细胞衰老& 细胞死亡

衰老（ aging ， senescence ）

指在正常状况下生物发育成熟后，随年龄增加，自身功能减退，内环境稳定能力与应激能力下降，各结构、组分逐渐退行性变，趋向死亡的不可逆过程。

细胞衰老 细胞衰老与机体的衰老有一定联系，但又

不完全等同。 个体衰老建立在细胞总体衰老的基础上，

各种衰老表现均有其细胞生物学基础。

细胞衰老的体外实验 利用来自胚胎和成体的成纤维细胞进行体外培养后发现：胚胎的成纤维细胞分裂传代 50 次后开始衰退和死亡，成年组织的成纤维细胞培养 15 ～ 30代就开始死亡。

组成人体组织的细胞寿命有显著差异，保持继续分裂能力的细胞不易衰老。

常可用胚胎成纤维细胞体外培养的群体倍增次数估计个体的寿命。

主要表现在对外界环境变化的适应能力降低和维持细胞内稳态的能力的降低，相应的也就出现了形态结构与生化功能上的改变。

细胞衰老的表现

由于水分丢失使得体积缩小，细胞“硬化”并失去正常形态。

核膜内陷，核固缩，染色质固缩化 ，核质比例减小。

溶酶体清除功能下降（色素沉积）。

蛋白质合成下降，变异蛋白出现；酶活性丧失。 总的复制转录活动受抑制，但个别基因异常激活；

染色体端粒缩短；线粒体也有异常改变。 mtDNA突变增加。

膜脂成分改变，流动性降低，跨膜进行物质运输与信号转导发生障碍，机械抗性降低 。

细胞分裂增殖能力降低。

氧化损伤（自由基）对细胞的伤害 ( 破坏核酸、脂质、蛋白质结构）

端粒影响细胞分裂的次数 遗传物质的影响（损伤或片段缺失的积累）

衰老的原因

端粒 Telomere

细胞分裂时 DNA 复制的不完全将引起端粒区 DNA 的少量丢失，所以随着细胞分裂次数的增加，端粒不断缩短。当端粒缩短到一定程度 ( 临界长度 )时细胞不再分裂。

端粒酶 telomerase

根据细胞死亡模式的不同，可将其分为两种类型：坏死（ necrosis ）与凋亡（ apoptosis ）

细胞死亡

通常所说的细胞“死亡”，指的是病理性死亡，也就是坏死。

当外界因素超过细胞所承受的强度阈值时，会导致细胞结构和功能的快速崩溃，细胞肿胀膨大，胞膜 /核膜破裂，细胞器 /核内物质散失，往往伴随炎症反应。

是一种被动性死亡。

　坏死（ necrosis ）

左图：正常肝脏结构，肝小叶清晰，细胞完整。右图：丙型肝炎，肝细胞明显肿大坏死，图中空泡样结构是水肿的肝细胞，深色黑点是开始或已经坏死的肝细胞。

也称程序性细胞死亡（ programmed cell death ， PCD ） ，是细胞在一定条件下遵循一定程序主动性死亡的过程，涉及一系列基因的激活、表达以及调控等的作用。

　凋亡 (apoptosis)

细胞表面结构改变；内质网膨胀与细胞膜融合。

细胞骨架逐渐断裂，胞膜塌陷，细胞体积缩小。

染色质向核膜聚集，逐渐形成新月形致密斑（“核固缩”）。核膜向内塌陷，细胞核断裂并被分割包被。

细胞凋亡的特点

细胞膜的内陷把细胞质分隔包裹，形成凋亡小体（ apoptotic body ）。

凋亡小体内细胞器结构完整，线粒体、溶酶体无变化，始终有膜封闭，内溶物无释放，故不会引起炎症。

凋亡细胞DNA电泳，可以出现特征性的梯状DNA条带。

细胞膜表面的各种蛋白质－糖链结构的改变（膜内侧的磷脂酰丝氨酸暴露于外侧）会被周围细胞探测到，最后由巨噬细胞把凋亡细胞吞入水解，最终完成细胞凋亡的全过程。

细胞坏死与凋亡的形态区别

细胞凋亡 细胞坏死起因 生理或病理性 病理性变化或剧烈损伤

基因调节 受相关基因调控 与基因调节无关

细胞体积 固缩变小 肿胀变大

细胞膜 保持完整，直至形成凋亡小体

破损

细胞器 完整，内质网与细胞膜融合

肿胀，甚至崩解

细胞核 染色质凝集，在核膜下呈半月状

染色质弥散，核膜破裂，核内物质丢失

基因组 DNA 核酸内切酶活化， DNA 降解为特定长度，电泳图谱呈梯

状

随机降解为任意长度，电泳图谱呈弥散状

凋亡小体 有，被邻近细胞或巨噬细胞吞噬

无

蛋白质合成 合成特定蛋白质 无

炎症反应 无，不释放细胞内容物 有，释放细胞质内容物

范围 单个散在细胞 成群细胞，伴组织纤维化

生物学意义：参与影响胚胎发育 清除衰老、受损细胞，维持体内环境稳定参与免疫应答过程

细胞凋亡的形态学检测

光学显微镜 /荧光显微镜

电子显微镜观察：凋亡细胞体积变小，细胞质浓缩。凋亡Ⅰ期的细胞核内染色质高度盘绕，出现许多称为气穴现象的空泡结构。细胞凋亡的晚期，细胞核裂解为碎块，产生凋亡小体。

DNA 片段化分析：细胞凋亡时主要生物化学特征是其染色质发生浓缩 , 染色质 DNA在核小体单位之间的连接处断裂 , 形成 180200bp整数倍的寡核苷酸片段 , 在凝胶电泳上表现为梯形电泳图谱 (DNA ladder)。

细胞凋亡的机制

Sydney Brenner H. Robert Horvitz John E. Sulston

2002 Nobel Prize ： for their discoveries concerning "genetic regulation of organ development and programmed cell death"

线虫 (C. elegans)

凋亡相关基因

细胞凋亡的调控涉及许多基因。其中研究较多的有 ced 、 Bcl-2 、 p53 、 Fas/APO-1 、 c-myc 、 ICE 等。

线虫的细胞凋亡 现已发现十几个基因在线虫细胞凋亡过程中起作

用。 与凋亡直接相关： Ced-3 、 Ced-4 、 Ced-9. Ced-3 和 Ced-4 的作用是诱发凋亡。 Ced-9 可

使 Ced-3 、 Ced-4 失活，抑制凋亡发生。

与凋亡细胞被吞噬细胞吞噬相关： ced-1 、 ced-2 、 ced-5 、 ced-6 、 ced-7 、 ced-8 和 ced-10 。

与凋亡细胞 DNA 降解相关： nuc-1 。 与特异性细胞凋亡相关： egl-1 、 ces-1 和 ces-

2 。

以线虫为起点，包括 caspase 、 bcl 、 p53 等在内的与人类细胞凋亡调控有密切关系的基因也陆续被发现。

Caspase家族

Caspase 是 Ced-3 的同源物，是引起细胞凋亡的关键酶， C 端同源区存在半胱氨酸激活位点，靶蛋白的切割位点均在天冬氨酸残基。

非活性的 caspase 均以酶原形式存在，被信号途径激活后，产生 caspase级联反应，将细胞内的蛋白质降解。

根据级联反应中所处的位置， caspase 可分为位于上游的起始蛋白和位于下游的效应蛋白。

启动凋亡： Caspase8 ， Caspase2 ， Caspase 9 ， Caspase10

凋亡执行： Caspase3 ， Caspase6 ， Caspase7

起始蛋白被激活后对效应蛋白进行切割并使之激活，随后级联反应递次激活下游的 caspase 。对靶蛋白的水解最终导致程序性细胞死亡。

Bcl-2家族

Bcl-2家族蛋白可调节线粒体膜的通透性，促凋亡蛋白 Bax 增加通透性，而抗凋亡类蛋白如 Bcl-2阻止 Bax效应。

p53

自杀相关因子（ factor associated suicide,Fas)与 FasL

凋亡的信号传导

各种内外因素可以启动细胞凋亡，它们可以通过不同的信号传递系统传递凋亡信号，引起细胞凋亡。

死亡受体介导的细胞凋亡

细胞表面的凋亡受体是属于肿瘤坏死因子受体（ TNFR ）家族的跨膜蛋白，它们包括 Fas （ Apo-1/CD95 ）、 TNFR1 、 DR3/WSL 、DR4/TRAIL-R1 和 DR5/TRAIL-R2 。其配体属于 TNF家族。

均具有富含半胱氨酸的胞外区和含死亡结构域（ Death domain ， DD ）的胞内区。

活化的 caspase-8 、 10启动 caspase 的级联反应，使 caspase-3 、 -6 、 -7 的前体蛋白激活，这几种 Caspase 可降解胞内结构蛋白和功能蛋白；此外活化后的 caspase-8 引起线粒体中死亡因子的释放，最终导致细胞凋亡。

线粒体介导的细胞凋亡

在脊椎动物细胞的凋亡过程中，线粒体被认为是处于凋亡调控的中心位置。

线粒体膜间腔中存在凋亡相关分子，在膜通透性改变情况下可被释放。

细胞内的损伤等信号激活促凋亡蛋白 Bad 或 Bax ，使它们从胞质转移到线粒体外膜，使外膜的通透性发生改变，原本松散结合于线粒体内膜外表面的细胞色素 c 等凋亡相关蛋白从线粒体膜间隙释放到细胞质中，与 Apaf-1 、 caspase-9的前体蛋白形成凋亡复合物。

激活后的 caspase-9激活下游的 caspase-3 ，进而引发 caspases级联反应，作用于靶蛋白导致细胞凋亡。

P53 能作用于 Bak/ Bax ，增加线粒体膜的通透性。

由线粒体逸出凋亡诱导因子 AIF 可进入细胞核中，诱使染色质凝集与 DNA 降解，还可促使线粒体释放细胞色素 c 和 caspase-9 ，加速凋亡进程。

线粒体内的功能状态和能量物质贮备的多少可影响细胞的生存状态。

内质网介导的细胞凋亡

在凋亡早期胞质中钙浓度迅速持续升高，位于内质网膜上的 caspase-12被 caspase-7 激活，继而活化 caspase-3促使细胞凋亡，同时高钙浓度可激活钙依赖蛋白，改变线粒体膜的通透性和膜电位，同样可促进凋亡进程。

The end