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1、细胞 衰老 凋亡.txt你无法改变别人，但你可以改变自己；你无法改变天气，但你可以改变心情；你无法改变生命长度，但你可以拓展它的宽度。第一节 细胞的衰老一、早期的细胞衰老的研究关于细胞衰老（cellular aging或cell senescence）的研究，在衰老生物学中占有特殊的地位。大量研究表明，衰老实际上也是一种细胞的重要生命活动。然而对这一问题的认识过程却是漫长而曲折的。大约在100年前，当魏斯曼提出种质不死而体质会衰老和死亡的学说时，他是将单细胞生物，特别是原生动物排除在外的。确实，当时观察到原生动物的某些无性系可以长期保持很高的分裂速度，因此关于原生动物不死的说法曾经广为流行。但
2、以后的研究却发现原生动物的细胞分裂不是均等的，新细胞的结构成份并不是完全更新的，新细胞中也存在着老化的结构成份；少数强壮的无性系的存在并不能否定原生动物细胞衰老的事实。因此关于原生动物细胞“不死性”的说法就逐渐被废弃了，代之而起的是关于某些无性系的稳定性的观点。然而，当Carrel和Ebeling宣布他们培养的鸡心脏细胞可以无限制地生长和分裂（直到他们报告时，已连续培养了34年）时，细胞“不死性”的观点不但卷土重来，而且几乎取得了决定性的胜利。后来他们还报告说，鸡胚成纤维细胞在离体培养条件下的生长速度与培养基中加入的鸡血浆供体年龄呈负相关，似乎表明年老动物的血浆中存在有衰老因子。他们认为细胞本
3、身不会衰老，衰老是由于环境的影响。二十世纪四、五十年代L系小鼠细胞和HeLa细胞系的建立，又使细胞“不死性”的观点的统治地位更加巩固了。根据这种观点，细胞本身没有衰老和死亡，衰老只是一种多细胞现象，多细胞生物体内观察到的细胞衰老，起因不在细胞本身，而是由于体内外环境的影响。这种观点在60年代初，主要由于Hayflick等人的工作而受到猛烈的冲击，并从根本上动摇了。二、Hayflick界限1961年，Hayflick和Moorhead报告说，培养的人二倍体细胞表现出明显的衰老、退化和死亡的过程1。若以1：2的比率连续进行传代（群体倍增），则平均只能传代4060次，此后细胞就逐渐解体并死亡。Hay
4、flick等的发现很快就得到许多研究者的证实。他们的工作表明，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，这就是有名的Hayflick界限（Hayflick Limitation）。Hayflick等的工作是对Carrel等人坚持的关于细胞“不死性”的学说的彻底否定。此外，运用现代的培养技术并不能重复出Carrel所观察到的培养细胞无限生长的现象。Hayflick认为Carrel每次向培养基中加入的鸡胚提取物可能混杂入新鲜的细胞。而不死的HeLa细胞和L系小鼠细胞已被证明是不正常的细胞，它们的染色体数目或形态已经不同于原先的细胞了。此外，H
5、ayflick等还发现，从胎儿肺得到的成纤维细胞可在体外条件下传代50次，而从成人肺得到的成纤维细胞只能传代20次，可见细胞的增殖能力与供体年龄有关。这一现象也为许多研究者所证实。Goldstein选用了早老症（Hayflick-Guilford综合症）及Werner氏综合症患者的成纤维细胞进行培养。这两种病的患者表现出极其明显的衰老特征，例如9岁的早老症患者组织中已经有老年色素的沉积，外貌看起来就像70多岁的人那样老，通常在20岁前死去。从这种病人身上得到的成纤维细胞在体外只能传代24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抗原标记。Werner氏综合症患者的成纤
6、维细胞在体外培养条件下的行为亦大体相同。这些研究有力地说明，体外培养的二倍体细胞的增殖能力反映了它们在体内的衰老状况。Hayflick还比较了取自寿命长度不同的生物的胚成纤维细胞在体外培养条件下的传代数和寿命，发现物种寿命与培养细胞寿命之间存在着确定的相关关系，例如Galapagos龟平均最高寿命最长，达175岁，其培养细胞的传代数亦最多，达90125次，小鼠平均最高寿命为3.5年，其培养细胞的传代次数亦少，仅1428次。为了确定培养的人二倍体细胞的衰老是细胞本身决定的还是由于培养环境的恶化（例如培养基中营养物质的缺乏，细菌的污染或有毒物质的积累），Hayflick设计了巧妙的试验，他以间期有
7、无巴氏小体作为供体细胞的标记，将取自老年男性个体的细胞（间期无巴氏小体）和取自年轻女性个体的细胞（间期可见巴氏小体）进行单独或混合培养，并统计其倍增次数，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，当年轻细胞旺盛增殖的同时，年老细胞就停止生长了。这一结果有力地说明，决定细胞衰老的因素在细胞内部，而不是外部的环境。为了进一步探求体外培养的二倍体细胞衰老表达的控制机理，Wright和Hayflick用细胞松弛素B处理细胞，然后离心以除去细胞核，得到胞质体（cytoplast），再用胞质体与完整细胞进行杂交，观察杂种细胞衰老的表达。结果发现，年轻的细胞胞质体与年老的完整
8、细胞融合时，得到的杂种细胞不能分裂；而年老的细胞胞质体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。这一试验的结果说明，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，即关于细胞的增殖能力和寿命是有限的观点，为广大的研究者所接受，认为适用于很多类型的细胞；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。三、细胞在体内条件下的衰老实际上，在生活有机体内，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。例如蝌蚪发育时尾和鳃的消失就是通过细胞的死亡而实现的。但体内细胞类型不同，其增殖状况各异。神经元及心肌细胞在发育的早期即已停止分裂，成为
9、固定的有丝分裂后细胞，尔后它们逐渐衰老和死亡，人脑在衰老时神经元的不断丧失即是一个明证。肝、软骨细胞属于回复性分裂后细胞，它们通常不分裂，但终身保持分裂能力，例如部分切除肝细胞后，剩余的肝细胞即能进行旺盛的同步分裂。引起人们最大兴趣的要算那些在正常情况下终生保持分裂的细胞，如骨髓细胞，上皮细胞等。它们的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？这些问题引起了研究者们极大的兴趣。以往曾有人研究过不同龄BCF1小鼠小肠腺窝上皮细胞的周期长度，发现随着年龄的增高，细胞周期长度明显延长。2月龄小鼠细胞周期总长度为10.1小时，而27月龄者竟达15.2小时，延长50。可见衰老动物体内，细胞
10、分裂速度显著减慢，其原因主要是G1期明显延长，S期的长度变化不大。其他研究者的工作亦得到大体相同的结论。然而细胞周期的延长，亦即细胞分裂能力的下降的原因是什么？是由于细胞本身的衰老，还是由于体内环境的恶化？为了解答这个问题，研究者们采用了组织移植技术。Krohn用近交系小鼠进行皮肤移植试验。他将小鼠的皮肤移植到其F1后代身上，当F1变老时，又移植到F2身上，这样他进行了系列移植，结果移植的皮肤细胞可生活78年，远远超过其原来供体的寿命，这表明引起小鼠皮肤细胞在体内衰老的主要是体内环境。Daniel用小鼠乳腺上皮进行了系列移植试验，如果两次移植的间隔时间为1年，则可存活6年，也明显长于小鼠的寿命
11、，说明衰老个体内的环境因素影响了上皮细胞的增殖和衰老。研究得最为充分的要算骨髓干细胞的移植。骨髓干细胞产生淋巴细胞、红血细胞、粒细胞及血小板的前体细胞。Hirokawa等将老年动物进行强辐射处理，破坏其免疫干细胞，然后移植入年轻动物的骨髓和新生小鼠的胸腺，结果观察到年老受体动物细胞免疫功能的复壮。这似乎表明免疫功能的复壮是由于年轻动物的干细胞取代了原来老化了的干细胞。Astle和Hirokawa（1984）重复并证实了Hirokawa等的试验，他们还发现，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。他们认为免疫反应是否复壮，关键在于供体与受体的年龄组合
12、。他们的结论是，老年动物干细胞的免疫缺陷只是在老年受体中才表达。进一步的研究表明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。总之，根据以上的研究，虽然不能认为骨髓干细胞没有衰老，但可以说，它们的衰老至少是比较缓慢的。揭示干细胞衰老缓慢的机理，对于了解衰老的本质，无疑是十分重要的。四、衰老细胞结构的变化细胞在衰老过程中，其结构发生深刻的变化。（一）细胞核的变化在体外培养的二倍体细胞中发现，细胞核的大小是倍增次数的函数，即随着细胞分裂次数的增加，核不断增大。细胞核结构的衰老变化中最明显的是核膜的内折（invagination），这在培养的人肺成纤维细胞中比较明显。在体内细胞中也可观察
13、到核膜不同程度的内折，神经细胞尤为明显，这种内折与龄俱增。核膜内折在老年小鼠的浦金野氏细胞、海马、垂体前叶及肝细胞中均观察到。染色质固缩化是衰老细胞核中另一个重要变化。体外培养的细胞中，晚代细胞的核中可看到明显染色质的固缩化，而早代细胞的核只有轻微的固缩作用。除了培养细胞外，体内细胞，如老年果蝇的细胞，老年灵长类的垂体细胞及大鼠颌下腺的腺泡细胞中，都可观察到染色质的固缩化。染色质固缩作用与染色质蛋白的双硫键有关。此外，在酵母Sgsl突变体衰老细胞中还观察到核仁裂解为小体的现象。（二）内质网的变化Hasan和Glees比较了不同年龄大鼠海马细胞的内质网结构，发现年轻动物的细胞中，粗面内质网发良良
14、好，排列有序；而在年老动物中，这种有序的排列已不复存在，内质网成分弥散性地分散于核周胞质中。在衰老大鼠的侧前庭核及小脑浦金野氏细胞中，均观察到粗面内质网解体的趋势。在光学显微镜下用碱性染料染色，可以观察到小鼠和人的大脑及小脑某些神经元中尼氏物质的含量随龄下降，而尼氏小体实际上代表了内质网和核糖体群。对体外培养的人胚肺成纤维细胞，发现26次倍增以前的细胞内质网膜腔膨胀扩大，含有不定形的致密物质，且为核糖体所复盖；而40次倍增以后的细胞内质网膜腔未见膨胀，所含不定形致密物质亦少，且具无核糖体复盖区段。总的说来，衰老细胞中粗面内质网的总量似乎是减少了。（三）线粒体的变化多数研究者的工作表明，细胞中线
15、粒体的数量随龄减少，而其体积则随龄增大。例如在衰老小鼠的神经肌肉连接的前突触末梢中可以观察到线粒体数量随龄减少。同时许多报告表明，在小鼠、大鼠及人肝的衰老细胞中，线粒体发生膨大。膨大的线粒体中有时可见到清晰的嵴，偶尔亦会观察到线粒体内容物呈现网状化并形成多囊体，以及外膜破坏，多囊体释出的情况。在培养的人成纤维细胞中，还观察到两种不同类型的线粒体：I型固缩紧密，II型大而稀疏，通常每个细胞只含一种类型的线粒体；随着倍增次数的增加，I型线粒体越来越多。（四）致密体的生成致密体（dense bodies）是衰老细胞中常见的一种结构，绝大多数动物细胞在衰老时都会有致密体的积累。除了致密体外，这种细胞成
16、份还有许多不同的名称，如脂褐质（lipofuscin）、老年色素（ageorse-nile pigment）、血褐质（hemofuscin）、脂色素（lipochrome）、黄色素（yellowpigment）、透明蜡体（hyaloceroid）及残体（residual bodies）等等。致密体的发现可上溯至19世纪，但只是近年来才逐渐弄清了它们的起源。较近的研究提供了大量证据，表明致密体是由溶酶体或线粒体转化而来。多数致密体具单层膜且有阳性的磷酸酶反应，这和溶酶体是一致的。少数致密体显然是由线粒体转化而来，因为可以看到双层膜结构，有时嵴的结构也依稀可见。脂褐质通常产生自发荧光，它是自由基诱发的脂质过氧化作用的产物。（五）膜系统的变化年轻的功能健全的细胞的膜相是典型的液晶相，这种膜的脂双层比较柔韧，脂肪酸链能自由移动，每个脂类分子与其相邻分子之间的位置交换极其频繁，埋藏于其中的蛋白质分子表现出最大的生物学活性。衰老的或有缺陷的膜通常处于凝
