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第十四章细胞衰老与凋亡\n第一节细胞衰老(cellaging)一、早期的细胞衰老研究细胞不死性细胞会衰老细胞不死性Hayflick界限\n二、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，而是有一定的界限。\n细胞的增殖能力与供体年龄有关：1、胚胎肺得到的成纤维细胞可在体外传代50次，而从成人肺中得到的成纤维细胞只能传代20次。2、用早老症及Werner氏综合症患者的成纤维细胞进行培养。\n一个37岁的成人早衰症患者\n正常儿童（左）和婴幼儿早衰症患者（右）\n物种寿命与培养细胞寿命之间存在着确定的相关关系。Galapagos龟平均寿命为175岁，其培养细胞的传代次数可达90～125次；小鼠平均最高寿命为3.5年，其培养细胞的传代次数亦少，仅14～28次。\n物种最高寿命与细胞体外培养最高传代次数的关系灰色部分表示物种的寿命，绿色部分表示体外培养传代的次数\n决定细胞衰老的因素在细胞内部，而不在外部环境。细胞核决定了细胞衰老的表达。将取自老年男性个体的细胞（间期无巴氏小体）和取自年轻女性个体的细胞（间期可见巴氏小体）进行单独或混合培养，并统计其倍增次数；结果发现，混合培养中的两类细胞的倍增次数与各自单独培养时相同，即在同一培养基中，当年轻细胞旺盛增殖的同时，年老细胞就停止生长了。\n机体组织细胞寿命的分类①恒久性组织细胞:高度分化的细胞，细胞在出生后便失去分裂和增殖能力，其细胞寿命接近机体的寿命。如神经细胞、骨骼细胞和心肌细胞等。②稳定性组织细胞:分化程度较高的组织细胞，功能专一，正常情况下没有明显的衰老现象，细胞也极少出现分裂现象，但在某些细胞受到破坏丧失时，其余细胞也能进行分裂，以补充失去的细胞，如肝、肾细胞。③更新性组织细胞：执行特定功能的细胞，经过一定时间后衰老死亡，由新的同类细胞分化成熟补充，直至个体生命结束，细胞才停止替换。如上皮细胞、红细胞、白细胞等。④可耗尽组织细胞:细胞在一生中逐渐消耗减少，而不能得到补充，最后消耗殆尽。如人类的卵巢实质细胞、胸腺细胞。\n三、衰老细胞结构的变化1、细胞核的变化核膜内折；染色质固缩化；有的细胞核仁发生裂解。2、内质网的变化内质网趋于解体，总量减少。3、线粒体的变化细胞中线粒体的数量随年龄增大而减少，其体积则随年龄的增大而增大。有的线粒体膜开始解体。\n4、致密体的生成致密体是衰老细胞中常见的一种结构，绝大多数动物细胞在衰老时都会有致密体的积累。除了致密体外，这种细胞成分还有许多不同的名称，如脂褐质，老年色素等。致密体是由溶酶体或线粒体转化而来。5、膜系统的变化由液晶相转变为凝胶相，细胞间间隙连接明显减少，细胞间代谢协作减少。\n四、细胞衰老的分子机制1、氧化性损伤学说的发展认为：代谢过程中产生的活性氧基团或分子引发的氧化性损伤的积累，最终导致衰老2、端粒与衰老3、rDNA与衰老染色体外rDNA环(ERC)的积累，导致细胞衰老，并伴随着核仁的裂解。\n\n4、沉默信息调节蛋白复合物与衰老沉默信息调节蛋白复合物，简称Sir复合物，包括Sirl、Sir2、Sir3、Sir4，通常存在于异染色质中。功能是阻止它们所在位点的DNA的转录。5、衰老基因与衰老如SGS1基因、WRN基因的缺陷或丧失明显影响了寿命。6、线粒体DNA与衰老虽然线粒体DNA突变的积累对细胞衰老产生一定的影响，然而这可能不是引起衰老的初始原因。7、DNA损伤修复学说生物衰老时，细胞修复损伤DNA的能力下降,致使损伤积累,引起基因及其表达异常，最终引起生物衰老。\nP16基因是一种细胞周期负调控因子，它通过抑制细胞周期蛋白质依赖激酶CDK4和CDK6，使细胞周期阻滞于G1期。我国科学家将P16基因导入人成纤维细胞，结果细胞衰老加快；而将其反义重组载体导入细胞则抑制P16，抑制P16基因表达，不仅使细胞寿命延长，衰老程度减轻，而且使细胞增殖能力与DNA损伤修复能力加强，端粒长度的缩短也在减缓。目前，研究已初步阐明P16基因是人类细胞衰老的主导基因，是人类细胞衰老遗传控制程序中的主要环节。此项生命科学基础研究是中国学者在人类细胞衰老机理上取得的原创性贡献，它为科学界进一步阐明人类细胞衰老问题提供了一条新途径。\n不老婴儿美国女孩布鲁克·格林伯格尽管已17岁大，但她的外表和举止看上去仍然如同一岁女婴，她的体重只有7.25公斤，身高也只有0.76米，至今仍然只会牙牙学语！上图为16岁的布鲁克（左）和13岁的妹妹卡莉，下图为9岁的布鲁克（左）和6岁的卡莉布鲁克患上的是一种至今未被诊断出原因、至今尚没有名字的罕见综合征，布鲁克也许是全世界惟一一个患有这种罕见怪病的人。医学专家们正在对布鲁克的细胞和DNA样本进行研究，科学家相信，布鲁克体内某种控制人类衰老的基因发生了变异，导致她被时间“冻结”在婴儿状态！如果这种基因能够被隔离出来，那么就可以对人类为何会衰老和死亡的问题提供重要的线索。\n第二节细胞凋亡一、细胞凋亡的概念及其生物学意义细胞调亡指细胞主动的由基因决定的自动结束生命的过程。由于细胞凋亡受到严格的由遗传机制决定的程序性调控，所以又称为细胞编程性死亡（PCD）。细胞凋亡对于多细胞生物个体发育的正常进行，抵御外界各种因素的干扰方面都起着非常关键的作用：如蝌蚪尾的消失。\n二、细胞凋亡的形态学特征1、细胞凋亡与坏死细胞凋亡是一种主动的由基因决定的细胞自我破坏的过程，而坏死是极端的物理、化学因素或严重的病理性刺激引起的细胞损伤和死亡。2、细胞凋亡的形态学特征①凋亡的起始②凋亡小体的形成③凋亡小体逐渐为邻近的细胞所吞噬并消化。\n细胞坏死与凋亡的形态区别\n三、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倍数特征性的DNAladders凋亡细胞组织转谷氨酰胺酶tTG（tissueTransglutaminase）积累并达到较高水平\n细胞凋亡的DNA梯状图谱\n四、细胞凋亡的分子机理哺乳动物细胞凋亡的途径主要有两条，一条是通过胞外信号激活细胞内的凋亡酶caspase、一条是通过线粒体释放凋亡酶激活因子激活caspase。这些活化的caspase可将细胞内的重要蛋白降解，引起细胞凋亡。\n1、caspase家族与凋亡Caspase属于半胱氨酸蛋白酶，是引起细胞凋亡的关键酶，一旦被信号途径激活，能将细胞内的蛋白质降解，使细胞不可逆的走向死亡。它们的一个重要特点是：总是在天冬氨酸残基之后切断底物，所以命名为caspase（cysteineaspartate-specificprotease）。目前已确定至少存在11种caspase，其中caspase2、8、9和caspase10参与细胞凋亡的起始，caspase3、6、7则是细胞凋亡的执行者。Caspase3和caspase7启动DNA的降解，caspase6启动核纤层和细胞骨架的崩解。\n2、天然的caspase抑制剂病毒蛋白CrmA、p35，哺乳动物细胞的编程性细胞死亡抑制因子（inhibitorofapoptosis,IAP）家族等，它们通过抑制caspase的活性而抑制细胞凋亡。3、Bcl2家族Bcl-2家族是哺乳动物中的原癌基因，与线虫中的ced-9为同源物。Bcl-2基因最早是从小鼠B细胞淋巴瘤中发现的，在寿命较长的组织细胞(如心肌细胞、神经细胞等)中的表达量较高。和一般的癌基因不同，Bcl-2不能促进细胞的增殖，而是通过抑制细胞凋亡来延长细胞的生存时间，被认为是凋亡抑制基因，其表达产物是膜的整合蛋白，现已发现至少19个同源物，它们在线粒体参与的凋亡途径中起调控作用，能控制线粒体中细胞色素c等凋亡因子的释放。\n4、p53与细胞凋亡是一种抑癌基因，其生物学功能是在G期监视DNA的完整性。如有损伤，则抑制细胞增殖，直到DNA修复完成。如果DNA不能被修复，则诱导其调亡。5、线粒体与细胞凋亡细胞应激反应或凋亡信号能引起线粒体细胞色素c释放，作为凋亡诱导因子，引发caspases级联反应，导致细胞凋亡。\n6、线虫的细胞凋亡相关基因秀丽隐杆线虫（CE）是研究个体发育和细胞凋亡的理想模型。其生命周期短，细胞数量少，整个身体呈透明状，易于观察。在胚胎发育期，秀丽隐杆线虫有1090个体细胞，但在发育过程中有131个细胞死亡。因此，一个成熟的秀丽隐杆线虫有959个体细胞和约1000～2000个性细胞。线虫的成虫分雌雄同体和雄性两种性别，雌雄同体相当于雌性，有6对染色体，约3000个基因。英国的Brenner、Sulston和美国的Horvitz，利用线虫作为实验模型，发现并研究了调控器官发育程序性细胞死亡的关键基因及其功能，并进一步在高等哺乳动物中发现了相关功能基因，获得2002年诺贝尔生理与医学奖。\n通过研究现在已经从线虫中分离出十几种细胞凋亡的相关基因。其中ced-3、ced-4促进凋亡，ced-9抑制细胞凋亡，ced-1、ced-2、ced-5、ced-6、ced-7、ced-10和ced-117个基因是死亡细胞被吞噬细胞所吞噬的相关基因。与线虫比较，哺乳动物则进化了一整套的基因家族，且与线虫基因仍有一定的同源性，如哺乳动物caspases基因与ced-3同源；Apaf-1基因与ced-4同源；哺乳动物Bcl-2基因家族与ced-9在结构和功能上相似。\n讨论、思考题、作业：1、课后查阅相关文献。2、预习下章、节内容3、思考：1）衰老细胞的结构有哪些变化？2）引起细胞衰老的因素有哪些？3）什么是细胞凋亡？细胞凋亡和细胞坏死有何区别？思考题