第十三章 程序性细胞死亡与细胞衰老

第一节 程序性细胞死亡 死亡是生命的普遍现象，但细胞死亡并非与机体死亡同步。正常的组织中也发生细胞死亡，它是维持组织机能和形态所必需的。

一、细胞的死亡方式 （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,细胞内容物流出, 引起炎症。 （二）细胞凋亡 （三）自噬

坏死细胞的形态变化

（二）细胞凋亡cell apoptosis Kerr（ 1972）最先提出，与细胞坏死的区别是： ①细胞通过出芽的方式形成许多凋亡小体； ②凋亡小体内有结构完整的细胞器； ③不引起炎症； ④线粒体无变化，溶酶体活性不增加； ⑤内切酶活化，DNA有控降解，凝胶电泳图谱呈梯状； ⑥凋亡通常是生理性变化，而细胞坏死是病理性变化。

www.roche-applied-science.com/

胸腺细胞 正常 凋亡

胸腺细胞 正常 凋亡

程序性细胞死亡 程序性细胞死亡（programmed cell death，PCD）是一种基因指导的细胞自我消亡方式。

小结 坏死与凋亡的区别 凋亡 坏死 形 态 上 胞体 变小 变大 胞膜 皱缩 肿胀 胞核 浓缩, 溶解, 染色质固缩形成 染色质裂解 小结 坏死与凋亡的区别 凋亡 坏死 胞体 变小 变大 胞膜 皱缩 肿胀 胞核 浓缩, 溶解, 染色质固缩形成 染色质裂解 块状小体, 为颗粒状, 位于膜下 散在分布 胞质 浓缩 肿胀 结果 形成凋亡小体 细胞崩解 无炎症反应 引起炎症反应 只影响散在单个细胞 涉及周边大量细胞 组织结构不被破坏 组织结构被破坏 形 态 上

凋亡 坏死 生 DNA 由内切酶切为 不规则断裂 180bp或其倍数的片段 片段大小不一 化 电泳结果 “梯状”条带（DNA ladders） “弥散”条带 酶 核酸内切酶等的激活 无酶的激活 上 大分子 RNA和 蛋白质的合成 无 合成

C. elegans是研究PCD的理想材料（生命周期短，细胞数量少）。 http://www.news.wisc.edu

C. elegans雄虫有1031个体细胞、约1000个生殖细胞。 神经系统由302个细胞组成，来自于407个前体细胞，105个细胞发生了PCD。 控制线虫PCD的基因有：ced-3、ced-4和ced-9。 ced-3和 ced-4诱发凋亡； ced-9抑制ced-3、ced-4的作用。

2002年10月7日英国人Sydney 、美国人Horvitz和英国人Sulston ，因在PCD方面的研究获诺贝尔生理与医学奖。 Sydney Brenner H. Robert Horvitz John E. Sulston 15

2、细胞凋亡的生理和病理学意义 生理学意义： 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； 免疫细胞分化：克隆选择； 防御：清除衰老细胞、DNA损伤的细胞、以及被病原体感染的细胞。

Sculpting the digits in the developing mouse paw by apoptosis（Wood 2000）

病理学意义 病原体侵染； 细胞凋亡不足 细胞凋亡过度 诱导凋亡——HIV 抑制凋亡——Poxvirus 肿瘤，自身免疫疾病； 神经退行性疾病（AD，帕金森症）、心肌梗塞、 再生障碍性贫血、骨组织坏死。

3、细胞凋亡的检测方法 形态学观测：染色法、透射和扫描电镜观察 DNA电泳：DNA片段就呈现出梯状条带（DNA ladders） TUNEL测定法，即DNA断裂的原位末端标记法 彗星电泳法（comet assay） 流式细胞分析 磷脂酰丝氨酸外翻

4、 细胞凋亡的分子机制

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，DNA和蛋白质合成的抑制剂，激素，细胞生长因子，肿瘤坏死因子（TNF），抗Fas/Apo-1/CD95抗体等

细胞凋亡的分子调控机理 ●线虫(C.elegans)凋亡研究发现ced3,ced4基因促进细胞凋亡，ced9基因阻止ced3/ced4的激活，抑制细胞凋亡。Ced3哺乳类同源物是ICE(Interleukin- 1-converting enzyme)，即Caspase1 ●Caspase家族与凋亡 ●Bcl-2家族、线粒体与细胞凋亡 ●细胞凋亡的分子机理

（1）．Caspase家族 相当于线虫的ced-3，是引起凋亡的关键酶。特点： ①酶活性依赖于cys残基的亲核性； ②总是在asp之后切断底物，故名caspase（cysteine aspartate-specific protease）。 ③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。

Caspase classification（Zimmermann 2001） Executioner or effector Autocatalytic initiator

Caspase活化 Caspase自身以非活化的Procaspase存在，其激活依赖于其他的Caspase在它的天冬氨酸位点裂解活化或自身活化

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 直接破坏裂解细胞结构 裂解某些功能性的酶蛋白

（2）.细胞凋亡的两种基本途径 死亡信号途径 线粒体途径

2．Apaf-1 凋亡酶激活因子-1（apoptotic protease activating factor-1），线虫的同源物为ced-4。 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。 Apaf-1与cyt c、ATP/dATP结合后，召集caspase-9，形成凋亡体（apoptosome），激活caspase-3，启动caspase级联反应。

3. bcl-2基因家族 含有1-4个Bcl-2同源结构域（BH1-4）。分两类：抗凋亡基因，如：Bcl-2；促凋亡基因，如：Bax。 促凋亡蛋白能引起线粒体外膜通透性改变，导致cyt c释放，引起凋亡。 bcl-2相当于线虫的ced9。主要定位于线粒体膜、也存在于ER和外核膜，拮抗促凋亡蛋白的功能。

Bcl-2 gene family（Zimmermann 2001）

BCL-2家族成员

4. Fas fas又称作APO-1，属TNF受体家族。 1993年人白细胞分型国际会议统一命名为CD95。 fas基因编码产物为分子量45KD的跨膜蛋白。 Fas蛋白与Fas配体组成Fas系统，二者的结合激活caspase。

Fas诱导的细胞凋亡 Fas与配体结合发生三聚化，通过胞内的DD区（Death domain）与接头蛋白FADD的DD区结合。 FADD N端通过DED区（death effector domain）与Caspase-8前体结合，Caspase-8通过子剪接激活 。

5．P53 基因组的守护者。辐射诱导的DNA损伤可通过ATM激活p53，阻断细胞周期，并提高Fas的表达，诱导凋亡。 6．Myc 转录因子，生长因子存在，Bcl-2基因表达时，促进细胞增殖，反之引起细胞凋亡。 7. ATM 是DNA损伤检验的重要蛋白激酶，能激活P53。 40

第二节 细胞的衰老 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。 第二节　细胞的衰老 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。 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。

Hayflick界限(Hayflick Limitation） 概念：关于细胞增殖能力和寿命是有限的观点 细胞，至少是培养的二倍体细胞，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 Hayflick界限。 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 细胞的增殖能力与供体年龄有关 物种寿命与培养细胞寿命之间存在着一定的关系 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 ◆是细胞核而不是细胞质决定了细胞衰老

一、细胞衰老的特征 （一）形态变化

（二）分子水平的变化 1. DNA：复制与转录受阻，端粒DNA、mtDNA缺失。DNA氧化、断裂、缺失和交联，甲基化程度降低。 2.  RNA：含量降低。 3. 蛋白质：含成下降，发生修饰、交联。 4.  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。 5. 脂类：不饱和脂肪酸被氧化。

二、细胞衰老的分子机理 （一）差错学派 代谢废物积累：如：脂褐质 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： 酶系统：超氧化物歧化酶(SOD)，过氧化氢酶(CAT)，谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-PX)； 非酶系统：维生素E，醌类等电子受体。

（二）遗传论学派 1、细胞有限分裂学说 2、重复基因失活学说：如哺乳动物rRNA基因数随年龄而减少。 “Hayflick”极限，即细胞最大分裂次数。 L.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（60~70代）。 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。

3、衰老基因学说 子女的寿命与双亲的寿命有关； 各种动物都有相当恒定的平均寿命和最高寿命； 成人早衰症：平均39岁时出现衰老，47岁生命结束； 婴幼儿早衰症：1岁时出现明显的衰老，12~18岁生命结束， 早衰症患者体内解旋酶发生突变 。 Caenrhabditis elegans的平均寿命仅3.5天，该虫age-1 单基因突变，可提高平均寿命65%，提高最大寿命110%。

Werner's syndrome

Hutchinson-Gilford syndrome