《中国药科大学人体解剖生理学课件丁启龙版第2章-4细胞衰老与凋亡》由会员分享，可在线阅读，更多相关《中国药科大学人体解剖生理学课件丁启龙版第2章-4细胞衰老与凋亡（37页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、四、细胞衰老和死亡,（一） 细胞衰老 1. 细胞衰老的概念 （1） 衰老(aging)：生物体的形态、结构和生理功能逐渐衰退的总现象。 有两层含义：一是其增殖分化的停止。二是其同时能够维持细胞的基本功能。,成年小鼠各类细胞的寿命,接近或等于自 身寿命的细胞,神经元、肾髓质、肌细胞,脂肪、胃酶原细胞,骨、肾上腺髓质细胞,缓慢更新的细 胞(长于30天),呼吸道上皮、肾上腺皮质细胞,肾皮质、皮肤结缔组织、肝细胞,胰脏腺泡及胰岛、唾液腺细胞,快速更新的细 胞(少于30天),皮肤表皮、角膜上皮细胞,口腔和胃肠道上皮细胞,红细胞、白细胞,细胞总体的衰老可以反映机体的衰老，而机体的衰老是以总体细胞的衰老为基
2、础的。根据细胞衰老速度不同将其分为三类：,Hayflick极限,体外培养的细胞增殖能力不是无限的，传代次数有一定的界限，称为“ Hayflick极限”。 传代次数与物种寿命有关：小鼠寿命3年，传代12次；龟寿命200年，传代140次。 传代次数与个体年龄成反比：人胚胎，40-60代； 幼年，20-40代；成年，10-30代；早老病儿童，2-10代。,体外培养细胞寿命与机体寿命成正比。细胞的增值能力与供体年龄有关。,（二）细胞衰老的表现： 主要表现为对环境变化适应能力的降低和维持细胞内环境能力的降低。 1.形态结构变化 细胞内水分减少：失去正常形态，代谢速率减慢。 细胞内色素沉积：脂褐质小体随年
3、龄增加而增多。 细胞膜的衰老变化：磷脂含量下降，膜变厚、流动性下降、物质转运障碍。,内膜系统的变化：内质网逐渐减少，高而基体囊泡肿胀、扁平囊泡断裂崩解，溶酶体功能减退、酶漏出细胞自溶。 细胞中的线粒体随年龄增大数目减少、体积增大。 细胞核的衰老变化：核固缩，常染色质减少，染色加深，核质比减小。 2.功能变化 （1）染色质转录活性下降。 （2）蛋白质合成下降，酶活性改变。,细胞在体内条件下衰老,原代小鼠,F1代小鼠,F2代小鼠,移植的皮肤细胞可存活78年。 小鼠的皮肤细胞在体内衰老的主要是体内环境。,（三）细胞衰老的特征： 1、普遍性 2、内生性 3、渐进性 4、累积性 5、危害性,（四） 细胞
4、衰老的学说 1、细胞磨损学说 1）错误成灾学说 差误成灾学说是由Orgel明确提出的，认为在DNA复制，转录和翻译中发生误差，这种误差可以不断扩大，造成细胞衰老、死亡。如DNA转录mRNA的过程发生微小的差异，带有该微小差异的mRNA会翻译出进一步偏离的蛋白质，该蛋白质如果属于DNA聚合酶会合成差异程度更大的DNA，这样的差错经过每一次信息传递都扩大一些，形成恶性循环，使细胞内积累许多差错分子造成灾难，细胞正常功能不能发挥，致使细胞衰老、死亡。,2）自由基学说： 正常代谢反应的中间产物每含自由基，对细胞会造成不可逆的损伤，如脂类的过氧化与大分子的交联，其后果是使胞内酶失活，以及象脂褐质一类的惰
5、性物质在胞内沉积。此说虽然无直接证据，但以抗氧化剂或自由基净化剂饲喂小鼠可延长寿命，或抑制脂褐质的形成。此外，抗氧化剂还有加强机体免疫反应，抑制肿瘤及自体免疫疾病等作用，都从侧面为此说提供了间接的证据，然而也有一些反面的实验结果。,3）大分子交联学说 该学说由Bjorksten于1963年提出的，后经Verzar加以发展。其主要论点是：机体中蛋白质，核酸等大分子可以通过共价交叉结合，形成巨大分子。这些巨大分子难以酶解，堆积在细胞内，干扰细胞的正常功能。这种交联反应可发生于细胞核DNA上，也可以发生在细胞外的蛋白胶原纤维中。目前有一些证据支持交联学说。皮肤胶原的可提取性以及胶原酶对其消化作用随增
6、龄降低，而其热稳定性和抗张强度则随年龄的增高而增强了；大鼠尾腱上的条纹数目及所具备的热收缩力随年龄的增高而增加，溶解度却随年龄增高而降低。这些结果表明，在年老时胶原的多肽链发生了交联，并日益增多。该学说与自由基学说有类似之处，亦不能说明衰老发生的根本机制。,2、遗传程序假说： 1)衰老基因学说 首先报道诱导永生细胞衰老实验的是Sugawara等人，用正常细胞和永生仓鼠细胞融合后，出现衰老表现。将人1号染色体导入永生仓鼠细胞则细胞出现衰老迹象。Sugawara等认为1号染色体上携有仓鼠永生细胞系的衰老基因。有人说细胞衰老是被激活的或在细胞增殖后期作用显著的基因控制的结果，由此认同了衰老基因的存在
7、，缺失这些基因使细胞发生永生化。正常细胞和肿瘤细胞杂交后，杂交细胞表现衰老，说明了正常细胞能够弥补肿瘤细胞在衰老程序中的缺陷。人们发现使细胞衰老的染色体似乎也有特异性，如对于同一种细胞导入2号染色体，细胞出现衰老表现，导入3、6、7、9、11或12号染色体细胞仍能继续生长，也没有形态的改变。 导入染色体可以使细胞从永生向衰老转变，不能就认为其上一定携有衰老基因，任何引起细胞功能下降的因素都可以导致衰老。从进化上讲，多细胞生物也没有必要强制性存在衰老基因。,2）基因阻遏平衡论 于1992年由吕占军教授提出，以后又作了部分补充。严格说该学说属于一种生命学说，因其不仅解释衰老也解释肿瘤和分化。该学说
8、同时考虑到衰老、分化和肿瘤现象，考虑到基因结构及组成，生物进化等多方面的问题，但其中的许多论点和直接实验依据尚在进一步地验证和提供过程中。,3、端粒学说端粒学说由Olovnikov提出，认为细胞在每次分裂过程中都会由于DNA聚合酶功能障碍而不能完全复制它们的染色体，因此最后复制DNA序列可能会丢失，最终造成细胞衰老死亡。 端粒是真核生物染色体末端由许多简单重复序列和相关蛋白组成的复合结构，具有维持染色体结构完整性和解决其末端复制难题的作用。端粒酶是一种逆转录酶，由RNA和蛋白质组成，是以自身RNA为模板，合成端粒重复序列，加到新合成DNA链末端。在人体内端粒酶出现在大多数的胚胎组织、生殖细胞、
9、炎性细胞、更新组织的增生细胞以及肿瘤细胞中。正因如此，细胞每有丝分裂一次，就有一段端粒序列丢失，当端粒长度缩短到一定程度，会使细胞停止分裂，导致衰老与死亡。,大量实验说明端粒、端粒酶活性与细胞衰老及永生有着一定的联系。第一个提供衰老细胞中端粒缩短的直接证据是来自对体外培养成纤维细胞的观察，通过对不同年龄供体成纤维细胞端粒长度与年龄及有丝分裂能力的关系观察到随着增龄，端粒的长度逐渐变短，有丝分裂的能力明显渐渐变弱；Hastie发现结肠端粒限制性片段的长度随供体年龄增加逐渐缩短，平均每年丢失33bp的重复序列；植物中不完整的染色体在受精作用中得以修复，而不能在已经分化的组织中修复，这在较为高等的真
10、核生物中也证实了体细胞中端粒酶的活性受抑制；精子的端粒要比体细胞长，体细胞缺失端粒酶活性就会逐渐衰老，而生殖细胞系的端粒却可以维持其长度；转化细胞能够通过端粒酶的活性完全复制端粒以得永生。,但是许多问题用端粒学说还不能解释。体细胞端粒长度与有丝分裂能力呈正比，这一点实验已经证实了，而不同的体细胞其有丝分裂能力是不尽相同的，胃肠黏膜细胞的分裂增殖速度就比较快，神经细胞分裂的速度就比较慢。曾有人就不同年龄供体角膜内皮细胞的端粒长度进行研究发现角膜内皮细胞内端粒长度长期维持在一个较高的水平，而端粒酶却不表达。另外，Kippling发现，鼠的端粒比人类长近5-10倍，寿命却比人类短的多。这些都提示体细
11、胞端粒长度与个体的寿命及不同组织器官的预期寿命并非一致。生殖细胞的端粒酶活性长期维持较高的水平却不会象肿瘤那样无限制分裂繁殖；端粒长度由端粒酶控制，那何种因素控制端粒酶呢？生殖细胞内端粒酶活性较高，为什么体细胞中没有较高的端粒酶活性。看来端粒的长度缩短是衰老的原因还是结果尚需进一步研究。,活性氧基团导致细胞损伤和衰老 （氧化损伤学说，自由基理论） 自由基(free radical):不成对电子或原子基团构 成的高度活化分子 O2超氧自由基；OH 羟自由基； 自由基与其他分子反应时产生的活性氧基团（ROS）导致细胞发生氧化性损伤。,衰老基因学说,衰老基因与抗衰老基因 衰老基因 人类：载脂蛋白E4
12、基因、淀粉样蛋 白基因 p16, p53 p21 RB基因 2. 抗衰老基因 WRN bcl-2,染色体端粒缩短与细胞衰老 端粒端 粒 钟 学 说（telomere clock theory) 端粒（telomere)是染色体末端特殊结构。 人类端粒（TTAGGG)n n=250-1500 端粒长度取决于端粒酶的活性。,stop,端 粒 长 度,（二） 细胞死亡,细胞死亡的形式：细胞坏死(necrosis)和 细胞凋亡(apoptosis)。 1.细胞坏死：生命现象不可逆的终止。由于多 种致病因子、物理、化学和生物因子 的作用，而产生的急性损伤致。亦称 病理性死亡。 2.细胞凋亡：由基因控制的
13、细胞自主的有序性 的死亡。因受相关基因的调控，亦称 程序性细胞死亡(progremmed cell death, PCD)。,胸腺细胞,正常,凋亡,细胞坏死与细胞凋亡的比较,细胞凋亡过程中的小鼠趾,一天以后中的小鼠趾,细胞凋亡,三. 细胞凋亡的特点,凋亡小体(apoptotic body)：胞膜内陷包围凝集断裂的染色质和细胞器形成的囊状小泡。 左侧示哺乳类乳腺细胞的凋亡，染色质凝集，核膜崩解。 右侧示哺乳类正常的乳腺细胞。,c 凋亡细胞 透射电镜,扫描电镜,a 正常T细胞杂交瘤细胞,b 凋亡细胞,正常细胞,细胞凋亡开始,染色质固缩， 沿核膜分布， 细胞质亦固缩,细胞膜反折，凋亡小体形成,染色体
14、形成串状片段，细胞器膨胀，线粒体基质呈絮状。,细胞膜破裂，细胞解体，机体炎症反应。,细胞坏死开始,细胞凋亡a.MOC,凋亡小体,back,染色质DNA降解,各种原因引起核酸内切酶活化使细胞凋亡发生基本生化改变。 DNA降解有规则，早期出现180200bp片断，琼脂糖凝胶电泳呈阶梯状。,200bp,400bp,600bp,800bp,哺乳动物细胞凋亡的基因调控,促进细胞增殖的基因： c-myc, c-abl, ras 促进细胞存活的基因： bcl-2(ced9的同源物), EIB, c-kit 细胞生长抑制基因： p53, RB, WT-1 细胞死亡促进基因： Bax, ICE(ced3的同源物),细胞凋亡与人类疾病,2002年10月7日英国人悉尼布雷诺尔、美国人罗伯特霍维茨和英国人约翰苏尔斯顿，因在器官发育的遗传调控和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。,
