细胞程序性死亡

第十三章 程序性细胞死亡与细胞衰老

●程序性细胞死亡 ●细胞衰老

第一节 程序性细胞死亡

（Programmed Cell Death， PCD）

一、程序性细胞死亡（PCD ）的概念

从严格的词学意义上来说，细胞程序性死亡（PCD ） 与细胞凋亡是有很大区别的。细胞程序性死亡的概念是1956 年提出的，PCD 是个功能性概念，描述在一个多细胞生物体中某些细胞死亡是个体发育中的一个预定的、并受到严格程序控制的正常组成部分。例如蝌蚪变成青蛙，其变态过程中尾部的消失伴随大量细胞死亡，高等哺乳类动物指间蹼的消失、颚融合、视网膜发育以及免疫系统的正常发育都必须有细胞死亡的参与。这些形形色色的在机体发育过程中出现的细胞死亡有一个共同特征：即散在的、逐个地从正常组织中死亡和消失，机体无炎症反应，而且对整个机体的发育是有利和必须的。因此认为动物发育过程中存在的细胞程序性死亡是一个发育学概念，而细胞凋亡则是一个形态学的概念，描述一件有着一整套形态学特征的与坏死完全不同的细胞死亡形式。但是一般认为凋亡和程序性死亡两个概念可以交互使用，具有同等意义。

2002年10月7日英国人悉尼·布雷诺尔、美国人罗伯特·霍维茨和英国人约翰·苏尔斯顿，因在细胞编程性死亡方面的研究获诺贝尔诺贝尔生理与医学奖。

二、动物细胞的程序性死亡

（一）细胞凋亡(apoptosis) 是一种自然的生理过程。

由基因决定的细胞主动的、生理性的“自觉自杀行为”。 （二） 细胞凋亡的特征

（1）细胞凋亡的形态学特征

凋亡细胞的形态变化

（2）细胞凋亡的生化特征

DNA “梯”状条带(DNA ladders)

核小体核心长度146bp 对核酸内切酶不敏感，而连接DNA 长度60bp 对核酸内切酶敏感。

细胞凋亡：正常死亡（主动死亡）

● 细胞膜保持完整，无细胞内容物 ● 释放，无炎症。电泳图谱呈梯状。

细胞坏死：外界不利因素引起 ● 意外死亡（被动死亡） ● 细胞膜破损，细胞内容物释放

● 机体有炎症。电泳图谱呈涂抹状。

细胞凋亡与坏死形态学改变的差别

凋亡“梯状”条带 坏死“涂抹状”条带

思考：细胞凋亡有何生物学意义？ （三）细胞凋亡的生物学意义

1、确保正常生长发育 生理性意义 1）清除多余的细胞 ： 2）清除无用的细胞：

形态发生时，一些遗迹随发育而凋亡。如人胚的尾芽的定期消亡、蝌蚪退尾、人体性别的分化。

2、维持内环境的稳定 生理性意义 ● 清除受损、突变、衰老的细胞。

3、发挥积极的防御功能： 生理性意义

作为自身的一种保护机制，清除被病毒感染的细胞。

1、细胞凋亡不足 病理性意义 ● 肿瘤

2、细胞凋亡过度 病理性意义

● 心血管疾病：心肌缺血、心力衰竭等。 ● 缺血缺氧→P53基因激活 ● 神经元退行性疾病： ● 阿尔茨海默病（AD ）、 帕金森病（PD ） ● 抑制凋亡：阻断诱导信号或信号通路。

3、细胞凋亡不足与过度并存 病理性意义 ● 动脉粥样硬化

(atherosclerosis,AS)

3、细胞凋亡不足与过度并存 病理性意义

● ● ● ●

动脉粥样硬化（AS ）

平滑肌细胞（VSMC ）凋亡不足：

血管壁细胞数量增多、内膜增厚、管腔变窄。导致什么？ 在病变初期通过调节VSMC 凋亡达到抗AS 目的。

3、细胞凋亡不足与过度并存 病理性意义

● 动脉粥样硬化（AS ）

● 内皮细胞凋亡过度： 血管调节功能失衡，促进血管平滑肌细胞的增殖、迁移，诱发AS 发生。导致什

么？

● 抗AS 的因素如雌激素、一氧化氮（NO ）或抗氧化剂等均能阻止细胞凋亡。

● 对于一个多细胞生物来说，要维持完整性和保持平衡性，凋亡是一个非常重要的生物学过程。 ● 多细胞生物的诞生、生长、发育、存活以及死亡，无一不伴随着细胞凋亡过程。

(四) 细胞凋亡的分子机制

细胞凋亡的基因调控机制最先是从线虫（生命周期短，细胞数量少）研究开始的。

线虫是一种定数细胞，在个体发育中，成体的1090个体细胞中，有131个注定是要自然凋亡。在线虫中已发现14个与细胞凋亡相关的基因。

诱导细胞凋亡的因子

1、物理性因子：包括射线（紫外线， 射线等），较温和的温度刺激（如热激，冷激）等。 2、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，细胞毒素、 DNA 和蛋白质合成的抑制剂、激素、细胞凋亡因子(TNF)等。

（四）细胞凋亡的分子调控机理 ● 细胞凋亡的途径主要有两条：

★所有动物细胞具有类似的凋亡机制，主要分为caspase 依赖途径和caspase 非依赖途径。 ● 细胞受到凋亡信号的刺激时，一般两条途径同时启动。

1、Caspase 家族与凋亡

◆Caspase 家族

Caspase是存在于胞质溶胶中的结构上相关的半胱氨酸蛋白酶家族，其活性位点是半胱氨酸(Cysteine)残基，能特异性地断开靶蛋白某一天门冬氨酸残基后的肽键，从而选择性的切割蛋白质，使底物蛋白激活或失活。并不完全降解某一蛋白质。因此称为天冬氨酸特异性的半胱氨酸蛋白水解酶，简称caspases 幻灯 哺乳动物细胞caspase 家族成员及其在细胞凋亡过程中的功能

Caspase 活化

Caspase-3是细胞凋亡中起最终执行的重要剪切酶，自身以非活化的酶前体（Procaspase-3) 存在，其激活依赖于其他的Caspase 在它的天冬氨酸位点裂解活化。

活化的Caspase-3负责选择性切割某些蛋白质，使靶蛋白活化或失活，而非完全降解。

2. Caspase依赖性的细胞凋亡途径

细胞内C a s p a s e 的活化有两种形式：同性活化与异性活化。

同性活化：酶原分子聚集成复合物达到一定浓度时，就彼此切割或构象改变，产生有活性的二聚体形式。

异性活化：起始C a s p a s e 募集执行C a s p a s e 酶原分子，对其进行切割，产生具有活性的执行C a s p a s e ，切割细胞内重要的结构蛋白和功能蛋白，导致细胞凋亡。

Caspase 家族 参与细胞凋亡 启动者 caspase-8、9，接收信号后，能通过自剪接而激活，引起caspase 级联反应，如caspase-8可依次激活caspase-3、6、7 执行者

caspase-3、6、7，可直接降解胞内的结构蛋白和功能蛋白，引起凋亡，但不能通过自催化或自剪接的方式激活。

2. Caspase依赖性的细胞凋亡途径

A. 细胞表面死亡受体介导的外源性途径 ◆胞外配体(Fas,TNF等) ——受体（质膜表面分子Fas,TNF 受体）结合——受体构象改变并聚合成三聚体——聚合Fas 受体通过胞内死亡结构域招募同样具有死亡结构域的接头蛋白FADD 和Caspase-8酶原——形成死亡诱导信号复合物DISC(death inducing signaling complex)——Caspase-8酶原在复合物中通过自身切割而被激活，进而切割执行者Caspase-3酶原，产生有活性的Caspase-3——导致细胞凋亡。

Caspase-8还通过切割Bcl-2家族成员Bid 将凋亡信号传递给线粒体，引发凋亡的内源途径，使凋亡信号进一步扩大。

B. 线粒体起始的内源性细胞凋亡

◆ 当细胞受到内部或外部的死亡信号刺激时，细胞色素c 从线粒体释放到胞质作为通路的起始，释放的细胞色素c 与胞质中的凋亡酶激活因子(apoptosis protease activating factor,Apaf-1) 结合。 ◆ Apaf-1的N 端具有Caspase 募集结构域(CARD)，它与细胞色素c 结合后发生自身聚合，并进一步通过CARD 结构域招募细胞质中的Caspase-9酶原，形成大的凋亡复合体(apoptosome)。Caspase-9酶原发生自身切割而活化，活化的Caspase-9再进一步激活执行者Caspase-3和Caspase-7酶原，引起细胞凋亡。

线粒体介导的凋亡通路

3. Caspase非依赖性的细胞凋亡

● 线粒体能够向细胞质内释放多个凋亡相关的因子，引发Caspase 非依赖性细胞凋亡。

● 凋亡诱导因子(apoptosis inducing factor, AIF) 位于线粒体外膜→线粒体→细胞质→细胞核→DNA

形成50kb

● 限制性内切核酸酶G(endonuclease G, Endo G) 凋亡信号刺激→ Endo G →细胞核→切割核DNA 进行切割→以核小体为单位的DNA 片段。

（五）细胞凋亡的鉴定方法

活细胞的细胞膜是一种选择性膜，对细胞起保护和屏障作用，只允许物质选择性的通过；而细胞死亡之后，细胞膜受损，通透性增加。

台盼蓝，又称锥蓝，是一种阴离子型染料，不能透过完整的细胞膜。所以经台盼蓝染色后只能使死细胞着色，而活细胞不被着色。

还有一些细胞器的专有染料。如液泡系的专有染料中性红。中性红是一种低毒性染料，可以使活细胞液泡着红色，而细胞质和细胞核不被着色；死细胞的液泡不被着色或浅染，染料弥散于整个细胞中，细胞核和细胞质被染成红色。

MTT 全称为3-(4,5)-dimethylthiahiazo (-z-y1)-3,5-di- phenytetrazoliumromide，汉语化学名为 3-(4，5-二甲基噻唑-2)-2，5-二苯基四氮唑溴盐，商品名：噻唑蓝。是一种黄颜色的染料。

MTT 比色法，是一种检测细胞存活和生长的方法。其检测原理为活细胞线粒体中的琥珀酸脱氢酶能使外源性MTT 还原为水不溶性的蓝紫色结晶甲瓒（Formazan ）并沉积在细胞中，而死细胞无此功能。

● 形态学观测：利用Giemsa 使染色质着色，在荧光显微镜或普通光学显微镜下观察染色质固缩、趋边、

凋亡小体的形成等凋亡过程。

● DNA 电泳：细胞凋亡时，染色质DNA 在核小体间被特异性切割，DNA 降解成180～200bp 或其整倍片段。

小结：

细胞自噬

与细胞凋亡不同的一种程序性细胞死亡。

● 自噬：细胞通过溶酶体与（自噬体）双层膜包裹的细胞自身物质融合，从而降解细胞自身物质的过程。 ● 细胞自噬是促使细胞存活的自我保护机制

● 细胞面临营养或生长因子缺乏时降解自身蛋白质或细胞器，为细胞生存提供原材料或ATP 。 ● 细胞自噬具有自我清理的功能

第二节 细胞衰老 Cell ageing

一、细胞衰老的概念

● 衰老和死亡是生命的基本现象，衰老发生在生态系统、群落、种群、个体、细胞以及分子等不同层次。 ● 老年学（gerontology) ：细胞生物学、分子生物学、分子遗传学、免疫学等学科的渗透，衰老的研究已

形成一门独立的学科。

● 人体的衰老表现出哪些特征？

白发，皱纹，老年斑，耳聋，眼花，行动迟缓，记忆力减退等。

● 2. 老年人体内有没有幼嫩的细胞？年轻人体内有没有衰老的细胞？

老年人体内还会有幼嫩的细胞，如造血干细胞一生都能增殖产生各种类型的血细胞；

年轻人体内也有衰老的细胞，如皮肤表皮细胞衰老成角质层细胞，最后细胞凋亡、脱落。

社会老龄化的相关问题

当一个城市或国家60岁以上人口所占比例达到或超过总人口的10%，或者65岁以上人口达到或超过总人口的7%时，这个城市或国家的人口就称为“老年型人口”，这样的社会就称为“老龄化社会”。社会老龄化的形成是社会进步的一种体现，反映出人类衰老的延迟，寿命的延长，死亡率和出生率之比的下降。 要客观评价一个国家或地区的社会老龄化程度，应考察包括人口平均寿命、老年人口比例、长寿水平等在内的若干指标。

3. 个体衰老与细胞衰老有什么关系？

● 个体衰老： 从生物学上讲，指生物随着时间的推移，自发的必然过程，它是复杂的自然现象，表现为

结构和机能衰退，适应性和抵抗力减退。

● 细胞衰老：是机体在退化时期生理功能下降和紊乱的综合表现，是不可逆的生命过程。

机体衰老≠细胞衰老

细胞衰老是机体衰老的基础； 机体衰老是细胞衰老的结果。

个体衰老与细胞衰老的关系

● 单细胞生物体：细胞的衰老或死亡就是个体的衰老或死亡 。

● 多细胞生物个体：总是在不断更新着，总有一部分细胞处于衰老或走向死亡的状态。但从总体上看，个

体衰老的过程也是组成个体的细胞普遍衰老的过程。 ●

细胞衰老也表现为有一定的寿命

机体内总有细胞在不断地衰老与死亡，同时又有细胞增殖产生新生细胞进行补偿，不同类型细胞寿命不同，如：

● 神经元、胃酶原细胞、脂肪细胞、骨细胞等为缓慢更新细胞（与机体几乎等寿）。 ● 肝细胞等寿命长于３０天，为短于机体寿命的细胞。

● 皮肤表皮细胞、角膜上皮细胞、血细胞等为快速更新的细胞，寿命短于３０天。

体外培养细胞的传代数与来源物种的寿命呈正比关系

如：体外培养不同物种的胚胎成纤维细胞：

● 小鼠细胞可传12代，而其个体寿命约3年； ● 小鸡细胞可传25代，其个体寿命近30年； ● 龟细胞可传140代，其个体寿命约200年。

衰老细胞与“青年期”细胞的比较

生长旺盛细胞富有微绒毛

衰老细胞缺乏微绒毛，体积缩小，呈园球形。

二、细胞在体内条件下的衰老

●在机体内，细胞的衰老和死亡是常见的现象，甚至在个体发育的早期也会发生。 ●衰老动物体内，细胞分裂速度显著减慢，其原因主要是G1期明显延长。 ●衰老个体内的环境因素影响了细胞的增殖和衰老。

●骨髓干细胞移植实验说明随着年龄的增加，干细胞增殖速度也趋缓慢。

由于细胞内的色素随细胞衰老而逐渐积累造成的。衰老细胞中出现色素聚集，主要是脂褐素的堆积。

三、 细胞衰老的特征

（二）细胞衰老的生化变化

细胞衰老的特征

● 一大：细胞核变大，染色质收缩、染色加深。

● 一小：细胞内水分减少，体积变小，代谢速率减慢。 ● 一多：细胞内色素积累增多

● 两低：膜的物质运输功能降低，多种酶的活性降低。

衰老→ 新陈代谢减慢

四、细胞衰老的原因 1. 自由基学说

● 自由基是含不成对电子的原子或基团，具有高度反应活性。包括：氧自由基、氢自由基（·H ）、碳自由

基、脂自由基等。 ● 自由基来源：

● 外源性（如辐射）

● 内源性①由线粒体呼吸链电子泄漏；②由氧化酶催化底物羟化产生。

自由基损害人体细胞

正常细胞内存在清除自由基的防御系统，包括酶系统SOD\CAT和非酶系统维生素C\醌类物质等电子受体

2．程序性衰老（programmed senescence）

内容:生物体内有衰老相关基因，这些基因将在细胞生活到一定程度时开启并表达，而导致衰老。

即衰老本身是一个遗传过程，在正常情况下控制生长发育的基因在各个发育时期有序地开启和关闭，如同计算机的程序，故名。

有些在生命后期才开启的基因控制着机体的衰老过程，称为“衰老相关基因”。

3．复制性衰老（replicative senescence）

● 细胞的增殖次数是有限的，如人胚成纤维细胞可培养60-70代。

● 细胞增殖次数与端粒DNA 长度有关。

● Harley 等1991年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。到缩短到一定程度

时，则激活DNA 损伤检验，导致不可逆地退出细胞周期，走向衰亡。人的成纤维细胞端粒每年缩短14-18bp 。

● 染色体端粒缩短与细胞衰老

● 端粒——端 粒 钟 学 说（telomere clock theory)

● 端粒（telomere) 是染色体末端特殊结构。

● 人类端粒（TTAGGG)n n=250-1500

● 端粒长度取决于端粒酶的活性。

端粒的长度与端粒酶的活性有关

端粒酶 RNA

蛋白质

一种反转录酶，能以自身的RNA 为模板合成端粒DNA 。

端粒酶维持细胞分裂时染色体端粒长度

端粒酶活性（+）：胚胎细胞、生殖细胞、肿瘤细胞

端粒酶活性（-）：正常组织（体细胞）

4. 衰老基因学说

● 子女的寿命与双亲的寿命有关；动物都有相当恒定的平均和最高寿命；

● 成人早衰症：约39岁衰老，47岁生命结束；婴幼儿早衰症：1岁衰老，12-18岁生命结束；

● 早衰症患者体内解旋酶发生突变。

● 衰老时，衰老相关基因（SAG ）活跃表达。

五、细胞衰老与老化老年性疾病

器官老化 胸腺萎缩，T 细胞减少，免疫功能 ↓

激素分泌减少—加速老化

老年性疾病 动脉粥样硬化 高血压 糖尿病

老年性痴呆 帕金森症 骨质疏松

* 预防老年性疾病、老年人保健