细胞生物学基础第十三章细胞的衰老和凋亡

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1、细胞生物学基础第十三章细胞的衰老和凋亡 人类自出生总要经过生长 发育 成熟 衰老直至死亡的几个阶段 这是生命的必然规律 有机体是由无数个细胞组成 因此 在探讨衰老与死亡时离不开细胞 对多细胞生物而言 细胞的衰老死亡和机体的衰老死亡是两个概念 细胞的衰老死亡并不等于机体的衰老死亡 因为在有机体发育的不同阶段 机体内总是有细胞在不断衰老与死亡 但细胞的衰老与机体的衰老却又是密切相关的 大多数机体细胞都要经未分化 分化到衰老直至死亡的历程 因此 机体的衰老是以细胞总体的衰老为基础的 细胞是生命活动的基本单位 对细胞衰老过程的研究必然为老年学 甚至为肿瘤生物学的研究提供依据 第一节细胞衰老细胞衰老 c

2、ellsenescence 也称细胞老化 cellaging 一般指细胞在形态与生化成分上的改变 进而发生生理功能障碍的现象 这是一个缓慢行进 随细胞年龄增高而加剧的过程 现代人类面临着三种衰老 第一种是生理性衰老 这是一切生物的普遍规律 第二是病理性衰老 使衰老现象提前发生 这种衰老又称为早衰 第三种是心理性衰老 是由于各种原因 所产生未老先衰的心理状态而影响机体的整体功能 对多细胞生物而言 细胞的衰老和死亡是两个不同的概念 机体的衰老并不等于所有细胞衰老 但细胞的衰老是同机体的衰老紧密相关 正常人的成纤维细胞 在体外培养条件下 即使条件适宜 其分裂次数也是有限的 并最终停止分裂而死亡 Ha

3、yflick界限1961年Hayflick等报道 体外培养的人成纤维细胞具有增殖分裂的极限 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50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15 30代就开始死亡 体外培养的年轻和老的人成纤维细胞的显微形态 只分裂了几代的年轻成纤维细胞 呈现薄层 细长的形态 分离了50次的老的成纤维细胞 开始衰退 并很快死亡 细胞体外衰老实验Hayflick等还发现 动物体细胞在体外可传代的次数与物种的寿命有关 例如寿命为3年的小鼠 其培养细胞在体外的传代次数只有12次 而龟的寿命可达200年 细胞可以传140代 胎儿肺成纤维

4、细胞可在体外条件下传代50次 而成人肺成纤维细胞只能传代20次 可见细胞的增殖能力与供体的年龄有关 早老症 Hayflick Guilford综合症 及Werner氏综合症患者的成纤维细胞在体外只能传代2 4次 其DNA合成亦较少 且细胞表面不具有正常成纤维细胞所具有的HLA 人白细胞抗原 抗原标记 早老症儿童与正常儿童的比较 左边是正常健康的9岁儿童 右边是一个患早老症的8岁儿童 Hayflick的工作表明 细胞 至少是培养的细胞 不是不死的 而是有一定寿命的 他们的增殖能力不是无限的 而是有一定的界限 这就是著名的Hayflick界限 细胞衰老的决定Hayflick为了确定培养的二倍体细胞

5、的衰老是细胞本身决定的还是由于培养环境的恶化造成的 他又设计了巧妙的试验 将取自老年男性细胞 无巴氏小体 和年轻女性个体细胞 间期可见巴氏小体 进行单独或混合培养 结果混合培养中的两类细胞的倍增次数与各自单独培养时相同 即在同一培养基中 当年轻的细胞旺盛增殖时的同时 年老的细胞就停止生长了 结果说明 决定细胞衰老的因素在细胞内部 而不是外部的环境 年轻的细胞质与年老的完整细胞融合时 得到的杂种细胞不能分裂 而年老的细胞质与年轻的完整细胞融合时 杂种细胞的分裂能力与年轻细胞几乎相同 结果说明 是细胞核而不是细胞质决定了细胞衰老的表达 至此 Hayflick界限为广大的研究者所接受 认为适用于很多

6、种类型的细胞 对于这些细胞来说 衰老是不可避免的 衰老的原因在于细胞本身 为了更进一步的探究体外培养的二倍体细胞衰老的控制机理 他们又作了一个试验 就是用细胞松弛素B处理细胞 然后离心除去细胞核 得到胞质体 在用胞质体与完整细胞进行杂交观察杂种细胞衰老的表达 细胞在体内条件下的衰老在机体内 细胞的衰老和死亡是常见的现象 甚至在个体发育的早期也会发生 正常情况下终生保持分裂的细胞 其分裂能力是否随着有机体年龄的增高而下降 它们会不会衰老 通过研究发现 终生保持分裂的小鼠上皮细胞 随着年龄的增高 细胞周期长度明显延长 究其原因 衰老动物体内 细胞分裂速度显著减慢 其原因主要主要是G1期明显延长 分

7、裂速度减慢 而S期的长度变化不大 衰老个体内的环境因素影响了细胞的增殖和衰老当用近交系小鼠进行系列皮肤移植实验时 即当F1变老时 移植到F2身上 依次进行延续移植 发现移植的皮肤可生活7 8年 远远超过其原来供体的寿命 这表明衰老个体内的环境因素影响了上皮细胞的增殖和衰老 骨髓干细胞移植实验说明随着年龄的增加 干细胞增殖速度也趋缓慢另外 如果将老年动物进行强辐射处理 破坏其免疫干细胞 然后植入年轻动物的骨髓干细胞 可观察到年老受体动物细胞免疫功能复壮 而如果移植的骨髓干细胞是来自年老的动物 那么免疫反应就仍然保持在较低的水平上 不会复壮 其关键在于供体与受体的年龄组合 如此得出的结论是 老年动

8、物干细胞的免疫缺陷只是在老年受体中才表达 老年动物体内似乎存在有阻抑细胞或阻抑因子 抑制了免疫反应 衰老细胞结构的变化细胞在衰老过程中大致有以下主要特征 细胞核结构的衰老变化中最明显的是核膜的内折和染色质固缩化 染色体端粒缩短 糙面内质网的总量减少 致密体的生成 线粒体的数量减少 而体积增大 与衰老关系紧密的是线粒体DNA突变 主要是缺失突变 线粒体DNA突变随年龄增大 并与衰老呈正相关 蛋白质合成速率降低 原因是由于核糖体的效率和准确性降低以及蛋白质合成的延伸因子的数量和活性降低所致 细胞质膜的粘性增加 流动性降低 膜系统通常处于凝胶相或固相 磷脂含量逐步下降 细胞的间隙连接明显减少 组成间

9、隙连接的膜内颗粒聚集体变小 细胞衰老的机理 细胞衰老是一个非常复杂的生理过程 许多学者在这方面作过广泛的研究 近几十年来 有关细胞衰老的机制 提出了许多假说 但这些假说只是从不同侧面和深度探索细胞衰老的原因 各自虽都有一定的科学依据 但大都不能解释衰老的全部机理 一 遗传程序论该学说认为衰老是遗传的程序化过程 衰老是特定基因控制的 1 DNA修复能力下降表现为不同物种的DNA修复能力与物种各自的平均寿命呈正相关 即高寿命的物种比低寿命的物种具有更大的DNA修复能力 同一物种内 个体的DNA修复能力与其所处的年龄呈负相关 即高龄个体的DNA修复能力小于低龄个体 认为 这种DNA修复能力下降是由于

10、基因因受损而表达异常 细胞功能失常 衰老逐渐形成 并认为修复能力是生物体长期进化的结果 由遗传因素决定 2 端粒丢失说Herley等人对染色体端粒进行研究发现 每个端粒都是由250 1500个TTAGGG重复顺序组成 是由端粒酶催化合成的 在正常体细胞中无端粒酶活性 不论何时进行细胞分裂 总有5 20个碱基对片段丧失 染色体将逐渐缩短 这样还有多少可利用的端粒碱基对数量 似乎就能预示细胞还能分裂多久 就象细胞的衰老钟一样 端粒记录着细胞的年龄并预言它的死亡 他们还发现癌细胞可产生端粒酶 合成端粒片段 以取代那些丢失的片段 Herley也提示 分裂着的细胞中端粒的不断丢失可促进动脉粥样硬化 骨关

11、节炎 骨质疏松症和糖尿病的发生 3 衰老基因学说统计学资料表明 子女的寿命与双亲的寿命有关 各种动物都有相当恒定的平均寿命和最高寿命 成人早衰症病人平均39岁时出现衰老 47岁生命结束 婴幼儿早衰症的小孩在1岁时出现明显的衰老 12 18岁即过早夭折 由此来看物种的寿命主要取决于遗传物质 DNA链上可能存在一些 长寿基因 或 衰老基因 来决定个体的寿限 研究表明 当细胞衰老时 一些衰老相关基因 SAG 表达特别活跃 其表达水平大大高于年轻细胞 已在人1号染色体 4号染色体及 染色体上发现SAG 在对线虫的研究中 发现基因确可影响衰老及寿限 Caenrhabditiselegans的平均寿命仅3

12、 5天 该虫age 1单基因突变 可提高平均寿命65 提高最大寿命110 age 1突变型有较强的抗氧化酶活性 对H2O2 农药 紫外线和高温的耐受性均高于野生型 在对早老综合症的研究中 发现体内解旋酶存在突变 该酶基因位于 号染色体短臂 称为Wrn基因 也有很多例子不符合甚至反对基因程序论 最突出的例子是饮食对蜜蜂的影响 蜂王吃王浆可活六年之久 而工蜂3 6个月 蜂王浆可是蜜蜂的寿命提高了20倍 他们的寿命不同不是由于昆虫遗传基因不同 他们的基因组是相同的 只是由于饮食的不同 二 自由基理论 free radicaltheory 自由基指带有未配对电子的粒子 因为带有单数电子 所以极不稳定

13、具有高度的化学反应性 很容易和周围的分子发生反应 从而生成新的自由基 自由基种类繁多 其中以超氧阴离子自由基 O2 羟自由基 OH 等活性氧簇自由基 reactiveoxygenspecies ROS 的研究最为深入 氧自由基的损伤作用 研究表明 自由基对生物体内大分子产生极大的危害作用 攻击的主要目标是质膜 细胞内膜系统 核内的DNA以及胞内的蛋白质 使质膜中的不饱和脂肪酸氧化 使蛋白质中的羧基氧化造成蛋白质交联 变性 酶钝化 使糖类化合物降解 使DNA链断裂 交联 碱基切除等 抑制蛋白质 核苷酸和脂肪酸的生物合成 细胞内清除过多的自由基的机制 通过细胞内部自身隔离 使产生自由基的物质或位点

14、与细胞其它组分分开 保护性酶 主要有超氧化物歧化酶 SOD 和过氧化氢酶 CAT 两者协同起保护性作用 其它抗氧化物分子 如维生素E和维生素C 它们都是自由基反应的有效终止剂 随着年龄的增长 机体内产生自由基以及防御自由基的系统之间的平衡被打破 自由基的累积增多 清除效率下降 同时伴随着衰老的发生 关于人类的衰老和寿命问题人类寿命有无极限 极限是多少 抗衰老 求长寿 古往今来 人之常情 时至今日 更为人们所关注 研究表明 哺乳动物自然寿命为生长发育期的5 7倍 借此推论 人类完成生长发育约在20 22周岁 自然寿命应是100 150岁 哺乳动物的自然寿命为性成熟的8 10倍 海弗里克 Hayf

15、lick 人体细胞可进行50次左右有丝分裂 每次细胞周期为2 4年 这样推论 人的寿命应在120岁左右 1 遗传与人类寿命 先天性 父辈主宰 父 母享有高寿 其子女往往也是高寿者 2 寿命与性别有关 人寿保险公司统计说明 性动物 性动物 女人 男人 为什么 众说纷纭 3 环境与人类寿命 后天因素多样错综复杂 体魄 环境 心理 社会 营养 疾病等 其中营养及体力活动较为重要 4 职业与人类寿命 职业作为一种重要的社会因素 对人类寿命有一定的影响 日本统计 从事管理工作人员 平均寿命最长 依次为国家机关工作人员 专业技术人员 商业工作人员 农业工作人员 一般生产工人 体力劳动者 矿工 总得说来 近

16、20年来 细胞衰老的研究取得了长足的进步 但离开真正揭示细胞衰老的本质 还要走很长的路 一旦揭开了细胞衰老的秘密 那么延缓衰老 延长寿命将成为可能 但辩证唯物主义告诉我们 真正的长生不老是不可能的 我们研究了解细胞衰老死亡规律 目的并不是为了避免死亡 而是要延缓细胞衰老的到来 我们讴歌生命 也不必诅咒死亡 有生必有死 无死亦无生 我们不赞成死亡 但长生不死是进化和发展的敌人 但愿我们每个人都能较长时间生活在这个美好的世界 为人类的进步与文明做更多的贡献 第二节细胞凋亡细胞凋亡 cellapoptosis 是借用古希腊语 表示细胞象秋天的树叶一样凋落的死亡方式 1972年Kerr最先提出这一概念 他发现结扎大鼠肝的左 中叶门静脉后 其周围细胞发生缺血性坏死 但由肝动脉供应区的实质细胞仍存活 只是范围逐渐缩小 其间一些细胞不断转变成细胞质小块 不伴有炎症 后在正常鼠肝中也偶然见到这一现象 在细胞凋亡一词出现之前 胚胎学家已观察到动物发育过程中存在着细胞程序性死亡 programmeddeath PCD 现象 近年来PCD和细胞凋亡常被做为同义词使用 但两者实质上是有差异的 首先 PCD是一