15.细胞死亡与衰老

这是一个关于15.细胞死亡与衰老的思维导图，细胞死亡是指细胞生命现象的终结，是生物体正常生理活动的一部分，也是维持生物体内环境稳定的重要机制。

细胞死亡 程序性细胞死亡（progrmmed cell death，PCD）

• 细胞凋亡（apoptosis）
  • 特征
    • 质膜与溶酶体保持完整，细胞内含物不会释放到膜外，不会诱导机体发生炎症反应
  • 过程
    • 形态学
      • 1. 凋亡的起始
        • 形态学上的变化： 表面特化结构如微绒毛等消失，细胞间连接消失 细胞质中核糖体逐渐与内质网脱离，内质网囊腔膨胀，并逐渐与质膜融合 细胞核内染色质固缩凝集，形成新月形帽状结构，沿核膜分布
      • 2. 凋亡小体的形成
        • 细胞质膜反折，包裹染色质片段和细胞器等细胞碎片，形成芽状突起并逐渐分隔，形成凋亡小体
      • 3.凋亡小体被吞噬
        • 凋亡小体被吞噬细胞或临近细胞吞噬，在溶酶体内被消化
    • 分子机制
      • 凋亡诱导因子
        • 物理性因子：包括射线（紫外线、γ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）、钙离子载体、VK3、视黄酸、细胞毒素、 DNA 和蛋白质合成的抑制剂（如环已亚胺）、正常生理因子（激素，细胞生长因子等）的失调，以及凋亡因子如肿瘤坏死因子α（ tumor necrosis factor α, TNFα）处理等
      • caspase 天冬氨酸特异性的半胱氨酸蛋白水解酶
        • 功能
          • 活性位点均包含半胱氨酸残基，能够特异地切割靶蛋白天冬氨酸残基后的肽键，使靶蛋白活化或失活，而非完全降解
        • 分类
          • 炎症caspase： caspase-1，caspase-4，caspase-5，caspase-11，caspase-12
            • 切割白介素1（IL1），使其活化成为成熟有活性的细胞因子被分泌到胞外
          • 凋亡caspase： caspase-2，3，6，7，8，9，10
            • 起始caspase： caspase-2，8，9，10
              • 负责对效应酶前体进行切割，产生有活性的效应caspase
            • 效应caspase： caspase-3，6，7
              • 负责切割核内或细胞质中结构蛋白与调节蛋白，使其活化或失活，保证凋亡程序的进行
        • 作用机制
          • 在通常都以无活性酶原形式
            • 同源活化（起始caspase活化）
              • caspase-8，10含串联重复的死亡效应结构域（DED）
              • caspase-2，9含有caspase募集结构域（CARD）
              • 一些接头蛋白也含有这两个结构域，可以借此互相结合
              • 接受凋亡信号刺激 酶原分子在特异性天冬氨酸位点被切割 产生两端多肽形成大小两个亚基 再聚合合成异二聚体（活性酶）
            • 异源活化（效应caspase活化）
              • 已经活化的起始caspase招募效应caspase酶原分子进行切割而活化
              • 效应caspase活化切割底物
                • 裂解抑制因子ICAD（Inhibitor of CAD），使核酸酶CAD（caspase activated DNase）释放，降解DNA，电泳出现梯状条带DNA Ladder
                • 切割聚腺苷酸二磷酸核糖转移酶（PARP），使其失活，失去对DNA损伤修复敏感性
                • 切割细胞骨架蛋白使细胞的骨架体系发生结构变化，便于细胞改变形态以及形成凋亡小体
                  • 切割核纤层蛋白
                    • 核纤层解聚，核膜收缩
                  • 切割核孔蛋白，细胞质骨架蛋白
                    • 细胞核与细胞质信号传递中断
                • 切割黏着斑激酶（focal adhesion kinase，FAK），导致凋亡细胞与胞外基质或其他细胞的解离。
          • 短时间内迅速放大并传递整个细胞，产生凋亡效应，不可逆转
        • 调控
          • caspase抑制因子（cIAP）
            • 直接与caspase活性分子结合，阻止其对底物切割
          • 从线粒体释放的促进蛋白（与细胞色素c一起）
            • Smac（DIABLO）
              • 通常存在于线粒体膜间隙
              • 含有IAP结合结构域，在细胞质中能与cIAP结合释放被封闭的caspase
            • 丝氨酸蛋白酶Htra2/Omi
              • 切割cIAP接触其抑制凋亡作用
      • 过程
        • 接收凋亡信号
        • 凋亡相关分子的活化
        • 凋亡的执行
        • 信号通路
          • caspase依赖性细胞凋亡
            • 外源途径（死亡受体引发）
              • 起始于死亡配体与受体的结合（Fas配体与受体）
                • 死亡配体主要是肿瘤坏死因子（TNF）家族成员
                • 死亡受体：TNF-R1和Fas (Apo-1， CD95) 是死亡受体家族的代表
                  • 胞质部分含有死亡结构域（DD），负责招募凋亡信号通路中接头蛋白
              • 死亡诱导信号复合体（DISC）组装
                • 死亡受体（Fas受体）-DD
                • DD-接头蛋白FADD-DED（死亡效应结构域）
                • DED-caspase-8酶原
                • caspase-8同源活化
                  • 切割效应caspase-3活化，导致细胞凋亡
                  • 切割信号分子Bid，凋亡信号传递到线粒体
            • 内源途径（线粒体引发）
              • 内部凋亡信号刺激
              • 线粒体通透性改变
                • Bcl2蛋白家族调控
                  • Bcl2亚族： Bcl2,Bcl-xL,Bcl-w,Mcl1
                    • 抑制细胞凋亡
                    • 彼此间聚合及解聚，调控线粒体通透性
                  • Bax亚族： Bax,Bak,Bok
                    • 促进细胞凋亡
                    • 接受信号后，Bax与Bak寡聚化，从细胞质中转移到线粒体外膜上，与膜上的电压依赖性阴离子通道（VDAC）相互作用，打开通道使得线粒体内凋亡因子如细胞色素c等释放胞质中，引发细胞凋亡
                  • 正常情况下，Bcl2与Bax/Bak形成复合体 阻止线粒体膜通道开启
                  • BH3亚族： Bad,Bid,Bik,Puma,Noxa
                    • 充当细胞内凋亡信号感受器，促进凋亡
                    • Bid被活化后，解除Bcl2抑制作用
              • 凋亡复合体形成
                • 细胞色素c从线粒体释放后与APAF1自身聚合，形成复合体
                • APAF1的N端有caspase募集结构域（CARD）招募caspase-9酶原
                • caspase-9同源活化后切割激活caspase-3，7 引发细胞凋亡
          • caspase非依赖性细胞凋亡
            • 线粒体释放凋亡因子
              • 凋亡诱导因子（AIF）
              • 限制性内切核酸酶G（Endo G）
              • 进入细胞核，切割核DNA，引发细胞凋亡
        • 凋亡细胞的清除
          • 细胞发生凋亡时，PS（磷脂酰丝氨酸）从细胞质膜脂双层内叶外翻到外叶，向吞噬细胞发生“将我吃掉”的信号
  • 检测方法
    • 形态学观察——染色法
      • 台盼蓝
      • 4‘，6-二脒基-2-苯基吲哚（DAPI）
      • 吉姆萨染色法
      • 结合DNA的荧光染料 显示凋亡细胞的染色质聚集
    • DNA电泳
      • 凋亡时，细胞内特异性核酸内切酶活化，染色质DNA 在核小体间被特异性切割，DNA 降解成 180～200 bp 或其整数倍片段
      • DNA梯状条带
    • DNA 断裂的原位末端标记法（TUNEL）
      • 末端转移酶介导的dUTP缺口末端标记测定法
      • 凋亡细胞的核DNA 断裂后产生3′-OH 末端，因此可借助一种可观测的标记物如荧光素对单个凋亡细胞核或凋亡小体进行原位染色
    • 彗星电泳法
      • 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
    • 检测细胞膜成分变化
      • 细胞凋亡早期，位于细胞膜内侧的磷脂酰丝氨酸（PS）迅速翻转到细胞膜外侧，使得PS 暴露在细胞膜表面。磷脂结合蛋白Annexin V 能特异识别暴露在细胞外侧PS
  • 生理意义
    • 保证正常的胚胎发育进程，塑造个体及器官形态，形成免疫耐受
      • 只有接受了足量的神经生长因子（NGF）的神经元才存活，否则就凋亡 由此调节神经细胞数量，与之需要支配的靶细胞相适应
      • 个体塑造与器官发育：蝌蚪尾巴退化
      • 对识别自身抗原的T细胞（损伤自身）进行选择性消除
    • 维持生物体内自稳态
      • 免疫细胞的数量
    • 生理保护与肿瘤监控
• 坏死 （necrosis）
  • 特征
    • 细胞膜破裂，细胞内含物释放，周围组织发生炎症反应，可检测到损伤相关分子模式（DAMP），即那些原本定位于细胞内部的分子
  • 机制
    • 肿瘤坏死因子（TNF）与受体TNFR1结合
      • 病原体及相关因子诱导
    • 蛋白激酶RIPK3及其上游信号分子聚合形成坏死复合体
    • RIPK3在复合体中发生磷酸化而活化，进而招募并磷酸化MLKL
    • MLKL被磷酸化后发生寡聚化 ，与质膜上磷脂酰肌醇磷酸（PIP）结合，在膜上形成通道
    • 细胞膜破裂，屏障作用消失，细胞坏死
• 焦亡（pyroptosis）
  • 特征
    • 受到病原体感染后，细胞膜短时间内形成孔洞，细胞膨胀至破裂，白介素1β（IL1β）等炎性因子大量释放，激活机体强烈免疫反应并诱导免疫吞噬。破裂的细胞膜包裹病原体被吞噬细胞吞噬消灭
  • 机制
    • 病原体侵入细胞内部后，感知信号的受体、接头蛋白、caspase-1前体组装成炎性小体 而caspase-4/5/11可以与病原体成分（如细菌脂多糖）直接结合而被活化
    • caspase-1前体发生同源活化，切割pro-IL1β与pro-IL18导致IL1β与IL18活化成熟 活化的炎性caspase切割GSDMO分子（通常处于自抑制构象）中部特异位点，产生N端片段
    • GSDMO的N端片段迁移到细胞膜，聚合形成质膜孔洞，为IL1β释放胞外提供孔道，诱导机体炎症 同时导致钠离子伴随大量水分子内流，细胞膨胀破裂死亡
• 自噬性细胞死亡（autophagic cell death）
  • 定义
    • 自噬相关基因调控下对细胞内受损或需要淘汰的物质再利用的过程
    • 一般情况下水平很低，当环境恶劣时增强
  • 过程
    • 吞噬细胞器或蛋白质
      • 受损细胞器或蛋白质被双层膜结构的自噬小泡包裹，与溶酶体（动物）或液泡（酵母和植物）融合，将内容物降解循环利用
    • 吞噬细胞
      • 细胞利用内质网、线粒体或高尔基体等细胞器的膜形成一种称为分离膜的双层膜结构。不断延伸并最后将胞浆成分包裹形成自噬体，再与溶酶体融合形成自噬溶酶体
  • 分类
    • 微自噬
      • 溶酶体或者液泡膜直接内陷，将细胞质基质中的物质包裹进溶酶体腔内并降解的过程
    • 巨自噬（大自噬）
      • 在自噬信号刺激下，底物蛋白或细胞器被一种双层膜结构包裹，形成自噬小泡
    • 分子伴侣介导的自噬（CMA）
      • 通过Hsp70等分子伴侣识别并结合带有KFERQ氨基酸序列的底物蛋白并降解
• 细胞衰老 复制衰老（RS）
  • 是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，不可逆处于增殖停止状态
    • Hayflick界限
      • 细胞在进入增殖停滞状态前的有限倍增次数
  • 特征
    • 形态
      • 大而扁平，质膜流动性降低
      • 细胞骨架结构改变
      • 细胞粘附性增强
      • 细胞内溶酶体体积增大
      • 内部含有大量未分解在脂质成分，如脂褐质
        • 老年斑形成
    • 分子
      • 细胞不可逆地停止分裂，增加生长因子也没有用
      • 细胞周期负调节因子表达上调或活性增强
      • 衰老相关的β-半乳糖苷酶（SABG）活化
        • β-半乳糖苷酶是溶酶体内水解酶，正常在PH4.0环境下表现活性 但衰老细胞内β-半乳糖苷酶在PH6.0下存也在活性
      • 端粒长度明显减少
      • 衰老相关异染色质集中（SAHF）
        • 年轻细胞细胞核内DNA均匀分布 衰老细胞细胞核内DNA点状分布
      • 衰老特征性分泌物（SASP）
        • 包括炎性因子，金属蛋白酶等， 招募免疫细胞前来吞噬衰老细胞，并改变周围细胞微环境
  • 机制
    • 缩短的端粒被识别为DNA损伤
      • 激活p53信号通路（p53含量，磷酸化程度，稳定性明显增加）
    • 刺激因素： 超量过氧化物，原癌基因非正常活化，非端粒DNA损伤
      • 胁迫诱导的早熟性衰老(SIPS)
        • 活化周期抑制蛋白p16信号通路
• 神经生长因子与神经细胞表面受体结合 激活PI3K途径 活化蛋白激酶PKB PKB磷酸化Bad Bad失活 使得Bcl2一直抑制