细胞衰老与凋亡1

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1、第十三章,细胞衰老与凋亡,第一节 细胞的衰老,“生、老、病、死”是生命的四重奏。生物机体内大多数细胞都要经历未分化分化衰老死亡的历程。因此, 细胞总体的衰老反应了机体的衰老, 而机体的衰老是以总体细胞的衰老为基础的。 衰老(aging) ：通常将机体的形态、结构和生理功能逐渐衰退的总现象称为衰老，是不可逆的生命过程。生物体是由细胞组织起来的，组成细胞的化学物质在运动中不断受到内外环境的影响而发生损伤，造成功能退行性下降而老化。 细胞衰老是细胞生命活动的客观规律。对多细胞生物而言, 细胞的衰老和死亡与机体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的衰老, 但是细胞的衰老又是同机体

2、的衰老紧密相关的。 细胞的衰老与死亡是新陈代谢的自然现象。衰老过程发生在生物界的整体水平、种群水平、个体水平、细胞水平以及分子水平等不同的层次。,细胞也同生物体一样，有一定的寿命，体内总有细胞不断地衰老与死亡, 同时又有细胞的增殖与新生进行补充。 不仅在胚胎发育过程中，在成年体内的各组织器官中也有细胞的死亡。 各类细胞本身的寿命很不一样。 能够保持持续分裂能力的细胞是不容易衰老的。分化程度高又不分裂的细胞寿命却是有限的。,一、细胞的寿限,Hayflick界限(Hayflick life span) ,1961年，Hayflick 和 Moorhead报道，体外培养的人二倍体细胞表现出明显的衰老

3、、退化、和死亡的过程。 若将细胞数以1：2的比例（即一瓶细胞分为两瓶细胞）连续进行传代，则平均只能传4660代，此后细胞逐渐解体并死亡。 细胞，至少是培养的细胞，不是不死的，而是有一定的寿命的；它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。,体外培养的年轻和老的人成纤维细胞的显微形态 左边是只分裂了几代的年轻成纤维细胞，呈现薄层、细长的形态； 右边是分离了50次的衰老的成纤维细胞，开始衰退，并很快死亡。,Hayflick等发现，动物体细胞在体外可传代的次数，与物种的寿命有关。,表 细胞的寿命与物种的寿命的关系 物种 寿命（年） 培养细胞传代次数 小鼠 3 12

4、鸡 30 25 龟 200 140,物种的寿命与体外培养时细胞传代次数的关系,二、细胞衰老的特征-形态和生理生化,细胞水分的减少 , 导致细胞脱水收缩，体积变小。 这是由于构成蛋白质亲水胶体系统的胶粒脱水时间或其他因素的影响， 逐渐失去电荷而互相合并，胶体失水，胶粒的分散度降低，不溶性蛋白 质增多，导致细胞硬度增加，代谢速率减慢而趋于老化。,色素颗粒沉积增多 脂褐素(老年色素)，主要成分是不溶性的脂蛋白颗粒，蜡样质，光镜下呈黄褐色的圆拱形或椭圆形颗粒。 脂褐素在胞浆中沉积随老年化过程而逐渐增加，在分裂能力低或不分裂的细胞，如肝细胞、基细胞和神经细胞中的积聚更为明显。在人和大鼠的脑皮层和海马中脂

5、褐素的积累是衰老的常见形态之一。 脂褐素的沉积引起细胞质结构和比例的异常，如细胞中线粒体数目和粗面内质网数目减少，以及细胞质的空泡形成等。,Werners syndrome（一种早老症）,3. 细胞器的衰老变化 （1）细胞膜上的微绒毛数目增加； （2）细胞膜的流动性降低； （3）细胞膜受体配体复合物形成效能降低； （4）细胞中线粒体的数量随着年龄的增大而减少，而其体积则随着年龄的增大而增大。线粒体是细胞衰老的生物钟。 （5）核结构在衰老过程中最明显的是核膜内折，并随年龄增长而增加，最后导致核膜崩解。另外还有染色质固缩、核仁和核内骨架成分的变化等。,4.化学组成与生化反应的改变 （1）蛋白质合成

6、的速度下降； （2）细胞内酶的活性与含量有所改变。,表 细胞衰老的形态变化,尼氏体为嗜碱性物质，又称嗜染质，光镜下呈斑块状或细粒状散在分布。在一些大型的运动神经元，尼氏体大而多，宛如虎皮花纹，又称“虎斑”电镜下，尼氏体由大量平行排列的粗面内质网和其间的游离核糖体组成。,Plant Cell senescence,植物的细胞衰老是植物组织、器官和个体衰老的基础，主要包括细胞膜衰老和细胞器衰老。,1) 膜脂相变 衰老早期发生的事件。幼嫩细胞的膜为液晶相，流动性大。在衰老过程中，生物膜由液晶相向凝固相转化，结果膜变得刚硬，流动性降低，粘滞性增加。,2）膜脂的降解和过氧化，膜磷脂含量下降 磷脂生物合成

7、减少，磷脂酶活性增加造成。在磷脂酶(phospholipase)、脂氧合酶(lipoxygenase)和活性氧的作用下发生膜脂的过氧化。 3）膜的完整性丧失导致膜渗漏 细胞内外离子等梯度失去平衡，导致代谢紊乱。,4） 核糖体和粗糙型内质网的数量减少叶绿体类囊体解体线粒体嵴扭曲，褶皱膨胀液泡膜破裂，使细胞发生自溶，加速细胞的衰老解体。,1. DNA：复制与转录受阻，端粒DNA、mtDNA缺失。 DNA氧化、断裂、缺失和交联，甲基化程度降低。 2. RNA：含量降低。 3. 蛋白质：含量下降，发生修饰、交联。 4. 酶分子：活性中心被氧化，金属离子丢失，酶分子的二级结构，溶解度，等电点发生改变，酶

8、失活。 5. 脂类：不饱和脂肪酸被氧化。,（二）细胞衰老分子水平的变化,（一）差错学派 1、代谢废物积累：如：脂褐质 2、自由基攻击：导致DNA、蛋白质变异，正常细胞内存在清除自由基的防御系统，细胞衰老时清除自由基能力下降。 酶系统：超氧化物歧化酶(SOD)，过氧化氢酶(CAT)，谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-PX)； 非酶系统：VE，VC，谷胱甘肽，醌类等电子受体。,三、细胞衰老的分子机理,内、外信号感受与传导基因调控生理生化变化衰老 衰老的机制（引起衰老的原因）？ 虽然衰老的理论很多，但归纳起来主要分为两类：一类是基因程序论，另一类是损伤积累论。,随着年龄增长，细胞合成蛋白质的能力下降，也包

9、括SOD和CAT合成数量的减少或合成了没有功能的SOD和CAT，自由基和H2O2就会积累，并且对细胞的蛋白质、DNA、细胞膜等进行攻击破坏，细胞在自由基的攻击下会导致死亡，就会在老人的皮肤上见到老年斑(age spots)，它是自由基对细胞破坏的见证。,老人斑：自由基攻击细胞的见证,3、衰老的损伤积累理论,由于细胞的修复和维持总是少于无限存活细胞的需求而出现的损伤积累。损伤的积累可以通过细胞成分的磨损和撕裂的方式或合成错误的方式出现。这些错误包括DNA复制错误、蛋白质合成错误。 最有代表性的理论是错误成灾理论。它是指细胞大分子合成错误成灾。 细胞里的核酸和蛋白质在生物合成中如果由于某些原因发生

10、差错, 当变质的非功能蛋白达到一定水平时，出现完全丧失功能的“错误灾难”。 1963年，Orgel 提出差误理论认为，在信息转移的各个步骤(如转录和翻译)中发生的差误，可以造成有缺陷蛋白的积累。当误差的产生超过某一阈值时，引起机能失常，出现衰老和死亡。 这种差误包括在转录过程中将错误核苷酸掺入mRNA或在翻译时将错误氨基酸掺入蛋白质，形成氨基酸错误的无功能酶。Nakagawa等1980年曾在大豆中发现这类酶。,1、细胞有限分裂学说 “Hayflick”极限，即细胞最大分裂次数。 L.Hayflick (1961)报道，人的成纤维细胞在体外培养时增殖次数是有限的（6070代）。 细胞增殖次数与端

11、粒DNA长度有关。Harley等发现人体内成纤维细胞端粒每年约缩短1418bp，而外周血淋巴细胞则每年缩短33bp。 2、重复基因失活学说：哺乳动物rRNA基因数随年龄而减少。,（二）遗传论学派,3、衰老基因学说 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：平均39岁时出现衰老，47岁生命结束； 婴幼儿早衰症：1岁时出现明显的衰老，1218岁生命结束， 早衰症患者体内解旋酶发生突变 。 Caenrhabditis elegans的平均寿命仅3.5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%。,Hutchinson-Gilfo

12、rd syndrome 早老症,营养亏缺理论：生殖器官消耗和积累大量营养物质，致使其它器官（营养体）因营养缺乏而衰老死亡。 证据：番茄根尖组培及不断摘除花。龙舌兰不开花-生活几十年，开花-8-10年。 相反证据：向日葵在雄蕊分化前根系已开始衰老；玉米、辣椒摘除花反而加速衰老；菠菜雄株随开花衰老。,激素调控理论：衰老是由于植物体或器官内各种激素平衡改变的结 果。延缓衰老的激素CTK、IAA、GA不足或促进衰老的激素ABA、Eth 占优势均可引起衰老。,自由基假说（Harman,1965提出）：植物体内产生的自由基会损 伤核酸、蛋白质和生物膜，从而导致细胞器的破坏和细胞的解体；但同时 体内具有一套

13、精致的抗氧化保护系统（SOD、CAT、 GSH-PX）来消除自 由基的危害。正常情况下，体内自由基的产生与消除之间处于动态平衡， 生命活动正常进行。一旦由于内外因素打破这种平衡，自由基的危害不能 控制，就会引起衰老。,植物细胞衰老的理论,Senescence-associated genes (SAGs) expression 衰老是一个遗传基因控制的渐进过程，因为不同的植物种类寿命差异很大。新近的研究发现在细胞衰老期间，基因的表达大致可为2类： 一类是衰老下调(downward)基因，这些大都是与光合作用及其他合成和产能有关的酶的基因。 另一类是衰老上调(upward)基因，这些多是水解酶的

14、合成基因。如：DNase，RNase， Protease, phospholipase 。,如玉米、拟南芥和油菜中的蛋白降解酶基因SAG2, See1, LSC7，SAG12，LSC790，LSC760等； 拟南芥中克隆的核酸降解基因RNS1，RNS2，RNS3； 油菜、玉米、黄瓜中脂降解与糖衍生有关基因PEPC，MDH，MS，ICL，GAPDH和F-1，6-2P醛缩酶基因， 拟南芥、萝卜、水稻、石刁柏中与碳和N元素再动员有关的-半乳糖苷酶基因。,SAGs指这些基因的mRNA水平随衰老而提高，它们通常是与细胞内大分子物质降解和搬运等代谢过程有关的基因。,把SAG12的启动子与IPT的编码区连接

15、后形成嵌合基因PSAG12-IPT，一旦衰老，SAG12启动子将激活IPT的表达，细胞分裂素含量上升，叶片的衰老延缓；衰老进程受阻后，对衰老敏感的SAG12启动子将关闭，从而有效地阻止了细胞分裂素的过量表达。,IPT：编码异戊烯基转移酶,（三） 程序性细胞死亡理论,程序性细胞死亡(programmed cell death, PCD)：指在一定的生理或病理条件下，细胞遵循自身的“程序”，主动结束其生命的过程，又称细胞凋亡(apoptosis)。 PCD是相关基因程序性活动的结果。 如叶片衰老，是在核基因控制下，细胞结构有序解体和内含物降解以及矿质和有机物有序地向非衰老细胞转移和循环利用的过程。

16、,第二节 细胞死亡,死亡是生命的普遍现象，但细胞死亡并非与机体死亡同步。 正常的组织中也发生细胞死亡，它是维持组织机能和形态所必需的。,一、细胞死亡的方式 1、细胞坏死 是细胞受到急性强力伤害时立即出现的反应。 早期表现为细胞膜破坏，线粒体肿胀。 继而溶酶体破裂,细胞内含物流出, 引起炎症。,2、细胞凋亡 (cell apoptosis),Kerr（ 1972）最先提出，与细胞坏死的区别是： 细胞通过出芽的方式形成许多凋亡小体； 凋亡小体内有结构完整的细胞器； 不引起炎症； 线粒体无变化，溶酶体活性不增加； 内切酶活化，DNA有控降解，凝胶电泳图谱呈梯状； 凋亡通常是生理性变化，而细胞坏死是病理性变化。,图14-6 细胞的两种死亡方式及其比较,细胞程序性死亡（programmed cell death，PCD）是一种基因指导的细胞自我消