细胞生物学-细胞衰老与死亡

本章是医学细胞生物学第十六章细胞衰老与死亡，主要讲解细胞凋亡的机制和影响细胞衰老死亡的因素，填充色部分为重点

细胞衰老与死亡

• 细胞衰老
  • cellular aging, cell senescence
  • 衰老的概念—生物体形态结构和生理功能随年龄增加而显现出的不可逆的衰退现象，这种衰退增加了有机体对疾病和死亡的易感性，这种现象称为衰老。个体的衰老是细胞的衰老引起的
  • 细胞衰老—指随着时间的推移，细胞增殖能力和生理功能逐渐下降的过程
  • 细胞分类
    • 不断更新的组织细胞：是快速更新的细胞，如上皮细胞、血细胞
    • 稳定组织细胞(又'缓慢更新的细胞')：正常情况下无明显衰老现象，细胞分裂少见，但受损时，剩余细胞可重新分裂，补充失去的细胞，如肝、肾细胞等
    • 恒久组织细胞：这类细胞的寿命接近于动物的整体寿命，如神经细胞和骨骼肌、心肌细胞等。在胚胎发育终了时，这些细胞不再增加数量。它们随着个体衰老而衰老，or由于这些细胞的衰老、死亡引起个体死亡。但可由干细胞增殖、分化补充
    • 可耗尽组织细胞：如人类的卵巢实质细胞
  • 体外培养成纤维细胞—传代次数与供体年龄、物种特性等有关
  • Hayflick界限：细胞、至少是培养的细胞，是有一定寿命的，它们的增殖能力不是无限的，而是有一定界限的。(细胞水平的衰老现象)
  • 特征
    • 1.细胞含水量减少-导致细胞体积变小
    • 2.细胞核—核膜内折，神经细胞尤为明显，这种内折随年龄增长而增加，最后可能导致核膜崩解；染色质固缩、碎裂、溶解，常出现核内容物，核质染色加深，核的细致结构逐渐消失，核仁不规则
    • 3.细胞膜—细胞的间隙连接明显减少，组成间隙连接的膜内颗粒聚集体变小，这种变化使细胞间代谢协作减少了；膜脂相发生改变，胆固醇与磷脂之比增大，膜流动性下降
    • 4.内质网的变化—内质网排列变得无序，膜腔膨胀扩大甚至崩解，膜面上核糖体数量减少
    • 5.线粒体—线粒体数量随年龄增大而减少，体积增大，内部肿胀空泡化，内部嵴大大减少。线粒体崩解是细胞衰老变化的主要标志。线粒体的呼吸链是损伤性自由基的发源地，线粒体DNA成为自由基的主要攻击目标
    • 6.致密体的生成—溶酶体消化功能减退，脂褐质增加→(老年斑形成)
    • 7.细胞内生化改变—蛋白质合成速率降低，细胞内酶含量和活性降低
    • 8.细胞外基质改变—细胞外基质大分子交连增加
  • 机制
    • 遗传学派：强调衰老是遗传决定的自然演进过程； 差错学派：强调衰老是由于细胞中的各种错误积累引起的
    • ①损伤积累学说
      • 1.代谢废物积累学说
      • 2.自由基学说—自由基→带有奇数电子数的化学物质，即它们都带有未配对的自由电子，这些自由电子导致了这些物质的高反应活性，生物氧化、辐射、受污染物的侵害以及细胞内的酶促反应等过程→释放自由基
      • 细胞内存在清除自由基的防御系统，包括酶系统-超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、谷胱甘肽过氧化物酶(GHS-Px),非酶系统-Ve、Vc
    • ②程序性衰老
      • 细胞核基因组内存在遗传“生物钟”，可能存在衰老基因、抗衰老基因或长寿基因，eg-SGS1基因可抗衰老？；Werner综合征(Ws)→成人型早老症，出现过早衰老现象，Re03/WRN 基因突变导致
      • 1.DNA修复能力—正常细胞具有一定的DNA损伤修复能力，修复能力下降或修复系统异常→基因表达异常，细胞功能失常，衰老逐渐形成，修复能力与机体所属物种的平均寿命、个体年龄不同有关
      • 2.染色体端粒—细胞分裂→端粒逐渐变短→缩短到临界长度→启动停止细胞分裂的信号→细胞退出细胞周期→不再分裂且出现老化，细胞开始死亡，称为“第一死亡期(M)”或“危险期”。∴人们把端粒长度作为细胞的有丝分裂钟来对待。
        • 实验：将人的端粒酶反转录酶亚基(hTRT)基因引入正常的人视网膜色素上皮细胞，其端粒长度明显增加，分泌旺盛，作为细胞衰老指标的β-半乳糖苷酶活性降低
• 细胞死亡
  • 概念：是指细胞生命活动的结束
  • 1.细胞凋亡
    • apoptosis
    • 概念—是一个主动的由基因决定的自动结束生命的过程，也称为细胞编程性死亡(programmed cell death,PCD).是一个主动的、高度有序的、基因控制的、一系列酶参与的过程，选用古希腊名词apoptosis(=dropping off)命名，强调这是一自然的生理过程。
      • 凋亡的细胞将被吞噬细胞吞噬
    • 意义
      • ①确保正常生长发育，在胚胎发育过程中，特定区域的细胞群会发生自然凋亡，清除这些细胞有利于器官形态的发生；Eg-脊椎动物神经系统中调节神经细胞数量使其与需要支配的靶细胞数量适应
      • ②维持机体内环境稳定，凋亡在正常细胞生存与死亡的平衡中起调节作用，该平衡出现问题则导致肿瘤、阿尔兹海默症和类风湿关节炎等疾病的发生
        • eg:红细胞-分化成熟→失去细胞核→凋亡；淋巴细胞-95％以上在成熟之前死去，不到5％成熟后只存活一至几天
      • ③发挥积极的防御功能，细胞可通过凋亡的形式清除一些病毒感染的细胞、肿瘤细胞以及衰老细胞
    • 特征
      • ①染色质浓缩成半月形，附着于核膜周边
      • ②细胞内脱水，细胞体积缩小
      • ③内源性核酸内切酶活化，染色质DNA在核小体连接部断裂。被降解为(180-200bp)整数倍片段，凝胶电泳呈梯状-DNA Ladder
      • ④凋亡小体形成，胞膜皱缩内陷，分割包裹胞质，内含DNA物质及细胞器，形成泡状小体称为凋亡小体(apoptotic body)
      • ⑤凋亡小体被识别与吞噬，凋亡细胞或凋亡小体迅速被邻近的吞噬细胞识别，被吞噬后留下的空隙由周围细胞填充不留痕迹。
    • 影响因素—Ⅰ诱导因素：物理因子-包括射线(紫外线、γ射线等)；化学因子-包括活性氧基团和分子；生物因子：DNA和蛋白质合成的抑制剂，肿瘤坏死因子α(TNFα)等； Ⅱ抑制因素：细胞生长因子、激素等
    • • 秀丽隐杆线虫
    • 哺乳动物细胞凋亡相关基因
      • 1.caspase家族—也称ICE/ced家族，哺乳动物中与线虫ced-3同源的基因，ced-3=Caspase1.编码的是一组与细胞因子成熟和凋亡有关的蛋白酶，迄今发现了15个同源基因
        • 活性位点是半胱氨酸，裂解靶蛋白位点是天冬氨酸残基后的肽键，因此称为天冬氨酸特异性的半胱氨酸蛋白水解酶(Cysteine aspartic acic specific protease),即caspase
        • 负责选择性地切割某些蛋白质，切割结果→使靶蛋白活化或失活，而非完全降解；通常以无活性酶原形式存在于细胞质中
        • capase1、11→负责白细胞介素前体的活化，不直接参与细胞凋亡信号传导；2、8、9、10、11→参与细胞凋亡的起始-"起始caspase"；3、6、7→参与细胞凋亡执行-"效应caspase"
      • 2.Bcl-2—膜的整合蛋白，主要存在于线粒体外膜、核膜及部分内质网中，在正常组织稳定方面起重要作用，Bcl-2=ced9
      • 分类：抗凋亡-Bcl-2、Bcl-xl、Bcl-w、Mcl-1;促凋亡-Bax、Bak、Bad，Bax和Bcl-2的比例决定细胞是否死亡的命运
      • 3.Apaf-1—凋亡酶激活因子(apoptotic protease activating factor-1),参与线粒体凋亡途径
    • 凋亡的信号通路
      • 详见PPT传导途径
      • 1.Caspase依赖性细胞凋亡途径
        • 死亡受体起始的外源途径—起始于死亡配体与受体的结合；死亡配体主要是肿瘤坏死因子(TNF)家族成员，胞质部分均含有死亡结构域，负责招募凋亡信号通路中的信号分子
        • 线粒体起始的内源途径—内源途径中，线粒体处于中心地位；细胞受外部信号刺激时。胞内线粒体的外膜通透性会发生改变，向细胞质中释放凋亡相关因子，引发细胞凋亡
      • Caspase非依赖性细胞凋亡
  • 2.坏死
    • necrosis
    • 定义:在外来致病因素(局部缺血、高热等物理、化学、生物因素)作用下，细胞生命活动被迫中止引起的细胞被动性死亡.是被动的、非自主过程(necrosis=make die)
    • 特点；细胞质膜发生渗漏，细胞内容物，包括膨大和破碎的细胞器以及染色质片段释放到胞外，导致炎症反应
  • 3.自噬性细胞死亡
    • autophagic cell death
    • 自噬过程：自噬小体+溶酶体；营养缺乏时降解自身，磷脂酰肌醇(PI3K)信号途径启动
• 凋亡与坏死的区别：凋亡-染色质凝聚在核膜下呈半月状，细胞器无明显变化→细胞体积固缩变小，细胞膜完整，凋亡小体形成→凋亡小体被邻近细胞或吞噬细胞吞噬，无炎症反应 坏死-染色质呈絮状不规则移位，细胞器肿胀→细胞肿胀、自溶、内容物释放→引起炎症反应