细胞衰老与细胞死亡2yqxycz1128

细胞生物学之细胞衰老与细胞死亡，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。

细胞衰老与细胞死亡

• 细胞衰老
  • 衰老分类
    • 生理性衰老 病理性衰老 心理性衰老
  • 一、细胞衰老的概念
    • 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。
      • 细胞衰老与机体的衰老既有区别又有联系
      • 体内细胞各类细胞的寿命不同
        • 第一类细胞的寿命接近于动物的整体寿命，如神经元，脂肪细胞，肌细胞等
        • 第二类细胞是更新缓慢的细胞，其寿命比机体的寿命短，如肝细胞，胃壁细胞等
        • 第三类是快速更新且寿命较短的细胞如皮肤的表皮细胞红细胞白细胞等
      • 细胞在体外培养条件下的寿命
        • 传代次数有限,增殖能力有限
          • Hayflick界限
            • 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。
  • 二、细胞衰老的特征
    • (一)细胞衰老伴随着形态学变化
      • 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。
    • (二)细胞衰老过程中有生物大分子和代谢的改变
      • 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
      • 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。
  • 三、细胞衰老的学说与机制
    • 遗传决定学说认为衰老是遗传上的程序化过程
      • • 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
    • • 自由基学说认为活性氧基团导致细胞损伤和衰老
        • 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。
    • 端粒学说认为端粒随细胞分裂不断缩短为衰老的主要原因
      • 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。
        • 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。
        • 基因转录或翻译差错导致细胞衰老
        • 其他学说，如神经免疫网络论，钙调蛋白学说，微量元素学说等
  • 四、细胞衰老引起器官老化及老年性疾病
• 细胞死亡
  • 细胞死亡的方式
    • 细胞坏死——被动死亡
    • 细胞焦亡又称为细胞炎症性坏死
    • 细胞凋亡——主动死亡
      • 细胞凋亡: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)细胞凋亡是由死亡信号诱发的受调节的细胞死亡过程
        • 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)特征性形态学变化
          • 主要包括细胞皱缩，染色质凝聚，凋亡小体形成细胞骨架结体等
            • 凋亡细胞的核DNA在核小体连接处断裂成核小体片段 ，使细胞核呈现新月状，花瓣状等多种形态，染色质进一步聚集在核膜，在核孔处断裂，形成核碎片或残片
            • 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)
            • 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。
            • 凋亡小体的形成
              • 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。
              • 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
        • (2)细胞凋亡时细胞生化改变的复杂性和多样性
          • DNA片段化
            • 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。 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。
          • 胞浆内Ca²⁺浓度Ph的变化
            • 一是胞内钙离子库释放胞外钙离子内流，使得胞质内钙离子持续上升，作为凋亡信号，启动凋亡
            • 二是钙离子的释放打破了细胞内结构的稳定，使细胞凋亡系统的关键成分与正常时不能接触到的机制发生反应，从而触发凋亡
            • 钙离子与细胞凋亡的启动有关，pH值的变化是细胞凋亡的必然结果
          • 线粒体在细胞凋亡中的作用
          • 细胞凋亡中的蛋白酶
            • 蛋白酶及连切割可能是凋亡最关键的过程
          • 失巢凋亡是又一种形式的细胞程序性死亡
            • 在脱离原来生存环境的特殊情况下发生的细胞凋亡
            • 意义在于防止这些脱落的细胞种植并生长于其他不合适的地方
            • 恶性肿瘤细胞具有极强的抗失巢凋亡特性
      • 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
      • 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
        • 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
        • 既能抑制又能促进细胞凋亡的bcl-2基因家族
        • 可促进细胞凋亡的ice基因
        • 可触发细胞凋亡的Fas和Fasl
        • 参与调节细胞凋亡的p53基因
        • C－myc基因既是凋亡的激活因子，又是抑制因素
      • 细胞凋亡的信号转导通路主要由死亡受体和线粒体介导
        • 死亡受体介导的信号转导通路
          • 哺乳动物的死亡受体属于肿瘤坏死因子受体和神经生长因子受体超家族
        • 线粒体介导的信号转导通路
          • 引起线粒体的损伤和膜渗透性改变
            • bcl-2通过阻止细胞色素c从线粒体释放来抑制凋亡
            • bax则通过与线粒体上的膜通道结合，促使细胞色素c的释放而促进凋亡
        • 其他转导通路
      • 凋亡细胞的检测
        • 形态学检测
        • 生化特征检测
        • 流式细胞仪检测
      • 细胞凋亡与疾病
        • 细胞凋亡过低导致相关疾病的发生
          • 细胞凋亡与肿瘤
          • 细胞凋亡与系统性红斑狼疮
        • 细胞凋亡过度导致相关疾病的发生
          • 细胞凋亡与神经退行性疾病
          • 细胞凋亡与AIDS病
          • 细胞凋亡与心血管疾病
    • 自噬性细胞死亡
      • 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
        • 巨自噬
        • 分子伴侣介导的自噬