粒 体体体体 途途途途 径径径径（Intrinsic Intrinsic or or mitochondrial mitochondrial pathwaypathway）CaCa2+2+NONO缺氧缺氧缺氧缺氧活性氧活性氧活性氧活性氧应激应激应激应激MPTMPT开放开放Cyt.cCyt.c+Pro-caspase-9Pro-caspase

19、-9Caspase-9Caspase-9ATPATPApaf-1Apaf-1+Apaf-1Apaf-1活化活化Cyt.cCyt.cCARDCARDApoptosomeApoptosome AIF AIFcaspase-independent apoptosisPro-Caspase-3Pro-Caspase-3凋凋亡亡Caspase-3Caspase-3BidCaspase-8Caspase-8caspase 活化的其他途径活化的其他途径除线粒体外，除线粒体外，Caspase的级联激活化和能起始于：的级联激活化和能起始于：内质网内质网细胞核细胞核高尔基体高尔基体溶酶体溶酶体凋亡起始分子机制不清

20、凋亡起始分子机制不清四、细胞凋亡的生物学意义四、细胞凋亡的生物学意义1.清除发育过程中多余的细胞2.清除病理活动过程中潜在的危险细胞3.清除已经完成功能的细胞4.清除发育不正常的细胞 如，在神经系统发育过程中的 神经元。5.清除正常生理活动过程中无用的细胞 如免疫系统的T、B淋巴细胞在分化过程中，95%的前T、B淋巴细胞的清除。五、细胞凋亡与人类疾病五、细胞凋亡与人类疾病 表：表：表：表：与细胞凋亡异常相关的疾病与细胞凋亡异常相关的疾病与细胞凋亡异常相关的疾病与细胞凋亡异常相关的疾病 凋亡不足凋亡不足凋亡不足凋亡不足 凋亡过度凋亡过度凋亡过度凋亡过度肿瘤肿瘤肿瘤肿瘤 肝癌、恶性血液肿瘤、乳腺癌

21、肝癌、恶性血液肿瘤、乳腺癌肝癌、恶性血液肿瘤、乳腺癌肝癌、恶性血液肿瘤、乳腺癌 发育异常发育异常发育异常发育异常 气管气管气管气管-食管瘘、房（室）间隙缺食管瘘、房（室）间隙缺食管瘘、房（室）间隙缺食管瘘、房（室）间隙缺 、膀胱癌、肺癌、胶质瘤、前、膀胱癌、肺癌、胶质瘤、前、膀胱癌、肺癌、胶质瘤、前、膀胱癌、肺癌、胶质瘤、前 损、唇（腭）裂、短肢畸形、损、唇（腭）裂、短肢畸形、损、唇（腭）裂、短肢畸形、损、唇（腭）裂、短肢畸形、列腺癌等列腺癌等列腺癌等列腺癌等 尿道下裂以及多囊肾等尿道下裂以及多囊肾等尿道下裂以及多囊肾等尿道下裂以及多囊肾等发育异常发育异常发育异常发育异常 先天性消化道、胆道、

22、肛门狭先天性消化道、胆道、肛门狭先天性消化道、胆道、肛门狭先天性消化道、胆道、肛门狭 CNS Alsheimer CNS Alsheimer病、病、病、病、Parkinson Parkinson 病、病、病、病、窄或闭锁、动脉导管未闭、两窄或闭锁、动脉导管未闭、两窄或闭锁、动脉导管未闭、两窄或闭锁、动脉导管未闭、两 肌萎缩性侧索硬化症、色素性肌萎缩性侧索硬化症、色素性肌萎缩性侧索硬化症、色素性肌萎缩性侧索硬化症、色素性 性畸形、甲状舌骨囊肿等性畸形、甲状舌骨囊肿等性畸形、甲状舌骨囊肿等性畸形、甲状舌骨囊肿等 视网膜病，脊肌肉萎缩、早老视网膜病，脊肌肉萎缩、早老视网膜病，脊肌肉萎缩、早老视网膜病

23、，脊肌肉萎缩、早老免疫系统免疫系统免疫系统免疫系统 系统性红斑狼疮、糖尿病、类系统性红斑狼疮、糖尿病、类系统性红斑狼疮、糖尿病、类系统性红斑狼疮、糖尿病、类 性痴呆性痴呆性痴呆性痴呆 风湿性关节炎、桥本甲状腺炎风湿性关节炎、桥本甲状腺炎风湿性关节炎、桥本甲状腺炎风湿性关节炎、桥本甲状腺炎 免疫系统免疫系统免疫系统免疫系统 免疫缺陷病、免疫缺陷病、免疫缺陷病、免疫缺陷病、AIDS AIDS 、多发性的硬化症等、多发性的硬化症等、多发性的硬化症等、多发性的硬化症等 细胞凋亡异常和疾病细胞凋亡异常和疾病（Diseases associated to apoptosis deregulationDiseases associated to apoptosis deregulation）六、细胞凋亡的检测方法 （一）形态学检测（一）形态学检测 用HE染色、吉姆萨染色等在光镜下观察，或荧光染色在荧光显微镜下观察。（二）生化特征检测（二）生化特征检测 电泳呈梯状条带改变。（三）磷脂酰丝氨酸外翻分析法（三）磷脂酰丝氨酸外翻分析法（三）磷脂酰丝氨酸外翻分析法（三）磷脂酰丝氨酸外翻分析法