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第十二章第十二章 细胞衰老与死亡细胞衰老与死亡 ●细胞衰老细胞衰老 (cellular aging或或cell senescence) ●细胞死亡细胞死亡(Apoptosis)※细胞的衰老和死亡是人体代谢的自然现象细胞的衰老和死亡是人体代谢的自然现象头发变白、牙齿脱落、肌肉萎缩、头发变白、牙齿脱落、肌肉萎缩、血管硬化、感觉迟钝、记忆力衰退血管硬化、感觉迟钝、记忆力衰退医学]细胞衰老与死亡第一节第一节 细胞衰老细胞衰老(cellular aging或或cell senescence)●●细胞衰老的概念细胞衰老的概念●●细胞衰老的特征细胞衰老的特征●●细胞衰老的分子机理细胞衰老的分子机理医学]细胞衰老与死亡l又称老化，指生物发育成熟后，在正常情况下，又称老化，指生物发育成熟后，在正常情况下，随着年龄的增加，其机能和结构发生退行性变化，随着年龄的增加，其机能和结构发生退行性变化，而趋向死亡的不可逆现象而趋向死亡的不可逆现象l衰老和死亡是生命的基本现象，衰老过程发生在衰老和死亡是生命的基本现象，衰老过程发生在生物界的整体水平、种群水平、个体水平、细胞生物界的整体水平、种群水平、个体水平、细胞水平以及分子水平等不同的层次。

水平以及分子水平等不同的层次体内各种细胞本身寿命差异较大体内各种细胞本身寿命差异较大同一细胞不同阶段来源，其寿命也有所差异同一细胞不同阶段来源，其寿命也有所差异医学]细胞衰老与死亡细胞来源人胚肺成纤维细胞中年人成纤维细胞老年人成纤维细胞可增殖代数40-60 20 2-4不同年龄来源的人成纤维细胞的增殖代数不同年龄来源的人成纤维细胞的增殖代数医学]细胞衰老与死亡Ø机体从生命一开始，其生长、发育、衰老与死机体从生命一开始，其生长、发育、衰老与死亡都按遗传密码中规定的程序进行，在生命过亡都按遗传密码中规定的程序进行，在生命过程中随着时间的推延，有关基因启动与关闭的程中随着时间的推延，有关基因启动与关闭的命令按时发生，细胞命令按时发生，细胞“自我摧毁自我摧毁”的计划按期的计划按期执行四、细胞衰老的分子机理四、细胞衰老的分子机理一、遗传决定学说一、遗传决定学说医学]细胞衰老与死亡（一）（一）““差误差误””学说学说 DNADNA复复制制效效率率下下降降；；核核酸酸、、蛋蛋白白质质、、酶酶等等大大分分子子的的合合成成差错，导致细胞功能下降，逐渐衰老、死亡差错，导致细胞功能下降，逐渐衰老、死亡。

二）细胞有限分裂学说（二）细胞有限分裂学说 1961 1961年，年，Hayflick Hayflick 提出提出“Hayflick limit”“Hayflick limit”学说 1990 1990年，年，Harley Harley 等发现体细胞染色体的端粒等发现体细胞染色体的端粒DNA DNA 会随会随 着分裂次数的增加而不断缩短当缩短到着分裂次数的增加而不断缩短当缩短到Hayflick Hayflick 点点 时，细胞停止复制，而衰亡时，细胞停止复制，而衰亡 （如：人的成纤维细胞端粒每年缩短（如：人的成纤维细胞端粒每年缩短1414～～18bp18bp）医学]细胞衰老与死亡 认为生物体的一生中，随机的和自发的突变能破坏认为生物体的一生中，随机的和自发的突变能破坏有些分裂后细胞的基因和染色体，并逐渐增加它的突变有些分裂后细胞的基因和染色体，并逐渐增加它的突变负荷这种突变的增加和功能基因的丧失减少了功能性负荷这种突变的增加和功能基因的丧失减少了功能性蛋白质的产生。

当细胞内的突变负荷超过临界值时，细蛋白质的产生当细胞内的突变负荷超过临界值时，细胞发生衰老死亡胞发生衰老死亡三）衰老基因学说（三）衰老基因学说 认为分化和生长的出现，是由于该时期所特有的某些认为分化和生长的出现，是由于该时期所特有的某些基因发生了有序的开启和关闭有些在生命后期才开启的基因发生了有序的开启和关闭有些在生命后期才开启的基因控制着机体的衰老过程，这些基因被称为基因控制着机体的衰老过程，这些基因被称为““衰老相关衰老相关基因基因””如：age-1age-1、、clkclk、、wrnwrn、、p16 p16 等四）体细胞突变学说（四）体细胞突变学说医学]细胞衰老与死亡二、自由基学说二、自由基学说p189p189Ø自由基是机体代谢过程中产生的一些高活性的化合物，细胞可通过自身隔离、保护性的酶和其他抗氧化的分子三种主要的机制来清除过多的自由基Ø自由基若不能及时清除，则过多的自由基会对许多细胞组分（如膜脂、膜蛋白、蛋白质、DNA等）造成损伤医学]细胞衰老与死亡三、神经内分泌三、神经内分泌三、神经内分泌三、神经内分泌- -免疫调节经学说免疫调节经学说免疫调节经学说免疫调节经学说p神经内分泌系统与免疫系统是机体内外环境平衡的重要保证。

此系统结构组成包括神经系统和免疫系统的器官、组织、细胞及参与免疫调节的各种介质分子现有许多证据表明，下丘脑是人体的“衰老生物钟”医学]细胞衰老与死亡第二节第二节  细胞凋亡细胞凋亡(Apoptosis)●细胞凋亡的概念及其生物学意义细胞凋亡的概念及其生物学意义●细胞凋亡的形态学和生物化学特征细胞凋亡的形态学和生物化学特征●细胞凋亡的分子调控机理细胞凋亡的分子调控机理医学]细胞衰老与死亡一、细胞凋亡的概念及其生物学意义一、细胞凋亡的概念及其生物学意义●●概概念念：：细细胞胞凋凋亡亡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的过过程程，，所所以以也也常常被被称称为为细细胞胞程程序序性性死死亡（亡（PCDPCD）●●生物学意义：生物学意义：细胞凋亡对于多细胞生物个体发育细胞凋亡对于多细胞生物个体发育 的正常进行，自稳平衡的保持以及抵御外界各种的正常进行，自稳平衡的保持以及抵御外界各种 因素的干扰方面都起着非常关键的作用因素的干扰方面都起着非常关键的作用医学]细胞衰老与死亡二、细胞凋亡的形态学和生物二、细胞凋亡的形态学和生物化学特征化学特征●●细胞凋亡与坏死细胞凋亡与坏死(necrosis)●●细胞凋亡的形态学特征细胞凋亡的形态学特征●●细胞凋亡的生化特征细胞凋亡的生化特征●●诱导细胞凋亡的因子诱导细胞凋亡的因子●●细胞凋亡的检测细胞凋亡的检测医学]细胞衰老与死亡细胞凋亡与坏死细胞凋亡与坏死(necrosis)●●二者的主要区别是，细胞凋亡过程中，二者的主要区别是，细胞凋亡过程中，细胞质细胞质膜膜反折，包裹断裂的染色质片段或细胞器，然反折，包裹断裂的染色质片段或细胞器，然后逐渐分离，形成众多的后逐渐分离，形成众多的凋亡小体凋亡小体，凋亡小体，凋亡小体则被邻近的细胞所吞噬。

整个过程中，细胞质则被邻近的细胞所吞噬整个过程中，细胞质膜的整合性保持良好，死亡细胞的内容物不逸膜的整合性保持良好，死亡细胞的内容物不逸散到胞外环境中去，因而散到胞外环境中去，因而不引发炎症不引发炎症反应相反，在细胞坏死时，细胞质膜发生渗漏，细胞反，在细胞坏死时，细胞质膜发生渗漏，细胞内容物，包括膨大和破碎的细胞器以及染色质内容物，包括膨大和破碎的细胞器以及染色质片段，释放到胞外，导致炎症反应片段，释放到胞外，导致炎症反应p193p193医学]细胞衰老与死亡细胞凋亡的细胞凋亡的形态学特征形态学特征◆◆凋凋亡亡的的起起始始：：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，形成新月形帽状结构等形态，沿着核膜分布缩，形成新月形帽状结构等形态，沿着核膜分布 ◆◆凋凋亡亡小小体体的的形形成成：：核核染染色色质质断断裂裂为为大大小小不不等等的的片片段段，，与与某某 些些细细胞胞器器如如线线粒粒体体一一起起聚聚集集，，被被反反折折的的细细胞胞质质膜膜所所包包围围。

细细胞胞表表面面产产生生了了许许多多泡泡状状或芽状突起或芽状突起，逐渐形成单个的凋亡小体，逐渐形成单个的凋亡小体 ◆◆凋亡小体逐渐为邻近的细胞吞噬并消化凋亡小体逐渐为邻近的细胞吞噬并消化医学]细胞衰老与死亡细胞凋亡的生化特征细胞凋亡的生化特征◆◆细胞凋亡的主要特征是形成大小为细胞凋亡的主要特征是形成大小为    180～～200bp特征性的特征性的DNA ladders ◆◆凋亡细胞组织凋亡细胞组织转谷氨酰胺酶转谷氨酰胺酶积累并达积累并达     到较高水平到较高水平医学]细胞衰老与死亡诱导细胞凋亡的因子诱导细胞凋亡的因子◆◆物物理理性性因因子子，，包包括括射射线线（（紫紫外外线线，，  射射线线等等）），，较温和的温度刺激（如热激，冷激）等较温和的温度刺激（如热激，冷激）等◆◆化化学学及及生生物物因因子子：：包包括括活活性性氧氧基基团团和和分分子子、、DNADNA和和蛋蛋白白质质合合成成的的抑抑制制剂剂、、激激素素、、细细胞胞生生长长因因子子、、肿瘤坏死因子肿瘤坏死因子 （（TNFTNF ））等医学]细胞衰老与死亡细胞凋亡的检测细胞凋亡的检测◆◆形态学观测形态学观测：染色法、透射和扫描电镜观察。

染色法、透射和扫描电镜观察◆◆DNADNA电泳：电泳：DNADNA片段就呈现出梯状条带片段就呈现出梯状条带◆◆TUNELTUNEL测定法，测定法，即即DNADNA断裂的原位末端标记法断裂的原位末端标记法◆◆流式细胞分析流式细胞分析根据凋亡细胞根据凋亡细胞DNADNA断裂和丢失，采用碘化丙断裂和丢失，采用碘化丙啶使啶使DNADNA产生激发荧光，用流式细胞仪检出产生激发荧光，用流式细胞仪检出凋亡的亚二倍体细胞，同时又能观察细胞凋亡的亚二倍体细胞，同时又能观察细胞的周期状态的周期状态医学]细胞衰老与死亡细胞死亡与凋亡的判定：细胞死亡与凋亡的判定：细胞死亡：细胞生命现象不可逆的停止细胞死亡：细胞生命现象不可逆的停止标志标志对细胞进行活体染色对细胞进行活体染色中性红中性红 台盼蓝台盼蓝活细胞活细胞红红—死细胞死细胞—蓝蓝更重要的依据为细胞是否具有功能及繁殖能力更重要的依据为细胞是否具有功能及繁殖能力医学]细胞衰老与死亡三、细胞凋亡的分子调控机理三、细胞凋亡的分子调控机理20022002年年年年1010月月月月7 7日英国人悉尼日英国人悉尼日英国人悉尼日英国人悉尼· ·布雷诺尔、美国人罗伯特布雷诺尔、美国人罗伯特布雷诺尔、美国人罗伯特布雷诺尔、美国人罗伯特· ·霍维茨和英国人约翰霍维茨和英国人约翰霍维茨和英国人约翰霍维茨和英国人约翰· ·苏尔斯顿，因在细胞程序性死亡方苏尔斯顿，因在细胞程序性死亡方苏尔斯顿，因在细胞程序性死亡方苏尔斯顿，因在细胞程序性死亡方面的研究获诺贝尔诺贝尔生理与医学奖。

面的研究获诺贝尔诺贝尔生理与医学奖面的研究获诺贝尔诺贝尔生理与医学奖面的研究获诺贝尔诺贝尔生理与医学奖Sydney BrennerRobert HorvitzJohn Sulston 医学]细胞衰老与死亡l线虫线虫是研究个体发育和细胞程序性死亡的理想材是研究个体发育和细胞程序性死亡的理想材料（生命周期短，细胞数量少）料（生命周期短，细胞数量少）l线虫神经系统由线虫神经系统由302302个细胞组成这些细胞来自个细胞组成这些细胞来自于于407407个前体细胞也就是说个前体细胞也就是说105105个细胞发生了程个细胞发生了程序性死亡序性死亡l控制线虫细胞凋亡的基因主要有控制线虫细胞凋亡的基因主要有3 3个个Ced-3Ced-3、、Ced-Ced-4 4和和Ced-9Ced-9–Ced-3Ced-3和和 Ced-4 Ced-4的作用是诱发凋亡；的作用是诱发凋亡；–Ced-9Ced-9抑制抑制Ced-3Ced-3、、Ced-4Ced-4的作用医学]细胞衰老与死亡1 1、、Caspase家族与凋亡家族与凋亡细胞凋亡相关基因细胞凋亡相关基因●细胞凋亡的分子机理细胞凋亡的分子机理2、、Bcl-2家族、线粒体与细胞凋亡家族、线粒体与细胞凋亡3、、 ICE基因家族基因家族4、、 Fas家族家族医学]细胞衰老与死亡感谢同学们一学期的支持！感谢同学们一学期的支持！预祝同学们考试成功！谢谢！预祝同学们考试成功！谢谢！医学]细胞衰老与死亡Caspase家族与凋亡家族与凋亡◆Caspase家族家族··Caspase活性位点是半胱氨酸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裂解靶蛋白位点是天冬氨酸残基后的肽键，因此称为键，因此称为Cysteine aspartic acic specific protease，即，即Caspase。

◆◆Caspase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医学]细胞衰老与死亡Caspase活化活化    Caspase自身以非活化的自身以非活化的Procaspase存在，其存在，其激活依赖于其他的激活依赖于其他的Caspase在它的在它的天冬氨酸位天冬氨酸位点点裂解活化裂解活化医学]细胞衰老与死亡Bcl-2家族、家族、线粒体与细胞凋亡线粒体与细胞凋亡◆◆Bcl-2Bcl-2是是一一种种原原癌癌基基因因，，是是ced-9ced-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-2Bcl-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-2Bcl-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-2Bcl-2同源区，即同源区，即BH1BH1，，BH2BH2和和BH3BH3p198医学]细胞衰老与死亡 a  正常正常T细胞细胞             b  凋亡细胞凋亡细胞(扫描电镜扫描电镜)         c  凋亡细胞凋亡细胞(透射电镜透射电镜)医学]细胞衰老与死亡Caspase 超家族成员及其相应底物超家族成员及其相应底物医学]细胞衰老与死亡BCL-2家族成员家族成员医学]细胞衰老与死亡当细胞接受凋亡信号分子当细胞接受凋亡信号分子(Fas,TNF(Fas,TNF等等) )后，后，凋亡细胞表面信号分子受体相互聚集并与凋亡细胞表面信号分子受体相互聚集并与细胞内的衔接蛋白细胞内的衔接蛋白(Adaptor protein)(Adaptor protein)结结合，这些衔接蛋白又募集合，这些衔接蛋白又募集ProcaspasesProcaspases聚聚集在受体部位，集在受体部位，ProcaspaseProcaspase相互活化并产相互活化并产生级联反应，使细胞凋亡生级联反应，使细胞凋亡医学]细胞衰老与死亡医学]细胞衰老与死亡坏死细胞凋亡细胞医学]细胞衰老与死亡医学]细胞衰老与死亡细胞色素细胞色素c诱导的凋亡细胞诱导的凋亡细胞DNA电泳图电泳图医学]细胞衰老与死亡细胞衰老的特征细胞衰老的特征1 1 1 1、细胞内水分减少、细胞内水分减少、细胞内水分减少、细胞内水分减少2 2 2 2、色素颗粒沉积增多、色素颗粒沉积增多、色素颗粒沉积增多、色素颗粒沉积增多3 3 3 3、细胞器的衰老变化、细胞器的衰老变化、细胞器的衰老变化、细胞器的衰老变化4 4 4 4、化学组成与生化反应的改变、化学组成与生化反应的改变、化学组成与生化反应的改变、化学组成与生化反应的改变蛋白质亲水胶体系统中的胶粒带电荷蛋白质亲水胶体系统中的胶粒带电荷蛋白质亲水胶体系统中的胶粒带电荷蛋白质亲水胶体系统中的胶粒带电荷↓↓↓↓脂褐质在神经细胞、肝细胞和肌细胞中沉积脂褐质在神经细胞、肝细胞和肌细胞中沉积脂褐质在神经细胞、肝细胞和肌细胞中沉积脂褐质在神经细胞、肝细胞和肌细胞中沉积üü细胞膜上微绒毛数目增加细胞膜上微绒毛数目增加细胞膜上微绒毛数目增加细胞膜上微绒毛数目增加üü细胞膜流动性降低细胞膜流动性降低细胞膜流动性降低细胞膜流动性降低üü细胞膜受体细胞膜受体细胞膜受体细胞膜受体- - - -配体复合物形成效能降低配体复合物形成效能降低配体复合物形成效能降低配体复合物形成效能降低üü线粒体在衰老过程中的变化线粒体在衰老过程中的变化线粒体在衰老过程中的变化线粒体在衰老过程中的变化üü细胞核在衰老过程中的变化细胞核在衰老过程中的变化细胞核在衰老过程中的变化细胞核在衰老过程中的变化蛋白质合成的速度下降蛋白质合成的速度下降蛋白质合成的速度下降蛋白质合成的速度下降细胞内酶的活性与含量改变细胞内酶的活性与含量改变细胞内酶的活性与含量改变细胞内酶的活性与含量改变p186医学]细胞衰老与死亡Hutchinson-Gilford syndrome 医学]细胞衰老与死亡动物细胞的一般寿命动物细胞的一般寿命细胞寿命细胞寿命常见细胞类型常见细胞类型接近或等于动物自身寿命的接近或等于动物自身寿命的细胞细胞神经元、脂肪细胞、肌细胞、神经元、脂肪细胞、肌细胞、骨细胞、肾上腺髓质细胞骨细胞、肾上腺髓质细胞更新缓慢，更新时间更新缓慢，更新时间 > 30 d > 30 d，短于动物寿命的细胞，短于动物寿命的细胞呼吸道上皮细胞、肝细胞、唾呼吸道上皮细胞、肝细胞、唾腺细胞、肾皮质细胞、皮肤结腺细胞、肾皮质细胞、皮肤结缔组织细胞缔组织细胞快速更新，更新速度快速更新，更新速度 < 30 d < 30 d的细胞的细胞皮肤表皮细胞、红细胞，口腔皮肤表皮细胞、红细胞，口腔上皮细胞、胃肠道上皮细胞、上皮细胞、胃肠道上皮细胞、白细胞白细胞医学]细胞衰老与死亡Sydney Brenner            首创了以线虫作为实验模式生物，首创了以线虫作为实验模式生物，使得在显微镜观察细胞的分裂、分化和使得在显微镜观察细胞的分裂、分化和器官发育过程成为可能，为把细胞的这器官发育过程成为可能，为把细胞的这些变化与遗传学分析联系起来奠定了基些变化与遗传学分析联系起来奠定了基础础。

  医学]细胞衰老与死亡       John Sulston   绘制了一个线虫细胞系图，利用该细胞绘制了一个线虫细胞系图，利用该细胞系可以观察到线虫的组织形成过程中细胞分系可以观察到线虫的组织形成过程中细胞分裂、分化的完整事件他的研究表明细胞的裂、分化的完整事件他的研究表明细胞的死亡也是其正常分化过程的一部分，他还确死亡也是其正常分化过程的一部分，他还确定了与细胞程序性死亡相关的第一个基因突定了与细胞程序性死亡相关的第一个基因突变医学]细胞衰老与死亡Robert Horvitz   发现了虫体内调控细胞程序性发现了虫体内调控细胞程序性死亡的一些关键基因，并且研死亡的一些关键基因，并且研 究了它究了它们的相互作用在人体内也找到了相应们的相互作用在人体内也找到了相应的同源基因的同源基因医学]细胞衰老与死亡ICEICE（（interleukin-1 converting enzyme)interleukin-1 converting enzyme) 家族是哺乳动物类动物促凋亡基因，与线虫家族是哺乳动物类动物促凋亡基因，与线虫细胞凋亡基因细胞凋亡基因ced-3 ced-3 同源。

迄今已发现同源迄今已发现5 5个成个成员：员：ICEICE、、CPP32CPP32、、Ned-2Ned-2、、Ich-2Ich-2、、ICErel ICErel IIIIIIICEICE是一个半胱氨酸蛋白水解酶，能选是一个半胱氨酸蛋白水解酶，能选择性地切割蛋白质使其失活或激活择性地切割蛋白质使其失活或激活医学]细胞衰老与死亡  Fas (factor associated suicide)家族家族• Fas属TNF受体家族• Fas基因编码产物为分子量45KD的跨膜蛋白• Fas蛋白与Fas配体组成Fas系统，二者的结合导致靶细胞走向凋亡p196医学]细胞衰老与死亡。