第十三章細胞衰老與凋亡ChapterThirteenCellsenescenceandapoptosis“生、老、病、死”是生命的四個必然的過程人類面臨著三種衰老：①生理性衰老：隨年齡增長所表現(xiàn)出的生理退化，一切生物皆存在②病理性衰老：由于內(nèi)在或外在原因使人體發(fā)生病理性變化，使衰老提前發(fā)生，稱早衰③心理性衰老：由于心態(tài)的提前老化而影響整體功能第一節(jié)細胞衰老一、衰老的概念衰老(aging，senescence)：隨年齡增加，生物內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定性下降，結(jié)構(gòu)與生理機能退行性變化，趨向死亡不可逆的過程。衰老發(fā)生在整體水平、種群水平、個體水平、細胞水平以及分子水平等層次。機體的衰老并不等于所有細胞的衰老，但細胞的衰老與機體衰老密切相關(guān)二、細胞的壽限1、Hayflick界限(Hayflicklimitation)：細胞在體外培養(yǎng)條件下，即使條件適宜，細胞也不能無限制地進行分裂，而是有一定界限細胞的分裂能力與個體年齡有關(guān)，從胎兒肺得到的成纖維細胞可傳代50次，而從成人得到的肺成纖維細胞只能傳代20次。2、細胞的壽限各類細胞的壽命各不相同，一般來說，能夠保持持續(xù)分裂能力的細胞相對不容易衰老，分化程度高又不分裂的細胞壽命大多有限人體細胞的動態(tài)分類人體細胞壽命依增殖，分化，生存時間，分4類①更新組織：執(zhí)行某種功能的特化細胞，一定時間后衰老死亡，由新細胞分化補充，如上皮細胞、血細胞。②穩(wěn)定組織細胞：分化程度較高，功能專一，一般沒明顯衰老，不分裂，但終生保持分裂能力，受破壞時，其余細胞也能分裂，補充失去的細胞，如肝、腎細胞。③恒久組織細胞：高度分化細胞，一生沒細胞更替，破壞后不能得補充。如神經(jīng)細胞，骨骼細胞和心肌細胞。④可耗盡組織細胞：卵巢實質(zhì)細胞，一生中逐漸消耗，不能得到補充，最后消耗殆盡。三、細胞衰老的形態(tài)學(xué)特征細胞衰老主要是細胞生理生化的變化，也反映在細胞形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能上：1、細胞內(nèi)水分的減少：蛋白質(zhì)水合能力下降,衰老細胞水分減少，細胞皺縮，體積縮小。2、核變化:核膜內(nèi)折，染色體固縮化，端?？s短3、線粒體的變化：隨年齡增大，數(shù)量減少，體積增大，內(nèi)容物呈網(wǎng)狀化并形成多囊體，mtDNA缺失突變4、質(zhì)膜的變化：流動性下降，磷脂減少，不飽和脂肪酸下降；膜脂過氧化，對刺激反應(yīng)性下降5、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的變化：RER趨向減少和無序化6、蛋白質(zhì)合成：核糖體合成效率及準確性降低7、色素生成及致密體形成：色素生成隨衰老而增加，并在溶酶體或線粒體中沉積衰老細胞的形態(tài)變化核增大、染色深、核內(nèi)有包含物染色質(zhì)凝聚、固縮、碎裂、溶解質(zhì)膜粘度增加、流動性降低細胞質(zhì)色素積聚、空泡形成線粒體數(shù)目減少、體積增大、mtDNA突變或丟失高爾基體碎裂包含物糖原減少、脂肪積聚核膜內(nèi)陷四、分子水平的變化衰老細胞DNA、蛋白質(zhì)和脂類等成分損傷，代謝能力降低，主要表現(xiàn)：DNA：復(fù)制與轉(zhuǎn)錄受抑制，個別基因異常激活，端粒DNA丟失，線粒體DNA特異缺失，DNA氧化、斷裂、缺失和交聯(lián)，甲基化程度降低。RNA：mRNA和tRNA含量降低。蛋白質(zhì)：含成下降，蛋白質(zhì)糖基化、氨甲?；?、脫氨基等修飾，使蛋白質(zhì)穩(wěn)定性、抗原性、可消化性下降，自由基使肽斷裂、交聯(lián)而變性。aa由左旋變?yōu)橛倚阜肿樱夯钚灾行谋谎趸?，Ca2+、Zn2+、Mg2+、Fe2+等丟失，酶分子二級結(jié)構(gòu)、溶解度、等電點改變，酶失活脂類：不飽和脂肪酸被氧化，引起膜脂間或與脂蛋白間交聯(lián)，膜流動性下降。五、細胞衰老的分子機制對衰老機理具有不同學(xué)說，主要有:差錯學(xué)說(Errortheories):強調(diào)衰老是由于細胞中的各種錯誤積累引起.遺傳學(xué)說(Genetic/Programmedtheories):強調(diào)衰老是遺傳決定的自然演進過程。（一）差錯學(xué)說細胞衰老是細胞成分因內(nèi)外環(huán)境受損，因缺乏完善修復(fù)，使“差錯”積累，導(dǎo)致細胞衰老。根據(jù)“差錯”的“主因”的不同，又可分不同學(xué)說。1.代謝廢物積累

(wasteproductaccumulation)代謝產(chǎn)物超量積累危害細胞，引起衰老.褐脂質(zhì)沉積是典型例子:脂褐質(zhì)是長壽蛋白和DNA、脂類形成的巨交聯(lián)物。脂褐質(zhì)結(jié)構(gòu)致密，在溶酶體不能水解也不能外排，在細胞內(nèi)沉積，阻礙物質(zhì)交流和信號傳遞，使細胞衰老.老年性癡呆(AD)是由β-淀粉樣蛋白沉積引起。2．大分子交聯(lián)(crosslinking)過量的大分子交聯(lián)是衰老的主要因素，如DNA交聯(lián)和膠原交聯(lián)均可損害其功能，引起衰老。在臨床方面膠原交聯(lián)和動脈硬化、微血管病變有密切關(guān)系。3．自由基學(xué)說

(freeradicaltheories)（1）自由基性質(zhì):自由基是指在原子核核外層軌道上具有不成對電子的分子或功能基團。如AB兩個原子各提供一個電子通過共價鍵形成分子A:B，這兩個電子是配對的，如發(fā)生均裂,A和B各帶走一個電子形成.A和.B，即稱自由基。自由基種類：氧自由基、氫自由基、碳自由基、脂自由基，以氧自由基化學(xué)性質(zhì)最活潑。氧自由基主要包括：超氧自由基.O2，羥自由基.OH和H2O2自由基產(chǎn)生的因素：外源性:由環(huán)境輻射、光解、化學(xué)物質(zhì)等引起的內(nèi)源:由代謝反應(yīng)產(chǎn)生,是自由基主要來源途徑：①線粒體呼吸鏈電子泄漏產(chǎn)生；②過氧化物酶體的多功能氧化酶催化底物羥化。③機體血紅蛋白、肌紅蛋白可經(jīng)非酶促反應(yīng)產(chǎn)生自由基。（2）自由基對生物大分子的損傷自由基含未配對電子，具高度活性，易與細胞內(nèi)的生物大分子發(fā)生反應(yīng)，并發(fā)生傷害①自由基與核酸分子中的堿基發(fā)生加成反應(yīng)，.OH加到堿基雙鏈上,破壞堿基產(chǎn)生基因突變②自由基可加成到膜脂及不飽和脂肪酸雙鏈,引起脂質(zhì)過氧化,并產(chǎn)生新的自由基③自由基常攻擊肽鏈上的脯氨酸殘基，造成蛋白質(zhì)斷裂。同時，自由基還引起蛋白質(zhì)交聯(lián)、破壞蛋白質(zhì)高級結(jié)構(gòu)④自由基的氧化也常損傷細胞骨架蛋白：肌動蛋白與氧化型谷胱甘肽（GSSG）之間形成二硫鍵，導(dǎo)致分子表面電荷改變，引起大分子聚集(3)衰老的自由基學(xué)說美國科學(xué)家Harman1955年提出，核心內(nèi)容:①衰老是自由基對細胞成分的有害攻擊所造成;②該學(xué)說提出的自由基是氧自由基;③維持體內(nèi)適當水平的抗氧化劑和自由基清除劑可延長壽命和推遲衰老正常細胞內(nèi)存在清除自由基的防御系統(tǒng)，包括①酶系統(tǒng):超氧化物歧化酶(SOD)，過氧化氫酶(CAT)，谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-PX);②非酶系統(tǒng):VE、醌類物質(zhì)等電子受體。將銅鋅超氧化物岐化酶基因?qū)牍?，使轉(zhuǎn)基因株具3個拷貝的SOD基因，其壽命比野生型延長1/3。為衰老的自由基學(xué)說提供了證據(jù)。4．線粒體DNA突變線粒體是自由基濃度最高的細胞器，氧化磷酸化過程中，1-4%的氧轉(zhuǎn)為活性氧(ROS)。mtDNA裸露，易受傷害發(fā)生突變，mtDNA復(fù)制的聚合酶γ沒校正功能，復(fù)制錯誤頻率高。mtDNA突變使呼吸鏈受損，自由基堆積，循環(huán)腦、心、骨骼肌的氧負荷最大，是最易衰老組織5.體細胞突變與DNA修復(fù)

外源理化因子，內(nèi)源自由基均可損傷DNA，使體細胞突變。輻射可致年輕的哺乳動物出現(xiàn)衰老癥狀，與個體正常衰老相似。正常機體存在DNA修復(fù)機制，可使損傷DNA修復(fù)，年齡增加修復(fù)能力下降，使DNA錯誤累積，最終細胞衰老死亡。DNA的修復(fù)并不均一，轉(zhuǎn)錄活躍基因被優(yōu)先修復(fù)，在同一基因中轉(zhuǎn)錄區(qū)被優(yōu)先修復(fù)，徹底的修復(fù)僅發(fā)生在細胞分裂的DNA復(fù)制時期，這是干細胞能永保青春的原因。6．重復(fù)基因失活真核生物基因組中存在大量重復(fù)序列。主要基因的選擇性重復(fù)是基因組的保護機制，也是決定細胞衰老的因素，重復(fù)基因的一個拷貝受損或關(guān)閉后，其它拷貝被激活，直到最后一份拷貝用完，細胞因缺少某種重要產(chǎn)物而衰亡。小鼠肝細胞重復(fù)基因的轉(zhuǎn)錄靈敏度隨年齡增加而降低，哺乳動物rRNA基因數(shù)隨年齡增加而減少（二）遺傳學(xué)說衰老是遺傳決定的自然演進過程，一切細胞均有內(nèi)在的預(yù)定程序決定其壽命，而細胞壽命又決定種屬壽命的差異，外部因素只能使細胞壽命在限定范圍內(nèi)變動1．程序性衰老

(programmedsenescence)生物的生長、發(fā)育、衰老和死亡都由基因程序控制，衰老是某些基因依次開啟或關(guān)閉的結(jié)果。小鼠肝中，胚胎早期表達的胞質(zhì)丙氨酸轉(zhuǎn)氨酶為A型，隨后停止表達，在衰老時表達B型。其它類似的衰老標志物(markers):如肝中的衰老標志蛋白2也是在老年期表達。衰老還與神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)退行性變化及免疫系統(tǒng)的程序性衰老有關(guān)。2．細胞衰老的端粒假說細胞增殖次數(shù)與端粒有關(guān)。體細胞染色體端粒DNA隨細胞分裂次數(shù)增加而縮短。細胞DNA復(fù)制1次端粒縮短1段，至Hayflick點時，啟動DNA損傷檢測點，不可逆退出細胞周期，走向衰亡。人成纖維細胞端粒每年縮短14-18bp，染色體的端粒具細胞分裂計數(shù)器的功能。端粒長度與端粒酶活性有關(guān)，端粒酶是一種反轉(zhuǎn)錄酶，由RNA和蛋白質(zhì)組成，所含的RNA是合成端粒DNA的模板，而所含的反轉(zhuǎn)錄亞基則催化端粒DNA的合成。生殖細胞、干細胞和腫瘤細胞端粒酶活性較高，正常體細胞端粒酶活性低，呈抑制狀態(tài)3．長壽基因（longevitygenes）各種動物都有相當恒定的平均壽命和最高壽命，成人早衰癥(Werner‘ssyndrome)病人平均39歲時出現(xiàn)衰老，47歲左右死亡，患嬰幼兒早衰癥的小孩在1歲時出現(xiàn)明顯衰老，12-18歲夭折。由此看物種壽命主要取決于遺傳物質(zhì)，DNA鏈上可能存在“長壽基因”或“衰老基因”決定個體壽限.

一個37歲的成人早衰癥患者

正常兒童（左）和嬰幼兒早衰癥患者細胞衰老時，衰老相關(guān)基因(SAG)表達活躍，人1號、4號及X染色體上發(fā)現(xiàn)SAG。線蟲均壽命3.5d,age-1突變,提高均壽命65%，最大壽命110%,該突變型有較強的抗氧化酶活性早老綜合癥患者體內(nèi)解旋酶基因存在突變，該基因位于8號染色體短臂，稱WRN基因。淀粉樣蛋白前體基因(APP)突變，導(dǎo)致基因產(chǎn)物β淀粉樣蛋白易于在腦組織中沉積，引起AD。第二節(jié)細胞壞死與凋亡死亡是生命的普遍現(xiàn)象，但細胞死亡并非與機體死亡同步。正常組織中，常發(fā)生“正?！钡募毎劳?，它是維持組織機能和形態(tài)所必需。細胞死亡的方式通常有2種：①細胞壞死(necrosis)。②細胞凋亡(apoptosis)。一、細胞壞死細胞受到化學(xué)因素(如酸、堿、毒物)、物理因素(如熱、輻射)和生物因素(如病原體)等環(huán)境因素傷害，引起細胞死亡的現(xiàn)象。是一種被動死亡細胞壞死初期，細胞質(zhì)膜通透性增加，線粒體和ER腫脹、崩解，結(jié)構(gòu)脂滴游離、空泡化，蛋白質(zhì)顆粒增多，核發(fā)生固縮。胞質(zhì)蛋白變性、凝固或碎裂，嗜堿性核蛋白降解，細胞質(zhì)呈強嗜酸性，壞死細胞蘇木精/伊紅染色，胞質(zhì)呈紅色，原有微細結(jié)構(gòu)消失壞死后期，細胞膜破裂，細胞內(nèi)容物流出，引起周圍組織炎癥反應(yīng)。細胞壞死與凋亡的形態(tài)區(qū)別

二、細胞凋亡(cellapoptosis)又稱程序性細胞死亡(PCD)：是細胞接受基因指令后的主動死亡。凋亡的細胞散落在正常組織中，無炎癥反應(yīng)，不遺留疤痕。死亡細胞的碎片很快被巨噬細胞或相鄰細胞所清除，不影響其它細胞的功能程序性細胞死亡表現(xiàn)出明顯的形態(tài)學(xué)特征：①核酸內(nèi)切酶活化，使染色質(zhì)DNA在核小體連接部位斷裂，形成約200bp整數(shù)倍的核酸片段，凝膠電泳圖譜呈梯狀；②染色質(zhì)在核膜下聚集成染色質(zhì)塊，細胞不斷脫水，胞質(zhì)凝縮，核膜在核孔處斷裂，細胞以出芽方式形成凋亡小體（apoptoticbody）；③凋亡小體內(nèi)有結(jié)構(gòu)完整的細胞器、凝縮的染色質(zhì)，可被鄰近細胞吞噬消化，始終有膜封閉，沒內(nèi)溶物釋放，不引起炎癥。細胞凋亡和細胞壞死的區(qū)別區(qū)別點細胞凋亡細胞壞死起因生理或病理性病理性變化或劇烈損傷范圍單個散在細胞大片組織或成群細胞細胞膜保持完整破損染色質(zhì)凝聚在核膜下呈半月狀呈絮狀細胞器無明顯變化腫脹、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)崩解細胞體積固縮變小腫脹變大凋亡小體有，被鄰近細胞或巨噬細胞吞噬無，細胞自溶，殘余碎片被巨噬細胞吞噬基因組DNA有控降解，電泳圖譜呈梯狀隨機降解，電泳圖譜呈涂抹狀蛋白質(zhì)合成有無調(diào)節(jié)過程受基因調(diào)控被動進行炎癥反應(yīng)無，不釋放細胞內(nèi)容物有，釋放內(nèi)容物。左:正常胸