细胞程序性死亡

第十三章程序性细胞死亡与细胞衰老

●程序性细胞死亡

●细胞衰老

第一节程序性细胞死亡

（Programmed Cell Death， PCD）

一、程序性细胞死亡（PCD）的概念

从严格的词学意义上来说，细胞程序性死亡（PCD）与细胞凋亡是有很大区别的。细胞程序性死亡的概念是1956 年提出的，PCD 是个功能性概念，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。例如蝌蚪变成青蛙，其变态过程中尾部的消失伴随大量细胞死亡，高等哺乳类动物指间蹼的消失、颚融合、视网膜发育以及免疫系统的正常发育都必须有细胞死亡的参与。这些形形色色的在机体发育过程中出现的细胞死亡有一个共同特征：即散在的、逐个地从正常组织中死亡和消失，机体无炎症反应，而且对整个机体的发育是有利和必须的。因此认为动物发育过程中存在的细胞程序性死亡是一个发育学概念，而细胞凋亡则是一个形态学的概念，描述一件有着一整套形态学特征的与坏死完全不同的细胞死亡形式。但是一般认为凋亡和程序性死亡两个概念可以交互使用，具有同等意义。

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，因在细胞编程性死亡方面的研究获诺贝尔诺贝尔生理与医学奖。

二、动物细胞的程序性死亡

（一）细胞凋亡(apoptosis)

是一种自然的生理过程。

由基因决定的细胞主动的、生理性的“自觉自杀行为”。

（二）细胞凋亡的特征

（1）细胞凋亡的形态学特征

凋亡细胞的形态变化

（2）细胞凋亡的生化特征

DNA“梯”状条带(DNA ladders)

核小体核心长度146bp对核酸内切酶不敏感，而连接DNA长度60bp对核酸内切酶敏感。

细胞凋亡：正常死亡（主动死亡）

●细胞膜保持完整，无细胞内容物

●释放，无炎症。电泳图谱呈梯状。

细胞坏死：外界不利因素引起

●意外死亡（被动死亡）

●细胞膜破损，细胞内容物释放

●机体有炎症。电泳图谱呈涂抹状。

细胞凋亡与坏死形态学改变的差别

凋亡“梯状”条带

坏死“涂抹状”条带

思考：细胞凋亡有何生物学意义？

（三）细胞凋亡的生物学意义

1、确保正常生长发育生理性意义

1）清除多余的细胞：

2）清除无用的细胞：

形态发生时，一些遗迹随发育而凋亡。如人胚的尾芽的定期消亡、蝌蚪退尾、人体性别的分化。

2、维持内环境的稳定生理性意义

●清除受损、突变、衰老的细胞。

3、发挥积极的防御功能：生理性意义

作为自身的一种保护机制，清除被病毒感染的细胞。

1、细胞凋亡不足病理性意义

●肿瘤

2、细胞凋亡过度病理性意义

●心血管疾病：心肌缺血、心力衰竭等。

●缺血缺氧→P53基因激活

●神经元退行性疾病：

●阿尔茨海默病（AD）、帕金森病（PD）

●抑制凋亡：阻断诱导信号或信号通路。

3、细胞凋亡不足与过度并存病理性意义

●动脉粥样硬化(atherosclerosis,AS)

3、细胞凋亡不足与过度并存病理性意义

●动脉粥样硬化（AS）

●平滑肌细胞（VSMC）凋亡不足：

●血管壁细胞数量增多、内膜增厚、管腔变窄。导致什么？

●在病变初期通过调节VSMC凋亡达到抗AS目的。

3、细胞凋亡不足与过度并存病理性意义

●动脉粥样硬化（AS）

●内皮细胞凋亡过度：血管调节功能失衡，促进血管平滑肌细胞的增殖、迁移，诱发AS发生。导致什

么？

●抗AS的因素如雌激素、一氧化氮（NO）或抗氧化剂等均能阻止细胞凋亡。

●对于一个多细胞生物来说，要维持完整性和保持平衡性，凋亡是一个非常重要的生物学过程。

●多细胞生物的诞生、生长、发育、存活以及死亡，无一不伴随着细胞凋亡过程。

(四) 细胞凋亡的分子机制

细胞凋亡的基因调控机制最先是从线虫（生命周期短，细胞数量少）研究开始的。

线虫是一种定数细胞，在个体发育中，成体的1090个体细胞中，有131个注定是要自然凋亡。在线虫中已发现14个与细胞凋亡相关的基因。

诱导细胞凋亡的因子

1、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。

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，细胞毒素、 DNA 和蛋白质合成的抑制剂、激素、细胞凋亡因子(TNF)等。

（四）细胞凋亡的分子调控机理

●细胞凋亡的途径主要有两条：

★所有动物细胞具有类似的凋亡机制，主要分为caspase依赖途径和caspase非依赖途径。

●细胞受到凋亡信号的刺激时，一般两条途径同时启动。

1、Caspase家族与凋亡

◆Caspase家族

Caspase是存在于胞质溶胶中的结构上相关的半胱氨酸蛋白酶家族，其活性位点是半胱氨酸(Cysteine)残基，能特异性地断开靶蛋白某一天门冬氨酸残基后的肽键，从而选择性的切割蛋白质，使底物蛋白激活或失活。并不完全降解某一蛋白质。因此称为天冬氨酸特异性的半胱氨酸蛋白水解酶，简称caspases

幻灯

哺乳动物细胞caspase家族成员及其在细胞凋亡过程中的功能

Caspase活化

Caspase-3是细胞凋亡中起最终执行的重要剪切酶，自身以非活化的酶前体（Procaspase-3)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。

活化的Caspase-3负责选择性切割某些蛋白质，使靶蛋白活化或失活，而非完全降解。

2. Caspase依赖性的细胞凋亡途径

细胞内C a s p a s e的活化有两种形式：同性活化与异性活化。

同性活化：酶原分子聚集成复合物达到一定浓度时，就彼此切割或构象改变，产生有活性的二聚体形式。

异性活化：起始C a s p a s e募集执行C a s p a s e酶原分子，对其进行切割，产生具有活性的执行C a s p a s e，切割细胞内重要的结构蛋白和功能蛋白，导致细胞凋亡。

Caspase家族

参与细胞凋亡

启动者

caspase-8、9，接收信号后，能通过自剪接而激活，引起caspase级联反应，如caspase-8可依次激活caspase-3、6、7

执行者

caspase-3、6、7，可直接降解胞内的结构蛋白和功能蛋白，引起凋亡，但不能通过自催化或自剪接的方式激活。

2. Caspase依赖性的细胞凋亡途径

A. 细胞表面死亡受体介导的外源性途径

◆胞外配体(Fas,TNF等)——受体（质膜表面分子Fas,TNF受体）结合——受体构象改变并聚合成三聚体——聚合Fas受体通过胞内死亡结构域招募同样具有死亡结构域的接头蛋白FADD和Caspase-8酶原——形成死亡诱导信号复合物DISC(death inducing signaling complex)——Caspase-8酶原在复合物中通过自身切割而被激活，进而切割执行者Caspase-3酶原，产生有活性的Caspase-3——导致细胞凋亡。

Caspase-8还通过切割Bcl-2家族成员Bid将凋亡信号传递给线粒体，引发凋亡的内源途径，使凋亡信号进一步扩大。

B. 线粒体起始的内源性细胞凋亡

◆当细胞受到内部或外部的死亡信号刺激时，细胞色素c从线粒体释放到胞质作为通路的起始，释放的细胞色素c与胞质中的凋亡酶激活因子(apoptosis protease activating factor,Apaf-1) 结合。

◆ Apaf-1的N端具有Caspase募集结构域(CARD)，它与细胞色素c结合后发生自身聚合，并进一步通过CARD 结构域招募细胞质中的Caspase-9酶原，形成大的凋亡复合体(apoptosome)。Caspase-9酶原发生自身切割而活化，活化的Caspase-9再进一步激活执行者Caspase-3和Caspase-7酶原，引起细胞凋亡。