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第十三章 程序性细胞死亡与细胞衰老

第十三章 程序性细胞死亡与细胞衰老. ● 程序性细胞死亡 ● 细胞衰老. 第一节 程序性细胞死亡. ● 程序性细胞死亡的涵义 ● 动物细胞的程序性死亡 ● 植物细胞与酵母细胞的 程序性死亡. 一、动物细胞的程序性死亡. ● 细胞凋亡 (apoptosis) ● 细胞坏死 (necrosis) ● 细胞自噬 (autophagy). 第二节 细胞衰老 (cell aging or cell senescence). ● 细胞衰老的概念 ● 细胞衰老的研究 ● 衰老细胞形态结构的变化 ● 细胞衰老的分子机制 ● 细胞在体内条件下的衰老

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第十三章 程序性细胞死亡与细胞衰老

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Presentation Transcript

  1. 第十三章程序性细胞死亡与细胞衰老 ● 程序性细胞死亡 ● 细胞衰老

  2. 第一节 程序性细胞死亡 ● 程序性细胞死亡的涵义 ● 动物细胞的程序性死亡 ● 植物细胞与酵母细胞的 程序性死亡

  3. 一、动物细胞的程序性死亡 ● 细胞凋亡(apoptosis) ●细胞坏死 (necrosis) ●细胞自噬 (autophagy)

  4. 第二节 细胞衰老(cell aging or cell senescence) ●细胞衰老的概念 ●细胞衰老的研究 ●衰老细胞形态结构的变化 ●细胞衰老的分子机制 ●细胞在体内条件下的衰老 ●细胞衰老与个体衰老的关系

  5. 二、细胞衰老的研究 ● 细胞不死说 ● Hayflick界限

  6. 程序性细胞死亡的涵义 不论是单细胞生物还是多细胞生物， 其细胞死亡往往受到细胞内某种由遗 传机制决定的“死亡程序”所控制，称 为程序性细胞死亡。 （programmed cell death,PCD）

  7. 一、细胞衰老的概念 细胞衰老（cell aging ）一般的含义是复 制衰老(replicative senescene，RS)。 指体外培养的正常细胞经过有限次数的 分裂后，停止分裂,细胞形态和生理代谢活 动发生显著改变的现象。

  8. 细胞不死说 ◆1892年，魏斯曼提出: 种质不死而体质会衰老和死亡的学说 原生动物细胞“不死性” ◆证据 原生动物某些无性系可以长期保持很高的分裂 速度 ◆证据不足 被废弃。某些无性系的稳定性的观点

  9. 细胞不死说 ◆1912年,Alexis Carrel (Nobel Laureate) 细胞“不死性”的观点 卷土重来 ◆证据 在实验室培养鸡心脏细胞可以无限制地生长和分裂。（连续培养了34年）

  10. 细胞不死说 ◆20世纪40-50年代，L系小鼠和HeLa细胞系 的建立。（可以一直分裂、存活下去） ◆使细胞“不死性”的观点的统治地位更加巩 固了。

  11. 细胞不死说 细胞本身并没有衰老和死亡，衰老只是 一种多细胞现象，多细胞生物体内细胞 的衰老，起因不在细胞本身，而是由于 体内、体外环境的影响。

  12. 细胞不死说 • 谁动摇了这种学说？

  13. ◆Hayflick认为 Carrel的实验不能被重复, 可能是由于混入了新鲜的细胞。 HeLa癌细胞和培养的L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。 ◆Hayflick提出 细胞增殖能力和寿命是有限的观点

  14. 一、Hayflick界限(Hayflick Limitation） ◆Hayflick界限的概念 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。 ◆Hayflick界限的证据 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

  15. 一、Hayflick界限(Hayflick Limitation） ◆决定细胞衰老的因素 二倍体细胞的衰老是由细胞自身决定的 决定细胞衰老的因素在细胞内部，而不是外部 的环境 是细胞核而不是细胞质决定了细胞衰老

  16. 细胞衰老概念被普遍接受的一些经典实验 (细胞体外生命跨度与供体年龄的正相关性) 过程：年轻女性细胞(间期可见巴氏小体) + 年老男性细胞(间期无巴氏小体) 混合培养(一样的外部环境) 结果：年轻女性细胞倍增次数多于年老男性细胞 结论：细胞衰老的过程是由细胞自身决定的, 而非环境因素

  17. 细胞衰老是由细胞核而非细胞质决定的 体细胞杂交实验 年老细胞 年轻细胞 年轻细胞 年老细胞

  18. 不同年龄来源的人成纤维细胞的增殖代数

  19. 物 种 寿 命 培养细胞传代数 海 龟 175 90～125 小 鼠 3. 5 14～28 1.细胞体外生命跨度与物种平均生命跨度的正相关性 早老症病人的细胞在体外只有较短的生命跨度

  20. 六、细胞衰老与个体衰老的关系 呈正相关性: ◆成人的细胞能在体外传代的次数比胎儿 的细胞少; ◆早老症病人的细胞能在体外传代的次数 比正常人少; ◆寿命长的物种的细胞能在体外传代的次 数比寿命短的物种的细胞多。

  21. 五、细胞在体内条件下的衰老 ●在机体内，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; ●正常情况下终生保持分裂的细胞，其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？ ◆衰老动物体内，细胞分裂速度显著减慢，其原因主要是G1期明显延长; ◆衰老个体内的环境因素影响了细胞的增殖和衰老; ◆骨髓干细胞移植实验说明随着年龄的增加，干细胞增殖速度也趋缓慢.

  22. 三、衰老细胞形态结构的变化 ●细胞核的变化 ●内质网的变化: 衰老动物内质网成分弥散性地分散于核周胞质中，粗面内质网的总量似乎是减少了 ●线粒体的变化: 通常，细胞中线粒体的数量随龄减少，而其体积则随龄增大 ●致密体的生成 ●膜系统的变化

  23. 细胞核的变化 ◆体外培养的二倍体细胞，细胞核 随着细胞分裂次数的增加不断增大 ◆细胞核的核膜内折（invagination）、 染色质固缩化

  24. 膜系统的变化 ◆衰老的细胞，其膜流动性降低、韧性减小 ◆衰老细胞间间隙连接减少; 细胞膜内（P面）颗粒的分布也发生变化

  25. 四、细胞衰老的分子机制 ●复制衰老的机制 端粒与衰老 ●胁迫诱导的早熟性衰老 氧化性损伤学说 ●单细胞生物的衰老

  26. 结 论 细胞衰老 ◆可能是以上综合因素的集合，或某几种因素的集合，其中有一种起主导作用。 ◆对于不同的生物体可能有不同的导致衰老的诱因和相应的机制。

  27. 端粒与衰老 ◆1990 年Harley发现端粒长度确实与衰老有着密切的关系， 提出细胞衰老的“有丝分裂钟”学说。 ◆“有丝分裂钟”学说认为，随着细胞的分裂，染色体末端的 （端粒）不断缩短，当其长度缩短到一个阈值时，细胞进 入衰老。 l细胞每分裂一次，端粒缩短50～100bp l端粒缩短到一定程度，细胞不再分裂 l端粒酶过量表达能延长细胞的生命跨度

  28. （一） 细胞凋亡(Apoptosis) ●细胞凋亡的概念 ●细胞凋亡的生理意义 ●细胞凋亡的特征 ●细胞凋亡的检测方法 ●诱导细胞凋亡的因子 ●细胞凋亡的分子机制

  29. 1.细胞凋亡的概念 细胞凋亡是一种程序性的细胞死亡方式，受基因调控的主动的生理性细胞自杀行为，凋亡细胞最后以凋亡小体的形式被吞噬消化。

  30. 2.细胞凋亡的生物学意义 ●细胞凋亡对于多细胞动物个体的正常发 育，自稳态的维持，免疫忍受的形成，肿 瘤的监控具有重要意义。 ◆ 蝌蚪尾的消失，骨髓和肠的细胞凋亡 ◆ 发育过程中手和足的成形过程 ◆ 脊椎动物的神经系统的发育 ●细胞凋亡失衡会引发多种疾病。 ◆细胞凋亡不足 ◆细胞凋亡过度

  31. 3.细胞凋亡的特征 ●细胞凋亡的形态学特征 ●细胞凋亡的生化特征

  32. 3.1 细胞凋亡的形态学特征 动物细胞凋亡的过程可以分为两个阶段： ◆激活期（activation phase) 在这一阶段，细胞对要求它进行自我毁灭的 “死亡信号”作出反应。 ◆执行期（execution phase) 细胞死刑此时付诸实施。 我们先来看比较容易理解的执行期，由凋亡引起的细胞死亡是一个干净利落的有序过程其特征表现为：

  33. 3.1 细胞凋亡的形态学特征 ◆凋亡的起始：细胞表面的特化结构如微绒毛消失，细胞间接触的消失，但细胞膜依然完整；线粒体大体完整，但核糖体逐渐从内质网上脱离，内质网囊腔膨胀，并逐渐与质膜融合；染色质固缩，形成新月形帽状结构等形态，沿着核膜分布 ◆凋亡小体的形成：核染色质断裂为大小不等的片段，与某些细胞器如线粒体一起聚集，为反折的细胞质膜所包围。细胞表面产生了许多泡状或芽状突起，逐渐形成单个的凋亡小体 ◆凋亡小体逐渐为邻近的细胞吞噬并消化

  34. 3.2 细胞凋亡的生化特征 ◆细胞凋亡的主要特征是形成大小为 180～200bp特征性的DNA ladders。 ◆凋亡细胞组织转谷氨酰胺酶tTG （tissueTransglutaminase）积累并达到 较高水平。

  35. 5.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。

  36. 4.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 ◆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 根据凋亡细胞DNA断裂和丢失，采用碘化丙啶使DNA 产生激发荧光，用流式细胞仪检出凋亡的亚二倍体细 胞，同时又能观察细胞的周期状态。

  37. 6.细胞凋亡的分子机制 ●线虫(C.elegans) ●Caspase家族与凋亡 ●Bcl-2家族与细胞凋亡 ●细胞凋亡的分子机理

  38. 6.1 线虫(C.elegans) 细胞凋亡受基因控制。线虫是研究细胞凋亡分子基础的理想材料。 每条线虫具有1090个细胞，其中在正常情况下有131个细胞在发育过程中以凋亡的方式死亡。从线虫中找到若干控制细胞凋亡的基因。

  39. 找到一系列与细胞凋亡有关的基因 ced-3、ced-4 诱发、启动，促进细胞凋亡 ced-9 基因阻止ced3/ced4的激活，抑制凋亡 ①ced-3、ced-4 基因突变或缺失， 使凋亡受阻 ② 移入 ced-9 使凋亡受阻 ③ 失去 ced-9 使细胞凋亡

  40. 6.2 Caspase家族与凋亡 ◆ Caspase家族 ◆ Caspase激活 ◆ Caspase水解的靶蛋白

  41. Ced3的哺乳类同源基因是ICE(Interleukin-1- converting enzyme)，即 Caspase-1。 Ced4的哺乳类同源基因是Apaf-1(细胞凋亡蛋白活化因子）。 Ced9的哺乳类同源基因是BCL-2。 Caspase家族是一组与众不同的蛋白水解酶，在凋亡早期阶段被激活，并负责引发随后的凋亡变化，通过切割一组高度选择性的必须蛋白质来实现这一功能。 Caspase活性位点是半胱氨酸(Cysteine) 裂解靶蛋白位点是天冬氨酸残基后的肽键 因此称为Cysteine aspartic acic specific protease，即Caspase

  42. Caspase激活 细胞中合成的Caspase自身以无活性的酶原状态（Procaspase）存在，经激活后方能执行其功能。 其激活依赖于其他的 Caspase在它的天冬氨酸位点水解活化或自身活化

  43. 胞外信号分子诱导的细胞凋亡途径 ◆上游启始者Caspases切割、活化下游执行者Caspases 当细胞接受凋亡信号分子(Fas,TNF等)后，凋亡细胞表面信号分子受体 相互聚集并与细胞内的衔接蛋白(Adaptor protein)结合，这些衔接蛋白 又募集Procaspases聚集在受体部位，Procaspase相互活化并产生级联反 应，使细胞凋亡 ◆下游执行者Caspases活化后，水解蛋白底物，启动凋亡 裂解核纤层蛋白，导致细胞核形成凋亡小体； 裂解DNase结合蛋白，使DNase释放，降解DNA形成DNA Ladder; 裂解参与细胞连接或附着的骨架和其他蛋白，使凋亡细胞皱缩、脱落， 便 于细胞吞噬； 导致膜脂PS重排，便于吞噬细胞识别并吞噬。

  44. 6.3 Bcl-2家族与细胞凋亡 ◆Bcl-2 是一种原癌基因，是ced-9在哺乳类中的同源物，能抑制细胞凋 亡；与线粒体及内质网膜相结合；Bcl-2蛋白的羧基末端有一穿 膜的结构域；Bcl-2家族成员的基因中，常常含有三个保守的 Bcl-2同源区，即BH1，BH2和BH3 ◆Bcl-2蛋白质家族成员以不同的方式调节细胞凋亡 促进凋亡: Bad、Bid、Bax 阻止凋亡： Bel-X 、Bel-w、 Bel-2 ◆哺乳动物细胞中发现的Apaf2即是CytC

  45. 6.4 细胞凋亡的分子机理 ◆ 胞外信号分子诱导的细胞凋亡途径 ◆ 胞内信号刺激诱导的细胞凋亡途径

  46. Bcl-2家族凋亡成员与细胞凋亡

  47. （二）细胞坏死 (necrosis) ●细胞坏死的涵义及特点 ●细胞凋亡与坏死的区别

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