细胞生物学：第13章细胞衰老与凋亡.ppt

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1、Chapter 13.Chapter 13.细胞衰老与凋亡细胞衰老与凋亡13.1 13.1 细胞衰老细胞衰老 现代人类面临着现代人类面临着3 3种衰老：种衰老：生理性衰老生理性衰老病理性衰老病理性衰老心理性衰老心理性衰老 衰老衰老(senescing(senescing，aging)aging)是机体在退化时期生是机体在退化时期生理功能下降和紊乱的综合表现理功能下降和紊乱的综合表现,是不可逆的生命过是不可逆的生命过程。人的衰老与细胞的衰老相关联。程。人的衰老与细胞的衰老相关联。1HayflickHayflick界限界限 1961 1961年，年，Hayflick Hayflick 首次报道了体

2、外培养首次报道了体外培养殖分裂的殖分裂的极限极限。他利用来自胚胎和成体的成纤维细胞进行体外培。他利用来自胚胎和成体的成纤维细胞进行体外培养，发现胚胎的成纤维细胞分裂传代养，发现胚胎的成纤维细胞分裂传代5050次后开始衰退和次后开始衰退和死亡，而来自成年组织的成纤维细胞只能培养死亡，而来自成年组织的成纤维细胞只能培养15153030代代就开始死亡。就开始死亡。细胞，至少是培养的细胞，不是不死的，而是有一细胞，至少是培养的细胞，不是不死的，而是有一定的寿命；定的寿命；它们的增殖能力不是无限的，而是有一定它们的增殖能力不是无限的，而是有一定的界限，这就是的界限，这就是Hayflick界限界限。2体外

3、培养的年轻和老的人体外培养的年轻和老的人成纤维细胞的显微形态成纤维细胞的显微形态3物种的寿命与体外培养物种的寿命与体外培养时细胞传代次数的关系时细胞传代次数的关系4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5细胞衰老的特征细胞衰老的特征细胞内水分减少细胞内水分减少色素生成和色素颗粒沉积色素生成和色素颗粒沉积细胞核细胞核内质网内质网细胞质膜细胞质膜线粒体线粒体蛋白质合成的变化蛋白质合成的变化6 细胞核的变化细胞核的变化体外培养的二倍体细胞，细胞核体外培养的二倍体细胞，细胞核随着细胞分裂次数的增加不断增大随着细胞分裂次数的增加不断增大细胞核的核膜内折细胞核的核膜内折（invaginati

4、on）、染色质固缩化）、染色质固缩化7内质网的变化内质网的变化衰老衰老动物内质网成分弥散性地分散于动物内质网成分弥散性地分散于核周胞质中，粗面内质网的总量似乎是核周胞质中，粗面内质网的总量似乎是减少了减少了8 膜系统的变化膜系统的变化衰老的细胞，其膜流动性降低、衰老的细胞，其膜流动性降低、韧性减小韧性减小衰衰老老细细胞胞间间间间隙隙连连接接及及膜膜内内颗颗粒粒的分布也发生变化的分布也发生变化9线粒体的变化线粒体的变化通常，通常，细胞中线粒体的数量随龄细胞中线粒体的数量随龄减少，而其体积则随龄增大减少，而其体积则随龄增大10细胞衰老的理论细胞衰老的理论衰老的基因程序理论衰老的基因程序理论衰老的损

5、伤积累理论衰老的损伤积累理论细胞衰老的端粒假说细胞衰老的端粒假说细胞衰老的线粒体损伤论细胞衰老的线粒体损伤论自由基理论自由基理论11氧化性损伤学说氧化性损伤学说该理论认为，代谢过程中产生的活性氧基团或分子该理论认为，代谢过程中产生的活性氧基团或分子（reactive oxygen species，ROS）引发的氧化性损伤的积）引发的氧化性损伤的积累，最终导致衰老。累，最终导致衰老。ROS主要有三种类型：主要有三种类型：O2-，即超氧自由基；，即超氧自由基；OH-，即羟自由基；，即羟自由基；H2O2。它们的高度活性引发脂类、蛋白质和核酸分子。它们的高度活性引发脂类、蛋白质和核酸分子的氧化性损伤，

6、从而导致细胞结构的损伤乃至破坏。清的氧化性损伤，从而导致细胞结构的损伤乃至破坏。清 除除ROS，就可以延长寿命，就可以延长寿命1213.2 13.2 细胞凋亡细胞凋亡(Apoptosis)又又 称称 程程 序序 性性 细细 胞胞 死死 亡亡(programmed cell death,PCD)。是是一一个个主主动动的的由由基基因因决决定定的的自自动动结结束束生生命命的过程。的过程。ApoptosisApoptosis的的概概念念源源自自于于希希腊腊语语，原原意意是是指指树树叶叶或花的自然凋落；或花的自然凋落；细细胞胞发发生生程程序序性性死死亡亡时时，就就像像树树叶叶或或花花的的自自然然凋凋落落

7、一一样样，凋凋亡亡的的细细胞胞散散在在于于正正常常组组织织细细胞胞中中，无炎症反应，不遗留疤痕。无炎症反应，不遗留疤痕。死死亡亡的的细细胞胞碎碎片片很很快快被被巨巨噬噬细细胞胞或或邻邻近近细细胞胞清清除，不影响其他细胞的正常功能。除，不影响其他细胞的正常功能。13细胞坏死与程序性细胞死亡细胞坏死与程序性细胞死亡14细胞坏死与程序性细胞死亡比较细胞坏死与程序性细胞死亡比较15程程序序性性死死亡亡细细胞胞的的形形态态结结构构变变化化凋亡小体的形成凋亡小体的形成凋亡小体逐渐为邻近凋亡小体逐渐为邻近的细胞吞噬并消化的细胞吞噬并消化细细胞胞表表面面的的特特化化结结构构如如微微绒绒毛毛消消失失，细细胞胞间

8、间接接触触的的消消失失，但但细细胞胞膜膜依依然然完完整整；线线粒粒体体大大体体完完整整，但但核核糖糖体体逐逐渐渐从从内内质质网网上上脱脱离离，内内质质网网囊囊腔腔膨膨胀胀，并并逐逐渐渐与与质质膜膜融融合合；染染色色质质固固缩缩，形形成成新新月月形形帽帽状状结结构构等等形形态态，沿沿着着核核膜膜分分布。布。16细胞凋亡的生化特征细胞凋亡的生化特征细细胞胞凋凋亡亡的的主主要要特特征征是是形形成成大大小小为为180200bp特征性的特征性的DNA ladders 凋凋亡亡细细胞胞 tTG（组组织织转转谷谷氨氨酰酰胺胺酶酶 tissue Transglutaminase）积累并达到较高水平）积累并达到

9、较高水平17程程序序性性死死亡亡细细胞胞的的D DN NA A降降解解18细胞凋亡的检测细胞凋亡的检测形态学观测：染色法、透射和扫描电镜观察形态学观测：染色法、透射和扫描电镜观察DNA电泳：电泳：DNA片段就呈现出梯状条带片段就呈现出梯状条带TUNEL测定法，即测定法，即DNA断裂的原位末端标记法断裂的原位末端标记法彗星电泳法（彗星电泳法（comet assay）流式细胞分析流式细胞分析 根据凋亡细胞根据凋亡细胞DNA断裂和丢失，采用碘化丙啶使断裂和丢失，采用碘化丙啶使DNA 产生激发荧光，用流式细胞仪检出凋亡的亚二倍体细产生激发荧光，用流式细胞仪检出凋亡的亚二倍体细 胞，同时又能观察细胞的周

10、期状态。胞，同时又能观察细胞的周期状态。1913.3 13.3 程序性细胞死亡的机理程序性细胞死亡的机理程序性细胞死亡相关基因程序性细胞死亡相关基因程序性细胞死亡遗传学相关基因程序性细胞死亡遗传学相关基因程序性死亡的遗传控制程序性死亡的遗传控制程序性死亡抑制基因程序性死亡抑制基因程序性细胞死亡的过程程序性细胞死亡的过程死亡激活期死亡激活期死亡执行期死亡执行期20雌雄同体的秀丽新小杆线虫雌雄同体的秀丽新小杆线虫21秀丽新小杆线虫中参与秀丽新小杆线虫中参与程序性细胞死亡控制的基因程序性细胞死亡控制的基因决决定定死死亡亡的的两两个个基基因因，即即ces-1ces-1(ces(ces表表示示CECE细

11、细胞存活的调控基因胞存活的调控基因)和和ces-2ces-2基因基因执执行行死死亡亡的的4 4个个基基因因：ced-3ced-3、ced-4ced-4、ced-9ced-9和和egl-1egl-1基因。基因。77个个与与死死亡亡细细胞胞被被吞吞噬噬细细胞胞所所吞吞噬噬的的基基因因，即即ced-1ced-1、ced-2ced-2、ced-5ced-5、ced-6ced-6、ced-7ced-7、ced-ced-1010和和ced-11ced-11。死亡细胞在吞噬体中被降解的基因死亡细胞在吞噬体中被降解的基因22ced-3ced-3、ced-4ced-4、ced-9ced-9和和egl1-4egl

12、1-4个个基基因因构构成成了了线线虫虫执执行行死死亡亡的的“死死亡亡机机器器”(death machinery);”(death machinery);ced-3 ced-3 和和ced-4ced-4是细胞杀手是细胞杀手;ced-9ced-9可可抵抵消消ced-3ced-3和和ced-4ced-4 的的作作用用，防止细胞被杀死，因此是存活因子防止细胞被杀死，因此是存活因子;进进一一步步的的研研究究发发现现真真正正的的细细胞胞杀杀手手是是ced-3ced-3而不是而不是ced-4ced-4。23程序性细胞死亡途径及相关基因程序性细胞死亡途径及相关基因24Caspase家族与凋亡家族与凋亡Casp

13、ase活化活化胞外信号分子诱导的细胞凋亡途径胞外信号分子诱导的细胞凋亡途径天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶自自杀杀性性蛋蛋白白水水解解酶酶是是天天冬冬氨氨酸酸特特异异性性半半胱胱氨氨酸酸蛋蛋白白酶酶(cysteine-containing(cysteine-containing aspartateaspartatespecific specific protease),protease),简简 称称caspasecaspase;caspase-3caspase-3、6 6、7 7和和8 8 在在FAS/TNFFAS/TNF介介导导的的程程序序性细胞死亡途径中起作用；性细

14、胞死亡途径中起作用；caspase-9caspase-9和和3 3 一一起起参参与与线线粒粒体体中中Apaf-IApaf-I、细细胞色素胞色素c c介导的程序性细胞死亡介导的程序性细胞死亡;在人类，已经鉴定了在人类，已经鉴定了1010种不同的种不同的caspasecaspase。25执行者执行者caspasecaspase在程序性细胞死亡中的作用在程序性细胞死亡中的作用26能够被能够被caspasecaspase切割的靶蛋白切割的靶蛋白蛋白激酶蛋白激酶核纤层蛋白核纤层蛋白细胞结构蛋白细胞结构蛋白与与DNADNA修复相关的酶类修复相关的酶类caspasecaspase激活的激活的DNaseDNa

15、se抑制蛋白。抑制蛋白。27Caspase活化 Caspase自身以非活化的Procaspase存在，其激活依赖于其他的Caspase在它的天冬氨酸位点裂解活化或自身活化28胞外信号分子诱导的细胞凋亡途径胞外信号分子诱导的细胞凋亡途径凋亡信号通路凋亡信号通路 当当细细胞胞接接受受凋凋亡亡信信号号分分子子(Fas,TNF(Fas,TNF等等)后后，凋凋亡亡细细胞胞表表面面信信号号分分子子受受体体相相互互聚聚集集并并与与细细胞胞内内的的衔衔接接蛋蛋白白(Adaptor(Adaptor protein)protein)结结合合，这这些些衔衔接接蛋蛋白白又又募募集集Procaspases聚聚集集在在受

16、受体体部部位位，Procaspase相相互互活活化化并产生级联反应，使细胞凋亡并产生级联反应，使细胞凋亡下游下游Caspases活化后，作用底物：活化后，作用底物：裂解核纤层蛋白，导致细胞核形成凋亡小体；裂解核纤层蛋白，导致细胞核形成凋亡小体；裂解裂解DNase结合蛋白，使结合蛋白，使DNase释放，降解释放，降解DNA形成形成DNA Ladder;裂裂解解参参与与细细胞胞连连接接或或附附着着的的骨骨架架和和其其他他蛋蛋白白，使使凋凋亡亡细细胞胞皱皱缩缩、脱脱落落，便于细胞吞噬；便于细胞吞噬；导致膜脂导致膜脂PS重排，便于吞噬细胞识别并吞噬。重排，便于吞噬细胞识别并吞噬。29细细胞胞内内源源信

17、信号号激激发发细细胞胞程程序序性性死死亡亡30 Regulators and effectors apoptosis 31Bcl-2家族、家族、线粒体与细胞凋亡线粒体与细胞凋亡Bcl-2是是一一种种原原癌癌基基因因，是是ced-9在在哺哺乳乳类类中中的的同同源源物物，能能抑抑制制细细胞胞凋凋亡亡；与与线线粒粒体体及及内内质质网网膜膜相相结结合合；Bcl-2蛋蛋白白的的羧羧基基末末端端有有一一穿穿膜膜的的结结构构域域；Bcl-2家家族族成成员员的的基基因因中中，常常常常含含有有三三个个保保守守的的Bcl-2同源区，即同源区，即BH1，BH2和和BH3Bcl-2、线粒体与线粒体与细胞凋亡细胞凋亡哺

18、乳动物细胞中发现的哺乳动物细胞中发现的Apaf2即是即是CytC32基因产物基因产物功功 能能BCL-2凋亡抑制剂，可和凋亡抑制剂，可和Bax及及Bak结合结合BCL-x其其L型抑制凋亡，型抑制凋亡，S型促进凋亡，与型促进凋亡，与Bax及及Bak结合结合BCL-w凋亡抑制剂凋亡抑制剂Bax凋亡促进剂，可与凋亡促进剂，可与BCL-2，BCL-XL，EIB19K结合结合Bak凋亡促进剂，亦可作抑制剂，可与凋亡促进剂，亦可作抑制剂，可与BCL-2，BCL-X和和E1B19K结合结合MCL-1凋亡抑制剂凋亡抑制剂Bad凋亡促进剂，与凋亡促进剂，与BCL-2和和BCL-XL结合结合Ced-9线虫中的凋亡

19、抑制剂，线虫中的凋亡抑制剂，BCL-2同源物同源物E1B19K腺病毒凋亡抑制剂，与腺病毒凋亡抑制剂，与Bax和和Bak结合结合BCL-2家族成员家族成员33Bcl-2、线粒体与线粒体与细胞凋亡细胞凋亡当当Caspase8Caspase8活化后，它一方面作用于活化后，它一方面作用于Procaspase3Procaspase3，另，另 一方面使一方面使BidBid裂解成裂解成2 2个片段，其中含个片段，其中含BH3BH3结构域的结构域的C-C-端端 片段被运送到线粒体，与片段被运送到线粒体，与Bcl-2/BaxBcl-2/Bax的的BH3BH3结构域形成结构域形成 复合物，导致细胞色素复合物，导致

20、细胞色素C C释放。释放。CytCCytC与胞质中与胞质中Ced4Ced4同源同源 物物Apaf-1(凋亡蛋白酶活化因子凋亡蛋白酶活化因子apoptosis protease activating factor)结合并活化结合并活化Apaf-1，活化的，活化的Apaf-1再活再活 化化Procaspase9，最后引起细胞凋亡，最后引起细胞凋亡343514.2.4 14.2.4 程序性细胞死亡的意义程序性细胞死亡的意义动动物物机机体体靠靠对对细细胞胞增增殖殖和和细细胞胞周周期期的的正正负负控控制制以以及及对对程程序序性性细细胞胞死死亡亡的的正正负负控控制制来来维维持持细细胞胞总总数数的平衡和机体的生命活力。的平衡和机体的生命活力。程程序序性性细细胞胞死死亡亡在在形形态态建建成成中中起起重要作用。重要作用。36动物细胞数量控制的途径动物细胞数量控制的途径37程序性细胞死亡在小鼠程序性细胞死亡在小鼠脚趾形成中的作用脚趾形成中的作用38蝌蚪向蛙发育的变态反应中蝌蚪向蛙发育的变态反应中程序性细胞死亡的作用程序性细胞死亡的作用39程序性细胞死亡对发育中程序性细胞死亡对发育中神经细胞数量的调节神经细胞数量的调节40