第16章細(xì)胞死亡與細(xì)胞衰老Homeostasis穩(wěn)態(tài)MitosisApoptosis細(xì)胞增殖和細(xì)胞死亡對(duì)生物體具有同樣重要的意義細(xì)胞死亡的分類根據(jù)形態(tài)特征來(lái)分:凋亡；壞死；自噬根據(jù)酶學(xué)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)分:caspase依賴的細(xì)胞死亡；caspase非依賴的細(xì)胞死亡等根據(jù)功能方面來(lái)分:程序性或意外細(xì)胞死亡,生理性或病理性細(xì)胞死亡根據(jù)免疫學(xué)特征來(lái)分:引起免疫反應(yīng)和不引起免疫應(yīng)答的細(xì)胞死亡第一節(jié)細(xì)胞死亡細(xì)胞死亡往往受細(xì)胞內(nèi)由遺傳機(jī)制決定的“死亡程序”控制，特定的基因表達(dá)，是“主動(dòng)”而非“被動(dòng)”的過(guò)程。也稱為程序性細(xì)胞死亡（programmedcelldeathPCD）。細(xì)胞死亡的方式：1.細(xì)胞凋亡（apoptosis）2.壞死（necrosis）3.自噬性細(xì)胞死亡（autophagiccelldeath）JunyingYuan,Ph.§apoptosis（apo-ptosis）源自古希臘語(yǔ)，意指花瓣或樹(shù)葉的脫落、凋零。（2）Caspase的激活及其級(jí)聯(lián)效應(yīng)衰老的成纖維細(xì)胞的不同形態(tài)學(xué)改變Homeostasis穩(wěn)態(tài)是只分裂了20代的年輕成纖維細(xì)胞，呈現(xiàn)薄層、細(xì)長(zhǎng)的形態(tài)；具有自我“清理”功能：降解錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)多聚物；p53通過(guò)激活凋亡正調(diào)節(jié)因子的轉(zhuǎn)錄來(lái)促進(jìn)凋亡，同時(shí)還能夠抑制抗凋亡因子的轉(zhuǎn)錄圖16-11酵母中細(xì)胞自噬的信號(hào)調(diào)控Biochemistry(Moscow),2005,70,(2):231-239壞死（necrosis）1090cells-131cellsdeath=959cellsPRIZEDHorvitz,andSulstonsharePhysiologyorMedicineNobel1090–131=959(cells)氧化損傷理論認(rèn)為，衰老現(xiàn)象是由生命活動(dòng)中代謝產(chǎn)生的活性氧成分造成的損傷積累引起的。是只分裂了20代的年輕成纖維細(xì)胞，呈現(xiàn)薄層、細(xì)長(zhǎng)的形態(tài)；一、細(xì)胞凋亡§細(xì)胞凋亡是受基因控制的主動(dòng)的細(xì)胞生理性自殺或謀殺行為§1972年，澳大利亞病理學(xué)家Kerr提出細(xì)胞凋亡（apoptosis）§apoptosis（apo-ptosis）源自古希臘語(yǔ)，意指花瓣或樹(shù)葉的脫落、凋零。這一命名的生物學(xué)意義在于強(qiáng)調(diào)這種細(xì)胞死亡方式是正常的生理過(guò)程（一）細(xì)胞凋亡的特征凋亡的起始凋亡小體的形成吞噬（Phagocytosis）（二）細(xì)胞凋亡的檢測(cè)方法1.形態(tài)學(xué)觀察——染色法臺(tái)盼藍(lán)；DAPI；吉姆薩染色法等圖16-2DAPI染色顯示凋亡細(xì)胞的染色質(zhì)凝集A.正常細(xì)胞核B.凋亡細(xì)胞核2.DNA電泳凋亡時(shí)，細(xì)胞內(nèi)特異性核酸內(nèi)切酶活化，染色質(zhì)DNA在核小體間被特異性切割，DNA降解成180～200bp或其整數(shù)倍片段圖16-3細(xì)胞凋亡的典型特征——DNA梯狀條帶（DNAladders）3.DNA斷裂的原位末端標(biāo)記法圖16-4原位末端標(biāo)記法顯示斑馬魚胚胎發(fā)育過(guò)程中的細(xì)胞凋亡4.彗星電泳法正常細(xì)胞的核無(wú)DNA斷裂泳動(dòng)時(shí)保持圓球形凋亡細(xì)胞中的DNA降解片段在電場(chǎng)中泳動(dòng)速度較快，細(xì)胞核呈現(xiàn)出慧星式圖案5.流式細(xì)胞分析左圖：正常細(xì)胞周期右圖：地塞米松處理的細(xì)胞在G1峰左側(cè)可見(jiàn)一典型的凋亡峰型（亞二倍體峰）6.檢測(cè)細(xì)胞膜成分變化檢測(cè)磷脂酰絲氨酸的外翻檢測(cè)caspases的激活檢測(cè)Cytc的釋放檢測(cè)線粒體膜電位的變化等凋亡早期的細(xì)胞膜損傷細(xì)胞凋亡早期，位于細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)的磷脂酰絲氨酸（PS）迅速翻轉(zhuǎn)到細(xì)胞膜外側(cè)，使得PS暴露在細(xì)胞膜表面，可以用PS與抗凝血?jiǎng)〢nnexinV的相互作用檢測(cè)外翻的PS（三）細(xì)胞凋亡的生理學(xué)及醫(yī)學(xué)意義

§細(xì)胞凋亡在正常發(fā)育、自穩(wěn)態(tài)的維持、免疫耐受的形成、腫瘤監(jiān)控等過(guò)程中均發(fā)揮重要作用確保正常發(fā)育、生長(zhǎng)維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定發(fā)揮積極的防御功能§凋亡失調(diào)：不恰當(dāng)激活或抑制；過(guò)度凋亡導(dǎo)致疾病AIDS：HIV誘導(dǎo)淋巴細(xì)胞凋亡自身免疫疾?。杭せ畹牧馨图?xì)胞凋亡缺陷（ALPS）癌癥：凋亡缺陷老年癡呆/中風(fēng)：過(guò)多神經(jīng)細(xì)胞凋亡圖16-5細(xì)胞凋亡使得神經(jīng)細(xì)胞與靶細(xì)胞的數(shù)量相匹配動(dòng)物蛻變過(guò)程中幼體器官的縮小和退化

（如蝌蚪尾的消失等）也是通過(guò)細(xì)胞凋亡來(lái)實(shí)現(xiàn)的高等哺乳類動(dòng)物指（趾）間蹼的消失、顎融合、腸管腔道的形成、視網(wǎng)膜發(fā)育等過(guò)程都必須有細(xì)胞凋亡的參與細(xì)胞凋亡參與了免疫耐受的形成機(jī)體通過(guò)細(xì)胞凋亡來(lái)剔除受到環(huán)境傷害或被病原體感染的細(xì)胞（四）細(xì)胞凋亡的分子機(jī)制§動(dòng)物細(xì)胞的凋亡誘導(dǎo)因子大致分為：①物理性因子：包括射線（紫外線、γ射線等），較溫和的溫度刺激（如熱激、冷激）等；②化學(xué)及生物因子：包括活性氧基團(tuán)和分子（超氧自由基、羥自由基、H2O2）、鈣離子載體、VK3、視黃酸、細(xì)胞毒素、DNA和蛋白質(zhì)合成的抑制劑（如環(huán)已亞胺）、正常生理因子（激素，細(xì)胞生長(zhǎng)因子等）的失調(diào)，以及凋亡因子如腫瘤壞死因子α（tumornecrosisfactorα,TNFα）處理等。§動(dòng)物細(xì)胞凋亡的階段接受凋亡信號(hào)；凋亡相關(guān)分子的活化；凋亡的執(zhí)行；凋亡細(xì)胞的清除§動(dòng)物細(xì)胞凋亡的途徑Caspase依賴性和不依賴于Caspase的細(xì)胞凋亡1.Caspase(Cysteineasparticacidspecificprotease)§caspases是一組存在于細(xì)胞質(zhì)中具有類似結(jié)構(gòu)的蛋白酶§它們的活性位點(diǎn)均包含半胱氨酸殘基，能夠特異地切割靶蛋白天冬氨酸殘基后的肽鍵。因此，caspases稱之為天冬氨酸特異性的半胱氨酸蛋白水解酶§caspases負(fù)責(zé)選擇性地切割某些蛋白質(zhì)，切割的結(jié)果是使靶蛋白活化或失活，而非完全降解§caspases通常以無(wú)活性酶原形式存在于細(xì)胞質(zhì)中PRIZED

Horvitz,andSulstonsharePhysiologyorMedicineNobel（2002）

“fortheirdiscoveriesconcerninggeneticregulationoforgandevelopmentandprogrammedcelldeath”1090–131=959(cells)（1）Caspase分類及其結(jié)構(gòu)（2）Caspase的激活及其級(jí)聯(lián)效應(yīng)（2）Caspase的激活及其級(jí)聯(lián)效應(yīng)2.Caspase依賴性細(xì)胞凋亡途徑

死亡受體起始的外源途徑起始于死亡配體與受體的結(jié)合死亡配體主要是腫瘤壞死因子（TNF）家族成員；胞質(zhì)部分均含有死亡結(jié)構(gòu)域，負(fù)責(zé)招募凋亡信號(hào)通路中的信號(hào)分子線粒體起始的內(nèi)源途徑內(nèi)源途徑中，線粒體處于中心地位當(dāng)細(xì)胞受內(nèi)外部凋亡信號(hào)刺激時(shí)，胞內(nèi)線粒體的外膜通透性會(huì)發(fā)生改變，向細(xì)胞質(zhì)中釋放凋亡相關(guān)因子，引發(fā)細(xì)胞凋亡Caspase依賴性細(xì)胞凋亡信號(hào)途徑（1）死亡受體起始的外源途徑（2）線粒體起始的內(nèi)源途徑（2）線粒體起始的內(nèi)源途徑2002年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)秀麗隱桿線蟲C.elegans，透明，長(zhǎng)僅1mm，體細(xì)胞959個(gè)1090cells-131cellsdeath=959cellsPathwaystocelldeathinC.elegansandmammalsJunyingYuan,Ph.D.袁鈞瑛XiaodongWang,Ph.D.王曉東發(fā)現(xiàn)哺乳動(dòng)物細(xì)胞中Ced3的同源蛋白白介素-1β轉(zhuǎn)換酶建立了細(xì)胞凋亡內(nèi)源途徑的模型bcl-2family抑制細(xì)胞凋亡促進(jìn)細(xì)胞凋亡促進(jìn)細(xì)胞凋亡3.Caspase非依賴性的細(xì)胞凋亡

凋亡誘導(dǎo)因子

（apoptosisinducingfactor，AIF）限制性內(nèi)切核酸酶GBiochemistry(Moscow),2005,70,(2):231-239Find-meand

eat-mesignal4.穿孔蛋白－顆粒酶介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡NatureReviewsImmunology,2002,2,735-7475.生死抉擇：細(xì)胞凋亡的調(diào)控生存因子通過(guò)調(diào)節(jié)Bcl-2家族成員的活性及表達(dá)抑制細(xì)胞凋亡的發(fā)生p53通過(guò)激活凋亡正調(diào)節(jié)因子的轉(zhuǎn)錄來(lái)促進(jìn)凋亡，同時(shí)還能夠抑制抗凋亡因子的轉(zhuǎn)錄ERS反應(yīng)引發(fā)的細(xì)胞凋亡Nature,2006,443,796-802二、細(xì)胞壞死Fig.1TEMofanecroticcellFig.2TEMofanapoptotic(A)andanormal(N)cellFig.3SEMofanecroticcellFig.4SEMofanapoptoticcell細(xì)胞凋亡細(xì)胞壞死細(xì)胞膜不破裂發(fā)生破裂細(xì)胞核固縮，DNA片段化，進(jìn)入凋亡小體彌漫性降解細(xì)胞質(zhì)由質(zhì)膜包圍形成凋亡小體溢出，細(xì)胞破裂成碎片細(xì)胞質(zhì)生化改變?nèi)苊阁w的酶增多溶酶體解體蛋白質(zhì)合成、能量消耗有無(wú)基因活動(dòng)由基因調(diào)控?zé)o基因調(diào)控自吞噬常見(jiàn)缺少線粒體自身溶酶體吞噬腫脹誘發(fā)因素生理性信號(hào)理化、病理信號(hào)誘導(dǎo)對(duì)個(gè)體影響生長(zhǎng)、發(fā)育、生存所必需引起炎癥三、自噬性細(xì)胞死亡細(xì)胞自噬是通過(guò)溶酶體與雙層膜包裹的細(xì)胞自身物質(zhì)融合，降解自身物質(zhì)的過(guò)程。細(xì)胞自噬是促使細(xì)胞存活的自我保護(hù)機(jī)制。細(xì)胞面臨代謝壓力時(shí)，降解自身蛋白質(zhì)大分子或細(xì)胞器，為細(xì)胞生存提供原料或ATP具有自我“清理”功能：降解錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)多聚物；功能失常的細(xì)胞器；細(xì)胞內(nèi)的病原體圖16-10細(xì)胞自噬的特征及過(guò)程圖16-11酵母中細(xì)胞自噬的信號(hào)調(diào)控四、植物細(xì)胞與酵母細(xì)胞的程序性死亡1.植物細(xì)胞的程序性死亡程序性細(xì)胞死亡在正常的植物發(fā)育進(jìn)程以及對(duì)環(huán)境脅迫，如缺氧、高鹽等的反應(yīng)和病原體入侵引發(fā)的過(guò)敏反應(yīng)中廣泛存在植物細(xì)胞程序性死亡細(xì)胞的殘余物被細(xì)胞壁固定在原位，不是被周圍細(xì)胞吞噬，而是被自身液泡中的水解酶消化能夠誘導(dǎo)植物細(xì)胞發(fā)生程序性死亡的因素有多種，主要包括活性氧和植物激素等圖16-12植物細(xì)胞程序性死亡的形態(tài)學(xué)模式圖四、植物細(xì)胞與酵母細(xì)胞的程序性死亡2.酵母細(xì)胞的程序性死亡酵母程序性死亡的形態(tài)學(xué)特征與動(dòng)物細(xì)胞凋亡類似：DNA發(fā)生凝聚、邊緣化和斷裂，Cytc從線粒體釋放等酵母的細(xì)胞程序性死亡機(jī)制與動(dòng)物細(xì)胞的凋亡機(jī)制有類似之處酵母程序性死亡的生理意義第二節(jié)細(xì)胞衰老正常成纖維細(xì)胞衰老的成纖維細(xì)胞的不同形態(tài)學(xué)改變1090–131=959(cells)圖16-12植物細(xì)胞程序性死亡的形態(tài)學(xué)模式圖XiaodongWang,Ph.oforgandevelopmentandprogrammedcelldeath”464:520–528§它們的活性位點(diǎn)均包含半胱氨酸殘基，能夠特異地切割靶蛋白天冬氨酸殘基后的肽鍵。具有自我“清理”功能：降解錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)多聚物；氧化損傷理論認(rèn)為，衰老現(xiàn)象是由生命活動(dòng)中代謝產(chǎn)生的活性氧成分造成的損傷積累引起的。LeonardHayflickin1988NatRevMolCellBiol,2000,1(1):72-76是分裂了55次的老的成纖維細(xì)胞，開(kāi)始衰退，并很快死亡一、細(xì)胞衰老的概念及特征細(xì)胞衰老主要指復(fù)制衰老，是體外培養(yǎng)的正常細(xì)胞經(jīng)過(guò)有限次數(shù)的分裂后，停止生長(zhǎng)，細(xì)胞形態(tài)和生理代謝活動(dòng)發(fā)生顯著改變的現(xiàn)象。1958年Hayflick等人證實(shí)人成纖維細(xì)胞的復(fù)制能力是有限的，首次提出了細(xì)胞水平上的“衰老”現(xiàn)象，稱為“Hayflick界限”。LeonardHayflickin1988NatRevMolCellBiol,2000,1(1):72-76NatRevMolCellBiol,2000,1(1):72-76圖

年輕和年老的人二倍體細(xì)胞（WI-38細(xì)胞株）

是只分裂了20代的年輕成纖維細(xì)胞，呈現(xiàn)薄層、細(xì)長(zhǎng)的形態(tài)；

是分裂了55次的老的成纖維細(xì)胞，開(kāi)始衰退，并很快死亡Hayflick精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)?zāi)贻p女性細(xì)胞(間期可見(jiàn)巴氏小體)+

年老男性細(xì)胞(間期無(wú)巴氏小體)

混合培養(yǎng)(一樣的外部環(huán)境)

年輕女性細(xì)胞倍增次數(shù)多于年老男性細(xì)胞★細(xì)胞衰老的過(guò)程是由細(xì)胞自身決定的,而非環(huán)境因素體外培養(yǎng)細(xì)胞衰老的生物學(xué)特征生長(zhǎng)停滯，細(xì)胞停止分裂，并且這種停滯是不可逆的，即使添加生長(zhǎng)因子也無(wú)濟(jì)于事衰老相關(guān)的β-半乳糖苷酶的活化圖16-13衰老相關(guān)β-半乳糖苷酶染色區(qū)分年輕和衰老的人胚胎成纖維細(xì)胞IMR-90二、細(xì)胞衰老的分子機(jī)制復(fù)制性衰老與端粒縮短學(xué)說(shuō)Nature,2010,464:520–528（一）復(fù)制衰老的機(jī)制（二）壓力誘導(dǎo)的早熟性衰老氧化損傷理論認(rèn)為，衰老現(xiàn)象是由生命活動(dòng)中代謝產(chǎn)生的活性氧成分造成的損傷積累引起的?；钚匝醭煞职ǔ蹶庪x子、過(guò)氧化氫和羥自由基?；钚匝醭煞謱?duì)生物大分子均有損傷作用，而且還會(huì)使線粒體DNA發(fā)生特異性的突變（三）單細(xì)胞生物的衰老圖16-15酵母中ERC生成示意圖三、細(xì)胞衰老與個(gè)體衰老的關(guān)系迄今未有實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明體外培養(yǎng)細(xì)胞的衰老現(xiàn)象與個(gè)體的衰老有直接的關(guān)聯(lián)細(xì)胞衰老可以看做是有機(jī)體在長(zhǎng)期演化過(guò)程中形成的