细胞生物学[第十三章程序性细胞死亡与细胞衰老]课程预习

第十三章程序性细胞死亡与细胞衰老衰老(aging，senescence，senility)又称老化，通常指生物发育成熟后，在正常情况下随着年龄的增加，机能减退，内环境稳定性下降，结构中心组分退行性变化，趋向死亡的不可逆的现象。

一、程序性细胞死亡

(一)动物细胞的程序性死亡

动物细胞的死亡方式主要包括三种：凋亡、坏死和自噬。

1．细胞凋亡

细胞凋亡是一个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，所以也常常被称为细胞编程性死亡(programmed cell death，PCD)。PCD最初是发育生物学中提出的概念，其含义是发育过程中(例如幼虫发育为成虫)发生的某类细胞(例如肌肉细胞)的大量死亡，而这种细胞死亡要求一定的基因表达。

(1)形态学特征。

1)凋亡起始。该时期特征主要为：①骨架杂乱，细胞间接触消失，细胞间粘附力下降；②细胞质和核浓缩，显微镜下观察可发现细胞膜发泡，染色质凝集，一沿着核膜形成新月形帽状结构；③内质网腔膨胀，核糖体从内质网上脱落，伴随着这些变化凋亡小体逐渐形成。

2)凋亡小体形成。随着细胞膜内折，染色质断裂成片断，染色质片断及线粒体等细胞器反折的细胞膜包围并逐渐分开，形成单个的凋亡小体。

3)凋亡小体消失。凋亡小体被邻近的细胞或巨噬细胞识别吞食及消化。该过程一般较快，从凋亡开始到凋亡小体形成不过几分钟的时间，整个凋亡过程大约持续几个小时。

(2)生化特征。

1)染色质DNA的降解：由于内源性核酸内切酶基因的活化和表达，激活核酸内切酶，使染色质DNA降解成片段大小有规律的(200bp的倍数)的寡核苷酸小体，在进行琼脂糖凝胶电泳时，可见特征性的梯状DNA条带(ladder)。

2)细胞内钙离子浓度的快速、持续的升高。

(3)细胞凋亡的生理意义。

细胞凋亡对于多细胞生物个体发育的正常进行，自稳平衡的保持以及抵御外界各种因素的干扰方面都起着非常关键的作用。通过细胞凋亡，有机体得以清除不再需要的细胞，而不引起炎症反应。另一方面，细胞凋亡的失调包括不恰当的激活或抑制会导致疾病，例如Alzheimer氏病、各种肿瘤、艾滋病以及自身免疫病等。

(4)细胞凋亡的检测方法。

1)形态学观察。有的染料如台盼蓝为活细胞排斥，但是可以使死细胞着色。或者DAPI或Giemsa染色在显微镜下观察细胞核的形态。

2)DNA电泳。细胞凋亡时，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180～200bp或其整数倍片段，电泳时呈现梯度条带。

3)TUNEL测定法。借助一种可观测的标记物，对DNA中产生的3’-0H末端进行原位标记，用荧光显微镜即可进行观察。

4)彗星电泳法。将单个细胞悬浮于琼脂糖凝胶中，经裂解处理后，再在电场中进行短时间的电泳，并用染料染色。凋亡细胞中的DNA片段在电场中泳动速度较快，呈现出彗星式图案，而正常细胞的无DNA端粒的核在泳动时保持圆球形。

5)流式细胞仪分析。与正常完整的二倍体细胞相比，凋亡细胞DNA发生断裂和丢失，呈亚二倍体状态。采用碘化丙锭染色使。DNA产生激发荧光，流式细胞仪能够检测出凋亡的亚二倍体细胞。

(5)细胞凋亡的分子机制。

Caspase是近年来发现的一组存在于胞质溶胶中的结构上相关的蛋白酶，其一个重要共同点是特异性断开Asp残基后的肽键，切割通常只发生在少数位点(一般只有一个)。主要是在结构域间的位点上，切割的结果是活化某些蛋白或使某些蛋白失活，但从不完全降解一种蛋白质，是细胞凋亡中一组重要的酶类。

Casoases活化途径有两条：一是经细胞表面受体活化caspase2、8、10，通过这几个再活化caspase3、7等凋亡执行因子，启动凋亡过程；二是经线粒体中的细胞色素c激活caspase9，再由caspase9激活下游凋亡执行因子，启动细胞凋亡。此外，还存在非caspase依赖性的细胞凋亡途径。

2．细胞坏死

细胞坏死是细胞受到化学因素(如强酸、强碱、有毒物质)、物理因素(如热、辐射)和生物因素(如病原体)等环境因素的伤害，引起细胞死亡的现象。坏死细胞的形态改变主要是由下列2种病理过程引起的，即酶性消化和蛋白变性。

细胞坏死初期，胞质内线粒体和内质网肿胀、崩解，结构脂滴游离、空泡化，蛋白质颗粒增多，核发生固缩或断裂。随着胞质内蛋白变性、凝固或碎裂，以及嗜碱性核蛋白的降解，细胞质呈现强嗜酸性，故坏死组织或细胞在苏木精／伊红染色切片中，胞质呈均一的深伊红色，原有的微细结构消失。在含水量高的细胞，可因胞质内水泡不断增大，并发生溶解，导致细胞结构完全消失，最后细胞膜和细胞器破裂，DNA降解，细胞内容物流出，引起周围组织炎症反应。

细胞凋亡与细胞坏死的比较：

(1)细胞凋亡中细胞变圆、微绒毛消失、膜皱缩胞质浓缩，ER扩张与质膜融合核浓缩，染色质边集形成凋亡小体，无炎症反应。而细胞坏死中，细胞膨胀、ER、Mi、核肿胀溶酶体膜破坏细胞溶解，有炎症反应。

(2)细胞凋亡中出现DNA梯状带(DNA ladders)。而细胞坏死中无DNA梯状带。 3．细胞自噬

正常的动物细胞为了维持细胞内环境的动态平衡，需要不断降解功能失常或不需要的细胞结构，如各种蛋白质、细胞器以及各种胞质成分。通常，寿命较短的蛋白质如调控蛋白通过泛素一蛋白酶体系统进行降解。而寿命较长的细胞结构或蛋白质则通过细胞自噬途径，由溶酶体进行降解。

(二)植物细胞和酵母细胞的程序性死亡

植物细胞凋亡的研究开始较晚，最早提出植物中存在细胞凋亡的是1994年发表的关于拟南芥的过敏反应中出现细胞程序性死亡的报道。与动物中一样，细胞凋亡存在于正常的植物发育、对环境胁迫的反应和病原体入侵引发的过敏反应中。

酵母是单细胞生物，细胞的“自杀”就相当于结束了个体的生命，长期以来认为酵母的这样的单细胞生物的程序性死亡是对个体不利的，但是近年来有实验证据表明在酵母中同样存在程序性死亡，此项研究仍在初期阶段。

二、细胞衰老

(一)细胞衰老的概念与特征

细胞衰老(cellular aging)即原来具有分裂能力的细胞随着整体年龄增长而减缓或停止分裂的现象。

Hayflick界限：Hayflick通过观察人的正常二倍体成纤维细胞在体外连续培养的状况，发现无论怎样完善培养条件，正常细胞的分裂增殖能力都是有限的，不能无限分裂。正常细胞体外培养只能分裂有限的次数，这一现象称为Hayflick 界限。

另外，细胞的分裂代数与细胞供体本身的年龄呈反比，取正常人胚胎的成纤维细胞传代培养，能分裂繁殖40～60代，如果取自青年人或老年人的成纤维细胞进行培养，细胞的分裂代数明显减少。

细胞衰老的特征：