细胞程序性死亡与细胞衰老
合集下载
植物细胞衰老和程序性死亡专家讲座
衰老是植物组织在其生命尽头发生一个相对迟缓细胞死亡，它包含衰老组 织中胞内成份有序地解体，以及在存活部位最大程度地回收和利用衰老组织中 营养成份。
超敏反应中观察到 PCD 是由病原体侵染引发人侵部位及其周围细胞死亡， 与衰老中 PCD 是完全不一样。因为超敏反应中局部细胞死亡能够阻止感染深 入扩散，所以其重点就是，在病原体势力稳固之前快速杀死它们赖以生存寄主 细胞，而不是最大程度营养再利用。
第33页
植物细胞衰老和程序性死亡专家讲座
第34页
病斑模拟突变体
有些植物发生突变，可在局部区域自发形成坏死组织，这 些坏死细胞与超敏反应中看到死细胞很相同，这些突变体 在没有病原体时也产生超敏反应类型病斑。
机理假说：1、显性突变造成代谢受阻，从而使细胞进入经 典PCD 2、突变大多数属于信号应答网络，它通惯用来抵挡病原体 入侵。
植物细胞衰老和程序性死亡专家讲座
第31页
植物细胞衰老和程序性死亡专家讲座
第32页
超敏反应中细胞死亡是自杀
已证实超敏反应相关细胞死亡可能是由宿主控制 而不是直接被病原体杀死。
所以可知：1、它是一个主动过程，需要宿主细胞 进行转录和翻译。2、该过程有信号分子介导，已 知信号分子包含短肽和寡聚糖。
植物细胞衰老和程序性死亡专家讲座
植物细胞衰老和程序性死亡专家讲座
第1页
1. 植物细胞死亡类型及PCD实例 2. 衰老概述 3. 衰老过程中代谢 4. 衰老调整及诱导 5. 小结
植物细胞衰老和程序性死亡专家讲座
第2页
1. 植物细胞死亡类型 及PCD实例
1.1动物细胞死亡有二种形式： 细胞调亡和坏死
植物细胞衰老和程序性死亡专家讲座
植物细胞衰老和程序性死亡专家讲座
超敏反应中观察到 PCD 是由病原体侵染引发人侵部位及其周围细胞死亡， 与衰老中 PCD 是完全不一样。因为超敏反应中局部细胞死亡能够阻止感染深 入扩散，所以其重点就是，在病原体势力稳固之前快速杀死它们赖以生存寄主 细胞，而不是最大程度营养再利用。
第33页
植物细胞衰老和程序性死亡专家讲座
第34页
病斑模拟突变体
有些植物发生突变，可在局部区域自发形成坏死组织，这 些坏死细胞与超敏反应中看到死细胞很相同，这些突变体 在没有病原体时也产生超敏反应类型病斑。
机理假说：1、显性突变造成代谢受阻，从而使细胞进入经 典PCD 2、突变大多数属于信号应答网络，它通惯用来抵挡病原体 入侵。
植物细胞衰老和程序性死亡专家讲座
第31页
植物细胞衰老和程序性死亡专家讲座
第32页
超敏反应中细胞死亡是自杀
已证实超敏反应相关细胞死亡可能是由宿主控制 而不是直接被病原体杀死。
所以可知：1、它是一个主动过程，需要宿主细胞 进行转录和翻译。2、该过程有信号分子介导，已 知信号分子包含短肽和寡聚糖。
植物细胞衰老和程序性死亡专家讲座
植物细胞衰老和程序性死亡专家讲座
第1页
1. 植物细胞死亡类型及PCD实例 2. 衰老概述 3. 衰老过程中代谢 4. 衰老调整及诱导 5. 小结
植物细胞衰老和程序性死亡专家讲座
第2页
1. 植物细胞死亡类型 及PCD实例
1.1动物细胞死亡有二种形式： 细胞调亡和坏死
植物细胞衰老和程序性死亡专家讲座
植物细胞衰老和程序性死亡专家讲座
细胞15.细胞衰老与细胞程序性死亡知识考点
细胞15.细胞衰老与细胞程序性死亡知识考点●cell senescence 细胞衰老●定义：除了生殖干细胞，绝大多数正常细胞在经历有限次数的分裂后会进入“衰老”状态，不在具有增殖能力，细胞的形态结构和代谢活动也发生显著改变●Hayflick limit, Hayflick界限定义：原代培养细胞在进入增殖停滞状态前的有限倍增次数●特征●形态结构：大而扁平，细胞质膜的流动性降低，细胞骨架结构改变，细胞黏附性增强，细胞内溶酶体体积增大，内部含有大量未分解的脂质成分●分子特征●细胞不可逆地停止分裂，即使添加生长因子也无济于事●若干细胞周期的负调节因子表达上调或活性增强●衰老相关的β-半乳糖苷酶活化衰老细胞中pH 6.0条件下即表现出活性将细胞固定后，用pH 6.0的β-半乳糖苷酶底物溶液进行染色，能明显区分年轻和年老的培养细胞●衰老细胞端粒长度明显减少●出现衰老相关异染色质集中现象●产生一系列衰老特征性分泌物●分子机制●replicative senescence, RS 复制衰老●end replication problem 末端复制问题DNA聚合酶不能从头合成子链，复制母链3’端时，子链5’端与之配对的RNA引物被切除后会产生末端缺失，导致子链5’末端随着细胞分裂次数的增加而逐渐缩短●端粒的缩短●telomerase 端粒酶定义：以自身含有的RNA为模板，反转录出端粒DNA，从而避免端粒的缩短●p53信号通路引发细胞衰老●端粒的缩短导致细胞内DNA修复体系p53的活化，p53继而诱导p21的表达，p21使得CDK失去活性，从而阻止Rb蛋白的磷酸化，Rb不能与E2F分离，E2F处于持续失活状态，不能正常起始G_1/S检查点若干关键因子的转录，细胞周期停滞导致细胞衰老●另一条通路中，氧化损伤等因素可以通过诱导p16的表达导致细胞衰老●stress-induced premature senescence, SIPS 胁迫诱导的早熟性衰老定义：一些刺激因素（超量的过氧化物、原癌基因的非正常活化、非端粒的DNA损伤）能够缩短细胞的复制寿命，使细胞提前进入衰老状态●细胞衰老与个体衰老的关系●个体衰老在分子及细胞水平的标志●基因和蛋白质水平●基因组DNA损伤明显积累●染色体端粒长度明显缩短●表观遗传修饰（DNA及组蛋白某些位点甲基化或乙酰化修饰发生改变、染色质高级结构变化）引起基因表达异常●协助蛋白质折叠的体系以及降解非正常折叠蛋白质的体系发生障碍●细胞水平●失去增殖能力和功能减退的细胞累积●细胞组织器官生存微环境恶化●干细胞减弱甚至丧失组织更新能力●细胞通信的失调●线粒体功能障碍●细胞衰老与个体衰老的间接关联●组织干细胞衰老导致细胞再生受阻，器官机能下降，进而影响全身各系统之间的协调配合为什么组织干细胞会衰老？除了生殖干细胞外，多数单能和多能干细胞如表皮、骨髓和神经干细胞具有一定活性的端粒酶，但活性不足以完全弥补细胞复制过程中端粒的缩短，它们的增殖能力随着个体生命进程而下降。
细胞生物学(第五版)-第15章细胞死亡与细胞衰老
最重要的特征是凋亡过程中细胞膜保 持完整；另一个重要特征是染色质DNA 在核小体间发生断裂，形成长度为 200bp倍数的大小不等DNA片段
细胞凋亡的过程及特征
在分子水平上，细胞凋亡的途径包括4个小阶段： ① 接收凋亡信号 ② 凋亡相关分子的活化 ③ 凋亡的执行 ④ 凋亡细胞的清除 蛋白酶caspase (cysteine aspartic acid specific proteases) 家族成 员在细胞凋亡中发挥了重要作用，大部分凋亡过程依赖于 caspase的活性，称为caspase依赖性凋亡。
细胞凋亡的生理学意义
1. 保证正常的胚胎发育进程，塑造个体及器官形态，形成免疫耐受 动物个体发育的组织形成时期，往往会制造数量过多的细胞，然后再根据需 求选择，多余的细胞通过凋亡去除。如脊椎动物的神经系统的发育过程中， 神经细胞数量较靶细胞多，靶细胞通过分泌存活因子来调节神经细胞的数量。 不能获得足够存活因子的神经细胞发生凋亡，使剩下的神经细胞与靶细胞的 数量相当。
凋亡细胞的典型特征DNA梯状条带
被caspase失活的代表分子是聚腺苷酸二磷酸核糖转移酶 （PARP)。PARP能够识别损伤的DNA，在凋亡过程中PARP被 ca敏感。
效应caspase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
胁迫的早熟性衰老
除了细胞内端粒缩短可以诱发复制衰老 以外，许多刺激性因素，如超量的过氧 化物，原癌基因的非正常活化，非端粒 的DNA损伤均能够缩短细胞的复制寿命， 促进细胞衰老。这种类型的衰老成为胁 迫诱导的早熟性衰老（SIPS）。
这一衰老的发生，可能通过活化另一种 细胞周期抑制蛋白P16信号途径，引发细 胞周期停滞。
• 出现衰老相关异染色质集中现象，用DNA荧光染料对细胞核染色，年轻细 胞的细胞核荧光分布均匀，衰老细胞细胞核荧光出现点状聚集，一些细胞 周期正向调控蛋白的编码基因被多种蛋白包裹，处于转录失活状态。
细胞凋亡的过程及特征
在分子水平上，细胞凋亡的途径包括4个小阶段： ① 接收凋亡信号 ② 凋亡相关分子的活化 ③ 凋亡的执行 ④ 凋亡细胞的清除 蛋白酶caspase (cysteine aspartic acid specific proteases) 家族成 员在细胞凋亡中发挥了重要作用，大部分凋亡过程依赖于 caspase的活性，称为caspase依赖性凋亡。
细胞凋亡的生理学意义
1. 保证正常的胚胎发育进程，塑造个体及器官形态，形成免疫耐受 动物个体发育的组织形成时期，往往会制造数量过多的细胞，然后再根据需 求选择，多余的细胞通过凋亡去除。如脊椎动物的神经系统的发育过程中， 神经细胞数量较靶细胞多，靶细胞通过分泌存活因子来调节神经细胞的数量。 不能获得足够存活因子的神经细胞发生凋亡，使剩下的神经细胞与靶细胞的 数量相当。
凋亡细胞的典型特征DNA梯状条带
被caspase失活的代表分子是聚腺苷酸二磷酸核糖转移酶 （PARP)。PARP能够识别损伤的DNA，在凋亡过程中PARP被 ca敏感。
效应caspase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
胁迫的早熟性衰老
除了细胞内端粒缩短可以诱发复制衰老 以外，许多刺激性因素，如超量的过氧 化物，原癌基因的非正常活化，非端粒 的DNA损伤均能够缩短细胞的复制寿命， 促进细胞衰老。这种类型的衰老成为胁 迫诱导的早熟性衰老（SIPS）。
这一衰老的发生，可能通过活化另一种 细胞周期抑制蛋白P16信号途径，引发细 胞周期停滞。
• 出现衰老相关异染色质集中现象，用DNA荧光染料对细胞核染色，年轻细 胞的细胞核荧光分布均匀，衰老细胞细胞核荧光出现点状聚集，一些细胞 周期正向调控蛋白的编码基因被多种蛋白包裹，处于转录失活状态。
16 第十六章 程序性细胞死亡与细胞衰老
32
凋亡复合体
② 内源途径
Apaf-1 Apaf-1被称为凋亡酶激活因子-1，与线虫的ced-4同源 Apaf-1含有3个不同的结构域 ①CARD（caspase recruitment domain） 结构域，能召集caspase-9； ②ced-4 同源结构域，能结合ATP/dATP； ③C端结构域，含有色氨酸/天冬氨酸重 复序列，当细胞色素c的结合到这一区域 后，能引起Apaf-1多聚化而激活。 Apaf-1具有激活Caspase-3的作用，但需要细胞色素c（Apaf-2）和caspase-9 （Apaf-3）参与。Apaf-1/细胞色素c复合体与ATP/dATP结合后，Apaf-1就可以通过 其CARD结构域召集caspase-9，形成凋亡体（apoptosome）
25
Caspase 的激活及其级联效应
Nat Rev Mol Cell Biol, 2010, 11(9): 621-632
26
Caspase 的激活及其级联效应
27
（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：
37
Find-me and eat-me signal
磷脂酰丝氨酸
J. Exp. Med., 2010, 207(9): 1807-1817
38
4. 穿孔蛋白－颗粒酶介导的细胞凋亡
死亡配体FAS 细胞毒性T 淋巴细胞 穿孔蛋白：在质膜上形成孔道 胞外：切割细胞连接 颗粒酶 Caspase依赖性 颗粒酶B 切割凋亡抑制因子Mcl-1 胞内 切割核纤层蛋白，组蛋白 Caspase非依赖性 颗粒酶A ……….
凋亡复合体
② 内源途径
Apaf-1 Apaf-1被称为凋亡酶激活因子-1，与线虫的ced-4同源 Apaf-1含有3个不同的结构域 ①CARD（caspase recruitment domain） 结构域，能召集caspase-9； ②ced-4 同源结构域，能结合ATP/dATP； ③C端结构域，含有色氨酸/天冬氨酸重 复序列，当细胞色素c的结合到这一区域 后，能引起Apaf-1多聚化而激活。 Apaf-1具有激活Caspase-3的作用，但需要细胞色素c（Apaf-2）和caspase-9 （Apaf-3）参与。Apaf-1/细胞色素c复合体与ATP/dATP结合后，Apaf-1就可以通过 其CARD结构域召集caspase-9，形成凋亡体（apoptosome）
25
Caspase 的激活及其级联效应
Nat Rev Mol Cell Biol, 2010, 11(9): 621-632
26
Caspase 的激活及其级联效应
27
（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：
37
Find-me and eat-me signal
磷脂酰丝氨酸
J. Exp. Med., 2010, 207(9): 1807-1817
38
4. 穿孔蛋白－颗粒酶介导的细胞凋亡
死亡配体FAS 细胞毒性T 淋巴细胞 穿孔蛋白：在质膜上形成孔道 胞外：切割细胞连接 颗粒酶 Caspase依赖性 颗粒酶B 切割凋亡抑制因子Mcl-1 胞内 切割核纤层蛋白，组蛋白 Caspase非依赖性 颗粒酶A ……….
细胞生物学 第十五章细胞衰老与细胞程序性死亡-1
一、细胞衰老的概念
• 细胞是否具有无限增殖能 力的问题经历了曲折的认 识过程：细胞分裂能力有 限→体外培养细胞永生不 死→正常细胞只能进行有 限次数的分裂。
• Hayflick界限（Hayflick limit）：细胞的增殖能力 是有限的，有一定的界限。
§1 细胞衰老
二、细胞复制衰老的特征 • 形态特征：衰老细胞变得大而扁平• 个体衰老（aging）：指随 着年龄的增加，机体功能 呈现退行性变化的现象。
• 个体衰老伴随着：生殖能 力的下降，死亡率的上升， 以及对一系列疾病（如癌 症、糖尿病、心血管疾病、 神经退行性疾病等）易感 性的增加。
四、细胞衰老与个体衰老
• 个体衰老的机制：非常复杂， 涉及分子、细胞、组织、器 官各个层面。
胞进行选择性地消除。结果既形成了识别外来抗 原的免疫活性细胞，又产生了对自身抗原的免疫 耐受。 s T淋巴细胞凋亡的异常会导致自身免疫性疾病。
一、多种形式的细胞死亡及其生物学意义
（2）维持生物体的自稳态 • 在生物的生长发育过程中，通过细胞增殖增加
细胞数量，而通过细胞凋亡减少细胞数量，从 而维持机体组织中适宜的细胞数量，维持一个 动态平衡阶段。 （3）生理保护，肿瘤监控 • 通过细胞凋亡来清除机体内受损或危险的细胞， 遏制细胞的癌变。
• 因此，随着细胞的每次分裂， 端粒不断缩短；当端粒长度 缩短达到一定阈值时，细胞 就进入衰老。——端粒缩短 学说。
三、细胞复制衰老的机制
• 端粒缩短引发细胞复制衰老 的机制：
s 缩短的端粒被识别为DNA损 伤，p53被激活，继而诱导细 胞周期抑制蛋白p21的表达。
s p21抑制CDK的活化，使得 Rb不能被磷酸化从而不能与 转录因子E2F分离，E2F处于 持续失活状态，不能进行 G1→S期许多关键因子的转 录，细胞不能从G1期进入S 期，细胞分裂停滞，最终引 发细胞衰老。
程序性细胞死亡和细胞衰老
●Hayflick界线(Hayflick Limitation）
●细胞在体内条件下旳衰老
●衰老细胞构造旳变化
●细胞衰老旳分子机理
一、Hayflick界线(Hayflick Limitation)
●概念：有关细胞增殖能力和寿命是有限旳观点。 细胞，至少是培养旳二倍体细胞，不是不死旳，而是有一定旳
寿命；它们旳增殖能力不是无限旳，而是有一定旳界线，这就 是 Hayflick界线
细胞凋亡旳主要特征是形成大小为 180～200bp特征性旳DNA ladders
细胞凋亡旳检测
◆TUNEL测定法（DNA断裂旳原位末端标识法，末端 脱氧核苷酸酶移换酶介导旳dUTP缺口末端标识测定法） ◆彗星电泳法（comet assay）：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旳电 泳，并用荧光染料染色。 ◆流式细胞分析:凋亡细胞DNA发生断裂和丢失，呈亚 二倍体状态。
大分子合成 氧化磷酸化
ATP
细胞存活 DNA修复
细胞自噬 细胞自噬主要发生在个体遭遇营养危机旳时候和胚胎发育期间 单细胞和单细胞生物均可发生自噬 酵母磷脂酰基醇激酶（PI3K）信号途径
细胞外
PI3K
营养物质
凋亡 AKT 代谢底物
自噬 Tor
翻译 ATP
凋亡 自噬
PI3K AKT Tor
ATP
酵母细胞旳自噬信号途径
Caspase家族
Caspase本身以非活化旳Procaspase存在。一般旳蛋白酶活化时， 只是将N端旳肽段切除，而caspase旳活化则需要在两个亚基旳连接 区旳天冬氨酸位点进行切割，成果产生了由两个亚基构成旳异二聚 体而活化。
凋亡过程：激活期和执行期 激活期 (起始Caspase活化) :同性活化,酶元分子汇集成复合物到 达一定浓度时，彼此切割或者构象变化产生有活性旳二聚体形式。 执行期(执行Caspase活化)： 属异性活化，起始Caspase招募执 行Caspase酶原分子后，对其进行切割，产生具有活性旳执行 Caspase切割细胞内主要旳构造和功能蛋白，造成细胞凋亡。
●细胞在体内条件下旳衰老
●衰老细胞构造旳变化
●细胞衰老旳分子机理
一、Hayflick界线(Hayflick Limitation)
●概念：有关细胞增殖能力和寿命是有限旳观点。 细胞，至少是培养旳二倍体细胞，不是不死旳，而是有一定旳
寿命；它们旳增殖能力不是无限旳，而是有一定旳界线，这就 是 Hayflick界线
细胞凋亡旳主要特征是形成大小为 180～200bp特征性旳DNA ladders
细胞凋亡旳检测
◆TUNEL测定法（DNA断裂旳原位末端标识法，末端 脱氧核苷酸酶移换酶介导旳dUTP缺口末端标识测定法） ◆彗星电泳法（comet assay）：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旳电 泳，并用荧光染料染色。 ◆流式细胞分析:凋亡细胞DNA发生断裂和丢失，呈亚 二倍体状态。
大分子合成 氧化磷酸化
ATP
细胞存活 DNA修复
细胞自噬 细胞自噬主要发生在个体遭遇营养危机旳时候和胚胎发育期间 单细胞和单细胞生物均可发生自噬 酵母磷脂酰基醇激酶（PI3K）信号途径
细胞外
PI3K
营养物质
凋亡 AKT 代谢底物
自噬 Tor
翻译 ATP
凋亡 自噬
PI3K AKT Tor
ATP
酵母细胞旳自噬信号途径
Caspase家族
Caspase本身以非活化旳Procaspase存在。一般旳蛋白酶活化时， 只是将N端旳肽段切除，而caspase旳活化则需要在两个亚基旳连接 区旳天冬氨酸位点进行切割，成果产生了由两个亚基构成旳异二聚 体而活化。
凋亡过程：激活期和执行期 激活期 (起始Caspase活化) :同性活化,酶元分子汇集成复合物到 达一定浓度时，彼此切割或者构象变化产生有活性旳二聚体形式。 执行期(执行Caspase活化)： 属异性活化，起始Caspase招募执 行Caspase酶原分子后，对其进行切割，产生具有活性旳执行 Caspase切割细胞内主要旳构造和功能蛋白，造成细胞凋亡。
细胞生物学_15程序性细胞死亡与细胞衰老
增大、染色深、核内有包含物 凝聚、固缩、碎裂、溶解 粘度增加、流动性降低 色素积聚、空泡形成 数目减少、体积增大 碎裂 消失 糖原减少、脂肪积聚 内陷
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。
㈡分子水平的变化
⒈DNA：复制与转录受到抑制，但也有个别基因会异常 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。 ⒉RNA：mRNA和tRNA含量降低。 ⒊蛋白质：含成下降，细胞内蛋白质发生糖基化、氨甲 酰化、脱氨基等修饰反应，导致蛋白质稳定性、抗原性， 可消化性下降，自由基使蛋白质肽断裂，交联而变性。氨 基酸由左旋变为右旋。 ⒋酶分子：活性中心被氧化，金属离子Ca2+、Zn2+、Mg2+、 Fe2+等丢失，酶分子的二级结构，溶解度，等电点发生改 变，总的效应是酶失活。 ⒌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。
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。
二、体外培养细胞的衰老与Hayflick界限
Hayflick等人的研究证实：关于细胞增殖能力和寿 命是有限的观点。细胞，至少是培养的细胞，不是不死的， 而是有一定的寿命；细胞的增殖能力不是无限的，而是有 一定的界限，这就是著名的Hayflick界限。 他们的工作是对细胞“不死性”学说的彻底否定。研 究发现，物种寿命与培养细胞之间存在着正相关的关系， 即寿命愈长，其培养细胞的传代次数愈多。反之，其培养 细胞的传代次数愈少。
第二节
细胞衰老
一、细胞衰老的概念及特征
细胞程序性死亡与细胞衰老课件
细胞程序性死亡与细胞衰老课件
4
Morphologi changes:
Early : Chromosome condensation, cell body shrink Later : Blebbing and Nucleus and cytoplasm fragment—
Apoptotic bodies At last: Phagocytosed
2、apoptotic executioners: caspase-3, caspase-6 ，caspase-7 and 14 (morphology
change)
3、inflammatory
mediateors:
细胞程序性死亡与细胞衰老课件
caspase-1, and caspase-11
19
Procaspases are activated by binding to adaptor proteins
细胞程序性死亡与细胞衰老课件
16
Caspase依赖性的细胞凋亡
Apoptosis is carried out by a proteolytic system — caspase
(1) Why called caspase?
Active site: Cysteine Cleavage site: Asparatic acid
细胞程序性死亡与细胞衰老课件
11
2002年诺贝尔生理与医学奖获得者
Sydney Brenner H. Robert Horvitz John E. Sulston
◆2002年的诺贝尔生理学和医学奖授予了在器官发育和程序性细 胞死亡研究领域中做出奠基性贡献的3位科学家: ●英国的 Sydney Brenner、美国的 H. Robert Horvitz、英国的 John E. Sulston ●他们创造性地用线虫作为实验模型,实现了对器官发育过程中细 胞分裂、分化的原位观察,完成了细胞图谱的绘制, ●在此基础上发现并研究了细调胞程序控性死器亡与细官胞衰发老课育件 程序性细胞死亡的关键12 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。
程序性细胞死亡和细胞衰老
BclBcl-2家族部分成员
基因产物 Bcl-2 Bcl-x Bcl-w MCL-1 Ced9 Bax Bak Bad Bid 功能 凋亡抑制因子，可和Bax及Bak结合 L型抑制凋亡，S型促进凋亡，与Bax及Bak结合 凋亡抑制因子 凋亡抑制因子 线虫中凋亡抑制因子 凋亡促进因子，可与Bcl-2和Bcl-xL结合 凋亡促进因子，可与Bcl-2和Bcl-x结合 凋亡促进因子，与Bcl-2和Bcl-xL结合 凋亡促进因子
程序性细胞死亡与 细胞衰老
凋亡的起始：细胞表面的特化 结构如微绒毛消失，细胞间接 触消失，但细胞膜依然完整， 未失去选择通透性；线粒体大 体完整，但核糖体逐渐与内质 网脱离，内质网囊腔膨胀，并 逐渐与质膜融合；细胞核内染 色质固缩，形成新月形帽状结 构，沿着核膜分布。 凋亡小体的形成：核染色质断 裂为大小不等的片段，与某些 细胞器如线粒体聚集在一起， 被反折的细胞质膜所包围形成 凋亡小体，细胞表面产生了许 多泡状或芽状突起。 凋亡小体逐渐被邻近的细胞或 体内吞噬细胞所吞噬，凋亡细 胞的残余物质被消化消化后重 新利用。
细胞凋亡研究的模式动物：线虫
早在２０世纪６０年代初期，科学家就开始探索 “程序性死亡”的奥秘。要揭开这一奥秘，需要选择一 个合适的研究对象，像细菌这样的单细胞生物太简单， 而像哺乳动物这样由大量细胞组成的生物又太复杂，科 学家最终选择了线虫。 线虫身长只有1毫米，有959个 细胞，基因相对不多（只有1000多个），构造简单，生 命周期也短暂，而最关键的是它身体透明，便于用显微 镜观察，最适合作为实验室研究对象。
长期以来细胞坏死被认为是一种被动的死亡方 式，当细胞受到意外损伤，如极端的物理、化 学因素或严重的病理性刺激的情况下细胞坏死 才会发生。此时细胞内ATP浓度已下降到无法 维持细胞存活的水平。 在细胞坏死时，细胞质出现空泡，细胞质膜破 损，细胞内容物，包括膨大和破碎的细胞器以 及染色质片段释放到胞外，引起周围组织的炎 症反应。 细胞坏死过程中染色质不发生凝集，也不产生 有规律的200bp的DNA降解片段，而是被随机 降解，琼脂糖凝胶电泳时呈现弥散性分布。
解释细胞衰老的两个学说
解释细胞衰老的两个学说细胞衰老是人类衰老的基础，它描述的是细胞存活的最大期限，当细胞到达它的衰老期限时，它就不再正常运作。
解释细胞衰老的两个主要学说是动力学学说和程序性死亡学说。
动力学学说提出的观点是，随着时间的推移，细胞的内在机能会被反复使用，从而导致机能逐渐下降，而最终会达到衰老的状态。
程序性死亡学说认为，细胞是有生命期限的，即细胞会在一定的生命周期内衰老和死亡，这是一种由基因控制的内在过程。
程序性死亡学说认为，细胞会自觉的“意识到”它的生命期限已经超出，从而触发它的衰老和死亡过程。
《动力学学说》首先由西德库兹涅佐夫（S.A.Kuznetzov）提出，它认为，随着时间的推移，细胞会因为不断地被使用而衰老，这种衰老有可能是慢性的累积性过程，也有可能是激烈的瞬间变化。
通过将不断衰变的基因、蛋白质和代谢产物放在一个衰变过程的模型中，他发现了细胞衰老过程的动力学学说。
另一种解释细胞衰老的学说是程序性死亡学说，这是由威廉姆斯（Williams）和其他研究人员提出的，他们认为，细胞会在一定的生命周期内衰老和死亡，而这种衰老是由基因控制的内在过程。
细胞死亡在他们看来是一种“自愿”的过程，细胞会根据其内在的时间表，在一定生命周期内衰老并最终死去。
威廉姆斯等人发现，当细胞衰老的过程开始时，会出现一种称为caspase的“自噬”酶，它负责细胞 self-digestion，最终导致细胞的死亡。
caspase的出现可以表明细胞的衰老时间已经过完，有效地触发了细胞的死亡过程。
表观遗传学也为解释细胞衰老提供了解释。
表观遗传学研究发现，细胞内基因组可以经历“双螺旋型结构变化”，这是一种重要的基因组活动，是基因表达的一种重要调节机制，也是细胞衰老的一个重要因素。
人们发现，老化的细胞和正常的细胞在基因组结构上存在显著的差异，基因表达也发生了显著的变化，从而导致细胞衰老。
细胞衰老是一种复杂的过程，对于解释细胞衰老，动力学学说、程序性死亡学说和表观遗传学都发挥了重要作用。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
adult only in 3.5days.
15
线虫体细胞凋亡研究：PCD相关基因15个，分为四组：
1、与PCD有关的基因，负责PCD控制：ced-3、ced-4和ced-9。 2、与PCD过程吞噬作用有关：ced-1、ced-2、ced-5-8 和 ced-10。 3、核酸酶基因（nuc-1）, 控制DNA降解，但非PCD所必须。 4、影响特异细胞类型PCD的基因：ces-1、ces-2、cgl-1、和
cells to apoptosis.
CED3 gene play a crucial role in the process of apoptosis.
h
C elegans: a millimeter long,
transparent body only a few cell
types, from zygote to mature
h
12
2002年诺贝尔生理与医学奖获得者
Sydney Brenner H. Robert Horvitz John E. Sulston
◆2002年的诺贝尔生理学和医学奖授予了在器官发育和程序性细 胞死亡研究领域中做出奠基性贡献的3位科学家: ●英国的 Sydney Brenner、美国的 H. Robert Horvitz、英国的 John E. Sulston ●他们创造性地用线虫作为实验模型,实现了对器官发育过程中细 胞分裂、分化的原位观察,完成了细胞图谱的绘制, ●在此基础上发现并研究了调控器h 官发育程序性细胞死亡的关键13 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。
h
3
一.动物细胞的程序性死亡
三种方式: 凋亡 坏死 自噬
(一)细胞凋亡 •概念:受基因控制的主动的结束生命的过程,是一自然的生理过程. •形态学特征: 凋亡的起始:特化结构消失（微绒毛），细胞间接触消失，但质膜 依然完整，有选择透性，线粒体大而完整，核糖体与内质网脱落， 内质网腔膨大，并逐渐与质膜融合，染色质固缩化，形成新月形帽 状结构，沿核膜分布
•细胞凋亡的检测方法 形态学观测：台盼蓝、DAPI、Giemsa，DNA电泳， TUNEL测定法，彗星电泳法，流式细胞分析
180~200bp DNA ladder
Apoptosis induced
2.0kbp
by Cyto C
பைடு நூலகம்1.0
Lane 1．0 h 2．1 h
0.5
3．2 h
4．3 h
0.2
5．4 h
h
10
h
11
1090 –131= 959(cells)
PRIZED Horvitz, and Sulston share Physiology or Medicine Nobel （2002）
“for their discoveries concerning genetic regulation of organ development and programmed cell death”
her-1. 保守性高，在哺乳动物中有相应同源物：
Ced-3=ICE, Ced-4=Apaf-1, Ced-9=Bcl-2.
h
16
诱导细胞凋亡的因子: 物理因子:射线、较温和的温度刺激 化学及生物因子：活性氧基团和分子、钙离子载体、
维生素K、视黄酸、细胞毒素、DNA和蛋白质合成的 抑制剂、正常生长因子的失调及凋亡因子的处理。
第十三章 程序性细胞死亡与细胞衰老
h
1
第一节 程序性细胞死亡
一个主动的有基因决定的自动结束生命的过程。由于受到 严格的由遗传机制决定的程序性调控，所以常常被称为细 胞程序性死亡（programmed cell death,PCD）
h
2
衰老
机体结构
细胞增殖
细胞分化
细胞凋亡
细胞信号转导
染色体
（DNA与蛋白质的相互作用）
h
4
凋亡小体的形成：染色质断裂成大小不等的片段，与某些 细胞器（线粒体）聚集在一起，被反折的质膜包围，形成 凋亡小体，从外观上看，细胞表面发泡，产生了许多泡状 或芽状突起，随后逐渐分离，形成凋亡小体。 凋亡小体被临近的细胞或体内吞噬细胞所吞噬,残余物质被 消化后重新利用。 整个过程最大的特点是质膜始终保持完整，内含物不发生细 胞外泄露，不引发机体的炎症反应。
h
5
Morphologi changes:
Early : Chromosome condensation, cell body shrink Later : Blebbing and Nucleus and cytoplasm fragment—
Apoptotic bodies At last: Phagocytosed
h
6
染色质集聚 细胞器肿胀 线粒体变为 絮状
破裂
内含物释放 炎症
h
染色质聚集分块 胞质凝缩
核破碎 形成凋亡小体
被吞噬消化 终有膜封闭 不引起炎症
7
A、Normal cell
B、Apoptosis: Apoptotic bodies
h
8
Apoptosis
Necrosis
Death by apoptosis is a nehat, orderly process
6．Control
7．Marker
h
14
•细胞凋亡的分子机制 Early researches (MIT: Robert Horrid , 1986)
C. elegans:1090 cells, 131 cells death.
The Finding of CED3 mutant
Without losing any of their
9
•意义：细胞凋亡对于多细胞生物的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
1）清除有机体不再需要的细胞，而不引起炎症反应。 2）细胞的自然更新，清除被病原体感染的细胞 3）免疫细胞对靶细胞的攻击并引起死亡，也是基于细胞 凋亡
4）细胞凋忘失调会导致疾病
h
17
Caspase依赖性的细胞凋亡
Apoptosis is carried out by a proteolytic system — caspase
(1) Why called caspase?
Active site: Cysteine Cleavage site: Asparatic acid