細胞衰老與細胞死亡

CellAging&Death細胞衰亡

2002年10月7日英國人悉尼·布雷諾爾、美國人羅伯特·霍維茨和英國人約翰·蘇爾斯頓，因在細胞程序性死亡方面的研究獲諾貝爾諾貝爾生理與醫(yī)學獎。SydnyBrennerH.RobertHorvitzJohnE.Sulston

細胞衰老的概念細胞衰老的特征細胞衰老的機制細胞衰老細胞衰老與細胞凋亡細胞衰老細胞衰老與細胞凋亡細胞衰老細胞衰老（CellSenescence）細胞衰老(cellularaging)是細胞在其生命過程中發(fā)育到成熟后，隨著時間的增加所發(fā)生的在形態(tài)結構和生理功能方面出現(xiàn)的一系列慢性、進行性、退化性的變化。BA培養(yǎng)細胞的衰老現(xiàn)象衰老細胞(A)，正常細胞(B)細胞衰老與機體衰老——細胞分化異類對多細胞生命機體而言，細胞衰老和機體衰老是兩個不同的概念，機體衰老并不意味著所有細胞衰老，因為在機體發(fā)育的不同階段，機體內(nèi)總是有細胞在不斷衰老與死亡。細胞衰老與細胞凋亡細胞衰老Hayflick界限——細胞分化異類Hayflick和Moorhead的細胞培養(yǎng)實驗；正常細胞具有一定壽命；細胞壽命具有種屬及組織細胞特異性；細胞壽命與來源組織年齡有關。細胞衰老與細胞凋亡細胞衰老體外培養(yǎng)細胞的壽命成年小鼠各類細胞的壽命接近或等于動物自身的壽命緩慢更新(>30天)的細胞快速更新(<30天)的細胞神經(jīng)元呼吸道上皮唾液腺上皮皮膚表皮細胞胃酶原細胞腎上腺皮質(zhì)細胞腎皮質(zhì)細胞角膜上皮細胞脂肪細胞、肌細胞胰腺泡細胞、胰島細胞口腔上皮細胞胃腸道上皮細胞腎上腺髓質(zhì)細胞肝細胞、胃壁細胞紅細胞白細胞骨細胞、腎髓質(zhì)細胞皮膚結締組織細胞細胞衰老的概念細胞衰老的特征細胞衰老的機制細胞衰老細胞衰老與細胞凋亡細胞衰老大約4～8百萬新生兒中有1例患有嬰幼兒早老癥(Hutchinson-Gilfordsyndrome,HGS)，他們出生時似乎健康，但是大概在18～24個月時就會表現(xiàn)出加速老化的癥狀，包括生長發(fā)育障礙、機體脂肪和頭發(fā)減少、老化樣的皮膚、關節(jié)僵硬、髖關節(jié)脫位，所有孩子平均在13歲的時候就會死于心臟病或者是中風。2003年美國科學家發(fā)現(xiàn)嬰幼兒早老癥是由于核纖層蛋白A(LaminA)基因突變造成的，核纖層蛋白A突變會使DNA受損修復系統(tǒng)喪失功能，導致早衰現(xiàn)象。嬰幼兒早老癥成人早老癥(Wernersyndrome)成人早老癥(progeriaofadult)又名Werner綜合征(Wernersyndrome，WS)，是一種罕見的常染色體隱性遺傳性疾病，以特征性的鳥形、面具形臉，身材矮小，幼年即出現(xiàn)早老特征，硬皮病樣皮膚損害和內(nèi)分泌代謝異常為特點。細胞衰老的特征形態(tài)結構改變生化特征改變細胞衰老與細胞凋亡細胞衰老形態(tài)特征改變細胞核固縮,核膜內(nèi)折,端?？s短;內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體減少,線粒體腫脹;細胞內(nèi)色素或臘樣物質(zhì)沉積;膜系統(tǒng)常常處于凝膠相或固相狀態(tài)，膜流動性降低；胞間連接減少，代謝協(xié)作減弱；細胞表面微絨毛增加，流動性和通透性減??；細胞內(nèi)水分減少，細胞皺縮。細胞衰老與細胞凋亡細胞衰老生化特征改變細胞脫水收縮，滲透壓升高，細胞硬度增大；氨基酸和蛋白質(zhì)合成效率降低；細胞增殖能力減弱，集落形成率降低；某些關鍵酶的含量和活性降低；蛋白和基因化學修飾顯著。細胞衰老與細胞凋亡細胞衰老細胞衰老的概念細胞衰老的特征細胞衰老的機制細胞衰老細胞衰老與細胞凋亡細胞衰老細胞衰老的機制遺傳決定學說自由基學說端粒鐘學說代謝廢物累積學說基因轉(zhuǎn)錄翻譯差錯學說其他……細胞衰老與細胞凋亡細胞衰老細胞死亡的方式細胞死亡的檢測細胞凋亡的調(diào)節(jié)細胞凋亡的意義細胞凋亡細胞衰老與細胞凋亡細胞凋亡細胞死亡的方式細胞死亡的檢測細胞凋亡的調(diào)節(jié)細胞凋亡的意義細胞凋亡細胞衰老與細胞凋亡細胞凋亡細胞壞死細胞凋亡細胞死亡的形式細胞衰老與細胞凋亡細胞凋亡細胞壞死（Necrosis）細胞壞死(necrosis)是指細胞在受到強烈刺激，如機械損傷、毒性物質(zhì)的毒害、極端溫度或酸堿度所導致的細胞死亡過程。細胞壞死時，細胞膜和核膜破裂，細胞內(nèi)成分溢出，影響到鄰近周圍細胞，并引發(fā)炎癥反應。兩個特點被動死亡—他殺炎癥反應細胞衰老與細胞凋亡細胞凋亡細胞凋亡（apoptosis）細胞凋亡(apoptosis)是在特定信號誘導下，細胞內(nèi)的死亡級聯(lián)反應被觸發(fā)所致的生理或病理性、主動性的死亡過程。其主要特征是細胞質(zhì)濃縮、細胞膜形成泡狀結構，變皺、染色質(zhì)DNA被降解為220bp或其整倍數(shù)的片段、并形成由膜結構包被的凋亡小體，同時細胞內(nèi)RNA和蛋白質(zhì)的合成增加，凋亡的細胞隨后被周圍的正常細胞所吞噬，沒有任何炎癥和壞死現(xiàn)象發(fā)生。兩個特點主動死亡—自殺無炎癥反應細胞衰老與細胞凋亡細胞凋亡細胞壞死vs細胞凋亡項目細胞凋亡細胞壞死誘導因素多種生理或病理因素強烈的刺激因素能量需求ATP依賴性ATP非依賴性細胞形態(tài)皺縮，相鄰細胞連接喪失腫脹細胞膜始終保持良好完整性破裂細胞器形態(tài)改變輕，結構完整腫脹、破裂，結構崩解細胞核固縮、斷裂，并為質(zhì)膜分塊包裹固縮，核膜破裂、分解凋亡小體一個或多個無DNA核小體間DNA斷裂，有規(guī)律降解隨機降解分子機制由相關凋亡基因調(diào)節(jié)無基因調(diào)節(jié)代謝反應蛋白酶參與的級聯(lián)反應無秩序的代謝反應組織反應無炎癥性反應引起炎癥反應對機體影響個體正常存活、發(fā)育的需要有損傷、破壞作用壞死細胞(A)和凋亡細胞(B)細胞壞死vs細胞凋亡程序性細胞死亡（programmedcelldeath,PCD）是在一定時間內(nèi)，細胞按一定的程序發(fā)生死亡，細胞死亡具有嚴格的基因時控性和選擇性。

PCD的最終結果是細胞凋亡，但細胞凋亡并非都是程序化的。細胞衰老與細胞凋亡細胞凋亡細胞凋亡的特征細胞形態(tài)學特征細胞生物化學特征細胞衰老與細胞凋亡細胞凋亡細胞凋亡形態(tài)學特征染色質(zhì)DNA斷裂成片段、邊緣化，胞核形成新月小體；細胞質(zhì)濃縮，膜性細胞器膨大；細胞連接喪失，表面微絨毛消失；形成凋亡小體。細胞衰老與細胞凋亡細胞凋亡胸腺細胞的掃描電鏡觀察正常細胞vs凋亡細胞細胞凋亡過程播放動畫細胞凋亡過程大體可分為四個階段：（1）凋亡信號轉(zhuǎn)導：啟動信號Ca2+、cAMP、神經(jīng)酰胺等；（2）凋亡基因激活：表達酶類和其他物質(zhì)；(3)細胞凋亡的執(zhí)行：核酸內(nèi)切酶(DNase)和Caspases；（4）凋亡細胞的清除：被臨近的巨噬細胞或其他細胞吞噬分解。細胞凋亡生物化學特征特異性核酸內(nèi)切酶活化，染色質(zhì)DNA被降解，電泳后形成梯帶狀(DNAladder)；凋亡過程中蛋白酶如caspase等進行蛋白酶級聯(lián)切割；Ca2+濃度快速升高，pH發(fā)生變化；多種RNA和蛋白質(zhì)合成；線粒體發(fā)生系列顯著變化。細胞衰老與細胞凋亡細胞凋亡細胞凋亡時DNA的特征性降解失巢凋亡——特殊的細胞程序性死亡因細胞與細胞外基質(zhì)和其他細胞脫離接觸而誘發(fā)；正常上皮細胞或不具轉(zhuǎn)移性的實體瘤細胞從原位脫落進入血流引發(fā)；意義在于防止脫落細胞種植并生長于其他不適宜的地方；轉(zhuǎn)移的惡性腫瘤細胞具極強的抗失巢凋亡特性。細胞衰老與細胞凋亡細胞凋亡非凋亡性細胞程序性死亡——無典型細胞凋亡特征卵巢黃體細胞卵巢卵泡閉鎖煙草幼蠅蛾幼蟲體節(jié)肌細胞秀麗隱桿線蟲雄性個體連接細胞細胞衰老與細胞凋亡細胞凋亡細胞死亡的方式細胞死亡的檢測細胞凋亡的調(diào)節(jié)細胞凋亡的意義細胞凋亡細胞衰老與細胞凋亡細胞凋亡鑒定細胞死亡最直接、最快捷的方法是活性染色法。常用的有臺盤藍和中性紅。因細胞死亡后，膜結構變化，只有死細胞才能被臺盤藍染色，活細胞不被染色。應用中性紅染色時，活細胞染色而死細胞無色，借以鑒別細胞。離體細胞的活性染料拒染觀察卵巢皮質(zhì)薄片經(jīng)膠原酶消化后分離卵泡，后者經(jīng)cal-AM/EH-I染色后置倒置熒光顯微鏡下觀察，結果顯示健康卵泡為綠色(B)，基本健康卵泡為紅綠相間(C,存活卵母細胞為綠色，部分死亡顆粒細胞顯示紅色)，死亡卵泡整體呈現(xiàn)紅色(D)，圖E中箭頭顯示一死亡卵泡。fromMartinez-Madrid,etal,2004膠原酶分離卵巢卵泡的活性檢測細胞死亡的方式細胞死亡的檢測細胞凋亡的調(diào)節(jié)細胞凋亡的意義細胞凋亡細胞衰老與細胞凋亡細胞凋亡細胞死亡的調(diào)節(jié)——細胞凋亡的調(diào)節(jié)秀麗廣桿線蟲哺乳動物細胞衰老與細胞凋亡細胞凋亡細胞凋亡的調(diào)節(jié)——秀麗廣桿線蟲凋亡決定基因吞噬相關基因核酸酶基因細胞類型基因細胞衰老與細胞凋亡細胞凋亡細胞凋亡的調(diào)節(jié)——秀麗廣桿線蟲凋亡決定基因——生存還是死亡促凋亡基因：ced-3、ced-4；抗凋亡基因：ced-9；上游基因(ced-9)，下游基因(ced-3、ced-4)；ced-3可獨立發(fā)揮作用，ced-4在胚胎發(fā)生時表達，依賴于ced-3。細胞衰老與細胞凋亡細胞凋亡吞噬相關基因——清除凋亡小體凋亡細胞的吞噬和清除；種類：ced-1/2/5/6/7/8/10。細胞凋亡的調(diào)節(jié)——秀麗廣桿線蟲細胞衰老與細胞凋亡細胞凋亡核酸酶基因——DNA粉碎機nuc-1基因(編碼Ca2+/Mg2+依賴性核酸內(nèi)切酶)；控制對染色質(zhì)DNA隨機降解。細胞凋亡的調(diào)節(jié)——秀麗廣桿線蟲細胞衰老與細胞凋亡細胞凋亡細胞類型基因——天使的選擇ces-1/ces-2：線蟲細胞存活調(diào)控基因；eg1-1/her-1：調(diào)節(jié)神經(jīng)元和生殖系統(tǒng)體細胞的凋亡。細胞凋亡的調(diào)節(jié)——秀麗廣桿線蟲細胞衰老與細胞凋亡細胞凋亡細胞凋亡的調(diào)節(jié)——哺乳動物Bcl-2家族ICE/Caspase家族細胞凋亡蛋白酶激活因子其他與細胞凋亡有關的基因細胞衰老與細胞凋亡細胞凋亡細胞凋亡的調(diào)節(jié)——哺乳動物最初是在B細胞淋巴瘤/白血病-2(B-celllymphoma/Leukemia-2，bcl-2)中發(fā)現(xiàn)；Bcl-2蛋白存在于多種細胞內(nèi)膜上，但主要定位于線粒體外膜；多個成員，具有共同的Bcl-2同源結構域(BH)，通常還有一C-端跨膜結構域；Bcl-2家族根據(jù)結構和功能分為兩類：抗凋亡的如Bcl-2、Bcl-xl、Bcl-w和Mcl-1等；促凋亡的如Bcl-xs、Bax、Bak、Bad、Bid以及Bim等。Bcl-2基因家族——與線蟲Ced-9同源細胞衰老與細胞凋亡細胞凋亡Bcl-2家族成員及功能

Bcl-2蛋白存在于線粒體膜、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜以及外核膜上，但主要定位于線粒體外膜，它拮抗促凋亡蛋白的功能。大多數(shù)促凋亡蛋白定位于細胞質(zhì)，一旦細胞受到凋亡因子的誘導，它們可以向線粒體轉(zhuǎn)位，通過寡聚化在線粒體外膜形成跨膜通道，或者開啟線粒體內(nèi)膜通道，導致線粒體中cytc釋放，激活切冬酶，導致細胞凋亡。胞質(zhì)中的促凋亡蛋白可通過不同的方式激活，包括去磷酸化，如Bad；被caspase加工為活性分子，如Bid；從結合蛋白上釋放出來，如Bim是與微管蛋白結合在一起的。細胞凋亡的調(diào)節(jié)——哺乳動物一種半胱氨酸特異的天冬氨酸水解酶(cysteine

aspartate-specificprotease)；同一基因編碼，前體被切割后產(chǎn)生兩個大小兩亞基，形成異四聚體；分為兩類(ICE/CED)、三種(ICE/凋亡啟動者/凋亡執(zhí)行者)；細胞中存在caspase抑制因子(IAPs)家族通過BIR結構域能與caspase結合，并抑制其活性。ICE/Caspase家族——與線蟲Ced-3同源細胞衰老與細胞凋亡細胞凋亡ICE/Caspase家族成員及功能白介轉(zhuǎn)化酶(炎癥反應)凋亡啟動者(凋亡啟動)凋亡執(zhí)行者(凋亡執(zhí)行)細胞凋亡的調(diào)節(jié)——哺乳動物與ced-4同源的細胞凋亡蛋白酶激活因子(apoptoticproteaseactivatingfactor,Apaf)；具有多個成員，包括Apaf-1、Apaf-2(細胞色素c)和Apaf-3(caspase-9)；含有3個不同結構域：caspase募集結構域(caspaserecruitmentdomain,CARD)，能夠募集caspase-9(Apaf-3)。ced-4同源結構域，能結合ATP/dATP。C-端結構域，能與Apaf-2(cytc)結合。細胞凋亡蛋白酶激活因子——與線蟲Ced-4同源細胞衰老與細胞凋亡細胞凋亡細胞凋亡的調(diào)節(jié)——哺乳動物其他細胞凋亡相關基因p53ATMc-mycc-ablC-kitAPO-1/CD95細胞衰老與細胞凋亡細胞凋亡細胞凋亡的調(diào)節(jié)——哺乳動物其他細胞凋亡相關基因——p53抗癌基因，充當“分子警察”的功能，主要在DNA的完整性；如細胞DNA有損傷，則抑制細胞增殖，直到DNA修復完成；如果細胞DNA損傷不能被修復，則誘導其調(diào)亡。細胞衰老與細胞凋亡細胞凋亡p53在細胞分裂過程中染色質(zhì)DNA損傷檢測中的作用細胞凋亡的調(diào)節(jié)——哺乳動物其他細胞凋亡相關基因——ATMATM最早發(fā)現(xiàn)于毛細血管擴張性共濟失調(diào)癥患者，是與DNA損傷檢驗有關的一個重要基因；人類中大約有1%的人是ATM缺失的雜合子，表現(xiàn)出對電離輻射敏感和易患癌癥。細胞衰老與細胞凋亡細胞凋亡細胞凋亡的調(diào)節(jié)——哺乳動物其他細胞凋亡相關基因——c-myc雙刃基因：既能促進細胞增殖，也能使細胞發(fā)生凋亡;離體體系中存在足夠的生長因子時，細胞增殖、分裂;生長因子含量不足，細胞凋亡。細胞衰老與細胞凋亡細胞凋亡細胞凋亡的調(diào)節(jié)——哺乳動物其他細胞凋亡相關基因——c-abl慢性髓性粒細胞性白血病(CML)的標記染色體—費城染色體(Ph)；C-abl基因位于9號染色體上，轉(zhuǎn)位到22號染色體染色體斷裂簇集區(qū)(bcr)，形成bcr-abl融合蛋白；c-abl－bcr融合蛋白具有較高的酪氨酸蛋白激酶活性，促進骨髓細胞增殖，抑制細胞凋亡。細胞衰老與細胞凋亡細胞凋亡細胞凋亡的調(diào)節(jié)——哺乳動物其他細胞凋亡相關基因——c-kit編碼干細胞生長因子受體；編碼產(chǎn)物具有受體酪氨酸蛋白激酶活性；細胞生存基因，促進細胞存活、增殖。細胞衰老與細胞凋亡細胞凋亡細胞凋亡的調(diào)節(jié)——哺乳動物其他細胞凋亡相關基因——APO-1/CD95APO-1/CD95亦稱Fas，屬TNF受體家族。Fas蛋白為分子量為45kd的跨膜蛋白，主要分布于胸腺細胞、激活的T和B淋巴細胞以及巨噬細胞等。Fas蛋白與Fas配體結合后，會激活caspase，導致靶細胞走向凋亡。細胞衰老與細胞凋亡細胞凋亡細胞凋亡與信號轉(zhuǎn)導細胞衰老與細胞凋亡細胞凋亡細胞凋亡與信號轉(zhuǎn)導