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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
程序性细胞死亡的涵义
● 动物细胞的程序性死亡
● 植物细胞与酵母细胞的
程序性死亡
●
一、动物细胞的程序性死亡
细胞凋亡 (apoptosis)
● 细胞坏死 (necrosis)
● 细胞自噬
(autophagy)
●
第二节
细胞衰老
(cell aging or cell senescence)
●细胞衰老的概念
●细胞衰老的研究
●衰老细胞形态结构的变化
●细胞衰老的分子机制
●细胞在体内条件下的衰老
●细胞衰老与个体衰老的关系
二、细胞衰老的研究
● 细胞不死说
● Hayflick界
限
程序性细胞死亡的涵义
不论是单细胞生物还是多细胞生物，
其细胞死亡往往受到细胞内某种由遗
传机制决定的“死亡程序”所控制，
称
为程序性细胞死亡。
（programmed cell death,PCD）
一、细胞衰老的概念
细胞衰老（cell aging ）一般的含义是
复
制衰老(replicative senescene，RS)。
指体外培养的正常细胞经过有限次数的
分裂后，停止分裂,细胞形态和生理代谢活
动发生显著改变的现象。
细胞不死说
◆1892年，魏斯曼提出:
种质不死而体质会衰老和死亡的学说
原生动物细胞“不死性”
◆证据
原生动物某些无性系可以长期保持很高的分裂
速度
◆证据不足
被废弃。某些无性系的稳定性的观点
细胞不死说
◆1912年, Alexis Carrel (Nobel Laureate)
细胞“不死性”的观点
卷土重来
◆证据
在实验室培养鸡心脏细胞可以无限制地生长和分
裂。（连续培养了34年）
细胞不死说
◆20世纪40-50年代，L系小鼠和HeLa细胞系
的建立。（可以一直分裂、存活下去）
◆使细胞“不死性”的观点的统治地位更加
巩
固了。
细胞不死说
细胞本身并没有衰老和死亡，衰老只是
一种多细胞现象，多细胞生物体内细胞
的衰老，起因不在细胞本身，而是由于
体内、体外环境的影响。
细胞不死说
谁动摇了这种学说？
◆Hayflick认为
Carrel的实验不能被重复, 可能是由于
混入了新鲜的细胞。
HeLa癌细胞和培养的L细胞系是不正常
细胞，其染色体数目或形态已经不同于
原先的细胞。
◆Hayflick提出
细胞增殖能力和寿命是有限的观点
一、Hayflick界限(Hayflick Limitation）
◆Hayflick界限的概念
细胞，至少是培养的二倍体细胞，不是不死的，而
是有一定的寿命；它们的增殖能力不是无限的，而
是有一定的界限，这就是 Hayflick界限。
◆Hayflick界限的证据
细胞的增殖能力与供体年龄有关
物种寿命与培养细胞寿命之间存在着一定的关系
一、Hayflick界限
(Hayflick Limitation）
◆决定细胞衰老的因素
二倍体细胞的衰老是由细胞自身决定的
决定细胞衰老的因素在细胞内部，而不是外部
的环境
是细胞核而不是细胞质决定了细胞衰老
细胞衰老概念被普遍接受的一些经典实验
(细胞体外生命跨度与供体年龄的正相关性)
过程： 年轻女性细胞(间期可见巴氏小体)
+
年老男性细胞(间期无巴氏小体)
混合培养(一样的外部环境)
结果：年轻女性细胞倍增次数多于年老男性细胞
结论：细胞衰老的过程是由细胞自身决定的,
而非环境因素
细胞衰老是由细胞核而非细胞质决定的
体细胞杂交实验
年老细胞
年轻细胞
年轻细胞
年老细胞
不同年龄来源的人成纤维细胞的增殖代数
细胞来源
可 增 殖
代
数
人胚肺成纤
维 细 胞
40～60
中年人成
纤维细胞
20
老年人成
纤维细胞
2～4
细胞体外生命跨度与物种平均生命跨度的正相关
物
种
寿
命
培养细胞传代数
海
龟
175
90～125
小
鼠
3. 5
14～28
早老症病人的细胞在体外只有较短的生命跨度
六、细胞衰老与个体衰老的关系
呈正相关性:
◆成人的细胞能在体外传代的次数比胎儿
的细胞少;
◆早老症病人的细胞能在体外传代的次数
比正常人少;
◆寿命长的物种的细胞能在体外传代的次
数比寿命短的物种的细胞多。
五、细胞在体内条件下的衰老
●在机体内，细胞的衰老和死亡是常见的现象，甚至在
个体发育的早期也会发生;
●正常情况下终生保持分裂的细胞，其分裂能力是否随
着有机体年龄的增高而下降？它们会不会衰老？
◆衰老动物体内，细胞分裂速度显著减慢，其原因主要是G1期明
显延长;
◆衰老个体内的环境因素影响了细胞的增殖和衰老;
◆骨髓干细胞移植实验说明随着年龄的增加，干细胞增殖速度也
趋缓慢.
三、衰老细胞形态结构的变化
●细胞核的变化
●内质网的变化:
衰老动物内质网成分弥散性地分散于核周胞质中，粗
面内质网的总量似乎是减少了
●线粒体的变化:
通常，细胞中线粒体的数量随龄减少，而其体积则随
龄增大
●致密体的生成
●膜系统的变化
细胞核的变化
◆体外培养的二倍体细胞，细胞核
随着细胞分裂次数的增加不断增大
◆细胞核的核膜内折（invagination）、
染色质固缩化
膜系统的变化
◆衰老的细胞，其膜流动性降低、韧性减小
◆衰老细胞间间隙连接减少;
细胞膜内（P面）颗粒的分布也发生变化
四、细胞衰老的分子机制
●复制衰老的机制
端粒与衰老
●胁迫诱导的早熟性衰老
氧化性损伤学说
●单细胞生物的衰老
结
论
细胞衰老
◆可能是以上综合因素的集合，或某
几种因素的集合，其中有一种起主
导作用。
◆对于不同的生物体可能有不同的导
致衰老的诱因和相应的机制。
端粒与衰老
◆1990 年Harley发现端粒长度确实与衰老有着密切的关系，
提出细胞衰老的“有丝分裂钟”学说。
◆“有丝分裂钟”学说认为，随着细胞的分裂，染色体末端
的
（端粒）不断缩短，当其长度缩短到一个阈值时，细胞进
入衰老。
l 细胞每分裂一次，端粒缩短50～100bp
l 端粒缩短到一定程度，细胞不再分裂
l 端粒酶过量表达能延长细胞的生命跨度
（一） 细胞凋亡(Apoptosis)
●细胞凋亡的概念
●细胞凋亡的生理意义
●细胞凋亡的特征
●细胞凋亡的检测方法
●诱导细胞凋亡的因子
●细胞凋亡的分子机制
1.细胞凋亡的概念
细胞凋亡是一种程序性的细胞死亡
方式，受基因调控的主动的生理性
细胞自杀行为，凋亡细胞最后以凋
亡小体的形式被吞噬消化。
2.细胞凋亡的生物学意义
●细胞凋亡对于多细胞动物个体的正常发
育，自稳态的维持，免疫忍受的形成，
肿
瘤的监控具有重要意义。
◆ 蝌蚪尾的消失，骨髓和肠的细胞
凋亡
◆ 发育过程中手和足的成形过程
◆ 脊椎动物的神经系统的发育
●细胞凋亡失衡会引发多种疾病。
◆细胞凋亡不足
3.细胞凋亡的特征
●细胞凋亡的形态学特征
●细胞凋亡的生化特征
3.1 细胞凋亡的形态学特征
动物细胞凋亡的过程可以分为两个阶段：
◆激活期（activation phase)
在这一阶段，细胞对要求它进行自我毁灭的
“死亡信号”作出反应。
◆执行期（execution phase)
细胞死刑此时付诸实施。
我们先来看比较容易理解的执行期，由凋亡引起的细
胞死亡是一个干净利落的有序过程其特征表现为：
3.1 细胞凋亡的形态学特征
◆凋亡的起始：细胞表面的特化结构如微绒毛消失，
细胞间接触的消失，但细胞膜依然完整；线粒体大体
完整，但核糖体逐渐从内质网上脱离，内质网囊腔膨
胀，并逐渐与质膜融合；染色质固缩，形成新月形帽
状结构等形态，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一起聚集，为反折的细胞质膜
所包围。细胞表面产生了许多泡状或芽状突起，逐渐
形成单个的凋亡小体
◆凋亡小体逐渐为邻近的细胞吞噬并消化
3.2 细胞凋亡的生化特征
◆细胞凋亡的主要特征是形成大小为
180～200bp特征性的DNA ladders。
◆凋亡细胞组织转谷氨酰胺酶tTG
（tissueTransglutaminase）积累并达到
较高水平。
5.诱导细胞凋亡的因子
◆ 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。
◆ 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。
4.细胞凋亡的检测方法
◆形态学观测：染色法、透射和扫描电镜观察
◆DNA电泳：DNA片段就呈现出梯状条带
◆TUNEL测定法:即DNA断裂的原位末端标记法
◆彗星电泳法（comet assay）
◆流式细胞分析
根据凋亡细胞DNA断裂和丢失，采用碘化丙啶使DNA
产生激发荧光，用流式细胞仪检出凋亡的亚二倍体细
胞，同时又能观察细胞的周期状态。
6.细胞凋亡的分子机制
●线虫(C.elegans)
●Caspase家族与凋亡
●Bcl-2家族与细胞凋亡
●细胞凋亡的分子机理
6.1 线虫(C.elegans)
细胞凋亡受基因控制。线虫是研究
细胞凋亡分子基础的理想材料。
每条线虫具有1090个细胞，其中在
正常情况下有131个细胞在发育过程
中以凋亡的方式死亡。从线虫中找到
若干控制细胞凋亡的基因。
找到一系列与细胞凋亡有关的基因
ced-3、ced-4
亡
诱发、启动，促进细胞凋
ced-9 基因阻止ced3/ced4的激活，抑制凋亡
① ced-3、ced-4 基因突变或缺失，
使凋亡受阻
② 移入 ced-9
使凋亡受阻
③ 失去 ced-9
使细胞凋亡
6.2 Caspase家族与凋亡
◆ Caspase家族
◆ Caspase激活
◆ Caspase水解的靶蛋白
Ced3的哺乳类同源基因是ICE(Interleukin-1- converting enzyme)，即
Caspase-1。
Ced4的哺乳类同源基因是Apaf-1(细胞凋亡蛋白活化因子）。
Ced9的哺乳类同源基因是BCL-2。
Caspase家族是一组与众不同的蛋白水解酶，在凋亡早期阶段
被激活，并负责引发随后的凋亡变化，通过切割一组高度选
择性的必须蛋白质来实现这一功能。
Caspase活性位点是半胱氨酸(Cysteine)
裂解靶蛋白位点是天冬氨酸残基后的肽键
因此称为Cysteine aspartic acic specific protease，即Caspase
Caspase激活
细胞中合成的Caspase自身以无活性的酶原
状态（Procaspase）存在，经激活后方能执行其
功能。
其激活依赖于其他的 Caspase在它的天冬氨
酸位点水解活化或自身活化
胞外信号分子诱导的细胞凋亡途径
◆上游启始者Caspases切割、活化下游执行者Caspases
当细胞接受凋亡信号分子(Fas,TNF等)后，凋亡细胞表面信号分子受体
相互聚集并与细胞内的衔接蛋白(Adaptor protein)结合，这些衔接蛋白
又募集Procaspases聚集在受体部位，Procaspase相互活化并产生级联反
应，使细胞凋亡
◆下游执行者Caspases活化后，水解蛋白底物，启动凋亡
裂解核纤层蛋白，导致细胞核形成凋亡小体；
裂解DNase结合蛋白，使DNase释放，降解DNA形成DNA Ladder;
裂解参与细胞连接或附着的骨架和其他蛋白，使凋亡细胞皱缩、脱落，
便 于细胞吞噬；
导致膜脂PS重排，便于吞噬细胞识别并吞噬。
6.3 Bcl-2家族与细胞凋亡
◆Bcl-2
是一种原癌基因，是ced-9在哺乳类中的同源物，能抑制细胞凋
亡；与线粒体及内质网膜相结合；Bcl-2蛋白的羧基末端有一穿
膜的结构域；Bcl-2家族成员的基因中，常常含有三个保守的
Bcl-2同源区，即BH1，BH2和BH3
◆Bcl-2蛋白质家族成员以不同的方式调节细胞凋亡
促进凋亡: Bad、Bid、Bax
阻止凋亡： Bel-X 、Bel-w、 Bel-2
◆哺乳动物细胞中发现的Apaf2即是CytC
6.4 细胞凋亡的分子机理
◆ 胞外信号分子诱导的细胞凋亡途径
◆ 胞内信号刺激诱导的细胞凋亡途径
Bcl-2家族凋亡成员与细胞凋亡
（二）细胞坏死 (necrosis)
●细胞坏死的涵义及特点
●细胞凋亡与坏死的区别
（二）细胞凋亡与坏死的区别
◆细胞凋亡过程中，细胞质膜反折，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（apoptotic bodies），凋亡小体则为邻近的
细胞所吞噬。整个过程中，细胞质膜的整合性保持
良好，死亡细胞的内容物不会逸散到胞外环境中去，
因而不引发炎症反应。
◆相反，在细胞坏死时，细胞质膜发生渗漏，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。
（三）细胞自噬 (autophagy)
●细胞自噬的涵义及特点
●细胞自噬的分子机制
二、植物细胞与酵母细胞
的程序性死亡
●植物细胞的程序性死亡
●酵母细胞的程序性死亡
名称及其别名
底物
Pro-IL ； pro-caspase 3，7
caspase-1（ICE）
caspase-2（Nedd-2/ICH1）
caspase-3（apopain/CPP32/Yama）
PARP ； SREBP ； DFF ； DNA-PK
caspase-4（Tx/ICH2/ICE rel -II）
caspase-5（ICE rel-III/TY）
caspase-6（Mch2）
Lamin A ； keratin 18
caspase-7（ICE-LAP3/M ch3/CM H-1）
PARP ； pro-caspase 6 ； DFF
caspase-8（FLICE/MACH/Mch5）
caspase-9（ICE-LAP6/Mch6）
caspase-10（Mch4/FLICE2）
PARP
caspase-11（ICH3）
caspase 超家族成员及其相应底物
BCL-2家族成员
基因产物
BCL-2
BCL-x
BCL-w
Bax
Bak
MCL-1
Bad
Ced-9
E1B19K
功
能
凋亡抑制剂，可和 Bax 及 Bak 结合
其 L 型抑制凋亡，S 型促进凋亡，与 Bax 及 Bak 结合
凋亡抑制剂
凋亡促进剂，可与 BCL-2，BCL-XL ，EIB19K 结合
凋亡促进剂，亦可作抑制剂，可与 BCL-2，BCL-X 和 E1B19K 结合
凋亡抑制剂
凋亡促进剂，与 BCL-2 和 BCL-XL 结合
线虫中的凋亡抑制剂，BCL-2 同源物
腺病毒凋亡抑制剂，与 Bax 和 Bak 结合
坏死细胞
凋亡细胞
细胞色素c诱导的凋亡细胞DNA电泳图
1．细胞色素c诱导0 h
2．细胞色素c诱导1 h
3．细胞色素c诱导2 h
4．细胞色素c诱导3 h
5．细胞色素c诱导4 h
6．阴性对照
7．Marker
（ 自赵允、翟中和）
自由基理论
1956年Harman提出来的
生物氧化中产生自由基，自由基破坏生物
大分子——蛋白质、核酸、脂类等。使得
细胞结构破坏，基因突变，导致细胞衰老。
自由基
自由基是一类瞬时形成的含不成对电子的原子
或功能基团，普遍存在于生物系统。
主要包括：氧自由基（如羟自由基·OH）、氢
自由基（·H）、碳自由基、脂自由基等，其中·OH
的化学性质最活泼。
自由基产生的原因
人体内自由基的产生有两方面：
l
一是环境中的高温、辐射、光解、化学物质等引起
的外源性自由基。
l
二是体内各种代谢反应产生的内源性自由基。内源
性自由基是人体自由基的主要来源，其产生的主要
途径有：①由线粒体呼吸链电子泄漏产生；②由经
过氧化物酶体的多功能氧化酶（MFO）等催化底物
羟化产生。
自由基对细胞的危害
l 对许多生物功能是非常重要的，有
些学者认为没有自由基的生物不能
生存。
自由基对细胞的危害
l 如果细胞中的自由基过多，就会对许
多细胞组分造成损伤。
自由基含有未配对电子，具有高度反应活性，可引发链
式自由基反应，引起DNA、蛋白质和脂类，尤其是多不
饱和脂肪酸等大分子物质变性和交联，损伤DNA、生物
膜、重要的结构蛋白和功能蛋白，从而引起衰老各种现
象的发生。
细胞内清除自由基的机制
l
细胞内部隔离化使产生自由基的位点与
细胞的其他组分分开
l
酶系统——保护性的酶
 超氧化物歧化酶（SOD）
 过氧化氢酶（CAT）
l
非酶系统——其他抗氧化物分子
VE 、VC、醌类物质等电子受体
两种不同观点
l 支持者
细胞衰老的90％的原因归咎于自由基
l 反对者
大多数自由基存在的时间很短，对细胞危害不大。
细胞内有抗氧化剂，来对抗自由基的危机。
增加食物中的VE ，并不能抵抗自由基的有害作
用，反而会抑制细胞中其他抗氧化剂的产生。