第十二章 细胞的衰老与死亡
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体外培养的二倍体细胞的增殖能力和寿命是有一定 限度的； 体外培养的二倍体细胞分裂次数与供体年龄之间呈 反比关系；
不同物种的细胞最大分裂次数与动物平均寿命成正
比关系。
三、体内细胞的衰老与其增殖能力和分化 程度有关
1.不育细胞群的衰老 2.暂不增殖细胞群的衰老 3.具有干细胞特性的增殖细胞群的衰老
四、细胞衰老的表现
2．细胞凋亡与AIDS病
HIV感染的细胞膜表面可表达gp120，其受体
存在于免疫的CD4+T淋巴细胞膜上，当gp120与 CD4+T淋巴细胞结合后，可诱导CD4+T淋巴 细胞凋亡，导致免疫系统崩溃。 3．细胞凋亡与心血管疾病 动脉粥样硬化、心肌病、急性心肌梗死，以及心力 衰竭中均伴随着细胞凋亡。
凋亡异常
(3)老年性退行性疾病有关的基因 截脂蛋白E基因 ----冠状动脉硬化
β 淀粉样蛋白基因----阿尔茨海默病
2．抗衰老基因 也称长寿基因（longevity gene） 延长因子-1α基因、 WRN基因、 Klotho基因
SIRT1的基因
（六）成体干细胞的衰老
1．遗传因素
①无法修复积累的DNA损伤
3. p53基因 (抑癌基因 )
DNA损伤 p53活化 p21基因转录 细胞
阻止在G1期, 如果DNA损伤不能被修复，p53持续增 高引起细胞凋亡。
在依赖P53蛋白的细胞凋亡中，P53基因是通过调节 Bc1-2和Bax基因的表达来影响细胞凋亡的。P53蛋白能 特异地抑制 Bc1-2 的表达，相反对 Bax 的表达则有明显
底物羟பைடு நூலகம்产生。
3.自由基清除系统 （1）抗氧化酶： 谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-PX）、 超氧化物歧化酶
（SOD）、过氧化物酶（PXP）及过氧化氢酶（CAT）
（2）抗氧化剂（antioxidant）： 谷胱甘肽（GSH）、维生素C、β-胡萝卜素、 维生素E、半胱氨酸、硒化物、巯基乙醇等。
（三）端粒学说
在发育过程中凋亡异常引起并指（趾）
思考题
1.简述细胞衰老的主要特征。
2. 什么是Hayflick界限?
3. 简述细胞凋亡的形态学特征及其与坏死的主要区别。
4. 简述细胞凋亡的生物学意义。
5. 简述动物细胞凋亡主要的两条信号通路。 6. 何谓Caspase家族? 在细胞凋亡过程中起何作用?
细胞凋亡 生理及弱刺激 单个细胞丢失 保持到晚期 减少、固缩 凝聚成半月形 无明显变化 保持完整 形成凋亡小体 有控降解 一般需要 有 不引起炎症反应 生理死亡方式
细胞坏死 强烈刺激 成群细胞死亡 早期即丧失 增大、肿胀 稀疏成网状 肿张破坏 破坏外溢 破裂成碎片 随机降解 不需要 无 引起炎症反应 病理死亡方式
两者结合将导致携带Fas的细胞凋亡。
FasL
TNF
Fas FADD Cas8
TNF-R1 Mit TRADD Cyt c Caseff
Protein degradation Cell death
DNase
Nature,2009,457,1019-1022
（三）细胞内外因素主要通过两种信号传导 途径诱导细胞凋亡
1.细胞坏死 （necrosis）:由于损伤、缺血或感染引 起的细胞死亡现象，伴生炎症。
2.细胞凋亡（apoptosis):由死亡信号诱发的受调节
的细胞死亡过程，是细胞生理性死亡的普遍形式。
凋亡过程中DNA发生片段化，细胞皱缩分解成凋亡小
体，被邻近细胞或巨噬细胞吞噬，不发生炎症。
一、细胞凋亡与细胞坏死的区别
已发现的Caspase家族成员共有15种其中Caspase 1、4、11 参与白细胞介素前体活化，不直接参
加凋亡信号的传递
根据在凋亡级联反应中的功能不同可分为两类： 凋亡上游的起始者: Caspase 2、8、9、10
凋亡下游的执行者: Caspase 3、6、7
细胞凋亡过程中Caspase级联效应
（二）自由基学说
认为衰老是由于自由基（free radical）对细胞成分
的攻击伤害所致； 1.自由基导致氧化性损伤:基因突变 、脂质过氧化 2. 自由基产生
(1)环境中的高温、辐射、光解、化学物质等。
(2)体内各种代谢反应产生： ① 线粒体呼吸链电子泄
漏产生 ； ②过氧化物酶体的多功能氧化酶催化
二、细胞凋亡具有重要的生物学意义
（一）发育过程中清除多余的细胞
细胞凋亡在指（趾）形成中的作用 蝌蚪发育过程尾部细胞的凋亡
程序性细胞死亡对发育中神经细胞数量的调节
（二）清除正常生理活动过程中无用的细胞
衰老的红血细胞、前T、前B淋巴细胞
（三）清除病理活动过程中有潜在危险的细胞
DNA损伤的细胞、有癌变危险的细胞、病毒感染的细胞
DNA每复制一次，端粒末端就缩短一段，当端粒 缩短到一定程度而不能再分裂复制，细胞便衰老死亡； 端粒酶（telomerase）可以利用自身RNA为模板合 成端粒DNA，加到染色体3′末端，补偿端粒末端丢失 的序列，从而延长细胞的寿命； 体细胞无端粒酶活性 ，生殖细胞、干细胞和恶性 肿瘤细胞中有明显的端粒酶活性。
第一节 细胞衰老（ cell aging ）
随着时间的推移,细胞的形态结构、化学成分和
生理功能逐渐衰退的现象。
一、机体衰老与细胞衰老
机体的衰老并不等于体内所有细胞都衰老；
机体衰老是以细胞总体的衰老为基础的；
机体的衰老与体内细胞的衰老有着密切的联系，生物
体的衰老可能是组织中干细胞的衰老引所致。
二、 二倍体细胞体外增殖能力和寿命
②衰老相关基因的表达：p53、p16基因过度表达
2．环境因素
干细胞巢中的酶、调控因子等变化
六．细胞衰老与疾病
1. 早老性疾病
绝大多数HutchinsonGilford 早老症的致病 原因是由体内核纤层 蛋白A（lamin A）基 因突变所致。lamin A 的基因突变影响DNA 损伤修复，基因组不 稳定，从而使lamin A 蛋白缺陷的细胞终止 分裂，衰老过程加并 过早死亡。
的促进作用。
研究表明，P53蛋白是Bax基因的直接的转录活化因
子。在这些细胞中，P53蛋白的积累和活动引起了细胞
凋亡。
P53是肿瘤抑制基因，其产物主要存在于细胞核 内。P53基因是人类肿瘤有关基因中突变频率最 高的基因。
4.Fas和Fasl Fas是广泛存在于正常细胞和肿瘤细胞膜表面受体， Fas配体Fasl主要表达于活化的T淋巴细胞，
细胞凋亡与细胞坏死的形态学比较
Normal
Apoptosis
Necrosis
不同凋亡阶段的区分
荧光显微镜定性观察细胞凋亡
流式细胞仪分析（FACS）
电镜下的凋亡细胞(A-B)与坏死细胞(C)
特征 诱导因素 受累范围 膜完整性 细胞体积 染色质 细胞器 溶酶体 细胞形状 基因组DNA 大分子合成 基因调控 后果 意义
1.衰老细胞中水分含量减少
内水分减少，细胞萎缩
2.衰老细胞中色素蓄积
电镜下细胞质中的脂褐素颗粒由单位膜包裹形成 较高电子密度不规则小体，含有浅亮的脂滴
3.细胞膜系统的改变
细胞膜的变化
磷脂含量下降，胆固醇与磷脂的比值升高；磷脂中
不饱和脂肪酸含量及卵磷脂与鞘磷脂的比值随增龄
而下降,细胞膜的黏滞性增加，膜流动性降低。 内质网的变化 粗面内质网数量减少，排列无序，膜膨胀、崩 解，膜表面核糖体数量减少，光面内质网呈空泡状。
一般肿瘤细胞高表达Fasl，借以凋亡淋巴细胞，
而又低表达Fas，而降低凋亡，形成肿瘤细胞
有逃逸免疫及凋亡耐受的特性。
2．细胞凋亡与系统性红斑狼疮 由于Fas表达缺陷，引起自身反应性T细胞的凋亡 功能丧失，导致T淋巴细胞凋亡障碍
（二）细胞凋亡过度导致的疾病
1．细胞凋亡与神经退行性疾病 中枢神经系统神经细胞的丧失是各种神经退行性 疾病的病理特点
高尔基复合体的变化
囊泡种胀，伴有扁平囊的断裂崩解，分泌功能降低。
溶酶体的变化
溶酶体功能降低，细胞内残余体积累。
4.线粒体的变化是细胞衰老的重要指标
数量减少，体积的增大，氧化产能功能下降。
5.细胞骨架的改变
G-肌动蛋白含量下降，微丝数量减少 ，与微丝相关 的信号传递功能下降。
6.核结构的改变
核膜内折、崩解、染色质固缩化。
1.死亡受体介导的细胞凋亡信号通路 2.线粒体介导的细胞凋亡信号通路
Caspase-independent signaling pathways
四、细胞凋亡失常与疾病
（一）细胞凋亡过低导致的疾病
1．细胞凋亡与肿瘤 肿瘤细胞凋亡抑制基因和凋亡活化基因表达异常 如肿瘤细胞常有p53基因的突变或缺失、
7.蛋白质合成变化
蛋白质合成速率降低，特异蛋白、酶结构和数量
改变，是细胞衰老的重要标志：
8.成体干细胞的衰老
干细胞的自我更新、增殖和分化的能力下降。
五、细胞衰老的机制
（一）“错误成灾”学说
DNA损伤和修复功能下降，导致核酸、蛋白质、
酶等生物大分子合成错误，引起细胞代谢功能障
碍，导致细胞衰老死亡。
早老症(Hayflick-Guilford综合征)儿童
2.干细胞衰老相关疾病
老年性再生障碍性贫血、白血病、骨质疏松、 Ⅱ型糖尿病、动脉粥样硬化、血脂代谢障碍。
第二节
细胞死亡
细胞死亡是指细胞生命活动的结束，细胞死亡主要 有多种不同的形式： 1.坏死性死亡
2.细胞凋亡（apoptosis）
3.细胞自噬 4.细胞胀亡
三、细胞凋亡的分子机制
（一）线虫凋亡相关基因
线虫的细胞凋亡途径及相关基因
（二）人和哺乳动物细胞凋亡相关基因及其产物
1. Caspase家族 (ced-3的同源物 ) 是一类半胱氨酸蛋白水解酶，简称胱天蛋白酶
（caspase）共同特点: 是富含半胱氨酸，被激活后能特异地切割靶蛋白的天 冬氨酸残基后的肽键。
细胞凋亡过程中Caspase级联效应
2. Bcl-2蛋白家族 (是线虫ced-9的同源物 )
根据其功能可以分为两大类 :
①抑制凋亡的Bcl-2: Bcl-2、Bcl-xL、Bcl-w、Mcl-
1能阻止线粒体外膜的通透化，保护细胞免于凋亡 。
②促进细胞凋亡的Bcl-2: Bax、Bak，Noxa能够促进 线粒体外膜的通透化，促进细胞凋亡。
（四）遗传程序学说
生物体细胞内特定基因按照预定程序有序地开启和 关闭，控制着个体的生长发育、衰老死亡。
（五）细胞衰老相关基因
1．衰老基因 （1）MORF4基因：位于4号染色体上，基因发生突变 可导致细胞永生化 （2）p16和p21基因：基因产物是CDK抑制因子 （CKI），可通过抑制CDK的活性导致细胞周期停滞， 阻断细胞增殖，导致细胞衰老
不同物种的细胞最大分裂次数与动物平均寿命成正
比关系。
三、体内细胞的衰老与其增殖能力和分化 程度有关
1.不育细胞群的衰老 2.暂不增殖细胞群的衰老 3.具有干细胞特性的增殖细胞群的衰老
四、细胞衰老的表现
2．细胞凋亡与AIDS病
HIV感染的细胞膜表面可表达gp120，其受体
存在于免疫的CD4+T淋巴细胞膜上，当gp120与 CD4+T淋巴细胞结合后，可诱导CD4+T淋巴 细胞凋亡，导致免疫系统崩溃。 3．细胞凋亡与心血管疾病 动脉粥样硬化、心肌病、急性心肌梗死，以及心力 衰竭中均伴随着细胞凋亡。
凋亡异常
(3)老年性退行性疾病有关的基因 截脂蛋白E基因 ----冠状动脉硬化
β 淀粉样蛋白基因----阿尔茨海默病
2．抗衰老基因 也称长寿基因（longevity gene） 延长因子-1α基因、 WRN基因、 Klotho基因
SIRT1的基因
（六）成体干细胞的衰老
1．遗传因素
①无法修复积累的DNA损伤
3. p53基因 (抑癌基因 )
DNA损伤 p53活化 p21基因转录 细胞
阻止在G1期, 如果DNA损伤不能被修复，p53持续增 高引起细胞凋亡。
在依赖P53蛋白的细胞凋亡中，P53基因是通过调节 Bc1-2和Bax基因的表达来影响细胞凋亡的。P53蛋白能 特异地抑制 Bc1-2 的表达，相反对 Bax 的表达则有明显
底物羟பைடு நூலகம்产生。
3.自由基清除系统 （1）抗氧化酶： 谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-PX）、 超氧化物歧化酶
（SOD）、过氧化物酶（PXP）及过氧化氢酶（CAT）
（2）抗氧化剂（antioxidant）： 谷胱甘肽（GSH）、维生素C、β-胡萝卜素、 维生素E、半胱氨酸、硒化物、巯基乙醇等。
（三）端粒学说
在发育过程中凋亡异常引起并指（趾）
思考题
1.简述细胞衰老的主要特征。
2. 什么是Hayflick界限?
3. 简述细胞凋亡的形态学特征及其与坏死的主要区别。
4. 简述细胞凋亡的生物学意义。
5. 简述动物细胞凋亡主要的两条信号通路。 6. 何谓Caspase家族? 在细胞凋亡过程中起何作用?
细胞凋亡 生理及弱刺激 单个细胞丢失 保持到晚期 减少、固缩 凝聚成半月形 无明显变化 保持完整 形成凋亡小体 有控降解 一般需要 有 不引起炎症反应 生理死亡方式
细胞坏死 强烈刺激 成群细胞死亡 早期即丧失 增大、肿胀 稀疏成网状 肿张破坏 破坏外溢 破裂成碎片 随机降解 不需要 无 引起炎症反应 病理死亡方式
两者结合将导致携带Fas的细胞凋亡。
FasL
TNF
Fas FADD Cas8
TNF-R1 Mit TRADD Cyt c Caseff
Protein degradation Cell death
DNase
Nature,2009,457,1019-1022
（三）细胞内外因素主要通过两种信号传导 途径诱导细胞凋亡
1.细胞坏死 （necrosis）:由于损伤、缺血或感染引 起的细胞死亡现象，伴生炎症。
2.细胞凋亡（apoptosis):由死亡信号诱发的受调节
的细胞死亡过程，是细胞生理性死亡的普遍形式。
凋亡过程中DNA发生片段化，细胞皱缩分解成凋亡小
体，被邻近细胞或巨噬细胞吞噬，不发生炎症。
一、细胞凋亡与细胞坏死的区别
已发现的Caspase家族成员共有15种其中Caspase 1、4、11 参与白细胞介素前体活化，不直接参
加凋亡信号的传递
根据在凋亡级联反应中的功能不同可分为两类： 凋亡上游的起始者: Caspase 2、8、9、10
凋亡下游的执行者: Caspase 3、6、7
细胞凋亡过程中Caspase级联效应
（二）自由基学说
认为衰老是由于自由基（free radical）对细胞成分
的攻击伤害所致； 1.自由基导致氧化性损伤:基因突变 、脂质过氧化 2. 自由基产生
(1)环境中的高温、辐射、光解、化学物质等。
(2)体内各种代谢反应产生： ① 线粒体呼吸链电子泄
漏产生 ； ②过氧化物酶体的多功能氧化酶催化
二、细胞凋亡具有重要的生物学意义
（一）发育过程中清除多余的细胞
细胞凋亡在指（趾）形成中的作用 蝌蚪发育过程尾部细胞的凋亡
程序性细胞死亡对发育中神经细胞数量的调节
（二）清除正常生理活动过程中无用的细胞
衰老的红血细胞、前T、前B淋巴细胞
（三）清除病理活动过程中有潜在危险的细胞
DNA损伤的细胞、有癌变危险的细胞、病毒感染的细胞
DNA每复制一次，端粒末端就缩短一段，当端粒 缩短到一定程度而不能再分裂复制，细胞便衰老死亡； 端粒酶（telomerase）可以利用自身RNA为模板合 成端粒DNA，加到染色体3′末端，补偿端粒末端丢失 的序列，从而延长细胞的寿命； 体细胞无端粒酶活性 ，生殖细胞、干细胞和恶性 肿瘤细胞中有明显的端粒酶活性。
第一节 细胞衰老（ cell aging ）
随着时间的推移,细胞的形态结构、化学成分和
生理功能逐渐衰退的现象。
一、机体衰老与细胞衰老
机体的衰老并不等于体内所有细胞都衰老；
机体衰老是以细胞总体的衰老为基础的；
机体的衰老与体内细胞的衰老有着密切的联系，生物
体的衰老可能是组织中干细胞的衰老引所致。
二、 二倍体细胞体外增殖能力和寿命
②衰老相关基因的表达：p53、p16基因过度表达
2．环境因素
干细胞巢中的酶、调控因子等变化
六．细胞衰老与疾病
1. 早老性疾病
绝大多数HutchinsonGilford 早老症的致病 原因是由体内核纤层 蛋白A（lamin A）基 因突变所致。lamin A 的基因突变影响DNA 损伤修复，基因组不 稳定，从而使lamin A 蛋白缺陷的细胞终止 分裂，衰老过程加并 过早死亡。
的促进作用。
研究表明，P53蛋白是Bax基因的直接的转录活化因
子。在这些细胞中，P53蛋白的积累和活动引起了细胞
凋亡。
P53是肿瘤抑制基因，其产物主要存在于细胞核 内。P53基因是人类肿瘤有关基因中突变频率最 高的基因。
4.Fas和Fasl Fas是广泛存在于正常细胞和肿瘤细胞膜表面受体， Fas配体Fasl主要表达于活化的T淋巴细胞，
细胞凋亡与细胞坏死的形态学比较
Normal
Apoptosis
Necrosis
不同凋亡阶段的区分
荧光显微镜定性观察细胞凋亡
流式细胞仪分析（FACS）
电镜下的凋亡细胞(A-B)与坏死细胞(C)
特征 诱导因素 受累范围 膜完整性 细胞体积 染色质 细胞器 溶酶体 细胞形状 基因组DNA 大分子合成 基因调控 后果 意义
1.衰老细胞中水分含量减少
内水分减少，细胞萎缩
2.衰老细胞中色素蓄积
电镜下细胞质中的脂褐素颗粒由单位膜包裹形成 较高电子密度不规则小体，含有浅亮的脂滴
3.细胞膜系统的改变
细胞膜的变化
磷脂含量下降，胆固醇与磷脂的比值升高；磷脂中
不饱和脂肪酸含量及卵磷脂与鞘磷脂的比值随增龄
而下降,细胞膜的黏滞性增加，膜流动性降低。 内质网的变化 粗面内质网数量减少，排列无序，膜膨胀、崩 解，膜表面核糖体数量减少，光面内质网呈空泡状。
一般肿瘤细胞高表达Fasl，借以凋亡淋巴细胞，
而又低表达Fas，而降低凋亡，形成肿瘤细胞
有逃逸免疫及凋亡耐受的特性。
2．细胞凋亡与系统性红斑狼疮 由于Fas表达缺陷，引起自身反应性T细胞的凋亡 功能丧失，导致T淋巴细胞凋亡障碍
（二）细胞凋亡过度导致的疾病
1．细胞凋亡与神经退行性疾病 中枢神经系统神经细胞的丧失是各种神经退行性 疾病的病理特点
高尔基复合体的变化
囊泡种胀，伴有扁平囊的断裂崩解，分泌功能降低。
溶酶体的变化
溶酶体功能降低，细胞内残余体积累。
4.线粒体的变化是细胞衰老的重要指标
数量减少，体积的增大，氧化产能功能下降。
5.细胞骨架的改变
G-肌动蛋白含量下降，微丝数量减少 ，与微丝相关 的信号传递功能下降。
6.核结构的改变
核膜内折、崩解、染色质固缩化。
1.死亡受体介导的细胞凋亡信号通路 2.线粒体介导的细胞凋亡信号通路
Caspase-independent signaling pathways
四、细胞凋亡失常与疾病
（一）细胞凋亡过低导致的疾病
1．细胞凋亡与肿瘤 肿瘤细胞凋亡抑制基因和凋亡活化基因表达异常 如肿瘤细胞常有p53基因的突变或缺失、
7.蛋白质合成变化
蛋白质合成速率降低，特异蛋白、酶结构和数量
改变，是细胞衰老的重要标志：
8.成体干细胞的衰老
干细胞的自我更新、增殖和分化的能力下降。
五、细胞衰老的机制
（一）“错误成灾”学说
DNA损伤和修复功能下降，导致核酸、蛋白质、
酶等生物大分子合成错误，引起细胞代谢功能障
碍，导致细胞衰老死亡。
早老症(Hayflick-Guilford综合征)儿童
2.干细胞衰老相关疾病
老年性再生障碍性贫血、白血病、骨质疏松、 Ⅱ型糖尿病、动脉粥样硬化、血脂代谢障碍。
第二节
细胞死亡
细胞死亡是指细胞生命活动的结束，细胞死亡主要 有多种不同的形式： 1.坏死性死亡
2.细胞凋亡（apoptosis）
3.细胞自噬 4.细胞胀亡
三、细胞凋亡的分子机制
（一）线虫凋亡相关基因
线虫的细胞凋亡途径及相关基因
（二）人和哺乳动物细胞凋亡相关基因及其产物
1. Caspase家族 (ced-3的同源物 ) 是一类半胱氨酸蛋白水解酶，简称胱天蛋白酶
（caspase）共同特点: 是富含半胱氨酸，被激活后能特异地切割靶蛋白的天 冬氨酸残基后的肽键。
细胞凋亡过程中Caspase级联效应
2. Bcl-2蛋白家族 (是线虫ced-9的同源物 )
根据其功能可以分为两大类 :
①抑制凋亡的Bcl-2: Bcl-2、Bcl-xL、Bcl-w、Mcl-
1能阻止线粒体外膜的通透化，保护细胞免于凋亡 。
②促进细胞凋亡的Bcl-2: Bax、Bak，Noxa能够促进 线粒体外膜的通透化，促进细胞凋亡。
（四）遗传程序学说
生物体细胞内特定基因按照预定程序有序地开启和 关闭，控制着个体的生长发育、衰老死亡。
（五）细胞衰老相关基因
1．衰老基因 （1）MORF4基因：位于4号染色体上，基因发生突变 可导致细胞永生化 （2）p16和p21基因：基因产物是CDK抑制因子 （CKI），可通过抑制CDK的活性导致细胞周期停滞， 阻断细胞增殖，导致细胞衰老