细胞衰老、细胞凋亡与细胞自噬

细胞死亡——凋亡的分子机制
caspase切割的靶蛋白 蛋白激酶 核纤层蛋白 细胞结构蛋白 与DNA修复相关的酶类 caspase激活的DNase抑制蛋白。
细胞死亡——凋亡的分子机制
凋亡蛋白酶激活的DNA酶抑制物(ICAD)
CAD
DNA
Caspase
ICAD
CAD: Caspase Activated DNase 由Caspase激活的核酸酶(具有内切酶活性)
PCD和细胞凋亡的区别在以下方面： PCD是功能性概念，凋亡是形态学概念。 PCD的最终结果是细胞凋亡，但细胞凋亡并非都是程序化的。 PCD存在于胚胎发育过程中。
细胞死亡——凋亡的形态变化
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。
细胞自噬——发展历程
大隅良典教授在1992年发现，在缺乏营养的情况下，酵母细胞出现 了大量的自噬现象。在1993年找到了一批和自噬有关的酵母突变体，鉴 定了15个和自噬有关的基因。
2016年，因“在细胞自噬机制方面的发 现”而获得诺贝尔生理学或医学奖
细胞自噬——概念
➢ 细胞自噬（autophagy）一词来自 希腊单词auto-，意思是“自己的”， 以及phagein，意思是“吃”。 ➢ 细胞自噬是细胞在自噬相关基因 (autophagyrelated gene，Atg)的 调控下利用溶酶体降解自身受损的细 胞器和大分子物质的过程。
细胞死亡——凋亡的分子机制
细胞死亡——凋亡的分子机制
细胞死亡——凋亡的分子机制
细胞死亡——焦亡
细胞焦亡是一种依赖于半胱天冬酶-1(caspase-1) 的新的程序性细 胞死亡方式, 参与感染性疾病、神经系统相关疾病和动脉粥样硬化性疾 病等的发生发展。
细胞死亡——焦亡
细胞死亡——焦亡
细胞自噬——发展历程
细胞自噬的发生机制——阶段
启动
扩展
Байду номын сангаас
成熟
细胞自噬的发生机制——信号通路
mTOR是细胞自噬的核心
细胞自噬的发生机制——信号通路
mTORC1调节ULK复合体活性的机制图
细胞自噬的发生机制——信号通路
PI3K/AKT/mTOR信号转导通路在自噬调节中的作用
细胞自噬的发生机制——信号通路
LKB1/AMPK/mTOR信号转导通路在自噬调节中的作用
细胞死亡——凋亡的生化变化
胞浆内Ca2+浓度升高。 细胞内活性氧增多。 质膜通透性变大。 DNA内切酶活性被激活升高，双链 DNA在核小体之间切断形成180～ 200bp为基数的有序片段。 Ⅱ型谷氨酰胺转移酶和需钙蛋白酶 （Calpain）活性升高。
典型凋亡细胞DNA 琼脂糖凝胶电泳 呈现梯状条带
细胞死亡——凋亡的意义
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，因在细胞程序性死亡方面的研究获诺贝尔诺贝 尔生理与医学奖。
Sydney renner H. Robert Horvitz John E. Sulston
细胞死亡——凋亡的诱导因素
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。
细胞衰老——信号通路
细胞衰老——衰老的假说——差错学派
错误成灾学说 自由基学说：导致DNA、蛋白质变异，正常细胞内存
在清除自由基的防御系统：酶系统：超氧化物歧化酶 (SOD)，过氧化氢酶(CAT)，谷胱甘肽过氧化物酶(GSH -PX)；非酶系统：维生素E，醌类等电子受体。 大分子交联学说
细胞衰老——衰老的假说——遗传论学派
细胞有限分裂学说
Hutchinson-Gilford syndrome
重复基因失活学说
衰老基因学说
衰老基因 载脂蛋白Eε4基因、β淀粉样蛋白基因、 P16、p53、p21、RB基因 抗衰老基因
Werner's syndrome
WRN 、 bcl-2
细胞死亡——概念
细胞自噬——分类——巨自噬
自噬前体膜的来源
细胞自噬——分类——微自噬
微自噬指溶酶体或者液泡内膜直接内陷包裹底物并降解的过程。根 据形态学变化等将其分为 4 个步骤：1）受饥饿等刺激时, 溶酶体膜或 液泡膜局部凹陷；2）吞噬细胞质、微体或部分细胞核；3）形成自噬体； 4）自噬体脱离溶酶体或液泡膜；进入溶酶体或液泡腔；由溶酶体酶降解， 降解物质被细胞再利用。
细胞衰老与细胞凋亡
生物医学研究实验中心
细胞衰老
细胞衰老——概念
衰老(aging)：生物体的形态、结构和生理功能逐渐衰退的总现象。
成
神经元、肾髓质、肌细胞
年
接近或等于自
脂肪、胃酶原细胞
小
身寿命的细胞
骨、肾上腺髓质细胞
鼠 各 类 细
缓慢更新的细 胞(长于30天)
呼吸道上皮、肾上腺皮质细胞 肾皮质、皮肤结缔组织、肝细胞 胰脏腺泡及胰岛、唾液腺细胞
细胞自噬——3种自噬类型的异同
细胞自噬——诱导因素
外界因素 营养缺乏 激素
内在因素 细胞器损伤 ➢ 内质网自噬 ➢ 线粒体自噬 ➢ 过氧化物酶体自噬 ➢ 核糖体自噬 异常成分集聚 病原体
细胞自噬——过程
细胞自噬的发生机制——相关基因
细胞自噬的发生机制——阶段
细胞自噬的形成（以最经典的大自噬为例）包括自噬前体的发生、 自噬体的形成、自噬体被运送至溶酶体形成自噬溶酶体、以及在自噬溶 酶体中物质降解并被最终再循环利用四个阶段。其中，自噬体的形成可 以分为三个阶段：起始（initiation）、核化（nucleation）、延伸 （expansion）。起始阶段是指自噬体生成信号传送至分隔膜产生部位， 并募集自噬体生成的关键起始复合体。核化是指分隔膜形成，而延伸是 指自噬体形成与闭合的过程。
细胞死亡——凋亡的形态变化
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。 凋亡小体的消化：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。
微自噬主要有三种形式： 细胞质微自噬 微体微自噬 细胞核微自噬
细胞自噬——分类——微自噬
微自噬过程示意图： A.细胞质微自噬 B.微体微自噬 C.细胞核微自噬
细胞自噬——分类——分子伴侣介导的自噬（CMA）
分子伴侣（molecular chaperones）是细胞质中的一类蛋白质，能 够识别并结合到不完整折叠或装配的蛋白质、并帮助该类多肽正确折叠、 转运或防止它们聚集，其本身不参与最终产物的形成。
细胞死亡——凋亡的分子机制
核纤层（lamina）蛋白
lamina
细胞核 染色体
细胞死亡——凋亡的分子机制
主要信号传导通路
细胞凋亡的三条主要途径
1、膜受体途径 2、线粒体途径
3 细 胞 核 途 径
p53
细胞死亡——凋亡的分子机制
细胞死亡——凋亡的分子机制
Bcl-2 gene family
细胞死亡——凋亡的分子机制
细胞自噬的发生机制——信号通路
诱导 自噬体成核
自噬体扩展和闭合
自噬体与溶酶体融合、分解
细胞死亡——凋亡的意义
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。 清除有机体不再需要的细胞，而不引起炎症反应。 细胞的自然更新，清除被病原体感染的细胞。 免疫细胞对靶细胞的攻击并引起死亡，也是基于细胞凋亡。 细胞凋亡失调会导致疾病。
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。
细胞凋亡发生的时间过程
细胞死亡——凋亡的分子机制
Caspase依赖性的细胞凋亡
天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶（ Caspase） cysteine-containing aspartate specific protease
裂崩解，溶酶体功能减退、酶漏出细胞自溶。 细胞中的线粒体变化：随年龄增大数目减少、体积增大。 细胞核的衰老变化：核固缩，常染色质减少，染色加深，核质比减小。
细胞衰老——分子变化
端粒长度 细胞体外增值能力 衰老相关β半乳糖苷酶活性 晚期糖基化终末产物 DNA损伤修复能力 DNA甲基化水平 线粒体DNA片段缺失
胞 的 寿
快速更新的细 胞(少于30天)
皮肤表皮、角膜上皮细胞 口腔和胃肠道上皮细胞
命
红细胞、白细胞
细胞衰老——概念
体外培养细胞寿命与机体寿命成正比。细胞的增值能力与供
体年龄有关。
动物
培养细胞传代
小鼠
12
鸡
25
龟 人（胚胎成纤维细胞） 人（新生儿成纤维细胞） 人（青年成纤维细胞） 人（成年成纤维细胞）
140 50～60 30～40 20～30 10～30
寿命（年）
3 30 200 100～
细胞衰老——形态结构变化
细胞内水分减少：失去正常形态，代谢速率减慢。 细胞内色素沉积：脂褐质小体随年龄增加而增多。 细胞膜的衰老变化：磷脂含量下降，膜变厚、流动性下降、物质转运
障碍。 内膜系统的变化：内质网逐渐减少，高而基体囊泡肿胀、扁平囊泡断
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；苏木精/伊红染色切片中，胞质呈均一的深伊红色。 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。
细胞死亡——凋亡
细胞程序性死亡（programmed cell death,PCD）是指一个主动 的有基因决定的自动结束生命的过程。
比利时科学家Christian de Duve在 1963 年溶酶体国际会议上首 先提出了“自噬”这种说法。
细胞自噬——发展历程
70、80年代， Aaron Ciechanover, Avram Hershko和 Irwin Rose 研究了细胞内的蛋白降解系统——蛋白酶体，于2004年获得诺贝尔化学 奖。
细胞死亡：生命现象不可逆的终止。 细胞死亡的形式：细胞坏死(necrosis)
细胞凋亡(apoptosis) 细胞焦亡（pyroptosis）
细胞死亡——坏死
细胞坏死(Necrosis)：细胞坏死是极端的物理、化学因素或严重的病 理性刺激引起的细胞损伤和死亡,是非正常死亡。坏死细胞的形态改变主要 是由酶性消化和蛋白变性病理过程引起。细胞自溶（autolysis）和异溶 （heterolysis）。
细胞自噬——分类
细胞自噬主要有三种形式： 微自噬（microautophagy) 巨自噬（macroautophagy） 介导自噬 (Chaperone-mediated autophagy，CMA）
细胞自噬——分类——巨自噬
在受到内、外刺激下，细胞通过自噬相关基因调节，组装形成双层 膜自噬前体（也称隔离膜）。自噬前体包裹细胞质、细胞器或细菌等形 成自噬体囊泡，进而与溶酶体靠近，自噬体外膜与溶酶体或者液泡膜融 合，包有内膜的自噬体进入溶酶体或者液泡中，进一步形成自噬溶酶体， 并最终在一系列水解酶的作用下将其降解。
激活位点：Cysteine 割 为 点： Asparatic acid
细胞死亡——凋亡的分子机制
caspase的激活
Caspase的不同功能:
1、apoptotic initiators: caspase-2, caspase-8, caspase-9 and caspase-10
2、apoptotic executioners: caspase-3, caspase-6 ，caspase-7 and 14 (morphology change)
3、inflammatory mediateors: caspase-1, and caspase-11
细胞死亡——凋亡的分子机制
caspase的激活
The caspase cascade involved in apoptosis A. Procaspase activation by proteolytic cleavage. B. Caspase cascade