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1、第十四章 细胞衰老、死亡与癌变,细胞衰老 细胞凋亡 癌细胞,1,14.1 细胞衰老 (cellular aging或cell senescence),衰老(senescing，aging):是机体在退化时期生理功能下降和紊乱的综合表现,是不可逆的生命过程。人的衰老与细胞的衰老相关联。,2,3,现代人类面临着3种衰老： 生理性衰老 病理性衰老（早衰） 心理性衰老,衰老是生命的普遍现象，发生在生态系统、群落、种群、个体、细胞以及分子等不同层次。,14.1.2 细胞的寿限,4,Hayflick界限(Hayflick Limitation）,1961年，Leonard Hayflick 首次报道了体外
2、培养的人的成纤维细胞(human fibroblasts)具有增殖分裂的极限。,体外培养的年轻和老的人成纤维细胞的显微形态,概念：细胞，至少是培养的细胞，不是不死的，而是有一定的寿命；它们的增殖能力不是无限的，而是有一定的界限，这就 是Hayflick界限。,细胞的寿限,5,5,1 11,成年小鼠各类细胞的寿命,6,细胞衰老的特征,7, 细胞内水分减少 色素生成和色素颗粒沉积 细胞质膜的流动性降低 线粒体发生突变 细胞核和内质网发生变化 细胞骨架体系发生变化 蛋白质合成降低,1 11,膜系统的变化: 衰老的细胞，其膜流动性降低、韧性减小 衰老细胞间间隙连接及膜内颗粒的分布也发生变化,细胞核的变
3、化 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 细胞核的核膜内折（invagination）、染色质固缩化,8,内质网的变化 衰老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减少了,线粒体的变化 通常，细胞中线粒体的数量随龄减少，而其体积则随龄增大,9,1 11,衰老的基因程序理论 细胞衰老的端粒假说 细胞衰老的线粒体损伤论 自由基理论 (free radical theory) 衰老的损伤积累理论,10,细胞衰老的机理,1 11,11,细胞衰老的机理,老人斑：自由基攻击细胞的见证,老年人皮肤上的老年斑（age spots）就是自由基对细胞破坏的见证,衰老的基
4、因程序理论 细胞衰老的端粒假说 细胞衰老的线粒体损伤论 自由基理论 (free radical theory) 衰老的损伤积累理论,1 11,某些生长因子和它们的作用 ： 表中除红细胞生成素外，其它生长因子都能激 活多种类型细胞的增殖。,14.2 细胞死亡,12,14.2.1 多细胞有机体中细胞数量和质量的控制, 信号控制细胞的增殖,1 11, Cdk抑制蛋白控制细胞增殖的质量,P53将细胞阻止在S期的机理,13, CDK抑制蛋白控制细胞增殖的质量,1 11,细胞的两种死亡方式及其比较,图14-6 细胞的两种死亡方式及其比较,14,细胞死亡,程序性细胞死亡(programmed cell de
5、ath,PCD):又称为细胞凋亡(apoptosis)是指为维持内环境稳定，由基因控制的细胞自主的有序性的死亡。,1、程序性细胞死亡的概念,2、细胞凋亡的特征,15,14.2.2 程序性细胞死亡,形态特征：细胞收缩，染色质包装分离；形成核碎片，细胞表面出芽或起泡形成凋亡小体。凋亡小体被吞噬细胞吞噬降解 。,16,程序性死亡细胞的形态结构变化,1 11,凋亡细胞的DNA梯状谱型,细胞凋亡的主要特征是内源性内切核酸酶将染色质切割成大小为200bp倍数的DNA 片段。,生化特征：,凋亡细胞tTG（组织转谷氨酰胺酶tissue Transglutaminase）积累并达到较高水平,17,3、细胞凋亡的
6、机理, 死亡激活期(activation phase)：接受死亡信号并做出反应，即接受指令并决定死亡。 死亡执行期(execution phase)：执行一套死亡程序。包括染色质凝集并边沿化、细胞收缩形成凋亡小体、被吞噬细胞吞噬和降解等。, 细胞凋亡过程：细胞凋亡由信号触发,18,19,2002年因程序性细胞死亡研究而获得诺贝尔生理学和医学奖,1 11,Early researches ( Robert Horrid , 1986),C elegans: a millimeter long, transparent body only a few cell types, from zygote
7、 to mature adult only in 3.5days.,20,1 11,秀丽新小杆线虫中参与细胞凋亡控制的基因,秀丽新小杆线虫,21,1 11,22,15个基因（大致可分为4组）分别在不同程度上与CE的PCD有关。,秀丽新小杆线虫细胞凋亡途径及相关基因,1 11,线虫体细胞凋亡研究：PCD相关基因15个，分为四组：,1、决定死亡的两个基因：ces-1、ces-2。 2、执行死亡的四个基因：ced-3、ced-4、ced-9 和 egl-1。 3、7个与吞噬相关的基因：ced-1、ced-2、5、6、7、10、11 4、核酸酶基因（nuc-1）, 控制DNA降解，但非PCD所必须。
8、保守性高，在哺乳动物中有相应同源物： Ced-3=ICE（白细胞介素被覆酶，属半胱氨酸蛋白酶家族）, Ced-4=Apaf-1, Ced-9=Bcl-2.,23,细胞凋亡由一大类蛋白家族执行 caspase,(1) Why called caspase?,Active site: Cysteine Cleavage site: Aspartic acid,Cysteine Aspartic acid specific protease,Caspase,天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶,24,caspase家族 天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶(caspase, cysteine - containin
9、g aspartate - specific proteases) 在特异的天冬氨酸残基之后切割靶蛋白的一类进化上保守的半胱氨酸蛋白酶。,25,How to activate caspases?,所有的caspases 以酶原的形式存在 Procaspases,procaspases 如何被激活成有活性的 caspase ? 被具有活性的Caspase激活！,26,1 11,蛋白酶解级联反应介导的程序性细胞死亡,27,1 11,Caspases的分类 起始者Caspase (Initiator)和执行者Caspase (Executioner) 1）起始者Caspases：包括-2,-8,-9
10、,-10等，对细胞凋亡的刺激信号作出反应，启动细胞的凋亡过程； 2）执行者Caspases：包括-3，-6，-7等，是在细胞凋亡过程中的具体执行者，完成对特定蛋白底物的水解,28,1 11,下游Caspase切割的靶蛋白,蛋白激酶：如FAK（黏着斑激酶）, PKC，PKB以及 Raf1. 核纤层蛋白：核纤层蛋白被切割，导致核纤层解体，核被膜浓缩 . 细胞结构蛋白： 如中间纤维，肌动蛋白和凝溶胶蛋白等被caspase切割后导致细胞形态的改变. 与DNA修复相关的酶类：如果这些酶类被caspase切割，合成的DNA难以保证正确，因而导致程序性细胞死亡。 caspase激活的DNase抑制蛋白：导致
11、DNase被激活，从细胞质转移到细胞核，与核DNA结合并将DNA切割成片段。,29,1 11,细胞凋亡信号转导的两大途径： 由死亡受体(FasR、TNFR）介导的外源途径。在这条途径中，caspase-8首先被激活 线粒体介导的内源途径。在这条途径中，caspase-9首先被激活。 细胞凋亡后期的共同途径：Caspase的激活,30,凋亡信号通路： 当细胞接受凋亡信号分子(Fas,TNF等)后，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(Adaptor protein)结合，这些衔接蛋白又募集Procaspases，聚集在受体部位的Procaspase相互活化并产生级联反应，使细胞凋
12、亡。,胞外信号分子诱导的细胞凋亡途径及作用物底,31,1 11,受体介导的程序性细胞死亡途径,32,胞外信号分子诱导的细胞凋亡途径及作用物底,33,下游Caspases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DNase结合蛋白，使DNase释放，降解DNA形成DNA 片段; 裂解参与细胞连接或附着的骨架和其他蛋白，使凋亡细胞皱缩、脱落，便于细胞吞噬； 导致膜脂PS重排，便于吞噬细胞识别并吞噬。,Bcl-2家族、线粒体与细胞凋亡的内源途径,分为两类： 抑制细胞凋亡： 如Bcl-2、Bcl-xL、Al、Bcl-w、Mcl-1 促进细胞凋亡： Bax、Bad、Bcl-xS、
13、Bik、Bax、Bid、Hrk,Bcl-2家族是一类原癌基因转录蛋白家族，是ced-9在哺乳类中的同源物，能促进细胞凋亡，也能抑制细胞凋亡；与线粒体及内质网膜相结合；,34,Bcl-2家族、线粒体与细胞凋亡的内源途径,35,何时细胞内信号可激发细胞凋亡发生： DNA损伤、胞质中钙离子浓度过高、极度氧胁迫等 正控制的内源信号：细胞色素C，凋亡蛋白酶激活因子（apoptotic protease-activating factor，Apaf） 负控制的内源信号：哺乳动物中的BCL-2和BCL-x蛋白 哺乳动物细胞中发现的Apaf-2即是CytC,线粒体介导的细胞凋亡途径,36,1 11,(2) 内
14、源途径: 线粒体介导的途径,各种细胞压力及损伤,Bcl-2 family: Bad or Bax 插入线粒体外膜，使外膜通透性增加,线粒体释放CytC(Apaf-2),与Apaf-1和 Procaspase9结合并将其活化成活化的caspase9,激活的caspase9激活下游执行Procaspase3、6、7,37,38,细胞凋亡和细胞坏死的区别？,引起死亡的原因不同； 死亡的过程不同； 产生的结果不同。,39,1 11,细胞坏死和细胞凋亡的区别,炎症反应,无炎症反应,40,41,4、细胞凋亡的生物学意义, 在形态建成中具有重要作用 ：细胞凋亡在小鼠脚趾形成中的作用, 在形态建成中具有重要作
15、用 消除不需要的器官结构 调节细胞的数量和质量,42,4、细胞凋亡的生物学意义,消除不需要的器官结构：蝌蚪向蛙发育的变态反应中细胞凋亡的作用, 在形态建成中具有重要作用 消除不需要的器官结构 调节细胞的数量和质量,43,4、细胞凋亡的生物学意义, 在形态建成中具有重要作用 消除不需要的器官结构 调节细胞的数量和质量, 调节细胞的数量和质量：细胞凋亡对发育中神经细胞数量的调节,1 11,形态学观察 1.光学显微镜观察 2.视频时差显微技术（video time-lapse microscopy） 3.电子显微镜观察 4.流式细胞技术 细胞化学测定 1. 膜联蛋白（annexin）V标记 2. 碘化丙啶（propidium iodide,PI）检测 3. DNA琼脂凝胶电泳法 4. DNA裂解的原位检测 5. 凋亡蛋白质酶（Caspase）-3及其底物的检测,5、细胞凋亡的检测方法,44,14.3 癌细胞,“Cancer”一词源于拉丁语“crab”，是用于描述一种由于体内组织的无限生长，最后夺去生命的疾病。,45,1
