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第十三章 程序性细胞死亡与细胞衰老

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第十三章 程序性细胞死亡与细胞衰老 - PowerPoint PPT Presentation


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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

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Presentation Transcript
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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

slide2

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

slide3

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)

cell aging or cell senescence
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

slide5
二、细胞衰老的研究

● 细胞不死说

● Hayflick界限

slide6
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)

slide7
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。

slide8
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

slide9
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)

slide10
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。

slide11
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。

slide12
细胞不死说
  • 谁动摇了这种学说?
hayflick
◆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

hayflick hayflick limitation
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

hayflick hayflick limitation1
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

slide16
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

slide17

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

slide19

物 种

寿 命

培养细胞传代数

海 龟

175

90~125

小 鼠

3. 5

14~28

1.细胞体外生命跨度与物种平均生命跨度的正相关性

早老症病人的细胞在体外只有较短的生命跨度

slide20
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。

slide21
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.

slide22
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

slide23
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

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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

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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

slide26
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。

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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

apoptosis
(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

slide29
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。

slide30
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

slide31
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

slide32
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:

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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

slide34
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。

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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。

slide36
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。

slide37
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

1090 131

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。
slide39
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

①ced-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
6.2 Caspase家族与凋亡

◆ Caspase家族

◆ Caspase激活

◆ Caspase水解的靶蛋白

slide41
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
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

slide44
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
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

slide46
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

necrosis
(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

slide51
(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。

autophagy
(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

slide53
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

slide61

坏死细胞

凋亡细胞

slide63

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)

slide64
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。

slide65
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。

slide66
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。
slide67
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。
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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。

slide69
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

slide70
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。