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 (autophag

y)

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 细细细细细细细细细细细细细细

细细细细细细细细细细细细细细细细细细细细细

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

细细细细细细细细细细细细细细细细细细细细 细细细

细细细细细细细细细细细细细细细细细

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

细胞来源 人胚肺成纤维 细 胞

中年人成 纤维细胞

老年人成 纤维细胞

可 增 殖代 数 40 ～ 60 20 2 ～ 4

不同年龄来源的人成纤维细胞的增殖代数

 

1.         细胞体外生命跨度与物种平均生命跨度的正相关性

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细

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。     

    细胞每分裂一次，端粒缩短 50～ 100bp     端粒缩短到一定程度，细胞不再分裂     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 ◆ 细胞凋亡过度

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（ TN

F ），抗 Fas/Apo-1/CD95抗体等。

4.4. 细胞凋亡的检测方法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

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。

6.1 线虫 (C.elegans)

找到一系列与细胞凋亡有关的基因 ced-3、 ced-4 诱发、启动，促进细胞凋亡 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

caspase-1（ICE） Pro-IL ； pro-caspase 3，7

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/Mch3/CMH-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

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 h2 ．细胞色素 c 诱导 1 h3 ．细胞色素 c 诱导 2 h4 ．细胞色素 c 诱导 3 h5 ．细胞色素 c 诱导 4 h6 ．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 ·O

H

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： 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。 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

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酶系统——保护性的酶 超氧化物歧化酶（ SOD ） 过氧化氢酶（ CAT ）非酶系统——其他抗氧化物分子 VE 、 VC 、醌类物质等电子受体

两种不同观点支持者 细胞衰老的 90％的原因归咎于自由基

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。