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1、第十三章程序性细胞死亡与细胞衰老程序性细胞死亡与细胞衰老程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件第一节第一节 程序性细胞死亡程序性细胞死亡n死亡是生命的普遍现象，但细胞死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，它是维持组织中也发生细胞死亡，它是维持组织机能和形态所必需的。织机能和形态所必需的。 程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件一、细胞的死亡方式一、细胞的死亡方式n n（一）细胞坏死（一）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,细胞内容物流
2、出, 引起炎症。（二）细胞凋亡（二）细胞凋亡n n（三）自噬（三）自噬程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件坏死细胞的形态变化坏死细胞的形态变化程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件（二）细胞凋亡（二）细胞凋亡cell apoptosisn nKerr（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；凋亡小体内有结构完整的细胞器；不引起炎症不引起炎症；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梯状；凋亡通常是生理性变化，而细胞坏死是病理性变化。程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件www.roche-applied- n程程序序性性细细胞胞
3、死死亡亡（programmedcelldeath，PCD）是一种基因指导的细胞自我消亡方式。n nPCD和细胞凋亡的区别在以下方面：n nPCDPCD是功能性概念，凋亡是形态学概念。是功能性概念，凋亡是形态学概念。n nPCDPCD的的最最终终结结果果是是细细胞胞凋凋亡亡，但但细细胞胞凋凋亡亡并并非非都都是程序化的。是程序化的。n nPCDPCD存在于胚胎发育过程中。存在于胚胎发育过程中。程序性细胞死亡程序性细胞死亡程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件小结小结 坏死与凋亡的区别坏死与凋亡的区别 凋亡凋亡 坏死坏死 胞体胞体 变小变小 变大变大胞膜胞膜 皱缩皱缩 肿胀肿胀胞核胞核 浓缩浓缩, 溶解溶
4、解, 染色质固缩形成染色质固缩形成 染色质裂解染色质裂解 块状小体块状小体, 为颗粒状为颗粒状, 位于膜下位于膜下 散在分布散在分布胞质胞质 浓缩浓缩 肿胀肿胀结果结果 形成凋亡小体形成凋亡小体 细胞崩解细胞崩解 无炎症反应无炎症反应 引起炎症反应引起炎症反应 只影响散在单个细胞只影响散在单个细胞 涉及周边大量细胞涉及周边大量细胞 组织结构不被破坏组织结构不被破坏 组织结构被破坏组织结构被破坏 形形 态态 上上程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件 凋亡凋亡 坏死坏死生生 DNA 由内切酶切为由内切酶切为 不规则断裂不规则断裂 180bp或其倍数的片段或其倍数的片段 片段大小不一片段大小不一化化 电
5、泳结果电泳结果 “梯状梯状”条带条带（DNA ladders） “弥散弥散”条条带带 酶酶 核酸内切酶等的激活核酸内切酶等的激活 无酶的激活无酶的激活上上 大分子大分子 RNA和和 蛋白质的合成蛋白质的合成 无无 合成合成程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件n nC. elegansC. elegans是研究是研究是研究是研究PCDPCD的理想材料（生命周期短，的理想材料（生命周期短，的理想材料（生命周期短，的理想材料（生命周期短，细胞数量少）。细胞数量少）。细胞数量少）。细胞数量少）。n nhttp:/www.news.wisc.eduhttp:/www.news.wisc.edu程序性细胞死亡
6、与细胞衰老优秀课件n nC. elegansC. elegans雄虫有雄虫有10311031个体细胞、约个体细胞、约10001000个生殖细个生殖细胞。胞。n n神经系统由神经系统由302302个细胞组成，来自于个细胞组成，来自于407407个前体细个前体细胞，胞，105105个细胞发生了个细胞发生了PCDPCD。n n控制线虫控制线虫PCDPCD的基因有：的基因有：ced-3ced-3、ced-4ced-4和和ced-9ced-9。n nced-3ced-3和和 ced-4 ced-4诱发凋亡；诱发凋亡；n nced-9ced-9抑制抑制ced-3ced-3、ced-4ced-4的作用。的作
7、用。程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件20022002年年年年1010月月月月7 7日英国人日英国人日英国人日英国人Sydney Sydney 、美国人、美国人、美国人、美国人HorvitzHorvitz和和和和英国人英国人英国人英国人Sulston Sulston ，因在，因在，因在，因在PCDPCD方面的研究获诺贝尔生方面的研究获诺贝尔生方面的研究获诺贝尔生方面的研究获诺贝尔生理与医学奖。理与医学奖。理与医学奖。理与医学奖。H.RobertHorvitzJohnE.SulstonSydneyBrenner程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件2、细胞凋亡的生理和病理学意义、细胞凋亡的生理和病理学意
8、义n n生理学意义：生理学意义：生理学意义：生理学意义：n n 生长发育：组织与器官的塑造（趾的分化）；动生长发育：组织与器官的塑造（趾的分化）；动物变态；皮肤角质形成；物变态；皮肤角质形成；n n 免疫细胞分化：克隆选择；免疫细胞分化：克隆选择；n n 防御：清除衰老细胞、防御：清除衰老细胞、DNADNA损伤的细胞、以及被损伤的细胞、以及被病原体感染的细胞。病原体感染的细胞。程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件n nSculpting the digits in the developing mouse paw by apoptosisSculpting the digits in the de
9、veloping mouse paw by apoptosis（Wood 2000Wood 2000）程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件病理学意义病理学意义n n 病原体侵染；病原体侵染；n n诱导凋亡诱导凋亡HIVHIVn n抑制凋亡抑制凋亡PoxvirusPoxvirusn n 细胞凋亡不足细胞凋亡不足n n肿瘤，自身免疫疾病；肿瘤，自身免疫疾病；n n 细胞凋亡过度细胞凋亡过度n n神经退行性疾病（神经退行性疾病（ADAD，帕金森症）、心肌梗塞、，帕金森症）、心肌梗塞、 再生再生障碍性贫血、骨组
10、织坏死。障碍性贫血、骨组织坏死。程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件3、细胞凋亡的检测方法、细胞凋亡的检测方法n n形态学观测：染色法、透射和扫描电镜观察形态学观测：染色法、透射和扫描电镜观察n nDNADNA电电 泳泳 ： DNADNA片片 段段 就就 呈呈 现现 出出 梯梯 状状 条条 带带 （ DNA DNA laddersladders）n nTUNELTUNEL测定法，即测定法，即DNADNA断裂的原位末端标记法断裂的原位末端标记法n n彗星电泳法（彗星电泳法（comet assaycomet assay）n n流式细胞分析流式细胞分析n n磷脂酰丝氨酸外翻磷脂酰丝氨酸外翻程序性细胞死亡
11、与细胞衰老优秀课件4、 细胞凋亡的分子机制细胞凋亡的分子机制程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件诱导细胞凋亡的因子诱导细胞凋亡的因子物物理理性性因因子子，包包括括射射线线（紫紫外外线线， 射射线线等等）， 较温和的温度刺激（如热激，冷激）等较温和的温度刺激（如热激，冷激）等化化学学及及生生物物因因子子：包包括括活活性性氧氧基基团团和和分分子子，DNA和和蛋蛋白白质质合合成成的的抑抑制制剂剂，激激素素，细细胞胞生生长长因因子子，肿肿瘤瘤坏坏死死因因子子 （TNF ），抗抗Fas/Apo-1/CD95抗体等抗体等程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件细胞凋亡的分子调控机理细胞凋亡的分子调控机理线线线线虫虫虫
12、虫(C.elegans)(C.elegans)凋凋凋凋亡亡亡亡研研研研究究究究发发发发现现现现ced3,ced4ced3,ced4基基基基因因因因促促促促进进进进细细细细胞胞胞胞凋凋凋凋亡亡亡亡，ced9ced9基基基基因因因因阻阻阻阻止止止止ced3/ced4ced3/ced4的的的的激激激激活活活活，抑抑抑抑制制制制细细细细胞凋亡。胞凋亡。胞凋亡。胞凋亡。Ced3Ced3哺乳类同源物是哺乳类同源物是哺乳类同源物是哺乳类同源物是ICE(Interleukin-ICE(Interleukin- 1-converting enzyme) 1-converting enzyme)，即，即，即，即C
13、aspase1Caspase1CaspaseCaspase家族与凋亡家族与凋亡家族与凋亡家族与凋亡Bcl-2Bcl-2家族、家族、家族、家族、线粒体与细胞凋亡线粒体与细胞凋亡线粒体与细胞凋亡线粒体与细胞凋亡细胞凋亡的分子机理细胞凋亡的分子机理细胞凋亡的分子机理细胞凋亡的分子机理程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件（1）Caspase家族家族n n相当于线虫的相当于线虫的ced-3ced-3，是引起凋亡的关键酶。特点：，是引起凋亡的关键酶。特点：n n酶活性依赖于酶活性依赖于cyscys残基的亲核性；残基的亲核性；n n总是在总是在aspasp之后切断底物，故名之后切断底物，故名caspasecas
14、pase（cysteine aspartate-specific proteasecysteine aspartate-specific protease）。）。n n亚基由同一基因编码，前体被切割后产生两个亚基由同一基因编码，前体被切割后产生两个活性亚基，组成异四聚体。活性亚基，组成异四聚体。程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件n nCaspase classificationCaspase classification（Zimmermann 2001Zimmermann 2001）Executioner or effectorAutocatalytic initiator程序性细胞死亡与细胞衰
15、老优秀课件Caspase活化活化 Caspase Caspase自身以非活化的自身以非活化的ProcaspaseProcaspase存在，其激存在，其激活依赖于其他的活依赖于其他的CaspaseCaspase在它的天冬氨酸位点裂在它的天冬氨酸位点裂解活化或自身活化解活化或自身活化程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件胱冬肽酶在细胞凋亡中的作用：胱冬肽酶在细胞凋亡中的作用：灭活细胞凋亡发生的抑制剂灭活细胞凋亡发生的抑制剂直接破坏裂解细胞结构直接破坏裂解细胞结构裂解某些功能性的酶蛋白裂解某些功能性的酶蛋白程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件（2 2）. .细胞凋亡的两种基本途
16、径细胞凋亡的两种基本途径l死亡信号途径死亡信号途径l线粒体途径线粒体途径程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件2Apaf-1n n凋亡酶激活因子凋亡酶激活因子-1-1（apoptotic protease activating apoptotic protease activating factor-1factor-1），线虫的同源物为），线虫的同源物为ced-4ced-4。n n作用：参与线粒体凋亡途径，该基因敲除后，小作用：参与线粒体凋亡途径，该基因敲除后，小鼠神经细胞过多，脑畸形发育。鼠神经细胞过多，脑畸形发育。n nApaf-1
17、Apaf-1与与cyt ccyt c、ATP/dATPATP/dATP结合后，召集结合后，召集caspase-9caspase-9，形成凋亡体（，形成凋亡体（apoptosomeapoptosome），激活），激活caspase-3caspase-3，启动启动caspasecaspase级联反应。级联反应。程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件3. bcl-2基因家族基因家族n n含有含有1-41-4个个Bcl-2Bcl-2同源结构域（同源结构域（BH1-4BH1-4）。分两类：）。分两类：抗凋亡基因，如：抗凋亡基因，如：Bcl-2Bcl-2；促凋亡基因，如：；促凋亡基因，如：BaxBax。n n促
18、凋亡蛋白能引起线粒体外膜通透性改变，导致促凋亡蛋白能引起线粒体外膜通透性改变，导致cyt ccyt c释放，引起凋亡。释放，引起凋亡。n nbcl-2bcl-2相当于线虫的相当于线虫的ced9ced9。主要定位于线粒体膜、。主要定位于线粒体膜、也存在于也存在于ERER和外核膜，拮抗促凋亡蛋白的功能。和外核膜，拮抗促凋亡蛋白的功能。程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件n nBcl-2 gene family（Zimmermann 2001）程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件BCL-2家族成员程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件4. Fas n nfasfas又称作又称作APO-1APO-1，属，属TNFT
19、NF受体家族。受体家族。n n19931993年人白细胞分型国际会议统一命名为年人白细胞分型国际会议统一命名为CD95CD95。n nfasfas基因编码产物为分子量基因编码产物为分子量45KD45KD的跨膜蛋白。的跨膜蛋白。n nFasFas蛋白与蛋白与FasFas配体组成配体组成FasFas系统，二者的结合激活系统，二者的结合激活caspasecaspase。程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件Fas诱导的细胞凋亡诱导的细胞凋亡n nFasFas与配体结合发生三聚化，通过胞与配体结合发生三聚化，通过胞内的内的DDDD区（区（Death domainDeath domain）与接头）与接头蛋白蛋
20、白FADDFADD的的DDDD区结合。区结合。n nFADD NFADD N端通过端通过DEDDED区（区（death death effector domaineffector domain）与）与Caspase-8Caspase-8前体结前体结合，合，Caspase-8Caspase-8通过子剪接激活通过子剪接激活 。程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件n n5 5P53P53n n基因组的守护者。辐射诱导的基因组的守护者。辐射诱导的DNADNA损伤可通过损伤可通过ATMATM激激活活p53p53，阻断细胞周期，并提高，阻断细胞周期，并提高FasFas的表达，诱导凋亡。的表达，诱导凋亡。n n
21、6 6MycMycn n转录因子，生长因子存在，转录因子，生长因子存在，Bcl-2Bcl-2基因表达时，促进细基因表达时，促进细胞增殖，反之引起细胞凋亡。胞增殖，反之引起细胞凋亡。n n7. ATM7. ATMn n是是DNADNA损伤检验的重要蛋白激酶，能激活损伤检验的重要蛋白激酶，能激活P53P53。程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件第二节细胞的衰老第二节细胞的衰老n n又称老化，指细胞随着年龄的增加，机能和结构发生退行性变化，趋向死亡的不可逆的现象。n n衰老和死亡是生命的基本现象，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。程序性细胞死亡与细胞衰
22、老优秀课件Hayflick界限界限(Hayflick Limitation）n n概念：关于细胞增殖能力和寿命是有限的观点概念：关于细胞增殖能力和寿命是有限的观点n n 细胞，至少是培养的二倍体细胞，不是不死的，而是有一细胞，至少是培养的二倍体细胞，不是不死的，而是有一定的定的 寿命；它们的增殖能力不是无限的，而是有一定的界寿命；它们的增殖能力不是无限的，而是有一定的界限，这就限，这就 是是 HayflickHayflick界限。界限。n n癌细胞或培养的细胞系是不正常细胞，其染色体数目或形癌细胞或培养的细胞系是不正常细胞，其染色体数目或形态已经不同于原先的细胞态已经不同于原先的细胞n n细胞
23、的增殖能力与供体年龄有关细胞的增殖能力与供体年龄有关n n物种寿命与培养细胞寿命之间存在着一定的关系物种寿命与培养细胞寿命之间存在着一定的关系n n二倍体细胞的衰老是由细胞本身决定的二倍体细胞的衰老是由细胞本身决定的 决定细胞衰老的因素在细胞内部，不是外部的环境决定细胞衰老的因素在细胞内部，不是外部的环境是细胞核而不是细胞质决定了细胞衰老是细胞核而不是细胞质决定了细胞衰老程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件一、细胞衰老的特征一、细胞衰老的特征（一）形态变化（一）形态变化程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件n n1.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
24、程度降低。n n2.RNA：含量降低。n n3.蛋白质：含成下降，发生修饰、交联。n n4.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，酶失活。n n5.脂类：不饱和脂肪酸被氧化。（二）分子水平的变化（二）分子水平的变化程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件（一）差错学派n n代谢废物积累：如：脂褐质n n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：n n酶酶系系统统：超超氧氧化化物物歧歧化化酶酶(SOD)(SOD)，过过氧氧化化氢氢酶酶(CAT)(CAT)，谷胱甘肽过氧化物酶，谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-PX)(GSH-PX)；n n
25、非酶系统：维生素非酶系统：维生素E E，醌类等电子受体。，醌类等电子受体。二、细胞衰老的分子机理程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件1、细胞有限分裂学说n n“Hayflick”极限，即细胞最大分裂次数。n nL.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）。n n细胞增殖次数与端粒DNA长度有关。2、重复基因失活学说：如哺乳动物rRNA基因数随年龄而减少。（二）遗传论学派程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件3、衰老基因学说n n子女的寿命与双亲的寿命有关；n n各种动物都有相当恒定的平均寿命和最高寿命；n n成成人人早早衰衰症症：平平均均3939岁岁时时
26、出出现现衰衰老老，4747岁岁生生命命结结束；束；n n婴婴幼幼儿儿早早衰衰症症：1 1岁岁时时出出现现明明显显的的衰衰老老，12181218岁生命结束，岁生命结束，n n早衰症患者体内解旋酶发生突变早衰症患者体内解旋酶发生突变 。n nCaenrhabditis Caenrhabditis eleganselegans的的平平均均寿寿命命仅仅3.53.5天天，该该虫虫age-1age-1单单基基因因突突变变，可可提提高高平平均均寿寿命命65%65%，提提高最大寿命高最大寿命110%110%。程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件Werners syndrome 程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件Hutchinson-Gilford syndrome 程序性细胞死亡与细胞衰老优秀课件
