16.细胞衰老与细胞死亡

细胞衰老（cell aging）是指细胞在执行生命活动过程中，随着时间的推移，细胞增殖与分化能力和生理功能逐渐发生衰退的变化过程。细胞的生命历程都要经过未分化、分化、生长、成熟、衰老和死亡几个阶段。衰老死亡的细胞被机体的免疫系统清除，同时新生的细胞也不断从相应的组织器官生成，以弥补衰老死亡的细胞。细胞衰老死亡与新生细胞生长的动态平衡是维持机体正常生命活动的基础

细胞衰老与细胞死亡 (Cell aging and cell death)

• 衰老(aging)和死亡(death)是生命的基本现象。
• 细胞衰老和死亡是不可避免的,是细胞生命活动的必然规律。
• 细胞衰老 (Cell aging)
  • 现代人类面临着3种衰老
    • 生理性衰老 病理性衰老 心理性衰老
  • 一、细胞衰老的概念 (The concept of cell aging)
    • 1.定义
      • 细胞衰老是细胞内部结构的衰变。 在正常情况下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。
      • 后果:机体衰老、老年病
      • 体内细胞的衰老特点
        • 细胞周期变长,分裂能力降低
        • G1期的时间延长最明显
        • 分裂次数有限
      • 体外培养细胞的衰老特点
        • 传代次数有限,增殖能力有限
          • 培养危机期
          • Hayflick界限(Hayflick limitation)
            • 细胞,至少是培养细胞,不是不死的,而是有一定的寿命的; 它们的增殖能力不是无限的,而是有一定的界限,这就是Haflick界限。
    • 2.细胞的寿限
      • 体外细胞可传代的次数与细胞来源个体的年龄成反比。
      • 动物体细胞在体外可传代的次数与物种的寿命有关。
      • 体外培养细胞所具有增殖分裂的极限
        • 高等动物,包括人类的体细胞,在体外培养情况下都受分裂次数的限制, 一旦达到这一期限,细胞将逐渐走向衰老和死亡。
  • 二、细胞衰老的特征 (Characteristic of cell aging)
    • (一)细胞衰老的形态结构变化
      • 细胞:体积减小，细胞皱缩 细胞膜:流动性降低，细胞连接减少 细胞核:核膜内陷，核内包含物形成，染色质凝集、固缩 细胞质:色素沉积，糖原减少，脂肪积聚，空泡形成。 线粒体数目减少、体积增大，内质网数目减少， 高尔基体破碎，溶酶体体积增大，致密体生成。
      • β-半乳糖苷酶染色可检测 pH依赖性β-半乳糖苷酶活性的表达(细胞染成蓝色),这是衰老细胞的已知特征。
    • (二)细胞衰老的生物化学变化
      • DNA:复制、转录、修复能力降低，端粒DNA丢失，染色体缺失 mRNA:合成能力降低，与核糖体结合能力降低 蛋白质:合成速度降低，稳定性降低，功能降低 酶:含量降低，活性降低 脂类:脂质过氧化反应，引起膜脂之间或与脂蛋白之间交联，膜的流动性降低
  • 三、细胞衰老机制
    • 损伤积累学派
      • 代谢废物累积学说 大分子交联学说 自由基学说 线粒体DNA突变学说 体细胞突变与DNA修复学说 差错灾难学说 微量元素学说 神经内分泌学说
    • 遗传学派
      • 程序性衰老学说 重复基因失活学说 复制性衰老学说 长寿基因学说 终末分化学说
    • (一)衰老的遗传学说
      • 衰老是一个过程,是在一定阶段,由一些基因依次触发启动所致,是细胞或机体本身的固有结果。
      • (1)促进衰老的基因,称为衰老基因(SAG)
        • 细胞衰老时,一些衰老相关基因(SAG)表达特别活跃,其表达水平大大高于年轻细胞,已在人1号染色体、4号染色体及X染色体上发现SAG。如:daf基因家族、clk基因家族、p16ink4a、p53、p21、Rb、β淀粉样蛋白基因等。
      • (2)抑制衰老的基因,称为抗衰老基因或长寿基因
        • SIR2基因、FOXO3A基因、抗氧化酶类基因、凋亡抑制基因、延长因子–1a等。
      • 成人早衰症(Werner′s syndrome )
        • 病因:WRN基因突变
      • 婴幼儿早衰症(Hutchinson-Gilford syndrome
        • 病因:核纤层蛋白A(LMNA)基因突变
    • (二)衰老的损伤积累学说
      • 1.代谢废物积累学说
        • 细胞功能下降→代谢废物不能及时排出胞外或降解与消化→越积越多占据的空间越来越大→影响细胞代谢废物的运输→阻碍细胞的物质交换和信号传递→引起细胞衰老。
        • 细胞内代谢产物的积累至一定量后,会引起细胞衰老。 例:脂褐素沉积,阿尔茨海默症中β–淀粉样蛋白沉积。
      • 2.自由基学说
        • 自由基:一类瞬时形成的含不成对电子的原子或功能基团。包括氧自由基、氢自由基、碳自由基、脂自由基等。
        • 外源性自由基:由环境中的高温、辐射、光解、化学物质等引起。 内源性自由基:由体内各种代谢反应产生,是人体自由基的主要来源。
        • 常细胞内存在清除自由基的防御系统,包括: ①酶系统(抗氧化酶):超氧化物岐化酶(SOD),过氧化氢酶(CAT)等; ②非酶系统(抗氧化剂):维生素C、维生素E、醌类物质; ③细胞内部自身隔离,如线粒体、过氧化物酶体等。
        • 当自由基产生超过机体的清除能力,过多的自由基就会对许多细胞组织造成损伤。
        • 补充、维持体内适当水平的抗氧化剂和抗氧化酶,可以延长寿命,延缓衰老。
    • (三)端粒学说
      • 端粒:位于染色体末端，由端粒DNA和端粒蛋白构成；起稳定染色体末端的作用。
      • 细胞增殖次数与端粒DNA长度有关。
      • Harley等1991发现体细胞染色体的端粒DNA会随细胞分裂次数增加而不断缩短。 细胞DNA每复制一次端粒就缩短一段,当缩短到一定程度至Hayflick点时, 可能会启动DNA损伤检测点,激活p53,导致不可逆地退出细胞周期,走向衰亡。
      • 端粒酶是一种由RNA和蛋白质组成的反转录酶,能以自身的RNA为模板合成端粒DNA, 对于端粒的稳定有至关重要的作用。
  • 四、细胞衰老引起器官老化及老年性疾病
    • 腺体萎缩,激素减少,内分泌功能不足
    • 免疫细胞减少、功能减弱,易患感染性疾病、肿瘤
    • 老年性疾病:高血压、糖尿病、老年性痴呆、帕金森病、骨质疏松、动脉粥样硬化等。 ——社会老龄化,老年病的防治工作重要性日益突出
• 细胞死亡 (Cell death)
  • 是细胞衰老的结果,是细胞生命现象不可逆的停止及细胞生命的结束。
  • 鉴别细胞存活与死亡:中性红、台盼蓝等活体染色。
  • 细胞死亡类型
    • 细胞坏死(3型细胞死亡)——被动死亡
      • 细胞坏死(cell necrosis):指细胞受到化学因素、物理因素和生物因素等环境因素的伤害,引起细胞死亡的病理过程。
      • 细胞坏死主要由酶性消化和蛋白质变性引起。
      • 细胞坏死时,细胞膜和细胞器破裂溶解,细胞内容物释放引起周围组织产生的炎症反应对其他细胞具有破坏作用,常表现为成群细胞的丢失或破坏。
    • 细胞凋亡(1型细胞死亡)——主动死亡
      • 细胞凋亡(cell apoptosis):是指体内细胞主动发生的、有基因控制的细胞自主结束生命的过程,是细胞为适应生存环境而主动采取的死亡方式
      • 线虫体细胞凋亡研究:PCD相关基因15个,分为四组 1、与PCD有关的基因,负责PCD控制:ced-3、ced-4和ced-9. 2、与PCD过程吞嵫作用有关:ced-1、ced-2、ced-5-8和ced-10。 3、核酸酶基因(nuc-1),控制DNA降解,但非PCD所必须。 4、影响特异细胞类型PCD的基因:ces-1、ces-2、cgl-1、和her-1. 保守性高,在哺乳动物中有相应同源物:Ced-3=ICE,Ced-4=Apaf-1,Ced-9=Bcl-2
      • (一)细胞凋亡的特点
        • 1.细胞凋亡的生物学意义
          • 去除不需要的结构(蝌蚪发育、指端发育) 控制细胞数目(神经系统发育) 去除有害细胞(癌细胞的清除) 产生无细胞器的细胞(哺乳动物红细胞等) 细胞的自我保护作用(病毒侵入细胞启动凋亡)
        • 2.凋亡的主要变化
          • (1)形态变化
            • 凋亡的起始(诱导期)
              • 细胞膜表面微绒毛和细胞间连接的减少、消失，但细胞膜保持完整，未失去通透性。
              • 细胞质浓缩、细胞器改变(细胞脱水、细胞质浓缩、细胞体积缩小、核糖体、线粒体聚集、细胞骨架结构排列紊乱)
              • 染色质固缩
            • 凋亡小体的形成(执行期)
              • 当凋亡细胞核染色质裂解形成大小不等的碎片后,细胞膜皱缩,整个细胞经过类似胞吐的方式,形成一些大、小不等的,由细胞膜包裹的、表面光滑的球形小体,称为凋亡小体(apoptosis body)。
              • 凋亡小体是判断细胞凋亡的主要形态结构之一
            • 凋亡小体逐渐被邻近的细胞所吞噬并消化(消亡期)
          • (2)生化变化
            • 胞浆内Ca²⁺浓度增加
            • 细胞内活性氧增加
            • 核酸内切酶活化、DNA断裂,电泳后呈梯状(DNA ladder)
            • 凋亡细胞染色质DNA断片大小有规律,即都为180-200bp整倍数的寡核苷酸片段,进行DNA琼脂糖凝胶电泳时出现特征性的梯状条带(DNA ladders)。 而细胞坏死时,DNA断裂为长度不一的片段,琼脂糖凝胶电泳DNA片段呈弥散状。
            • 梯状条带可作为细胞凋亡的特征之一
      • (二)影响细胞凋亡的因素
        • 1.细胞凋亡诱导因素
          • 激素和生长因子
          • 理化因素:射线、高温、强酸、强碱、抗癌药物等。
          • 免疫因素:细胞毒T淋巴细胞分泌颗粒酶引起靶细胞凋亡。
          • 微生物因素:细菌、病毒
          • 缺氧、缺血、神经递质等。
        • 2.细胞凋亡抑制因素
          • 细胞因子白细胞介素–2、神经生长因子
          • 某些激素,如促肾上腺皮质激素(ACTHA)、睾酮、雌激素等
          • 二价阳离子(Zn²⁺)、药物(苯巴比妥)、病毒(EB病毒)、中性氨基酸等
      • (三)细胞凋亡的分子机制
        • 细胞凋亡是通过蛋白水解系统caspase进行的
          • Caspase如何杀死细胞?
            • 使抑制凋亡因子失活,如CAD/ICAD 破坏细胞结构,如Lamina 将调节区与催化区分离,使蛋白失活,如Gelsolin
        • Active site: Cysteine 活性部位：半胱氨酸 Cleavage site:Asparatic acid 裂解部位：天冬氨酸
          • Cysteine Asparatic acidspecific prote ase 半胱氨酸天冬氨酸特异性蛋白酶
            • 天冬氨酸特异性的半胱氨酸蛋白水解酶
      • (四)细胞凋亡与疾病
        • 两大平衡
          • 生存基因/死亡基因→细胞生长/死亡
          • bcl-2基因的表达与肿瘤的恶化程度与预后有密切联系
          • 突变型P53增多或野生型P53缺失,肿瘤发生率上升
      • 凋亡的检测方法
        • 1.形态学检测
          • 光镜、电镜切片染色(HE、合盼蓝、中性红、Giemsa等染液)
          • 组化染色
        • 2.生化检测
          • 琼脂糖凝胶电泳、原位末端标记法等
        • 3.流式细胞术
          • 定性、定量、高敏感度、方法简便
    • 自噬性细胞死亡(2型细胞死亡)
      • 细胞自噬(autophagy):是指真核细胞内通过包绕隔离受损或功能退化的细胞器及某些大分子物质、与溶酶体融合并水解膜内成分的现象。
      • 细胞自噬主要有三种形式
        • 微自噬(microautophagy)
        • 巨自噬(macroautophagy)
        • 分子伴侣介导的自噬(Chaperone-mediated autophagy,CMA)。