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1、翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Programmed Cell Death and Cell AgeingChapter 16翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Section 1: Programmed Cell Death翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Three ways of animal cell deathApoptosis: 细胞凋亡细胞凋亡Necrosis: 细胞坏死细胞坏死Autophagy: 细胞自噬细胞自噬翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞
2、生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 History:Kerr, observance, 1965; Definition in 1972.Conception:apoptosis（apo-ptosis）: 源自古希腊语 (falling off)，意指花瓣或树叶的脱落、凋零。Interchangeably with “programmed cell death”: The cells activate an intracellular death program and kill themselves in a controlled way. Apoptosis翟中和 王喜忠 丁明孝
3、主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 (1) Initiation： the disappearance of the cell surface structure such as microvilli, the loss of cell contaction, the mild convolution of the ER with plasma, the cytoskeleton collapse, the disassembles of the nuclear envelope and chromatin compaction and segregation.Morphol
4、ogical features during the programmed cell death翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 （2）Formation of the apoptotic bodies: nuclear chromatin break up into fragments, the cell surface blebs and the cell breaks up into membrane-enclosed fragments called apoptotic bodies.Morphological features during
5、 the programmed cell death翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 （3）Engulf: owing to the loss of contaction with the neighboring cell, the apoptotic bodies will quickly be engulfed by neighboring cell or macrophages before their content to be spilled out.Morphological features during the programmed
6、cell death翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 The neat death without content spilling.No damaging inflammatory response.ATP-depending cell self-killing.The typical feature of the programmed cell deathOwing to the above features, the apoptosis has been overlooked for a long time.翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生
7、物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Biological significance of cell apoptosisDuring animal development, programmed cell death eliminates no longer needed structure. For example, When a tadpole changes into a frog at metamorphosis, the cell in the tail die, and the tail, which is not needed in the frog, disappears.
8、Figure 18-3 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Biological significance of cell apoptosisDuring animal development, programmed cell death eliminates unwanted cells,.for example, helps sculpt hands and feet during embryonic development: Figure 1
9、8-2 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Cell death helps regulate cell numbers. In the developing nervous system, for example, cell death adjusts the number of nerve cells to match the number of target cells that the nerve cells connect to.Biol
10、ogical significance of cell apoptosisFigure 18-3 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Programmed cell death also functions as a quality-control process: Eliminating cells that are abnormal, misplaced, nonfunctional, or potentially dangerous to t
11、he animal.Example 1: 淋巴细胞的克隆选择过程中，凡是不能区分“自我”与“异我”抗原的淋巴细胞均发生凋亡，由此产生了机体的免疫耐受，否则会发生自身免疫疾病。Example 2: 在成熟个体中， 机体通过调节细胞凋亡和细胞增殖的速度来维持组织器官数量稳定。if a rat is treated with the drug Phenobarbital-which stimulates liver cell division (and thereby liver enlargement)-and then the Phenobarbital treatment is stopped
12、, apoptosis in the liver greatly increases until the liver has returned to its original size, usually within a week or so. Thus, the liver is kept at a constant size through the regulation of both the cell death rate and the cell birth rate, although the control mechanisms responsible for such regul
13、ation are largely unknown. Biological significance of cell apoptosis翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Decreased apoptosis : 例如:自身免疫性淋巴增生综合症（ALPS）患者体内的Fas配体（信号）和Fas蛋白（受体）均发生突变，使得增生的T-淋巴细胞无法正常凋亡。Excessive apoptosis: 导致组织及免疫功能的丧失，或引发自身免疫疾病和炎症。例如爱滋病（AIDS）患者表现为过多的淋巴、非淋巴细胞凋亡，免疫力低下。Apoptosis related d
14、isease翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 台盼兰（台盼兰（trypan blue）: 活细胞排斥，但可使死细胞着色。DAPI:是常用的一种与DNA结合的荧光染料。用DAPI染色借助荧光显微镜，可以观察到细胞核的形态变化。姬姆萨（姬姆萨（Giemsa）: 可以使染色质着色，便于在普通光学显微镜下观察到染色质固缩、凋亡小体的形成等凋亡过程。透射和扫描电镜透射和扫描电镜: 可观察凋亡细胞的形态、结构变化，如染色质固缩、凋亡小体的形成、细胞发泡等现象。Detection of cell apoptosisI: Morphological observan
15、ce: Staining翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 A、Normal cell B、Apoptosis: Apoptotic bodies 正常正常(a)和调亡和调亡(b)的的T细胞杂交瘤细胞的扫瞄电镜照片细胞杂交瘤细胞的扫瞄电镜照片 翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 II: DNA electrophorsisEndonuclease cleaves the chromosomal DNA into fragments of distinctive size; because the cleavag
16、es occur in the linker regions between nucleosomes, the fragments separate into a characteristic ladder pattern when analyzed by gel electrophoresis Detection of cell apoptosis翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Lane 10 h 21 h 32 h 43 h 54 h 6Control 7Marker 2.0kbp1.00.50.2180200 bp DNA ladder ca
17、n be detectedDetection of cell apoptosis翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 180 200 bp DNA ladder can be detectedDetection of cell apoptosisFigure 18-4 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 TUNEL测定法（DNA断裂的原位末端标记法）针对DNA分子中断裂缺口中的3-OH进行原位标记, 凋亡细胞
18、的核DNA中产生的3-OH末端，可藉助荧光素进行原位标记，并用荧光显微镜进行观察。 Detection of cell apoptosisFigure 18-4 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 comet assay Detection of cell apoptosis正常细胞的核无DNA 断裂泳动时保持圆球形凋亡细胞中的DNA 降解片段在电场中泳动速度较快，细胞核呈现出慧星式图案翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出
19、版社 2011 与正常完整的二倍体细胞相比，凋亡细胞DNA发生断裂和丢失，呈亚二倍体状态。采用碘化丙啶染色使DNA产生激发荧光，流式细胞仪能够检测出凋亡的亚二倍体细胞 流式细胞分析流式细胞分析 Detection of cell apoptosis左图：正常细胞周期左图：正常细胞周期 右图：地塞米松右图：地塞米松处理的细胞在处理的细胞在G1峰左侧可见一典型的凋亡峰型（亚二倍体峰）峰左侧可见一典型的凋亡峰型（亚二倍体峰）翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 检测细胞膜成分变化检测细胞膜成分变化检测磷脂酰丝氨酸的外翻检测caspases 的激活检测Cyt c
20、 的释放检测线粒体膜电位的变化等“eat me” signal is the presence of phosphatidylserine molecules in the outer leaflet of PM of apoptotic cells. Detection of cell apoptosis翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Early researches (MIT: Robert Horvitz, 1986)C elegans: a millimeter long, transparent body only a few cell
21、types, from zygote to mature adult only in 3.5days. Six pairs chromosomes, 3000 genes Molecular Mechanism of Apoptosis翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 C. elegans: 1090 cells, 131 cells death 翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Ces-1(cell death specification), Ces-2 and egl-1 (egg-laying abn
22、ormal) : define the first step, which mutate to perturb the life-versus-death decision of only a few cells (some specific cells), revealing a cell specific pattern.Ced-3 (cell death abnormal), Ced-4 and Ced-9: mutate to cause the survival of all cells that normally undergo programmed cell death, def
23、ining a killing step.Six genes: disrupt the process of phagocytosis that normally acts to remove sell corpse formed from programmed cell death.Nuc-1: the degradation of DNA线虫体细胞凋亡研究线虫体细胞凋亡研究翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 2002年诺贝尔生理学或医学奖年诺贝尔生理学或医学奖翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Apopto
24、sis is carried out by a proteolytic system Caspase (1) Why called Caspase?Active site: CysteineCleavage site: Asparatic acid Cysteine Asparatic acid specific proteaseAsp-Xxx天冬氨酸特异性的半光氨酸蛋白水解酶Caspase负责选择性地切割某些蛋白质，切割的结果是使靶蛋白活化或失活，而非完全降解。翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 All caspases expressed as p
25、roenzymes ProcaspasesProcaspaseNH2-terminal prodomain: Highly variableLarge subunit (20kD)Small subunit (10kD) Apoptosis is carried out by a proteolytic system Caspase 翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Apoptosis is carried out by a proteolytic system Caspase 翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 20
26、11 Apoptosis depends on an intracellular proteolytic cascade that is mediated by CaspasesCaspase 酶原的活化: Caspases酶原在特异位点被切割（通常由另一家族成员催化），切割产生的片段聚合形成有活性的Caspases。Figure 18-5 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Apoptosis depends on an intracellula
27、r proteolytic cascade that is mediated by CaspasesCaspases级联效应: 少量活化的起始Caspases能够切割许多下游Caspases酶原，进而通过级联放大作用，产生更大量的活化的下游Caspases。其中的执行者Caspases切割细胞质内及细胞核内重要的结构和功能蛋白，导致细胞凋亡。Figure 18-5 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 1、Apoptotic initiatorsca
28、spase-2, caspase-8, caspase-9 和 caspase-10 2、Apoptotic executioners caspase-3, caspase-6 ，caspase-7 和 14 3、inflammatory mediatorscaspase-1, 和 caspase-11 3 groups of Caspases:翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 How to activate Caspases?apoptotic initiators：同性活化同性活化酶原分子通过聚集成复合物达到一定浓度时，就彼此切割或者通过构象改变
29、产生有活性的二聚体形式 (caspase-2, caspase-8, caspase-9 和和 caspase-10)翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 1、Apoptotic initiatorscaspase-2, caspase-8, caspase-9 和 caspase-10 2、Apoptotic executioners caspase-3, caspase-6 ，caspase-7 和 14 3、inflammatory mediateorscaspase-1, 和 caspase-11 3 groups of Caspases:翟中和
30、 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 How to activate caspases? apoptotic executioners：异性活化异性活化起始caspases招募执行者caspases酶原分子后，对其进行切割，产生具有活性的执行者caspases (caspase-3, caspase-6 ，caspase-7 和 14)翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 被切割导致核纤层解体，细胞被切割导致核纤层解体，细胞核收缩，细胞形态改变核收缩，细胞形态改变 类别 代表性蛋白 作用 蛋白激酶 黏着斑激酶（黏着斑激酶
31、（FAK），），PKB，PKC，RAF1FAK失活破坏细胞黏着，导失活破坏细胞黏着，导致凋亡细胞与邻近细胞脱离致凋亡细胞与邻近细胞脱离细胞骨架蛋白 核纤层蛋白，中间丝，核纤层蛋白，中间丝，肌动蛋白，凝溶胶蛋白肌动蛋白，凝溶胶蛋白 核酸内切酶 Caspase激活的激活的DNA酶（酶（CAD） 抑制蛋白被切割后激活，导抑制蛋白被切割后激活，导致核内致核内DNA降解降解 参与DNA修复的酶 PARP 被切割后失活，丧失修复被切割后失活，丧失修复活性以便活性以便DNA降解降解 Caspase 靶蛋白靶蛋白 翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 The appli
32、cation of Caspase in medicine1, The caspase inhibitor: decrease the hurt to the heart and Liver2, Cancer therapy the activation of the caspase inducing the cancer cell apoptosis 翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 诱导细胞凋亡的因子物理性因子，包括射线（紫外线， 射线等），较温和的温度刺激（如热激，冷激）等化学及生物因子：包括活性氧基团和分子（超氧自由基，羟自由基，H2O2），
33、钙离子载体，VK3，视黄酸等Apoptosis is induced by multiple factors翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Apoptosis can be divided into two phasesActivation phase The cell responds to “death signals” that commit it to undergoing self-destruction.Execution phase The death sentence is carried out. Apoptotic cells
34、are recognized by phagocytes because they carry exposed markers, called “eat me” signals. The best studied “eat me” signal is the presence of phosphatidylserine molecules in the outer leaflet of PM of apoptotic cells (by flop-flipase).翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 哺乳动物细胞中，Caspase依赖性的细胞凋亡Cas
35、pase dependent cell apoptosis由死亡受体起始的外源途径由线粒体起始的内源途径翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 死亡配体死亡配体: 肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor, TNF）家族成员, 具有多种生物学效应的细胞因子。TNF主要由激活的单核巨噬细胞分泌，诱导细胞凋亡和诱发炎症反应是其主要的生理效应之一。由死亡受体起始的外源途径由死亡受体起始的外源途径:起始于死亡配体起始于死亡配体与受体的结合与受体的结合翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 死亡受体死亡受体: T
36、NF/NGF受体超家族, 包括 Fas（Apo-1, CD95） DR3(Apo-3, WSL-1, TRAMP) DR-4(TRAIL-R1), DR-5(TRAIL-R2) DR-6, EDA-R( ectodermal dysplasia receptor) NGF-R。 由死亡受体起始的外源途径由死亡受体起始的外源途径:起始于死亡配体起始于死亡配体与受体的结合。与受体的结合。胞内段含68a.a.的死亡结构域死亡结构域(death domain, DD): 胞外段具有半光氨酸富集的重复区；结构特征结构特征: 负责招募凋亡信号通路中的信号分子 翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4
37、版） 高等教育出版社 2011 接头蛋白接头蛋白: FADD (Fas-associating Death Domain-containing protein) 通过与死亡受体死亡受体死亡结构域死亡结构域接合而被招募, 进而与caspase-8酶原，形成死亡诱导信 号复合物DISC（Death Inducing Signaling Complex). 由死亡受体起始的外源途径由死亡受体起始的外源途径:起始于死亡配体起始于死亡配体与受体的结合。与受体的结合。翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 The extrinsic pathway of apopto
38、sis activated through Fas death receptorsFigure 18-6 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 哺乳动物细胞中，Caspase依赖性的细胞凋亡Caspase dependent cell apoptosis由死亡受体起始的外源途径由线粒体起始的内源途径翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 细胞凋亡的内源途径细胞凋亡的内源途径The mitochondria-med
39、iated pathway of apoptosisCells also activate their apoptosis program from inside the cell, usually in response to injury or other stresses, such as DNA damage, lack of oxygen, nutrients, extracellular survival signals.翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Mechanism of caspase activation : 1996年，Em
40、ory大学, 王晓东博士研究小组, a cell-free system, theoretically possible to study caspase activation。在HeLa细胞提取物中加入dATP能够诱发caspase-3降解，以及外源细胞核DNA断裂等典型的凋亡特征。HeLa细胞提取物经过柱层析后分为两种组分，流出组分和吸附组分，并发现这两种组分只有合并起来才能诱导凋亡。细胞色素c的发现与鉴定:The mitochondria-mediated pathway of apoptosis翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 吸附组分: 1
41、5kD的蛋白是凋亡的必需因子, 细胞色素细胞色素 c， a puzzling finding since it is the essential protein in energy production.流出组分: Apaf-1: the downstream binding partner of cytochrome c , the homolog of C. elegans Ced-4. Caspase-9: homolog of C. elegans Ced-3.The discovery of cytochrome c-mediated caspase activation pathw
42、ay delineated a mammalian activation pathway that is the counterpart of the C. elegans cell death pathway. The mitochondria-mediated pathway of apoptosis翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 The mitochondria-mediated pathway of apoptosisFigure 18-8 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 20
43、08)翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 The mitochondria-mediated pathway of apoptosis 凋亡复合体凋亡复合体(Apoptosome)细胞色素细胞色素cApaf-1 (apoptosis protease activating factor )N端含有caspase募集结构域（CARD）Caspase 9翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Junying Yuan, Ph.D.袁钧瑛袁钧瑛Xiaodong Wang, Ph.D.王晓东王晓东https:/yuan.m
44、ed.harvard.edu/http:/ 转换酶建立了细胞凋亡内源途径的模型两位华人科学家两位华人科学家翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Ces-1(cell death specification), Ces-2 and egl-1 (egg-laying abnormal) : define the first step, which mutate to perturb the life-versus-death decision of only a few cells (some specific cells), revealing a ce
45、ll specific pattern.Ced-3 (cell death abnormal), Ced-4 and Ced-9: mutate to cause the survival of all cells that normally undergo programmed cell death, defining a killing step.Six genes: disrupt the process of phagocytosis that normally acts to remove sell corpse formed from programmed cell death.N
46、uc-1: the degradation of DNA线虫体细胞凋亡研究线虫体细胞凋亡研究翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 CED: Cell Death AbornomalThree genesced3和ced4是线虫发育过程中细胞凋亡的必需基因ced9的功能是抑制细胞凋亡Ced-3 (cell death abnormal), Ced-4 and Ced-9: mutate to cause the survival of all cells that normally undergo programmed cell death, defini
47、ng a killing step.翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Two models of ways in which ced-9 might act as a negative regulator of ced-3 and ced-4 function翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Bcl 2 proteins: the key regulator of the intrinsic pathway翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 the key regu
48、lator of intrinsic pathway of apoptosis Bcl-2（B-cell lymphoma gene 2）proteins A large protein family: mainly localized in the outer membrane of the Mitochondria Structure: conserved in evolution from worms to humans Function: through controlling the release of cytochrome c and other intermembrane mi
49、tochondrial proteins into the cytosol (调控线粒体外膜通透性)翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 The three classes of Bcl 2 proteinsFigure 18-9 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Bcl-2（B-cell lymphoma gene 2）proteinsBcl-2，Bcl-xL，Bcl-w: inhibit cell ap
50、optosisBax，Bak，Noxa: promote cell apoptosis翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 A large protein family: mainly localized in the outer membrane of the Mitochondria Structure: conserved in evolution from worms to humans Function: through controlling the release of cytochrome c and other intermembran
51、e mitochondrial proteins into the cytosol (调控线粒体外膜通透性)Bcl 2 proteins: the key regulator of intrinsic pathway 翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 The role of BH123 (mainly by Bax and Bak ) in the release of mitochondrial intermembrane proteins in the intrinsic pathway of apoptosis. Bcl 2 proteins:
52、 the key regulator of the intrinsic pathwayFigure 18-10 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 How pro-apoptotic BH3-only and anti-apoptotic Bcl2 proteins regulate the intrinsic pathway of apoptosis.Bcl 2 proteins: the key regulator of the intrins
53、ic pathwayFigure 18-11 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Bcl 2 proteins: the key regulator of the intrinsic pathwayFigure 18-11 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 The intrinsic pathway
54、of apoptosis is tightly controlledThe extrinsic pathway also recruit the intrinsic pathway to amplify the apoptotic signal to kill the cell Bcl 2 proteins: the key regulator of the intrinsic pathway翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 The intrinsic pathway of apoptosis depends on MitochondriaFigur
55、e 18-7 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 动物体是高度有序的细胞群体，细胞的增殖和死亡都受到严格的信号控制。细胞中存在的caspases酶原分子就像埋藏的炸弹，随时准备被外界信号点燃引发，摧毁细胞。因此与caspases酶原活化相关的信号分子以及caspases本身的活性在细胞中均受到严格的调控，以保证在必需的情况下才启动凋亡程序。 Life and Death：the control of cell apoptosis翟中和 王喜忠 丁明
56、孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Seven members: including cIAPs（inhibitor of apoptosis）proteins, c-FLIPS ( FADD-like ICE-inhibitory protein)，BAR（bifunctional apoptosis regulator）, ARC（apoptosis repressor with CARD）。都具有由70个氨基酸组成的BIR（baculoviral IAP repeat）结构域，这一结构域对抑制凋亡的作用是必需的 The IAP proteins: first ide
57、ntified in certain insect viruses , which encodes IAP proteins to prevent a host cell that is infected by the virus from killing itself by apoptosis, most animal cells also make IAP proteins. which can directly bind the active caspase, inhibit its function.Life and Death：the control of cell apoptosi
58、s翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 内源性内源性Caspase抑制因子抑制因子 名名 称称 抑制底物抑制底物 XIAP (BIRC4) Caspase-3, -7,-9 NAIP（BIRC1） Caspase-3, -7 c-IAP1( BIRC2) Caspase-3, -7 c-IAP2( BIRC3) Caspase-3, -7 Survivin (BIRC5) Caspase-3, -7 Livin (BIRC7) Caspase-3, -7,-9 ILP-2 (BIRC8) Caspase-9 c-FLIP (I-FLICE) Caspas
59、e-8, -10 ARC Caspase-2, -8 BAR Caspase-8 The inhibition of Caspase by IAPs翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 The inhibition of Caspase by IAPsFigure 18-12 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Smac/DIABLO and Omi/HtrA2 : the inhibitor of IAP
60、proteinsFigure 18-12 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 存活因子通过调节存活因子通过调节Bcl-2家族成员的表达抑制细胞凋亡的发生。家族成员的表达抑制细胞凋亡的发生。存活因子与受体的结合活化下游信号通路，从而激活了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。 Life and Death：the control of cell apoptosis翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教
61、育出版社 2011 Figure 18-14 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 凋亡诱导因子（凋亡诱导因子（apoptosis inducing factor，AIF）: 第一个能够诱导caspase非依赖性细胞凋亡的因子。它位于线粒体外膜。在凋亡过程中，AIF从线粒体转移到细胞质内，进而进入细胞核，引起核内DNA凝集并断裂形成约50kD大小的片段，而非细胞凋亡典型的间隔200bp的片段。限制性内切核酸酶限制性内切核酸酶G（Endonucleas
62、e G）: 引发Caspase非依赖性的细胞凋亡。Endonuclease G属于Mg2依赖性的核酸酶家族，定位于线粒体。在线粒体中，它的主要功能是负责线粒体DNA的修复和复制。受到凋亡信号的刺激后，Endonuclease G从线粒体中释放出来进入细胞核，对核DNA进行切割。在Caspase未被激活的情况下，产生典型的以核小体为单位的DNA片段。 Caspase非依赖性的细胞凋亡非依赖性的细胞凋亡翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Mitochondria, an organelle for life and deathWhy do cells ut
63、ilize so many mitochondrial proteins as apoptotic factors ?efficient and safe mechanismMultifunctional Spatial separation: ensure that the proteins perform their killing functions only when they are deliberately released from the organelle during the apoptosis.Cytochrome C: essential component of th
64、e mitochondrial electron transfer chain翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 细胞凋亡（细胞凋亡（apoptosis)细胞坏死（细胞坏死（necrosis）细胞自噬（细胞自噬（autophagy）Three ways of animal cell death翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Morphological features of necrosisVaculation of the cytoplasmBreakdown of the plasma membrane
65、Induction of inflammation around the dying cell attributable to the release of cellular contents and proinflammatory molecules.Nuclear morphology change without the organized chromatin condensation and fragmentation of DNA into 200 bp fragments that is characteristic for apoptosis cell death琼脂糖凝胶电泳时
66、呈现弥散性分布，俗称“拖尾”现象。翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Contrast of Apoptosis and NecrosisApoptosisNecrosis翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Necrosis, an accident or programmed?The end result of a bioenergetic catastrophe resulting from ATP depletion to a level incompatible with cell survival a
67、nd was thought to be initiated mainly by cellular “accidents” such as toxic insults or physical damage. A passive form of cell death with more similarities to a train wreck than a suicide.Caspase-independent cell death is observed in many systems indicating that cells still die even if the execution
68、er is absent.Caspase-independent necrotic cell death can be forestalled by treatment with antioxidants or by eliminating the activity of the protein linase RIP. These results led to the idea that the necrosis could be “programmed”.翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Necrosis may be a physiologica
69、lly relevant processMany viruses carry genes that inhibit apoptosis thereby prolonging the life of their host cell and foiling the cells attempt to limit its use as a virus-producing factory by initiating apoptosis. Recent study indicates that viruses also carry genes to suppress programmed necrosis
70、, the back-up mechanism that infected cells use for suicide. These observations establish a physiological role for programmed necrosis in mammalian cells. 翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 细胞凋亡（细胞凋亡（apoptosis)细胞坏死（细胞坏死（necrosis）细胞自噬（细胞自噬（autophagy）Three ways of animal cell death翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细
71、胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Morphological features of autophagyA double membrane vesicle forms in the cytosol that encapsulates whole organelles and bulk cytoplasm细胞中出现大的双层膜包裹的自噬泡，称为自噬小体（autophagosome),双层膜来自内质网或细胞质中的膜泡。This autophagosome then fuses with the lysosome where the contents are degraded and re
72、cycled自噬小体中包裹着整个的细胞器和部分细胞质，自噬小体与溶酶体融合后，内含物被溶酶体中的水解酶消化。翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 动物细胞为了维持细胞内环境的动态平衡，需要不断降解功能失常或不需要的细胞结构，如各种蛋白，细胞器以及各种胞质组分。通常，寿命较短的蛋白如调控蛋白等通过泛素-蛋白酶体系统进行降解；而寿命较长的细胞结构及蛋白则通过细胞自噬途径，由溶酶体进行降解。Autophagy is a strategy for survival, not death, in mammalian cells 翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生
73、物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Growth factor signaling regulates autophagyThe mammalian homologue of ATG8, microtuble-associated protein light chain 3 (LC3), the specific marker of autophagosome formation. In the presence of a growth factor, cells exhibit uniform cytoplasmic LC3 staining, following the withdr
74、awal, LC3 redistributes to a puncate pattern that is characteristic of ongoing autophagy.翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Growth factor signaling regulates autophagyTransmission electron microscopy confirmed that autophagosomes are scarce in cells cultured in the presence of growth factor but
75、abundant in the absence of growth factor.翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Growth factor signaling regulates autophagyHigher-power magnification photomicrographs of IL3-dependent cells deprived of IL3 show autophagosomes that contain intracellular contents. Autophagosomes are indicated by arrow
76、heads.翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Model for the metabolic benefits of autophagyInduction of autophagy by various stresses provides many benefits that support the survival of metazoan cells organisms.翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Programmed cell death in plants1, 2: a tobacco leaf
77、 is infiltrated with strain NPS3121 which induce hypersensitive response.3,4: a tobacco leaf is infiltrated with strain NPS4000 which is incapable of inducing hypersensitive response.翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Morphological pattern of the programmed cell death in plantsA:过敏反应中，染色质凝集，DNA降
78、解为50 kb 片段，细胞膜与液泡膜皱缩与破裂，质壁分离。B:管状细胞凋亡分化过程中，细胞壁增厚，液泡膜破裂，核DNA迅速降解，内含物被水解消化，剩细胞壁。翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Morphological comparison between the programmed cell death in plants and animal apoptosis 翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 酵母程序性死亡的生理意义: 单细胞生物的“主动自杀”能够清除适应不良的个体以及控制群体的数量。特别是在应急状
79、态下能够将有限的营养供给具有最佳适应性的个体。酵母细胞程序性死亡酵母细胞程序性死亡翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Section 2: Cell Ageing翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 What Is Ageing?翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Ageing is a biological process, not diseaseAgeing is a process that converts a healthy, fit organism (for
80、 itsenvironment) into one that is less healthy and less fit翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 AGEINGReduced tissue/physiological functionIncreased susceptibility to disease(age-related diseases)Decreased resistance to stress(physical and psychological)翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Agein
81、g occurs at multiple levels molecules cells tissues organ systems翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 细胞衰老（Cell ageing or Cell senescence）一般的含义是复制衰老（Replicative senescence，RS），指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。迄今为止，除了胚胎干细胞和大多数肿瘤细胞，来自不同生物、不同年龄供体的原代培养细胞均存在复制衰老现象。Cell Ageing翟中和 王喜忠 丁明孝 主
82、编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 History Retrospection August Weismann (1881): “ death takes place because a worn-out tissue cannot forever renew itself, and because a capacity for increase by means of cell division is not ever-lasting but finite”Alexis Carrel: all cells explanted in culture are immortal,
83、and the lack of continuous cell replication was due to ignorance on how best to cultivate the cells. Observance: Carrel & Albert Ebelings work, chick heart fibroblasts grew continously for 34 years. 翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 History RetrospectionHayflick and his experiment: Expose norma
84、l human embryonic cells to cancer-cell extracts, in the hope of observing cancer-like changes in normal cells, the normal cell no longer grew. Collaborated with Morrhead, their experiments showed that, populations of cultured normal human fibroblasts doubled a finite number of times, after which the
85、 cells stopped dividing and entered what Hayflick termed the phase III phenomenon. Mixing the equal number of normal human male fibroblasts that had divided many times (40 times doubling) with female fibroblasts that had divided only a few times (10 times doubling), unmixed cells were kept as contro
86、l, When the male control stop dividing, the mixed culture was examined and only female cells were found, showing that the old cells “remembered” they are old which is unlikely be the technical error and virus contamination. 翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 201
87、1 “Hayflick 界限”正常的体外培养细胞只能进行有限次数的分裂正常的体外培养细胞只能进行有限次数的分裂, 细胞停止分细胞停止分裂是由细胞自身因素决定的，与环境条件无关裂是由细胞自身因素决定的，与环境条件无关 .翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Professor in the university of California, San FranciscoEditor-in-Chief of Experimental GerontologyPresident of Gerontological Society of AmericaGeronto
88、logy: The study of ageing at the cellular level翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 端粒酶的端粒酶的作用示意图作用示意图 起细胞分裂计数器的作用。端粒核苷酸复制和基因起细胞分裂计数器的作用。端粒核苷酸复制和基因DNA不同，每复制一次减少不同，每复制一次减少50100bp，其复制要靠具有反转录酶性质的端粒酶来完成，正常体细胞缺乏此酶，其复制要靠具有反转录酶性质的端粒酶来完成，正常体细胞缺乏此酶，故随细胞分裂而变短，细胞随之衰老。故随细胞分裂而变短，细胞随之衰老。翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版
89、） 高等教育出版社 2011 复制型衰老的信号通路。复制型衰老的信号通路。A.正常年轻细胞中，CDK的活化导致Rb蛋白磷酸化，与转录因子E2F分离，被释放的 E2F活化下游基因的转录，促使细胞从G1期进入S期，细胞周期正常运行。B. 随着细胞复制，端粒的缩短会导致细胞内DNA修复体系包括p53的活化，p53继而诱导p21的表达, p21使得若干CDKs，如CDK2，4，6等失去活性，从而阻止Rb蛋白的磷酸化，Rb不能与E2F分离，E2F处于持续失活状态，不能正常起始G1/S转换过程中若干关键因子的转录，导致细胞停滞在G1/S期，最终引发细胞衰老。 细胞衰老的分子机制细胞衰老的分子机制翟中和 王
90、喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 Senescent/aged cells:Many characteristics changeIrreversibleGrowth ArrestResistanceto ApoptosisAlteredFunction/GeneExpression翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 细胞衰老过程中形态结构变化细胞衰老过程中形态结构变化（一）细胞核的变化细胞核随着细胞分裂次数的增加而不断增大。核膜内折（invagination），核膜不同程度的内折染色质固缩化是衰老细胞核中另一个重要变
91、化。翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 细胞衰老过程中形态结构变化细胞衰老过程中形态结构变化（二）内质网的变化年轻动物细胞: 粗面内质网发育良好，排列有序。年老动物细胞: 内质网弥散性地分散于核周胞质中。衰老大鼠侧前庭核及小脑浦金野氏细胞: 粗面内质网解体的趋势。 粗面内质网的总量减少翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 细胞衰老过程中形态结构变化细胞衰老过程中形态结构变化（三）线粒体的变化线粒体的数量随年龄减少，而其体积则随年龄增大。膨大的线粒体中有时可见到清晰的嵴，多囊体，以及外膜破坏，多囊体释出的情况。翟中
92、和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 细胞衰老过程中形态结构变化细胞衰老过程中形态结构变化（四）致密体的生成致密体（dense bodies）: 衰老细胞中常见结构, 具不同名称，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。致密体是由溶酶体或线粒体转化而来。 脂褐质是自由基诱发的脂质过氧化作用的产物。翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生
93、物学（第4版） 高等教育出版社 2011 细胞衰老过程中形态结构变化细胞衰老过程中形态结构变化（五）膜系统的变化年轻细胞的膜相: 典型的液晶相, 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，镶嵌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: 凝胶相或固相，其磷脂的脂肪酸尾被“冻结”了，而不能自由移动，因此镶嵌于其中的蛋白质也就不再能运动了；在机械刺激或压迫等条件下，膜就会出现裂隙，其选择透性及其它功能均受到损害。翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 A.20代的年轻细胞，细胞体积较小，极少表达衰老相
94、关-半乳糖苷酶;B. B. 55代的衰老细胞，细胞体积明显增大，表达衰老细胞特征性酸性-半乳糖苷酶，pH6.0时有活性。 -半乳糖苷酶染色区分年轻和衰半乳糖苷酶染色区分年轻和衰老的人胚胎成纤维细胞老的人胚胎成纤维细胞翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 胁迫诱导的早熟性衰老胁迫诱导的早熟性衰老（stress-induced premature senescence, SIPS）除了细胞内端粒缩短可以诱发的复制型衰老（RS）以外，许多刺激因素，如过量的氧、乙醇、离子辐射、和丝裂霉素C（mitomycin C）等均能够缩短细胞的复制寿命，促进细胞衰老指症的显
95、现, 1999年命名, 其机制与复制型衰老机制类似，均涉及p53-p21以及p16信号途径.翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 衰老现象衰老现象:由生命活动中代谢产生的活性氧成分造成的损伤积累引起的。生物体吸收的氧中约有2%3%转变为活性氧成分，包括超氧阴离子、过氧化氢和羟自由基。活性氧成分对生物大分子，如蛋白质、脂类、核酸等均有损伤作用，而且还会使线粒体DNA发生特异性的突变。转基因动物实验转基因动物实验: 过量表达铜/锌超氧物歧化酶和过氧化氢酶的转基因果蝇比对照组寿命延长了34%; 在果蝇成体的神经元中表达人的超氧化物歧化酶1也能使其寿命延长40%
96、。氧化损伤理论氧化损伤理论翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 单细胞生物的衰老单细胞生物的衰老翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 细胞衰老被视为有机体在长期演化过程中形成的防止细胞衰老被视为有机体在长期演化过程中形成的防止细胞过度生长或癌化的一种保护机制细胞过度生长或癌化的一种保护机制翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版） 高等教育出版社 2011 SummaryCell death ways and their physiological significanceCell apoptosis A: Definition B: Typical features and their detection methods C: Physiological significance D: Molecular mechanismCell ageing A: Definition B: Typical features C: Molecular mechanismHayflick limitation翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）Copyright 高等教育出版社 2011 Thank you!
