第一节 程序性细胞死亡

程序性细胞死亡（ programmed cell d

eath, PCD ）的含义是指发育过程中发生的某类细胞的大量死亡，而这种细胞死亡要求特定的基因表达。

一、动物细胞的程序性死亡

动物细胞的死亡方式主要包括 3 种：凋亡 (apoptosis) ，坏死 (necrosis) 和自噬(autophagy) 。其中动物细胞凋亡的特征、机制和生物学功能的研究比较深入。

（一）细胞凋亡 (apoptosis)

◆ 细胞凋亡的概念：又称 Apoptosis 的概念源自于希腊语，原意是指树叶或花的自然凋落；细胞发生程序性死亡时，就像树叶或花的自然凋落一样，凋亡的细胞散在于正常组织细胞中，无炎症反应，不遗留疤痕。

死亡的细胞碎片很快被巨噬细胞或邻近细胞清除，不影响其他细胞的正常功能。

细胞凋亡的形态学特征

细胞凋亡的发生过程，在形态学上可以分为三个阶段：

凋亡的起始。 凋亡小体的形成。 凋亡小体逐渐为邻近的细胞或体内吞噬细

胞所吞噬，凋亡细胞的残余物被消化后重新利用。

程序性死亡细胞的形态

结构变化

胸腺细胞

正 常 凋 亡

细胞凋亡的生理意义

◆ 动物机体靠对细胞增殖和细胞周期的正负控制以及对程序性细胞死亡的正负控制来维持细胞总数的平衡和机体的生命活力。

◆程序性细胞死亡在形态建成中起重要作用。

动物细胞数量控制的途径

程序性细胞死亡对发育中神经细胞数量的调节

程序性细胞死亡在小鼠脚趾形成中的作用

蝌蚪向蛙发育的变态反应中程序性细胞死亡的作用

3. 细胞凋亡的检测方法

形态学观测 DNA 电泳 DNA 断裂的原位末端标记法 彗星电泳法 流式细胞分析

程序性死亡细胞

的DNA

降解

4. 程序性细胞死亡的分子机制◆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 Brenner 、 Sulston 和美国的 Horvitz● 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官发育程序性细胞死亡的关键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。

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 Brenner H. Robert Horvitz John E. Sulston

雌雄同体的秀丽新小杆线虫

( 线虫 Caenorhabditis elegans) 是研究个体发育和细胞程序性死亡的理想材料（生命周期短，细胞数量少）。

线虫神经系统由 302 个细胞组成。这些细胞来自于 407 个前体细胞。也就是说 105 个细胞发生了程序性死亡。

控制线虫细胞凋亡的基因主要有 3 个 Ced-3 、 C

ed-4 和 Ced-9

– Ced-3 和 Ced-4 的作用是诱发凋亡；– Ced-9 抑制 Ced-3 、 Ced-4 的作用。

程序性细胞死亡相关基因

◆程序性细胞死亡遗传学相关基因●程序性死亡的遗传控制●程序性死亡抑制基因◆程序性细胞死亡的过程●死亡激活期●死亡执行期

◆ 自杀性蛋白水解酶是天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶 (cysteine-containing aspartatespecific protease), 简称 caspase;

◆caspase-3 、 6 、 7 和 8 在 FAS/TNF 介导的程序性细胞死亡途径中起作用；

◆caspase-9 和 3 一起参与线粒体中 Apaf-I 、细胞色素 c 介导的程序性细胞死亡 ;

◆ 在人类，已经鉴定了 10种不同的 caspase 。

天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶 (Caspase)

执行者 caspase 在程序性细胞死亡中的作用

◆能够被 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。

细胞外信号对程序性细胞死亡的激发◆肿瘤坏死因子 （ tumor necrosis factor, TNF ）◆细胞内信号对程序性细胞 死亡的激发

受体介导的程序性细胞死亡途径

细胞内源信号◆内源信号●DNA损伤●细胞质中 Ca2+ 浓度过高●极度氧胁迫（产生大量的自由基）◆正控制信号 促进细胞死亡 ,如细胞色素 c, 凋亡蛋白酶激活因子（ apoptotic protease-activating factor ， Apaf ）

◆负控制信号 抑制细胞死亡，如哺乳动物中的 BCL-2和 BCL-x蛋白。

细胞内源信号激

发细胞程序性死

亡

Regulators and effectors apoptosis

细胞凋亡与坏死

细胞凋亡与坏死 (necrosis) 是两种截然不同的细胞学现象：

细胞凋亡是一种主动的由基因决定的细胞自我破坏的过程；

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。

二者的主要区别： 细胞凋亡过程中，细胞膜反折，包裹断裂的染色质片段或细胞器，然后逐渐分离，形成众多的凋亡小体，凋亡小体则为邻近的细胞所吞噬；

细胞坏死时，细胞膜发生渗漏，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，导致炎症反应。

细胞坏死与程序性细胞死亡

（三）细胞自噬

动物细胞为了维持细胞内环境的动态平衡，通过自身溶酶体降解其中寿命较长的细胞结构及蛋白质，称为细胞自噬。细胞自噬参与了细胞死亡过程，可能是细胞凋亡的补充途径。

第二节 细胞衰老

一、细胞衰老的概念及特征

衰老 (senescing ， aging) 是机体在退化时期生理功能下降和 紊乱的综合表现 , 是不可逆的生命过程。人的衰老与细胞的衰老相关联。

细胞衰老又称老化，指细胞随着年龄的增加，机能和结构发生退行性变化，趋向死亡的不可逆的现象。

早期的细胞衰老研究

魏斯曼的种质不死而体质会衰老和死亡的学说；

Carrel & Ebeling 认为细胞本身不会衰老，衰老是由于环境的影响；

20世纪 40－ 50 年代 L 系小鼠细胞和 He

La 细胞系的建立，使细胞“不死性”的观点的统治地位更加巩固。

Hayflick界限1961年， Hayflick 首次报道了体外培养的人成纤维细胞 (human fibroblast) 具有增殖分裂的极限。他利用来自胚胎和成体的成纤维细胞进行体外培养，发现胚胎的成纤维细胞分裂传代 50次后开始衰退和死亡，而来自成年组织的成纤维细胞只能培养 15～ 30代就开始死亡。

Hayflick 界限，即关于细胞的增殖能力和寿命有限观点。

体外培养的年轻和老的人成纤体外培养的年轻和老的人成纤维细胞的显微形态维细胞的显微形态

早老症儿童与正常儿童的比较

9 years old 8 years old

Werner's syndrome

衰老细胞结构的变化 细胞在衰老过程中，其结构会发生深刻

的变化：

细胞核的变化 内质网的变化 线粒体的变化 致密体的生成 膜系统的变化

（一）细胞核的变化

随着细胞分裂次数的增加，核不断增大； 核膜内折； 染色体异固缩化；

（二）内质网的变化

衰老细胞的糙面内质网成分弥散性的分布于核周质中，总量似乎减少。

（三）线粒体的变化

细胞中线粒体的数量随年龄增大而减少，而其体积则随年龄增大而增大；

在培养的人成纤维细胞中，还观察到两种不同类型的线粒体：Ⅰ型固缩紧密，Ⅱ型大而稀疏，通常每个细胞中只含有一种类型的线粒体；随着倍增次数的增加， Ⅰ型线粒体越来越多。

（四）致密体的生成

致密体 (dense bodies) 是由溶酶体或线粒体转化而来，是衰老细胞中常见的一种结构，绝大多数动物细胞在衰老时都会有致密体的积累。

（五）膜系统的变化

衰老的或有缺陷的膜通常处于凝胶相或固相，即膜变为刚性，在机械刺激或压迫等条件下，膜就会出现裂隙，其选择透性及其他功能均受到伤害；

衰老细胞间隙连接减少，细胞间代谢协作减少了；

衰老细胞中膜内颗粒进行侧向运动能力丧失。

二、细胞衰老的分子机制

氧化性损伤假说 端粒与衰老 rDNA 与衰老 沉默信息调节蛋白复合物与衰老 SGS1 基因、 WRN 基因与衰老 发育程序与衰老 线粒体 DNA 与衰老

氧化损伤学说的发展 20世纪 50 年代， Haman提出衰老的自由基理论；

这一理论认为，代谢过程中产生的活性氧基团或分子 (reactive oxygen species, ROS)引发的氧化性损伤的积累，最终导致衰老。

细胞从外界吸收的氧中约有 2％－ 3％变成了 R

OS ：①超氧自由基；②羟自由基；③ H2O2 。它们的高度活性，引发脂质、蛋白质和核酸分子的氧化性损伤，从而导致细胞结构的损伤乃至破坏。

端粒与衰老 1990 年 Harley等人用人工合成的 (TTAGGG)3

作为探针，对胎儿、新生儿、青年人及老年人的成纤维细胞的端粒长度进行测定，发现端粒长度随年龄增长下降。

在体外培养的成纤维细胞中，端粒长度则随着分裂次数的增加而下降。

细胞的“有丝分裂钟”学说认为，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个阈值时，细胞就进入衰老。

rDNA 与衰老

在酵母 S.cereuisiae 中， rDNA 以 100

－ 200份串联拷贝的形式存在于第 12号染色体上，在酵母达到生命的“中年”的某一时刻，通过同源重组产生的第一份环状 r

DNA片段会膨冲而出，成为染色体外 rDN

A环 (ERC) 。随着细胞分裂的不断进行，ERC不断复制增加。当积累到 500－ 100

0份拷贝时，细胞就进入衰老。

线粒体 DNA 与衰老

20世纪 80 年代， Cummings等人曾经提出，线粒体 DNA 中存在着衰老 DNA ；

PCR扩增技术进一步证明，随着年龄的增长，线粒体 DNA 的突变是相当显著的；

作业一、名词解释 1. 细胞凋亡 2. 细胞坏死 3. 细胞自噬 4. 细胞衰老 5.Hayflick界限

二、简答题 简述动物细胞凋亡在形态学上的 3 个阶段 及其特征。