细胞生物学-第16章-细胞死亡与细胞衰老
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细胞生物学 第十六章 细胞衰老与细胞死亡
第十六章细胞衰老与细胞死亡细胞衰老：指随着时间的推移，细胞的增殖能力和生理功能逐渐发生衰退的变化过程。
机体衰老：指绝大多数生物性成熟以后，机体形态结构和生理功能逐渐退化或老化的过程，是一个受发育程序、环境因子等多种因素控制的、不可逆的生物学现象。
Hayflick界限：细胞停止分裂是由细胞自身决定，正常的体外培养的细胞寿命不是无限的，只能进行有限次数的增殖。
细胞衰老的形态学变化：主要表现在细胞皱缩、膜通透性和脆性增加、核膜内陷和细胞器数量特别是线粒体数量减少、胞内出现褐脂素等异常物质沉积，最终出现细胞凋亡或坏死。
细胞衰老在生化方面的改变：①DNA：复制与转录受抑制，个别基因异常激活，端粒DNA丢失，线粒体DNA特异性缺失，DNA氧化、断裂、缺失和交联，甲基化程度降低。
②RNA：mRNA和tRNA含量降低。
③蛋白质含量下降，发生糖基化、脱氨基等修饰反应导致蛋白质稳定性、抗原性和可降解性下降，自由基使肽链断裂，交联而变性。
氨基酸左旋变右旋。
④酶分子：活性中心被氧化，金属离子丢失，二级结构、溶解度和等电点发生改变，总效应是酶失活，但β-半乳糖苷酶活性增强。
⑤脂类：不饱和脂肪酸被氧化，膜脂之间或与脂蛋白之间交联，膜的流动性降低。
遗传决定学说：认为衰老是遗传上的程序化过程，其推动力和决定因素是遗传的基因组，控制生长发育和衰老的基因都在特定时期有序地开启和关闭。
自由基学说：认为活性氧基团导致细胞损伤和衰老。
自由基：指那些在原子核外层轨道上具有不成对电子的分子或原子基团。
是一类高度活化的分子，当它与其他物质反应时力图得到电子，而对细胞及组织产生十分有害的生物效应。
未成对电子：指在原子或分子轨道中未与其他电子配对而独占一个轨道的电子。
内源性自由基：环境中的高温、辐射、光解、化学物质等引起的外源性自由基。
外源性自由基：体内各种代谢反应产生的自由基，主要途径有①线粒体呼吸链电子泄露产生②由经过氧化物酶体的多功能氧化酶（MFO）等催化底物羟化产生③机体血红蛋白、肌红蛋白中可通过非酶促反应产生自由基。
医学细胞生物学细胞衰老和细胞死亡优质课件
• 2.细胞凋亡中的蛋白酶 凋亡的起始和进程 受多种蛋白酶控制，蛋 白酶级联切割 可能是凋亡最关键的过程——凋亡机制的核心部分； 胱天蛋白酶家族、端粒酶、分裂素、钙蛋白酶等 参与
细胞死亡
• 3.胞浆Ca2+、pH的变化 Ca2+能通过 两条途径 诱导细胞凋亡：①胞 内 Ca2+库 释放，胞外 Ca2+内流 使胞浆内 Ca2+持续升高，作为凋亡信 号启动凋亡；②Ca2+的释放打破了胞内结构的稳定，使细胞凋亡系统 的关键成分 与正常时不能接触的基质发生反应，从而触发凋亡
β-半乳糖苷酶在衰老细胞中表达增加→
细胞衰老
• ⑤脂类：不饱和脂肪酸被氧化，引起膜脂之间或与脂蛋白之间 交联， 膜的流动性降低
• 细胞衰老的学说与机制
• 有许多学说诠释细胞衰老过程
• 1.遗传决定学说认为衰老是遗传上的程序化 • 认为：衰老是 遗传上的程序化过程，其推动力和决定因素是遗传的基
因组；控制 生长发育和衰老的基因 都在特定时期 有序地 开启和关闭 • 早老衰综合症 Hutchinson-Gilford syndrome 婴幼儿期开始衰老，
• 也有细胞凋亡时，仅仅 核固缩、胞质浓缩 形成 致密结构→凋亡小体
细胞死亡 • 细胞凋亡时细胞生化改变的复杂性和多样性
• 1.DNA片段化 细胞凋亡时，胞内 内源性核酸内切酶 活化，将核小 体在 连接区 切断，形成180～200bp片段，电泳时可见 DNA梯状条 带 DNA ladder——细胞凋亡 最典型生化特征之一。细胞坏死时， DNA随意断裂，电泳呈 弥散状 smear
• 细胞坏死时， 细胞膜渗漏、内容物外流，导致炎症反应； 细胞凋亡 时，细胞膜反折包裹断裂的染色质片段或细胞器等，形成众多凋亡小 体，最终被巨噬细胞吞噬消化，不引起炎症反应
细胞死亡
• 3.胞浆Ca2+、pH的变化 Ca2+能通过 两条途径 诱导细胞凋亡：①胞 内 Ca2+库 释放，胞外 Ca2+内流 使胞浆内 Ca2+持续升高，作为凋亡信 号启动凋亡；②Ca2+的释放打破了胞内结构的稳定，使细胞凋亡系统 的关键成分 与正常时不能接触的基质发生反应，从而触发凋亡
β-半乳糖苷酶在衰老细胞中表达增加→
细胞衰老
• ⑤脂类：不饱和脂肪酸被氧化，引起膜脂之间或与脂蛋白之间 交联， 膜的流动性降低
• 细胞衰老的学说与机制
• 有许多学说诠释细胞衰老过程
• 1.遗传决定学说认为衰老是遗传上的程序化 • 认为：衰老是 遗传上的程序化过程，其推动力和决定因素是遗传的基
因组；控制 生长发育和衰老的基因 都在特定时期 有序地 开启和关闭 • 早老衰综合症 Hutchinson-Gilford syndrome 婴幼儿期开始衰老，
• 也有细胞凋亡时，仅仅 核固缩、胞质浓缩 形成 致密结构→凋亡小体
细胞死亡 • 细胞凋亡时细胞生化改变的复杂性和多样性
• 1.DNA片段化 细胞凋亡时，胞内 内源性核酸内切酶 活化，将核小 体在 连接区 切断，形成180～200bp片段，电泳时可见 DNA梯状条 带 DNA ladder——细胞凋亡 最典型生化特征之一。细胞坏死时， DNA随意断裂，电泳呈 弥散状 smear
• 细胞坏死时， 细胞膜渗漏、内容物外流，导致炎症反应； 细胞凋亡 时，细胞膜反折包裹断裂的染色质片段或细胞器等，形成众多凋亡小 体，最终被巨噬细胞吞噬消化，不引起炎症反应
医学细胞生物学-15 细胞衰老与细胞死亡-2017(1)
第十六章细胞衰老与细胞死亡第一节细胞衰老第十六章 细胞衰老与细胞死亡第十六章 细胞衰老与细胞死亡第十六章 细胞衰老与细胞死亡细胞来源人胚肺成纤维细胞中年人成纤维细胞老年人成纤维细胞可增殖代数60-80 40 30不同年龄来源的人成纤维细胞的增殖代数细胞来源龟鸡小鼠可增殖代数90-120 15-35 14-28不同物种来源的成纤维细胞的增殖代数植物细胞未发现有最高分裂次数。
第十六章细胞衰老与细胞死亡第十六章细胞衰老与细胞死亡第十六章细胞衰老与细胞死亡第十六章细胞衰老与细胞死亡第十六章细胞衰老与细胞死亡第十六章细胞衰老与细胞死亡第十六章细胞衰老与细胞死亡第十六章细胞衰老与细胞死亡目前人们根据端粒与端粒酶在细胞衰老上的研究成果，将细胞衰老区分为两大类：与端粒、端粒酶直接相关的复制性衰老；氧化应激诱导的非端粒依赖性衰老，也被称为早熟性衰老（premature senescence）。
第十六章细胞衰老与细胞死亡第十六章细胞衰老与细胞死亡第二节 细胞死亡第十六章细胞衰老与细胞死亡第十六章 细胞衰老与细胞死亡第十六章细胞衰老与细胞死亡第十六章细胞衰老与细胞死亡第十六章细胞衰老与细胞死亡第三节细胞凋亡第十六章细胞衰老与细胞死亡细胞凋亡信号途径LigandPlasma MembraneNucleusAPOPTOSISEffector CaspasesDeath receptor AdapterInitiator Caspase-8BidCa ++Cyto cInitiator caspase-9Apaf-1AIFEndo GCa ++IP3RAPOPTOSISER Stress(misfolded proteins)UV, radiation, chemo,hypoxiaInitiator Caspase-12APOPTOSISTRAF2Procaspase-12Bcl-2/ Bcl-x L Effector CaspasesINTRINSIC PATHWA YEXTRINSIC PATHWA YBcl-2/ Bcl-x LDeath domainMitochondriaEndoplasmic reticulum第十六章 细胞衰老与细胞死亡第十六章细胞衰老与细胞死亡第十六章细胞衰老与细胞死亡凋亡小体的形成有三种方式：发芽脱落机制；分隔机制；自噬体形成机制。
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细胞衰老与细胞死亡
三、细胞衰老的学说与机制
（一）细胞衰老的学说
1.遗传决定学说 衰老是遗传上的程序化过程，其推动力和决定因素 是遗传的基因组；控制生长发育和衰老的基因都在 特定时期有序地开启和关闭。
Cell Senescence and Cell Death
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细胞衰老与细胞死亡
三、细胞衰老的学说与机制
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细胞衰老与细胞死亡
(一)细胞衰老与机体的衰老既有区别又有联系
细胞衰老与机体衰老的区别： ➢ 机体的衰老与动物的寿命密切相关； 个别细胞，
甚至机体局部许多细胞的衰老死亡并不影响机体 的寿命。 ➢ 机体衰老并不代表所有细胞的衰老。 细胞衰老与机体衰老的联系： 机体衰老与细胞衰老之间有着密切的联系，机体 衰老以细胞总体的衰老为基础 。
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细胞衰老与细胞死亡
自由基导致细胞损伤：
➢ 质膜中不饱和脂肪酸氧化，导致膜运输功能紊乱以 至丧失。
➢ 蛋白质的巯基化，造成蛋白质发生交联、变性，使 酶失活。
➢ DNA链的断裂、交联、碱基羟基化、碱基切除等， 对DNA造成损伤。
有人认为在衰老的原因中，99％是由自由基造成的。
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细胞衰老与细胞死亡
(二)机体内各类细胞的寿命不同 根据细胞寿命情况将细胞分为三类： ➢ 细胞寿命接近于动物的整体寿命，如神经元、脂
肪细胞、肌细胞等。 ➢ 缓慢更新的细胞，其寿命比机体的寿命短，如肝
第十六章 细胞衰老与死亡-细胞生物学
老人斑：自由基攻击细胞的见证
2、细胞衰老的端粒假说(mitochondrial telomere theory) Harley于1990年提出细胞衰老端粒假说。人类染色体 末端普遍存在端粒结构，但各类细胞端粒长度各有差异， 一般体细胞的端粒比生殖细胞短。 3、衰老的损伤积累论 4、细胞衰老的线粒体损伤论(mitochondrial damage theory) 5、衰老的遗传程序论(genetic program theory) ：认为衰 老是遗传上的程序化过程，衰老是受特定基因控制的。一 切生理功能的启动和关闭都是按照一定程序进行的。 三方面的证据的支持：①Hayflick的细胞培养实验； ②发现人从30岁开始，人体各种器官的功能有1%的减 退；③衰老基因控制的早老综合症（symptoms of early aging ）
二、细胞衰老的分子机制
1、自由基理论(free radical theory) ：自由基由于活 性强，容易与细胞内的生物大分子发生反应。过多的自 由基会对许多细胞组分造成损伤。
衰老的自由基学说是美国科学家Harman 1955年提 出的,核心内容有三条：(1) 衰老是由自由基对细胞成分 的有害进攻造成的。(2)自由基，主要就是氧自由基， 因此衰老的自由基理论，其实质就是衰老的氧自由基理 论。（3）维持体内适当水平的抗氧化剂和自由基清除 剂水平可以延长寿命和推迟衰老。
执 行 者
caspase
在 程 序 性 细 胞 死 亡 中 的 作 用
3、细胞外信号激发的凋亡—受体介导的细胞凋亡
“外在途径（Extrinsic pathway）
杀手淋巴细胞
胱冬蛋白酶8前 体聚集和活化
活化的胱 冬蛋白酶8
无活性的胱冬 蛋白酶8前体
第十六章 细胞死亡与细胞衰老
本章主要内容
●细胞凋亡(Apoptosis) ●细胞衰老 (cellular aging）
第一节 细胞死亡
就单细胞生物而言，细胞死亡即个体的死亡。 对于多细胞生物，细胞死亡是维持生物体的正常生长发育及
生命活动的必要条件。
细胞死亡方式包括：细胞凋亡、坏死、自噬性细胞死亡。它 们具有不同形态和分子特征，发挥不同的功能，但均受到细 胞内在基因控制。
胞程序性死亡的理想材料（生命周期短，细胞数量
少）。
线虫神经系统由 302 个细胞组成。这些细胞来自于 407个前体细胞。也就是说105个细胞发生了程序性 死亡。
◆ caspase的发现
控制线虫细胞凋亡的基因主要有3个： Ced-3、Ced-4和Ced-9
Ced-3和 Ced-4的作用是诱发凋亡； Ced-9 阻止Ced-3、Ced-4激活，抑制细胞凋亡。 Ced3 哺乳类同源物是白介素－１转换酶 (Interleukin-1-
细胞凋亡信号途径
3、 caspases非依赖性的细胞凋亡
线粒体向细胞质内释放多个凋亡相关因子，诱发caspases 非依赖性的细胞凋亡。
凋亡诱导因子（AIF）：从线粒体释放到细胞质基质中，进
而进入细胞核，引起核内DNA凝集并断裂。
限制性内切核酸酶G（endonuclease G）:负责线粒体DNA 的修复和复制。受到凋亡信号的刺激，endo G从线粒体释 放，进入细胞核，对核DNA进行切割。
（一）衰老的概念
●细胞衰老(cell aging ，cell senescence)：一般
指复制衰老，即体外培养的正常细胞经过有限次数
的分裂后，停止生长，细胞形态和生理代谢活动发
●细胞凋亡(Apoptosis) ●细胞衰老 (cellular aging）
第一节 细胞死亡
就单细胞生物而言，细胞死亡即个体的死亡。 对于多细胞生物，细胞死亡是维持生物体的正常生长发育及
生命活动的必要条件。
细胞死亡方式包括：细胞凋亡、坏死、自噬性细胞死亡。它 们具有不同形态和分子特征，发挥不同的功能，但均受到细 胞内在基因控制。
胞程序性死亡的理想材料（生命周期短，细胞数量
少）。
线虫神经系统由 302 个细胞组成。这些细胞来自于 407个前体细胞。也就是说105个细胞发生了程序性 死亡。
◆ caspase的发现
控制线虫细胞凋亡的基因主要有3个： Ced-3、Ced-4和Ced-9
Ced-3和 Ced-4的作用是诱发凋亡； Ced-9 阻止Ced-3、Ced-4激活，抑制细胞凋亡。 Ced3 哺乳类同源物是白介素－１转换酶 (Interleukin-1-
细胞凋亡信号途径
3、 caspases非依赖性的细胞凋亡
线粒体向细胞质内释放多个凋亡相关因子，诱发caspases 非依赖性的细胞凋亡。
凋亡诱导因子（AIF）：从线粒体释放到细胞质基质中，进
而进入细胞核，引起核内DNA凝集并断裂。
限制性内切核酸酶G（endonuclease G）:负责线粒体DNA 的修复和复制。受到凋亡信号的刺激，endo G从线粒体释 放，进入细胞核，对核DNA进行切割。
（一）衰老的概念
●细胞衰老(cell aging ，cell senescence)：一般
指复制衰老，即体外培养的正常细胞经过有限次数
的分裂后，停止生长，细胞形态和生理代谢活动发
细胞生物学第十六章 PCD与细胞
• ③亚基由同一基因编码，前体被切割后产生两个 活性亚基，组成异四聚体。
• Caspase classification（Zimmermann 2001）
Executioner or effector
Autocatalytic initiator
Caspase活化
Caspase自身以非活化的Procaspase存在， 其激活依赖于其他的Caspase在它的天冬氨酸 位点裂解活化或自身活化
细胞凋亡的形态特征
• （1）凋亡的起始：微绒毛的消失，细胞间接触的消失，与周 围的细胞脱离；细胞质中，线粒体大体完整，染色质固缩； 细胞质密度增加，线粒体膜电位消失，通透性改变，释放细 胞色素C到胞浆，膜内侧磷脂酰丝氨酸外翻到膜表面
• （2）凋亡小体的形成。核膜核仁破碎，核染色质断裂为大小 不等的片段，与某些细胞器如线粒体一起聚集，为反折的细 胞膜所包围
◆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
◆化学及生物因子：包括活性氧基团和分子，DNA和 蛋白质合成的抑制剂，激素，细胞生长因子，肿瘤 坏死因子（TNF），抗Fas/Apo-1/CD95抗体等
细胞凋亡的分子调控机理
●线虫(C.elegans)凋亡研究发现ced3,ced4基因促进 细胞凋亡，ced9基因阻止ced3/ced4的激活，抑制细 胞 凋 亡 。 Ced3 哺 乳 类 同 源 物 是 ICE(Interleukin-1converting enzyme)，即Caspase1
二. 概念
细胞凋亡是在体内外因素诱导下，由基因严格控 制而发生的自主性细胞有序死亡。
细胞程序性死亡（programmed cell death， PCD）
PCD最初是1956年发育生物学中提出的概念，是 个功能性概念，强调的是其分子生物学和生理功能， 一般指生理性细胞死亡。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。
• Caspase classification（Zimmermann 2001）
Executioner or effector
Autocatalytic initiator
Caspase活化
Caspase自身以非活化的Procaspase存在， 其激活依赖于其他的Caspase在它的天冬氨酸 位点裂解活化或自身活化
细胞凋亡的形态特征
• （1）凋亡的起始：微绒毛的消失，细胞间接触的消失，与周 围的细胞脱离；细胞质中，线粒体大体完整，染色质固缩； 细胞质密度增加，线粒体膜电位消失，通透性改变，释放细 胞色素C到胞浆，膜内侧磷脂酰丝氨酸外翻到膜表面
• （2）凋亡小体的形成。核膜核仁破碎，核染色质断裂为大小 不等的片段，与某些细胞器如线粒体一起聚集，为反折的细 胞膜所包围
◆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
◆化学及生物因子：包括活性氧基团和分子，DNA和 蛋白质合成的抑制剂，激素，细胞生长因子，肿瘤 坏死因子（TNF），抗Fas/Apo-1/CD95抗体等
细胞凋亡的分子调控机理
●线虫(C.elegans)凋亡研究发现ced3,ced4基因促进 细胞凋亡，ced9基因阻止ced3/ced4的激活，抑制细 胞 凋 亡 。 Ced3 哺 乳 类 同 源 物 是 ICE(Interleukin-1converting enzyme)，即Caspase1
二. 概念
细胞凋亡是在体内外因素诱导下，由基因严格控 制而发生的自主性细胞有序死亡。
细胞程序性死亡（programmed cell death， PCD）
PCD最初是1956年发育生物学中提出的概念，是 个功能性概念，强调的是其分子生物学和生理功能， 一般指生理性细胞死亡。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。
《细胞生物学》16 细胞死亡与细胞衰老ppt课件
• 体外培养人的成纤维细胞，在体外分裂次数有限， 证明细胞不是不死的
• 将老年人的成纤维细胞与年轻的人的成纤维细胞同 时培养，年轻状态的细胞在体外分裂次数更多，说 明衰老与供体细胞的年纪有关
• 老年人的成纤维细胞与年轻的人的成纤维细胞进行 混合和单独培养比较实验，发现二者的分裂次数没 有变化，说明与培养的环境无关
• 利用细胞杂交的方法确定引起衰老的真正原因。年 轻的胞质体与年老的完整细胞融合，杂种细胞分裂 能力没有改变；年老的胞质体与年轻的完整细胞融 合，杂种细胞分裂能力与年轻相同，证明细胞核是 导致衰老的真正原因
二、细胞衰老的分子机制
5’ 3’
5’ 3’
5’
oH3’ 5‘
二、细胞衰老的分子机制
人的胚胎经历 有尾阶段
P352示电镜下的自噬源自溶酶体线粒体 过氧化物体☻ 老年人体内有没有幼嫩的细胞？
有，如造血干细胞一生都能增殖分化产 生各种类型的血细胞。
☻ 年轻人体内有没有衰老的细胞？
有，如皮肤表皮细胞衰老成角质层细胞， 最后细胞凋亡、脱落。
• Hayflick limitation
1961年，Hayflick 首次报道了体外培养的人 成纤维细胞(human fibroblast)具有增殖分裂 的极限。他利用来自胚胎和成体的成纤维细胞 进行体外培养，发现胚胎的成纤维细胞分裂传 代50次后开始衰退和死亡，而来自成年组织的 成纤维细胞只能培养15～30代就开始死亡。
细胞生物学-细胞衰老与死亡
Disorders associated with excessive apoptosis ❖ 艾滋病 AIDS ❖ 早老性痴呆 Alzheimer’s ❖ Parkinson’s ❖ 再生障碍性贫血Aplastic anemia ❖ 酒精中毒Alcoholism ❖ 缺血Ischemia (myocardial infarction, stroke, reperfusion)
衰老细胞的结构变化
❖ 细胞核的变化 体积增大、核膜内折、染色质固缩化、端粒变短， DNA甲基化程度增加；
❖ 内质网的变化 内质网排列无序，膜腔膨胀，膜面上核糖体减少；
❖ 线粒体的变化 线粒体的数量随着年龄的增大而减少，而其体积则随着 年龄的增大而增大。线粒体DNA的损伤程度增加，线粒 体DNA的转录产物减少；
外在信号
内在信号
Cell - extrinsic activation of caspase cascade
❖ 细胞表面具有死亡受体（death receptor） Fas，属于肿瘤坏死因子受体超家族； ❖ 三聚体的Fas与配体（FasL）结合； ❖ 募集接头蛋白FADD和 procaspase-8； ❖ 通过自身剪接，产生caspase-8 ，引起caspase cascade。
❖ 活化的caspase 再切割其他的 caspase，即为 caspase级联反 应（cas胞质蛋白质或 核纤层蛋白
caspase家族与细胞凋亡
❖ 目前认为细胞凋亡的起始者（caspase 2， 8，9和 10）和执行者（caspase 3，6和7） 之间存在着上下游关系，即起始者活化执 行者。
H2O
CuZn-SOD
H2O2 GSH-Px
H2O 细胞质
线粒体
衰老细胞的结构变化
❖ 细胞核的变化 体积增大、核膜内折、染色质固缩化、端粒变短， DNA甲基化程度增加；
❖ 内质网的变化 内质网排列无序，膜腔膨胀，膜面上核糖体减少；
❖ 线粒体的变化 线粒体的数量随着年龄的增大而减少，而其体积则随着 年龄的增大而增大。线粒体DNA的损伤程度增加，线粒 体DNA的转录产物减少；
外在信号
内在信号
Cell - extrinsic activation of caspase cascade
❖ 细胞表面具有死亡受体（death receptor） Fas，属于肿瘤坏死因子受体超家族； ❖ 三聚体的Fas与配体（FasL）结合； ❖ 募集接头蛋白FADD和 procaspase-8； ❖ 通过自身剪接，产生caspase-8 ，引起caspase cascade。
❖ 活化的caspase 再切割其他的 caspase，即为 caspase级联反 应（cas胞质蛋白质或 核纤层蛋白
caspase家族与细胞凋亡
❖ 目前认为细胞凋亡的起始者（caspase 2， 8，9和 10）和执行者（caspase 3，6和7） 之间存在着上下游关系，即起始者活化执 行者。
H2O
CuZn-SOD
H2O2 GSH-Px
H2O 细胞质
线粒体
细胞生物学：第16章 细胞衰老与死亡
Hayflick设计的试验二： 体细胞杂交
年老男性个体的细胞
细胞核
细胞质
年青女性个体的细胞
细胞质
细胞核
细胞融合后，杂种 细胞不能分裂
细胞融合后，杂种 细胞分裂能力强
决定细胞衰老表达的是细胞核而不是细胞质
WRN基因 的突变
8岁早老症患者的组织中已经有老年色素的沉积， 外貌看起来象70岁的老人，通常在20岁前死去
3. 如果细胞凋亡失调包括不恰当的激活或抑制会导致 疾病的发生
凋亡不足会导致包括各种肿瘤在内的多种疾病
细胞过度凋亡将会导致机体免疫功能丧失或引发自 生免疫疾病和炎症。如：艾滋病患者表现为淋巴细 胞等过多凋亡，免疫力低下
（二）细胞坏死(necrosis)
长期以来坏死被认为是一种被动的死亡方式，由 外部的化学、物理或生物因素的侵袭而造成的细 胞崩溃裂解；
小结
1. 细胞的程序性死亡的定义和方式 2. 细胞凋亡的特征和生物学意义；凋亡与坏死的区 别；细胞自噬的特征 3. Hayflick界限以及衰老细胞结构的变化
植物细胞凋亡研究开始较晚，其研究尚处于起始 阶段；
在健康的机体中，细胞的生死总是处于 一个良性的动态平衡中，如果这种平衡被破 坏，就会患病。如果该死亡的细胞没有死亡， 就可能导致细胞恶性增长，形成癌症。如果 不该死亡的细胞过多地死亡，比如受艾滋病 病毒的攻击，不该死亡的淋巴细胞被诱导发 生凋亡就会破坏人体的免疫机能，使机体极 易受到病原体感染。总之，为了机体的健康， 细胞不但要有计划的“生”，也要有计划的 “死”。
凋亡细胞表面形成许多泡状或芽状突起
正常
胸腺过程中细胞膜保持完整，细胞内含物没有泄 露到细胞外，不引发机体的炎症反应；
2. 染色质DNA在核小体间发生断裂，形成间隔200bp 或其整倍数的DNA片段；
医学细胞生物学：第十六章 细胞衰老与细胞死亡
酶等大分子的合成差错，差错的积累最终引起细胞功能降低，并逐渐导致 细胞衰老、死亡。
6. 其他学说
➢ “神经免疫网络论”。 ➢ “钙调蛋白学说”。 ➢ “微量元素学说”。
(二)复制性细胞衰老和氧化应激诱导的非端粒依赖性细胞衰老的调控
未能通过G1/S检查点的细胞 将退出细胞周期，并走向衰 老。
目前认为，主要有两条途径调控细胞的衰老： ➢ 复制性细胞衰老依赖于p53→p21、pRb→E2F信号通路的调控； ➢ 氧化应激诱导的非端粒依赖性细胞衰老受ERK→ p38MAPK → p16 → pRb
Cell Senescence and Cell Death
2. 自由基学说 在代谢过程中产生的活性氧基团或分子(OH，H2O2，超氧自由基)引发的氧化性 损伤的积累，最终导致衰老。
在正常条件下，人体内自由基的产生有两方面： ➢ 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。 产生的途径： ➢ 由线粒体呼吸链电子泄漏产生; ➢ 由多功能氧化酶等催化底物羟化产生; ➢ 非酶促反应产生 。 自由基导致细胞损伤：
第十六章 细胞衰老与细胞死亡
Cell Senescence and Cell Death
学习目的与要求
1. 掌握细胞凋亡的概念及特征。 2. 熟悉细胞衰老的特点、表现、Hayflick界限。 3. 熟悉细胞死亡的分类、特征。 4. 熟悉细胞自噬的概念、过程。 5. 了解细胞衰老的机制与学说。 6. 了解细胞凋亡的分子机制和信号转导通路。
Cell Senescence and Cell Death
第一节 细胞衰老
一、细胞衰老的概念
细胞衰老：细胞在正常条件下发生的生 理功能衰退和增殖能力减弱以及形态发 生改变并趋向死亡的现象 。
6. 其他学说
➢ “神经免疫网络论”。 ➢ “钙调蛋白学说”。 ➢ “微量元素学说”。
(二)复制性细胞衰老和氧化应激诱导的非端粒依赖性细胞衰老的调控
未能通过G1/S检查点的细胞 将退出细胞周期，并走向衰 老。
目前认为，主要有两条途径调控细胞的衰老： ➢ 复制性细胞衰老依赖于p53→p21、pRb→E2F信号通路的调控； ➢ 氧化应激诱导的非端粒依赖性细胞衰老受ERK→ p38MAPK → p16 → pRb
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2. 自由基学说 在代谢过程中产生的活性氧基团或分子(OH，H2O2，超氧自由基)引发的氧化性 损伤的积累，最终导致衰老。
在正常条件下，人体内自由基的产生有两方面： ➢ 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。 产生的途径： ➢ 由线粒体呼吸链电子泄漏产生; ➢ 由多功能氧化酶等催化底物羟化产生; ➢ 非酶促反应产生 。 自由基导致细胞损伤：
第十六章 细胞衰老与细胞死亡
Cell Senescence and Cell Death
学习目的与要求
1. 掌握细胞凋亡的概念及特征。 2. 熟悉细胞衰老的特点、表现、Hayflick界限。 3. 熟悉细胞死亡的分类、特征。 4. 熟悉细胞自噬的概念、过程。 5. 了解细胞衰老的机制与学说。 6. 了解细胞凋亡的分子机制和信号转导通路。
Cell Senescence and Cell Death
第一节 细胞衰老
一、细胞衰老的概念
细胞衰老：细胞在正常条件下发生的生 理功能衰退和增殖能力减弱以及形态发 生改变并趋向死亡的现象 。
第十六章 细胞死亡与细胞衰老
3. 吞噬：凋亡小体逐渐被临近细胞或吞噬细胞吞噬，在溶酶体内消化分解。 4
最重要的特征：是整个过程中细胞膜始终保持完整，细胞内含物不泄漏到细 胞外，因此不引发机体的炎症反应。
是机体中频繁发生的细胞死亡方式，但在组织学水平上却难以观察到。 （凋亡过程迅速）
5
（一）细胞凋亡的检测方法
具有明显的形态学和生理生化特征
7
3. DNA断裂的原位末端标记法
转移酶介导的dUTP缺口末端标记测定法（TUNEL）：对DNA分子断裂缺口中的3’-OH 进行原位标记。
8
4. 彗星电泳法 凋亡细胞中的DNA降解片段，在电场中泳动速度较快，使细胞核呈现出一种 慧星式的图案。
9
5. 流式细胞分析
Annexin V: 细胞早期凋亡 PI （碘化丙啶）：凋亡中晚期和死亡细胞
三、自噬性细胞死亡
细胞自噬（antophagy）：细胞通过溶酶体与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。 - 降解自身蛋白大分子或细胞器，为细胞生存提供原材料或ATP - 具有自我“清理”功能 23
第二节 细胞衰老
一、细胞衰老的概念及特征
个体衰老
﹖
细胞在体外所处的环境与体内有很大不同 氧浓度、胰酶、2D or 3D 体外细胞的衰老机制与细胞的癌化相关
- 细胞衰老是有机体长期演化过程中形成的防止细胞过度生长或癌化的 一种保护机制
体内细胞衰老的机制？ 如何在体外研究体内的细胞衰老？ 。。。
31
18
生长因子（NGF）
Bcl-2
19
NF-κB （nuclear factor kB）
C-IAP C-FLIP Bcl-2家族蛋白A1和Bcl-XL等
最重要的特征：是整个过程中细胞膜始终保持完整，细胞内含物不泄漏到细 胞外，因此不引发机体的炎症反应。
是机体中频繁发生的细胞死亡方式，但在组织学水平上却难以观察到。 （凋亡过程迅速）
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（一）细胞凋亡的检测方法
具有明显的形态学和生理生化特征
7
3. DNA断裂的原位末端标记法
转移酶介导的dUTP缺口末端标记测定法（TUNEL）：对DNA分子断裂缺口中的3’-OH 进行原位标记。
8
4. 彗星电泳法 凋亡细胞中的DNA降解片段，在电场中泳动速度较快，使细胞核呈现出一种 慧星式的图案。
9
5. 流式细胞分析
Annexin V: 细胞早期凋亡 PI （碘化丙啶）：凋亡中晚期和死亡细胞
三、自噬性细胞死亡
细胞自噬（antophagy）：细胞通过溶酶体与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。 - 降解自身蛋白大分子或细胞器，为细胞生存提供原材料或ATP - 具有自我“清理”功能 23
第二节 细胞衰老
一、细胞衰老的概念及特征
个体衰老
﹖
细胞在体外所处的环境与体内有很大不同 氧浓度、胰酶、2D or 3D 体外细胞的衰老机制与细胞的癌化相关
- 细胞衰老是有机体长期演化过程中形成的防止细胞过度生长或癌化的 一种保护机制
体内细胞衰老的机制？ 如何在体外研究体内的细胞衰老？ 。。。
31
18
生长因子（NGF）
Bcl-2
19
NF-κB （nuclear factor kB）
C-IAP C-FLIP Bcl-2家族蛋白A1和Bcl-XL等
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（2） Caspase 的激活及其级联效应
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
（2） Caspase 的激活及其级联效应
Nat Rev Mol Cell Biol, 2010, 11(9): 621-632
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
（二）细胞凋亡的检测方法
细胞凋亡早期，位于细胞 膜内侧的磷脂酰丝氨酸 （PS）迅速翻转到细胞膜 外侧，使得PS 暴露在细胞 膜表面，可以用PS 与抗凝 血剂Annexin V 的相互作用 检测外翻的PS
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
（1） Caspase 分类及其结构
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
Caspase 家族成员及其在细胞凋亡过程中的功能
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
（二）细胞凋亡的检测方法 4. 彗星电泳法
正常细胞的核无DNA 断裂泳动时保持圆球形 凋亡细胞中的DNA 降解片段在电场中泳动速度较快，细胞核呈现出慧星式图案
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
（二）细胞凋亡的检测方法 5. 流式细胞分析
左图：正常细胞周期 右图：地塞米松 处理的细胞在G1峰左侧可见一典型的凋亡峰型（亚二倍体峰）
（2） Caspase 的激活及其级联效应
效应caspases 对底物的切割 使得细胞呈现出凋亡的一系列 形态学和分子生物学特征。可 以分为被活化和失活两大类：
被caspase 活化的代表分子是 caspases 激活的核酸酶CAD
被caspase 失活的分子都在维护 细胞正常状态中发挥关键作用
（一）细胞凋亡的特征 1. 凋亡的起始 2. 凋亡小体的形成 3. 吞噬
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
（二）细胞凋亡的检测方法 1. 形态学观察——染色法
– 台盼蓝；DAPI；吉姆萨染色法等
DAPI 染色显示凋亡细胞的染色质凝集 A. 正常细胞核 B. 凋亡细胞核
（三）细胞凋亡的生理学及医学意义
• 细胞凋亡在正常发育、自稳态的维持、免疫耐受的 形成、肿瘤监控等过程中均发挥重要作用
– 确保正常发育、生长 – 维持内环境稳定 – 发挥积极的防御功能
• 凋亡失调：不恰当激活或抑制；过度凋亡导致疾病
– AIDS：HIV诱导淋巴细胞凋亡 – 自身免疫疾病：激活的淋巴细胞凋亡缺陷 – 癌症：凋亡缺陷 – 老年痴呆/中风：过多神经细胞凋亡
效应caspases 还通过切割细胞 骨架蛋白使细胞的骨架体系发生 结构变化，便于细胞改变形态以 及形成凋亡小体等
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
2. Caspase依赖性细胞凋亡途径
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
Nature Reviews Immunology, 2002, 2, 735-747
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
5. 生死抉择：细胞凋亡的调控
营养因子
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
生存因子通过调节Bcl-2 家族成员的活性及表达抑 制细胞凋亡的发生
建立了细胞凋亡内源途径的模型
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
3. Caspase非依赖性的细胞凋亡
• 凋亡诱导因子 （apoptosis
inducing factor， AIF） • 限制性内切核酸
酶G
Biochemistry (Moscow), 2005, 70, (2): 231-239
助一种可观测的标记物如荧 光素对单个凋亡细胞核或 凋亡小体进行原位染色
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
（二）细胞凋亡的检测方法 3. DNA 断裂的原位末端标记法
原位末端标记法显示斑马鱼胚胎发育过程中的细胞凋亡
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
（二）细胞凋亡的检测方法
6. 检测细胞膜成分变化
– 检测磷脂酰丝氨酸的外翻
– 检测caspases 的激活
– 检测Cyt c 的释放
– 检测线粒体膜电位的变化等
“eat me” signal is the presence of phosphatidylserine molecules in the outer leaflet of PM of apoptotic cells.
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
Find-me and eat-me signal
J. Exp. Med., 2010, 207(9): 1807-1817
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
4. 穿孔蛋白－颗粒酶介导的细胞凋亡
二、细胞坏死
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
细胞凋亡与坏死的形态特征
Fig. 1 TEM of a necrotic cell Fig. 2 TEM of an apoptotic (A)
and a normal (N) cell Fig. 3 SEM of a necrotic cell Fig. 4 SEM of an apoptotic cell
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
内源性caspases 抑制因子
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
p53 通过激活凋亡正调节因子的转录来促进凋亡，同时还能 够抑制抗凋亡因子的转录
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
（二）细胞凋亡的检测方法 3. DNA 断裂的原位末端标记法
– 转移酶介导的dUTP 缺口末端标记测定法（TUNEL） – 脱氧核糖核苷酸末端转移酶 – 能对DNA 分子 断裂缺口中的3′-OH 进行原位标记 – 凋亡细胞的核DNA 断裂后产 生3′-OH 末端，因此可借
2002年诺贝尔生理学或医学奖
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
模式生物：秀丽隐杆线虫 C. elegans
透明，长仅1mm，体细胞959个 1090 cells - 131 cells death = 959 cells
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• 动物细胞的凋亡诱导因子大致分为： ① 物理性因子：包括射线（紫外线、γ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、VK3、视黄酸、 细胞毒素、 DNA 和蛋白质合成的抑制剂（如环已亚胺）、 正常生理 因子（激素，细胞生长因子等）的失调，以及 凋亡因子 如肿瘤坏死因子α（ tumor necrosis factor α, TNFα）处理等
（1）死亡受体起始的外源途径
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
（2）线粒体起始的内源途径
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
Caspase 依赖性细胞凋亡信号途径
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物ຫໍສະໝຸດ （第4版）© 高等教育出版社 2011
（四）细胞凋亡的分子机制
• 动物细胞凋亡的阶段：
– 接受凋亡信号； – 凋亡相关分子的活化； – 凋亡的执行； – 凋亡细胞的清除
• 动物细胞凋亡的途径
– Caspase依赖性和不依赖于Caspase的细胞凋亡
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
细胞凋亡与坏死的比较
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
三、自噬性细胞死亡
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011
（二）细胞凋亡的检测方法
2. DNA电泳
– 凋亡时，细胞内特异性核酸 内切酶活化，染色质DNA 在 核小体间被特异性切割， DNA 降解成 180～200 bp 或 其整数倍片段
细胞凋亡的典型特征——DNA 梯状条带（DNA ladders）
动物发育过程中的细胞凋亡
动物蜕变过程中幼体器官的缩小和退化 （如蝌蚪尾的消失等）也是通过细胞凋亡来实现的
高等哺乳类动物指（趾）间蹼的消失、颚 融合、肠管腔道的形 成、视网膜发育等过程都必须有细胞凋亡的参与
翟中和 王喜忠 丁明孝 主编 细胞生物学（第4版）© 高等教育出版社 2011