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1、第十六章 细胞死亡和细胞衰老,第一节 细胞死亡,一、细胞凋亡 1.概念：细胞凋亡是一个主动的由基因决定细胞自动结束生命的过程，它具有一系列生物学特征。动物细胞凋亡过程包括：凋亡的起始、凋亡小体的形成和生物体的凋亡小体被邻近的吞噬细胞所吞噬并消化掉。,1.正常细胞 2.细胞凋亡的起始，染色质固缩、分离并沿核膜分布，细胞发生皱缩。 3.凋亡中的细胞，细胞质膜反折，包裹染色质片段和细胞器等细胞碎片，形成芽状突起并逐渐分割，形成凋亡小体。 4.凋亡小体被吞噬细胞吞噬。,细胞凋亡的过程及特征。,（一）细胞凋亡的特征 形态学变化。首先是细胞体积缩小，细胞间接触消失，与周围的细胞脱离；然后是细胞质密度增加，
2、核质浓缩，核膜核仁破碎，胞膜有小泡形成，薄膜结构仍完整；最终可将凋亡细胞遗骸分割包裹为几个凋亡小体，无内容物外溢；凋亡小体可迅速被周围专职或非专职吞噬细胞吞噬。 生物化学变化。DNA发生有调控降解，片段化的DNA为180-200 bp的整倍数；在细胞凋亡过程中，往往还有新的基因表达和某些生物大分子的合成作为调控因子。,（二）细胞凋亡的检测方法 形态学观察。用台盼蓝、DAPI或Giemsa，然后在光学显微镜下观察，或直接观察。,DAPI染色显示凋亡细胞的染色质凝集。,正常细胞 凋亡细胞,DNA电泳。有梯形条带出现。 A DNA梯状条带产生示意图。 B 正常细胞与凋亡细胞的DNA电泳照片。a 正常
3、人胚肾293细胞DNA；b 过表达肿瘤坏死因子1(TNFR1)发生凋亡的细胞DNA。,TUNEL测定法（DNA断裂的原位末端标记法） 凋亡细胞核中产生3-OH末端。,原位末端标记法显示斑马鱼胚胎发育过程中的细胞凋亡。正常16体节期的斑马鱼胚胎(左)在发育中有少量细胞发生凋亡；突变体的中枢神经细胞发生大量凋亡。,彗星电泳法。将单细胞悬浮于琼脂糖凝胶中，经裂解处理后，再在电场中进行短时间电泳，并用荧光染料染色；凋亡细胞中的DNA降解片段，在电泳中泳动速度较快，染色的细胞核呈现一种彗星式图案。 流式细胞分析。凋亡细胞DNA发生断裂和丢失，呈亚二倍体状态，而流式细胞仪能够检测出凋亡的亚二倍体细胞。 细
4、胞膜成份变化。细胞凋亡早期，位于细胞膜内侧的磷脂酰丝氨酸翻转至细胞膜外侧，可用磷脂酰丝氨酸的荧光染料标记探针进行检测。,（三）细胞凋亡的生理学及医学意义 对于多细胞动物个体，细胞凋亡在个体正常发育、自稳态的维持、免疫耐受的形成、肿瘤监控等过程中均发挥重要作用。,细胞凋亡使得神经细胞与靶细胞的数量相匹配。发育中，神经细胞的数量较靶细胞多。靶细胞通过分泌存活因子来调节神经细胞的数量，不能获得足够存活因子的神经细胞发生凋亡，使神经细胞与靶细胞的数量相当。,动物发育过程中，细胞凋亡是塑造个体及器官形态的机制之一。 细胞凋亡还是一种生理性保护机制，能够清除体内多余、受损或危险的细胞，而不对周围的细胞或组
5、织产生损害。 人体细胞凋亡的失调，包括不恰当的凋亡激活或抑制会引发多种疾病。 细胞的过度凋亡将会导致免疫功能的丧失或引发炎症。,（四）细胞凋亡的分子机制 诱导细胞凋亡的因子可分为物理性因子、化学及生物因子两类。调节细胞凋亡的分子重要的有caspase超家族（可引起级联反应）、天然caspase抑制剂、IAP、Bcl-2家族等。 细胞凋亡分子根据功能可分为抑制凋亡基因(如bcl2)、促进凋亡基因(如fas、p53)、双向调控基因(如c-myc、bclx)。 细胞凋亡的信号传导途径主要有caspase依赖性的细胞凋亡途径和caspase非依赖性的细胞凋亡途径。,1.caspase 是存在于细胞质中
6、具有类似结构的蛋白酶。它们的活性位点均包含半胱氨酸残基，能特异性地切割靶蛋白天冬氨酸残基后的肽键。caspase负责选择性地切割某些蛋白质，结果使靶蛋白活化或失活，而非完全降解。,细胞凋亡过程中caspase的级联效应。,彼此切割,（1）caspase依赖性细胞凋亡途径。外源途径中(红线)，死亡受体如Fas在配体FasL刺激下，通过接头蛋白FADD将caspase-8酶原招募到细胞膜上，形成死亡诱导复合物DISC。caspase活化，进而激活下游caspase级联反应。,（1）caspase依赖性细胞凋亡途径。内源途径中(红线)，线粒体接受凋亡信号后，向细胞质释放Cyt c，Cyt c与Apa
7、f-1和caspase-9前体形成凋亡复合体apoptosome，并活化caspase-9；活化的caspase-9激活下游caspase级联反应。,（1）caspase依赖性细胞凋亡途径。外源途径中的caspase-8以及细胞毒性T淋巴细胞和自然杀伤细胞分泌的颗粒酶B，也可切割并活化Bcl-2家族的促凋亡因子Bid，激活内源凋亡途径。,外源途径的caspase-8,（2）caspase非依赖性细胞凋亡途径(蓝线)。线粒体释放凋亡因子Endonuclease G、Apoptosis Inducing Factor等，直接进入细胞核，引发DNA断裂。另一方面颗粒酶A能促使位于ER的SET复合物从
8、ER解离下来，转移到细胞核内并活化，切割核DNA。,4.穿孔蛋白-颗粒酶介导的细胞凋亡,细胞毒性T淋巴细胞和自然杀伤细胞能够通过多种途径诱导被病毒感染或癌变的靶细胞发生凋亡。途径之一是分泌死亡配体Fas与靶细胞表面受体结合，启动caspase依赖性的细胞凋亡途径；另外一种途径是通过分泌穿孔蛋白-颗粒酶介导靶细胞凋亡。 细胞毒性T淋巴细胞接受刺激产生穿孔蛋白和颗粒酶颗粒酶释放到胞外后，通过多种方式作用于靶细胞，促使其发生凋亡；在靶细胞外，颗粒酶A、B切割胞外基质蛋白，靶细胞与周围细胞脱离；同时，颗粒酶A、B在穿孔蛋白协助下进入靶细胞内部切割胞内蛋白；进入靶细胞内后，颗粒酶通过caspase依赖型
9、和非依赖性两种方式促使细胞凋亡。,控制细胞死亡的因子主要有两种： (1)大多数细胞都需要获得存活信号来维持生存； (2)细胞直接接收到来自于其他细胞的死亡信号，激活自杀程序。 多种细胞存活及生长必需的细胞因子，如表皮生长因子EGF、血小板生长因子PDGF、神经生长因子等均能够通过Ser/Thr蛋白激酶AKT活化NF-B，抑制细胞凋亡。,5.生死抉择：细胞凋亡的调控,生存因子通过调节Bcl-2家族成员的活性及表达抑制细胞凋亡的发生。生存因子与受体结合活化下游信号通路，激活NF-B等转录因子，启动Bcl-2家族成员基因的转录，抑制细胞凋亡。另一些存活因子可通过活化蛋白激酶促进Bcl-2的活性，抑制
10、细胞凋亡。,caspase本身活性及caspase酶原活化相关的信号分子在细胞中受严格调控，保证在必需的情况下凋亡程序才能启动。细胞内存在多种重要的凋亡抑制因子，如表：,二、细胞坏死 一般认为，细胞坏死是细胞在强烈的外界因素作用下产生的死亡现象。当细胞坏死时，细胞膜破裂，细胞器膨大受损，DNA随机降解，在体内可引起炎症反应。 与细胞凋亡不同，细胞坏死过程中染色质不发生凝集，也不产生有规律性的200 bpDNA降解片段，二是被随机降解，电泳呈现弥散性分布(拖尾)现象。 最新研究结果表明，细胞坏死可能是细胞程序性死亡的另一种方式，因为DNA损伤和PARP活化可导致增殖旺盛的细胞坏死，但不引起非持续
11、增殖细胞的死亡，其机制与胞内ATP水平高低有关。,三、自噬性细胞死亡 细胞自噬是细胞在正常生理条件或饥饿状态下将细胞的自身组分或结构包裹起来，形成具有双层膜的囊泡结构(自噬泡)，再与溶酶体融合，内含物被溶酶体中的水解酶消化的过程。,细胞自噬可以帮助细胞度过营养缺乏的时期，但是严重的自噬将导致细胞死亡。在动物发育过程中，自噬活动还参与新的组织器官的组建。,酵母中细胞自噬的信号调控。A.营养充足时，生长因子活化PI3K/Akt信号途径及其下游效应分子蛋白激酶mTor，促进营养物质吸收、大分子合成和ATP产生等，同时抑制细胞自噬。B.与A相反。,四、植物细胞与酵母细胞的程序性死亡 （一）植物细胞的程
12、序性死亡 它在植物体正常发育、对环境胁迫和病原体入侵引发的过敏反应中具有重要作用。细胞死亡后的残余物质被细胞壁固定在原位，不是被周围细胞吞噬，而是被自身液泡的水解酶所消化。,植物细胞程序性死亡的形态学模型。A.在超敏反应中，可观察到染色质凝集，DNA降解为50kbp片段，细胞膜及液泡膜皱缩破裂，质壁分离，末期细胞内含物泄漏到质外体中。B.在管状细胞分化的凋亡过程中，细胞壁增厚，随着液泡膜的破裂，核DNA被迅速降解，细胞内含物被水解消化，最后仅剩下细胞壁。,（二）酵母细胞的程序性死亡 其形态学特征与动物细胞类似，但酵母具有细胞壁。细胞的程序性死亡机制在生命的演化过程中具有共同的起源。,第二节 细
13、胞衰老,一、细胞衰老的概念和特征 Hayflick极限：体外培养的正常细胞存在有丝分裂次数的极限。 细胞衰老一般指复制衰老，即体外培养的正常细胞经过有限次数的分裂后，停止生长，细胞形态和生理代谢活动发生显著改变的现象。,衰老相关-半乳糖苷酶染色区分年轻和衰老的人胚胎成纤维细胞IMR-90。,第20代年轻细胞,第55代衰老细胞,除胚胎干细胞、转化细胞和癌细胞具有永生性，其他原代培养细胞均存在复制衰老现象。 细胞衰老时，细胞核、细胞器(如ER、线粒体和致密体)和膜系统等都发生了一系列的变化，总的来说是原生质失水、代谢降低，结构逐渐瓦解。,二、细胞衰老的分子机制 （一）复制衰老的机制 由于体细胞内缺
14、乏端粒酶活性，因此随着细胞分裂次数的增加，端粒逐渐缩短。这会导致p53含量增加和通过磷酸化而活化，p53诱导p21表达，抑制CDK活化，使得抑制性Rb不能被磷酸化，E2F处于失活状态，最终引发细胞衰老。,（二）胁迫诱导的早熟性衰老 外界的胁迫条件能够缩短细胞的复制寿命，这种衰老称为胁迫诱导的早熟性衰老。氧化损伤理论是衰老机制的主要理论之一，其机制与复制衰老机制类似，即代谢过程中产生的活性氧的累积导致DNA损伤，最终使E2F处于失活状态，细胞发生衰老现象。 （三）单细胞生物的衰老 母细胞中染色体外环状的rDNA逐渐累积，掠夺了DNA正常复制和转录所需的重要物质，从而抑制细胞的生长，使酵母细胞衰老。,酵母中染色体外环形rDNA(ERC)生成示意图。 酵母rDNA由多拷贝重复序列组成，同源重组往往发生在相邻重复序列的某一DNA损伤点上。SGS1和SIR基因减缓ERC累积速率。,三、细胞衰老与个体衰老的关系 体外培养细胞的衰老与体内细胞的衰老，存在巨大的差异，这可能是因为细胞在体外所处的环境与体内有很大差异。体外细胞的衰老机制与细胞癌化有关。,作业,一、名词解释 细胞衰老、Hayflick界限、程序性细胞死亡、细胞坏死 二、简答题 1.试述细胞凋亡的概念与形态特征，并指出其与坏死的区别是什么？ 2.动物细胞凋亡的基本途径有哪些？请举例说明。,再见！,
