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第15章 细胞衰老与细胞程序性死亡课件PPT
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这是一份第15章 细胞衰老与细胞程序性死亡课件PPT，共60页。PPT课件主要包含了本章主要内容，细胞衰老，细胞程序性死亡，第一节，第二节，细胞凋亡的生理学意义等内容，欢迎下载使用。
细胞衰老（Cell senescence），也称复制衰老（Replicative senescence，RS）：指绝大多数正常细胞在经历有限次数分裂后，不再具有增殖能力，细胞形态结构和代谢活动也发生显著改变的现象细胞衰老与G0 期的细胞静止（Cell quiescence）状态不同：后者在特定生理条件下可以返回细胞周期继续增殖；而衰老细胞是不可逆地处于增殖停滞状态
Fig. The senescent phentype induced by multiple stimuli
细胞是否具有无限增殖能力问题的认识过程
在1891 年，德国生物学家August Weismann 就提出“有机体终究会死亡，因为组织不可能永远能够自我更新，而细胞凭借分裂来增加数量的能力也是有限的
August Weismann (1834 - 1914)The German zlgistthe hypthesis f a “cell divisin limit”
Alexis Carrel 的认为，体外培养的细胞是能够永生不死的，如果它停止增殖是因为培养条件不适宜了1912-1946 鸡胚成纤维细胞的培养
Alexis Carrel(1873 - 1944)French surgen and bilgistThe Nbel Prize in Physilgy r Medicine 1912 was awarded t Alexis Carrel "in recgnitin f his wrk n vascular suture and the transplantatin f bld vessels and rgans."
Scientific American, Vl. 166, N. 1 (JANUARY · 1942), pp. 22-24
1958 年， Lenard Hayflick证实大多数正常细胞只能进行有限次数的分裂Smatic Cells Have a Finite Lifespan
Yung and ld human diplid cells(strain WI-38)a | Yung cells in phase II atppulatin dubling 20. b | Old cells in phase III atppulatin dubling 55.
Nat Rev Ml Cell Bil , 2000, 1(1): 72-76
1974 年，澳大利亚生物学家Macfarlane Burnett 在他的著作《内在变异》（Intrinsic Mutagenesis）中首次将这一发现称为“Hayflick 界限（Hayflick Limit）”，表示细胞在进入增殖停滞状态前的有限倍增次数
Sir Frank Macfarlane Burnet (1899 - 1985)an Australian virlgistwn a Nbel Prize in 1960 fr predicting acquired immune tlerance
二、细胞复制衰老的特征
形态特征衰老细胞变得大而扁平；质膜的流动性降低，细胞骨架结构改变，细胞黏附性增强，细胞内溶酶体体积增大，内部含有大量未分解的脂类成分如脂褐质（lipfuscin）分子特征细胞不可逆地停止分裂；若干细胞周期的负调节因子如p21，p16，p53 表达上调或活性增强；衰老相关的β- 半乳糖苷酶（Senescence assciated β-galactsidase，SABG）活化；衰老细胞端粒长度明显减少；出现衰老相关异染色质集中（Senescence-assciated heterchrmatin fci，SAHF）现象；产生一系列衰老特征性分泌物（Senescence-assciated secretry phentype，SASP），包括炎性因子，金属蛋白酶等，招募免疫细胞前来吞噬衰老细胞，同时改变了周围细胞的微环境
体外培养细胞衰老的生物学特征
图15-1 衰老相关β- 半乳糖苷酶（SABG）染色区分年轻和衰老的人胚胎成纤维细胞IMR-90A. 第20 代的年轻细胞，细胞体积较小，SABG呈阴性。B. 第55 代的衰老细胞，细胞体积明显增大，多数表达SABG
Fig. Phentypic characteristics f senescent cells. Diagram depicting sme f the phentypic alteratins assciated with senescence initiatin, early senescence, and late phases f senescence.
Fig. Identifying senescent cells. The use f several mlecular markers that represent different characteristics f cell senescence is necessary fr identifying senescent cells. The markers are divided int categries accrding t their functin. A cmbinatin f markers representing different categries might increase the validity f the identificatin
SASP（衰老相关分泌表型）的功能
Fig. The SASP is an imprtant mediatr f the pathphysilgical functins f senescent cells. Scheme summarizing sme f the functins assciated with the SASP. The SASP mediates many f the cell-extrinsic functins f senescent cells. Amng thse it reinfrces several aspects f senescence including grwth arrest and the SASP itself via an autcrine lp. The SASP als recruits immune cells, such as macrphages, neutrphils, and natural killer (NK) cells t phagcytse and eliminate the senescent cell. Secretin f MMPs and factrs such as VEGF can remdel the surrunding tissue, inducing angigenesis and reducing fibrsis. Finally, secretin f mlecules such as TGF-β can spread the senescence phentype in a paracrine manner t surrunding cells.
复制性衰老与端粒缩短学说
三、细胞复制衰老的机制
Hayflick 精心设计的实验
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） 年轻女性细胞倍增次数多于年老男性细胞★ 细胞衰老由细胞自身因素决定的，与环境条件无关
图15-2 细胞衰老的信号通路A. 正常年轻细胞中，CDK 的活化导致Rb 蛋白磷酸化，与转录因子E2F 分离，被释放的 E2F 活化下游基因的转录，促使细胞从G1期进入S 期，细胞周期正常运行。B. 随着细胞增殖，端粒的缩短会导致细胞内DNA 修复体系包括p53 的活化，p53 继而诱导p21 的表达，p21 使得CDKs 失去活性，从而阻止Rb 蛋白的磷酸化，Rb 不能与E2F 分离，E2F 处于持续失活状态，不能正常起始G1/S 检验点若干关键因子的转录，细胞周期停滞导致细胞衰老。在细胞衰老的另一条信号通路中，氧化损伤等因素可以通过诱导p16 的表达导致细胞衰老
Replicative senescence is triggered by p53 activatin in a switch-like manner.
端粒的缩短如何引发细胞的复制衰老呢？
Fig. Mlecular pathways cntrlling grwth arrest during senescence. A variety f stressrs induce senescence-assciated grwth arrest. Cell cycle exit is regulated by inductin f the p16INK4a/Rb and p53/p21CIP1 pathways.
Fig. Pathways regulating senescence-mediated arrest.The senescence grwth arrest is regulated thrugh tw main pathways, p16INK4a/Rb and p53/p21CIP1, bth which cnverge n repressin f CDK4/6. The INK4A/ARF lcus is nrmally silenced by Plycmb repressive cmplexes (PRCs) and becmes activated during senescence. The p53/p21CIP1 pathway is activated dwnstream f the DNA damage respnse (DDR) frm repair-resistant DNA segments with chrmatin alteratins reinfrcing senescence (DNA-SCARS).
胁迫诱导的早熟性衰老（stress-induced premature senescence，SIPS）
Stress-induced premature senescence (SIPS) signaling pathway. A variety f stimuli, such as telmere ersin, DNA damage, ncgene activatin, xidative stress, anticancer drugs and inizing radiatin, induce cell-cycle arrest and transcriptin f senescence-assciated genes. Senescence signaling and grwth arrest-respnse signaling pathways have been shwn t verlap. Upn sensing senescence signals, the cell cycle checkpint machinery can frce the cell t exit the cell cycle via the CDK4 inhibitr p16 and the MDM2 inhibitr ARF. Senescence-inducing stimuli lead t upregulatin f p21, which blcks the cyclin D/CDK4-mediated hyperphsphrylatin f pRb, and prvkes cell cycle arrest and, ultimately, cellular senescence. Alternatively, these events induce ARF, which blcks the activity f the p53 inhibitr MDM2 and thereby activates p53. One f the characteristics f senescent cells is a change in mrphlgy, such as enlargement, flattening, and increased granularity. In additin, senescent cells r tissue exhibit increased activity f senescence-assciated β-galactsidase (SA-β-gal), a reliable bimarker f senescence.
BMB Rep. 2014 Feb; 47(2): 51–59.
个体的衰老（aging）是指随着年龄的增加，机体功能呈现退行性变化的现象个体衰老伴随着生殖能力的下降，死亡率的上升以及对一系列疾病如癌症，糖尿病，心血管系统功能障碍，神经退行性疾病等的易感性增加个体衰老的机制非常复杂，涉及分子，细胞，组织，器官各个层面
四、细胞衰老与个体衰老
个体衰老在基因和蛋白质分子水平上的主要标志（hallmarks）
基因组DNA 损伤在衰老个体中明显积累衰老个体的染色体端粒长度明显缩短衰老个体的DNA 及组蛋白某些位点甲基化或乙酰化修饰发生改变，染色质高级结构变化等表观遗传修饰的改变，及其引起的基因表达异常衰老个体细胞内协助蛋白折叠的体系（如分子伴侣）以及降解非正常折叠蛋白质的体系（如泛素- 蛋白酶体，自噬体- 溶酶体）发生障碍导致错误蛋白的堆积
个体衰老在细胞水平上的主要标志（hallmarks）
衰老个体中失去增殖能力和功能减退的细胞累积，不能被免疫系统及时清除。同时，衰老细胞的分泌物又造成周围细胞及组织器官生存微环境的恶化，出现个体衰老的体征成体干细胞因为细胞衰老而减弱甚至丧失组织更新的能力细胞通讯的失调，尤其是涉及传递营养信号的多条信号通路，如感受葡萄糖浓度的胰岛素及胰岛素样生长因子信号通路，感受氨基酸浓度的mTOR 信号通路等，营养过剩导致上述信号通路持续活化，加速了个体衰老线粒体功能障碍：衰老个体中线粒体损伤的累积造成能量代谢等功能性障碍
The Hallmarks f Aging
细胞衰老是个体衰老的根源
Fig. Senescence as a central hallmark f aging. Telmere damage, epigenetic dysregulatin, DNA damage, and mitchndrial dysfunctin are primary drivers f damage in aging. Several f these drivers f damage can induce senescence. Senescence can in turn drive the cnsequential aging hallmarks in respnse t damage: stem cell exhaustin and chrnic inflammatin. Other respnses t damage, such as prtestatic dysfunctin and nutrient signaling disruptin, are als integrally linked with the senescence respnse.
Fig. Bilgical cnsequences f cellular senescence. Cellular senescence can be induced by varius triggers, including, but nt limited t, telmere dysfunctin, ncgene activatin, reactive xygen species and cell–cell fusin. Shrt-term presence f senescent cells plays a beneficial rle in tumr suppressin, wund healing and embrynic develpment. Hwever, the lng-term persistence f senescent cells in tissues can paradxically prmte tumrigenesis and develpment f age-related diseases
多种形式的细胞死亡及其生物学意义
细胞凋亡的生理过程及其特征
植物细胞程序性死亡的分子机制
一、多种形式的细胞死亡及其生物学意义
Majr cell death subrutines.Mammalian cells expsed t unrecverable perturbatins f the intracellular r extracellular micrenvirnment can activate ne f many signal transductin cascades ultimately leading t their demise. Each f such regulated cell death (RCD) mdes is initiated and prpagated by mlecular mechanisms that exhibit a cnsiderable degree f intercnnectivity. Mrever, each type f RCD can manifest with an entire spectrum f mrphlgical features ranging frm fully necrtic t fully appttic, and an immunmdulatry prfile ranging frm anti-inflammatry and tlergenic t pr-inflammatry and immungenic. ADCD: autphagy-dependent cell death, ICD: immungenic cell death, LDCD: lyssme-dependent cell death, MPT: mitchndrial permeability transitin.
Frm: Mlecular mechanisms f cell death: recmmendatins f the Nmenclature Cmmittee n Cell Death 2018
随机被动性死亡：物理或化学因素导致程序性死亡（prgrammed cell death，PCD）：细胞具有内在遗传机制控制的主动性死亡方式；是维持生物体正常生长发育及生命活动的必要条件不同类型细胞在不同条件下表现出的程序性细胞死亡方式：动物细胞的凋亡（apptsis）程序性坏死（necrsis）自噬性细胞死亡（autphagic cell death）植物细胞的程序性死亡
（一）动物细胞的凋亡（apptsis）
1885 年，德国生物学家Flemming 就曾描述过卵巢滤泡细胞的凋亡形态特征。他观察到细胞死亡时伴随染色质的水解，因此将这种细胞死亡称作“染色质溶解（chrmatlysis）”1965 年，澳大利亚病理学家Jhn Kerr 观察到结扎大鼠肝门静脉后，在局部缺血的情况下，大鼠肝细胞死亡细胞的质膜及溶酶体保持完整，细胞内含物不会释放到膜外，不会诱导机体发生炎症反应。1972 年Kerr 将这一现象命名为细胞凋亡（apptsis）“apptsis”一词源自古希腊语，意指花瓣或树叶的脱落、凋零，这一命名意在强调这种细胞死亡方式是正常的生理过程
A diagram describing the mrphlgy f apptsis. Adapted frm Kerr et al. (1972)
保证正常胚胎发育进程，塑造个体及器官形态，形成免疫耐受维持生物体内的自稳态生理保护， 肿瘤监控
图15-3 原位末端标记法显示斑马鱼胚胎发育过程中的细胞凋亡正常16 体节期的斑马鱼胚胎（Cn 16s）在发育过程中部分细胞发生凋亡，突变体（248a-/- 16s）有大量细胞发生凋亡。原位末端标记法即转移酶介导的dUTP 缺口末端标记法（terminal dexynucletidyl transferase-mediated dUTP nick end labeling，TUNEL）。这一方法能对DNA 分子断裂缺口中的3′-OH 进行原位荧光标记，用荧光显微镜能观察到单个凋亡细胞
图15-4 细胞凋亡使得神经细胞与靶细胞的数量相匹配发育过程中神经细胞的数量较靶细胞多。靶细胞通过分泌存活因子来调节神经细胞的数量。不能获得足够存活因子的神经细胞发生凋亡，使得剩下的神经细胞与靶细胞的数量相当
动物发育过程中的细胞凋亡
PROGRAMMED CELL DEATH DURING DEVELOPMENT. A, Examples f cells that underg prgrammed cell death. B–D, Prgrammed cell death in the embrynic muse paw. At day 12.5 f develpment, the digits are fully cnnected by webbing. By day 13.5, the webbing has started t die, and by day 14.5, all the webbing cells are gne. E, Cells underging prgrammed cell death take up acridine range, whereas cells f the surrunding healthy tissue d nt.
细胞凋亡参与了免疫耐受的形成
杀伤性T- 淋巴细胞使被感染细胞发生凋亡
（二）程序性坏死（prgrammed necrsis）
Necrptsis in mdel rganisms
与细胞凋亡类似，这种细胞膜破裂的死亡过程，也受到细胞内特异基因的控制缺乏特异性的分子标记和抑制剂，目前对程序性坏死生理功能的了解还较为有限程序性坏死可能在机体免疫反应中发挥重要作用
（三）自噬性细胞死亡（autphagic cell death）
细胞自噬（autphagy）是细胞通过溶酶体与双层膜包裹的细胞自身物质融合，从而降解细胞自身物质的过程现在了解的自噬性死亡现象主要存在于昆虫的变态过程中，幼虫的许多细胞通过自噬性死亡和凋亡的共同作用被清除，从而建成新的成体结构自噬性细胞死亡在其它物种生理过程中的作用尚不明确。
The Nbel Prize in Physilgy r Medicine 2016
"fr his discveries f mechanisms fr autphagy."
Fig. In yeast (left panel) a large cmpartment called the vacule crrespnds t the lyssme in mammalian cells. Ohsumi generated yeast lacking vacular degradatin enzymes. When these yeast cells were starved, autphagsmes rapidly accumulated in the vacule (middle panel). His experiment demnstrated that autphagy exists in yeast. As a next step, Ohsumi studied thusands f yeast mutants (right panel) and identified 15 genes that are essential fr autphagy.
（四）植物细胞的程序性死亡
细胞程序性死亡在植物中广泛存在。主要生理功能包括：植物防御病原体的反应或称超敏反应（hypersensitive respnse，HR）植物对环境胁迫的反应植物发育进程中发挥作用植物细胞程序性死亡的方式与动物细胞差别较大。往往利用溶酶体（液泡）中的水解酶来消化分解死亡细胞，主要包括两种方式：植物细胞内液泡膜破裂，水解酶释放出来消化细胞内含物，整个细胞被迅速直接地分解而死亡（一般发生在植物发育进程中）；液泡膜与细胞膜发生融合，水解酶释放到细胞外触发细胞死亡（植物被细胞外复制的病原体感染时会诱发这种反应）
二、细胞凋亡的生理过程及其特征
图15-5 细胞凋亡的过程及特征A. 细胞凋亡过程模式图。1 正常细胞；2 细胞凋亡的起始，染色质固缩并沿核膜分布，细胞皱缩；3 凋亡中的细胞，细胞质膜反折，包裹染色质片段和细胞器等细胞碎片，形成芽状突起并逐渐脱离，形成凋亡小体；4 凋亡小体被吞噬细胞吞噬。B. 凋亡细胞的电镜照片，显示染色质的变化。上图：染色质凝集并沿核膜分布；中图，下图：染色质片段逐渐“离开”原来的细胞核，进入核膜包围的泡状结构
典型动物细胞的凋亡过程，形态学上可分为三个阶段
凋亡的起始凋亡小的形成凋亡小体被吞噬
细胞核内染色质固缩凝集
图15-6 DAPI 染色显示凋亡细胞的染色质凝集。A. 正常细胞核。B. 凋亡细胞核。4′，6- 二脒基-2- 苯基吲哚（4′，6-diamidin-2-phenylindle，DAPI）， 是常用的一种与DNA结合的荧光染料
三、细胞凋亡的分子机制
动物细胞凋亡的过程包括4个阶段：接受凋亡信号；凋亡相关分子的活化；凋亡的执行；凋亡细胞的清除动物细胞凋亡的途径Caspase依赖性和不依赖于Caspase的凋亡
1. Caspases 及其基本类型简介
Caspase（Cysteine aspartic acic specific prtease）：是一组天冬氨酸特异性的半胱氨酸蛋白水解酶caspases通常以无活性酶原形式存在于细胞质中活性位点均包含半胱氨酸残基，能够特异地切割靶蛋白天冬氨酸残基后的肽键，切割的结果是使靶蛋白活化或失活，而非完全降解Caspases 的发现源于秀丽隐杆线虫（Caenrhabditis elegans）发育的研究
Fig. Schematic representatin f structural features f mammalian caspases
透明，长仅1mm，体细胞959个1090 cells - 131 cells death = 959 cells
模式生物：秀丽隐杆线虫 C. elegans
The Nbel Prize in Physilgy r Medicine 2002
"fr their discveries cncerning genetic regulatin f rgan develpment and prgrammed cell death."
线虫和哺乳动物体内细胞死亡的途径
caspase 家族部分成员及其功能
炎症caspases： 包括caspase-1，-4，-5，-11，-12，负责产生有活性的白介素-1凋亡caspases，包括caspase-2，-3，-6，-7，-8，-9，-10， 负责介导细胞凋亡；按照功能可分为两类起始caspase（caspase-2 等）负责对效应酶的前体进行切割，产生有活性的效应caspases效应caspase（caspase-3 等）负责切割细胞核内、细胞质中的结构蛋白和调节蛋白，使其失活或活化，保证凋亡程序的正常进行caspases 家族成员还参与了细胞自噬，坏死，分化等生命活动的调控
2. caspases 在细胞凋亡中的作用机制
接受凋亡信号刺激后，酶原分子在特异的天冬氨酸位点被切割，产生的两段多肽形成大小两个亚基，再聚合成异二聚体，此即具有活性的酶
Nat Rev Ml Cell Bil, 2010, 11(9): 621-632
caspases 的活化：同源活化(hm-activatin)；异源活化(heter-activatin)
图15-7 细胞凋亡过程中caspases 的活化
效应caspases 底物
效应caspases 对底物的切割使得细胞呈现出凋亡的一系列形态学和分子生物学特征。可以分为被活化和被失活两大类：被caspase 活化的代表分子是caspases 激活的核酸酶CAD（caspase activated DNase）被caspase 失活的代表分子是聚腺苷酸二磷酸核糖转移酶（ply（ADP-ribse）plymerase，PARP）效应caspases 还通过切割细胞骨架蛋白使细胞的骨架体系发生结构变化，便于细胞改变形态以及形成凋亡小体等
DNA梯状条带（DNA Ladders）是细胞凋亡的标志之一
图15-8 细胞凋亡的典型特征-DNA 梯状条带（DNA ladders）A. DNA 梯状条带产生过程示意图。细胞凋亡时，细胞内特异性DNA 内切酶活化，染色质DNA 被随机地在核小体间切割，降解成180～200 bp 或其整数倍片段。B. 正常细胞与凋亡细胞的DNA 电泳照片。a 对照的正常人胚肾293 细胞DNA；b，过量表达肿瘤坏死因子受体1（TNFR-1）诱导凋亡的293 细胞DNA。由于提取DNA 过程中保持细胞核膜的完整，因此正常细胞的提取物中几乎没有DNA；而凋亡细胞凋亡小体中的DNA 被提取出来，长度相差200 bp 或其整数倍的DNA 分子经琼脂糖凝胶电泳分离，呈现梯状条带
3. 细胞凋亡信号通路
死亡受体引发的外源途径起始于死亡配体与受体的结合死亡配体主要是肿瘤坏死因子（TNF）家族成员；胞质部分均含有死亡结构域（death dmain，DD），负责招募凋亡信号通路中的接头蛋白线粒体引发的内源途径内源途径中，线粒体处于中心地位当细胞受内外部凋亡信号刺激时，线粒体膜通透性会发生改变，向细胞质中释放凋亡相关因子，引发细胞凋亡
图15-9 凋亡信号通路
（1）死亡受体起始的外源途径
（2）线粒体起始的内源途径
线粒体在脊椎动物细胞凋亡调控中起着重要作用
Bcl-2（the B-cell lymphma gene 2）蛋白家族
能在线粒体外膜上形成通道 促进细胞凋亡
凋亡信号“感受器”；促进细胞凋亡
Nat Rev Ml Cell Bil, 2010, 11(9): 621-632
凋亡诱导因子(apptsis inducing factr，AIF）限制性内切核酸酶 G二者均由线粒体释放，进入细胞核
Jurnal f Cell Science 2014 127: 2135-2144
caspase 非依赖的细胞凋亡（caspases independent apptsis）
Fig. Mechanism f mitchndrial permeabilisatin-mediated caspase-independent cell death
J. Exp. Med., 2010, 207(9): 1807-1817
Find-me and eat-me signal 凋亡细胞的清除
4. 生死抉择：细胞凋亡的调控
大多数细胞都需要获得存活信号来维持生存，这类信号主要来自于其它细胞分泌的细胞因子，包括多种有丝分裂原和生长因子细胞接受不到足够的存活信号，就会激活自杀程序
图15-10 存活因子通过调节Bcl-2 家族成员的活性及表达抑制细胞凋亡的发生
通过细胞死亡信号或退出生存因子诱导细胞凋亡
caspases 的活性调控
Caspases 抑制因子cIAPs（inhibitrs f apptsis）：直接与caspases 活性分子结合，阻抑其对底物的切割Smac（secnd mitchndria derived activatr f caspase）又称DIABLO（direct IAP binding prtein with lw pI）蛋白：含有IAP 结合结构域，从线粒体膜间隙释放出来后能与cIAPs 结合，释放出被封闭caspases丝氨酸蛋白酶Htra2/Omi：接受凋亡信号后从线粒体释放出来，通过切割cIAPs 解除其抑制凋亡的作用
p53 依赖性的细胞凋亡
p53 直接解除Bcl-2 对Bax/Bak 的抑制作用触发凋亡内源途径p53发挥转录因子功效，激活凋亡正调节因子，抑制负调节因子的表达p53 的活性对癌的放射和化疗效果起关键作用
四、细胞坏死的分子机制
图15-11 细胞程序性坏死的电镜照片。鼠成纤维细胞L929在TNF 及凋亡抑制剂的作用下发生坏死。细胞质出现空泡，细胞质膜破损，细胞内含物，包括膨大和破碎的细胞器释放到胞外
脑卒中坏死性上睑下垂的信号通路
DOI : 10.2174/1570159X16666180416152243
五、植物细胞的程序性死亡的分子机制
Mechanistic principles putatively invlved in the cntrl f develpmentally-regulated prgrammed cell death (dPCD)
细胞衰老（Cell senescence），也称复制衰老（Replicative senescence，RS）：指绝大多数正常细胞在经历有限次数分裂后，不再具有增殖能力，细胞形态结构和代谢活动也发生显著改变的现象细胞衰老与G0 期的细胞静止（Cell quiescence）状态不同：后者在特定生理条件下可以返回细胞周期继续增殖；而衰老细胞是不可逆地处于增殖停滞状态
Fig. The senescent phentype induced by multiple stimuli
细胞是否具有无限增殖能力问题的认识过程
在1891 年，德国生物学家August Weismann 就提出“有机体终究会死亡，因为组织不可能永远能够自我更新，而细胞凭借分裂来增加数量的能力也是有限的
August Weismann (1834 - 1914)The German zlgistthe hypthesis f a “cell divisin limit”
Alexis Carrel 的认为，体外培养的细胞是能够永生不死的，如果它停止增殖是因为培养条件不适宜了1912-1946 鸡胚成纤维细胞的培养
Alexis Carrel(1873 - 1944)French surgen and bilgistThe Nbel Prize in Physilgy r Medicine 1912 was awarded t Alexis Carrel "in recgnitin f his wrk n vascular suture and the transplantatin f bld vessels and rgans."
Scientific American, Vl. 166, N. 1 (JANUARY · 1942), pp. 22-24
1958 年， Lenard Hayflick证实大多数正常细胞只能进行有限次数的分裂Smatic Cells Have a Finite Lifespan
Yung and ld human diplid cells(strain WI-38)a | Yung cells in phase II atppulatin dubling 20. b | Old cells in phase III atppulatin dubling 55.
Nat Rev Ml Cell Bil , 2000, 1(1): 72-76
1974 年，澳大利亚生物学家Macfarlane Burnett 在他的著作《内在变异》（Intrinsic Mutagenesis）中首次将这一发现称为“Hayflick 界限（Hayflick Limit）”，表示细胞在进入增殖停滞状态前的有限倍增次数
Sir Frank Macfarlane Burnet (1899 - 1985)an Australian virlgistwn a Nbel Prize in 1960 fr predicting acquired immune tlerance
二、细胞复制衰老的特征
形态特征衰老细胞变得大而扁平；质膜的流动性降低，细胞骨架结构改变，细胞黏附性增强，细胞内溶酶体体积增大，内部含有大量未分解的脂类成分如脂褐质（lipfuscin）分子特征细胞不可逆地停止分裂；若干细胞周期的负调节因子如p21，p16，p53 表达上调或活性增强；衰老相关的β- 半乳糖苷酶（Senescence assciated β-galactsidase，SABG）活化；衰老细胞端粒长度明显减少；出现衰老相关异染色质集中（Senescence-assciated heterchrmatin fci，SAHF）现象；产生一系列衰老特征性分泌物（Senescence-assciated secretry phentype，SASP），包括炎性因子，金属蛋白酶等，招募免疫细胞前来吞噬衰老细胞，同时改变了周围细胞的微环境
体外培养细胞衰老的生物学特征
图15-1 衰老相关β- 半乳糖苷酶（SABG）染色区分年轻和衰老的人胚胎成纤维细胞IMR-90A. 第20 代的年轻细胞，细胞体积较小，SABG呈阴性。B. 第55 代的衰老细胞，细胞体积明显增大，多数表达SABG
Fig. Phentypic characteristics f senescent cells. Diagram depicting sme f the phentypic alteratins assciated with senescence initiatin, early senescence, and late phases f senescence.
Fig. Identifying senescent cells. The use f several mlecular markers that represent different characteristics f cell senescence is necessary fr identifying senescent cells. The markers are divided int categries accrding t their functin. A cmbinatin f markers representing different categries might increase the validity f the identificatin
SASP（衰老相关分泌表型）的功能
Fig. The SASP is an imprtant mediatr f the pathphysilgical functins f senescent cells. Scheme summarizing sme f the functins assciated with the SASP. The SASP mediates many f the cell-extrinsic functins f senescent cells. Amng thse it reinfrces several aspects f senescence including grwth arrest and the SASP itself via an autcrine lp. The SASP als recruits immune cells, such as macrphages, neutrphils, and natural killer (NK) cells t phagcytse and eliminate the senescent cell. Secretin f MMPs and factrs such as VEGF can remdel the surrunding tissue, inducing angigenesis and reducing fibrsis. Finally, secretin f mlecules such as TGF-β can spread the senescence phentype in a paracrine manner t surrunding cells.
复制性衰老与端粒缩短学说
三、细胞复制衰老的机制
Hayflick 精心设计的实验
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） 年轻女性细胞倍增次数多于年老男性细胞★ 细胞衰老由细胞自身因素决定的，与环境条件无关
图15-2 细胞衰老的信号通路A. 正常年轻细胞中，CDK 的活化导致Rb 蛋白磷酸化，与转录因子E2F 分离，被释放的 E2F 活化下游基因的转录，促使细胞从G1期进入S 期，细胞周期正常运行。B. 随着细胞增殖，端粒的缩短会导致细胞内DNA 修复体系包括p53 的活化，p53 继而诱导p21 的表达，p21 使得CDKs 失去活性，从而阻止Rb 蛋白的磷酸化，Rb 不能与E2F 分离，E2F 处于持续失活状态，不能正常起始G1/S 检验点若干关键因子的转录，细胞周期停滞导致细胞衰老。在细胞衰老的另一条信号通路中，氧化损伤等因素可以通过诱导p16 的表达导致细胞衰老
Replicative senescence is triggered by p53 activatin in a switch-like manner.
端粒的缩短如何引发细胞的复制衰老呢？
Fig. Mlecular pathways cntrlling grwth arrest during senescence. A variety f stressrs induce senescence-assciated grwth arrest. Cell cycle exit is regulated by inductin f the p16INK4a/Rb and p53/p21CIP1 pathways.
Fig. Pathways regulating senescence-mediated arrest.The senescence grwth arrest is regulated thrugh tw main pathways, p16INK4a/Rb and p53/p21CIP1, bth which cnverge n repressin f CDK4/6. The INK4A/ARF lcus is nrmally silenced by Plycmb repressive cmplexes (PRCs) and becmes activated during senescence. The p53/p21CIP1 pathway is activated dwnstream f the DNA damage respnse (DDR) frm repair-resistant DNA segments with chrmatin alteratins reinfrcing senescence (DNA-SCARS).
胁迫诱导的早熟性衰老（stress-induced premature senescence，SIPS）
Stress-induced premature senescence (SIPS) signaling pathway. A variety f stimuli, such as telmere ersin, DNA damage, ncgene activatin, xidative stress, anticancer drugs and inizing radiatin, induce cell-cycle arrest and transcriptin f senescence-assciated genes. Senescence signaling and grwth arrest-respnse signaling pathways have been shwn t verlap. Upn sensing senescence signals, the cell cycle checkpint machinery can frce the cell t exit the cell cycle via the CDK4 inhibitr p16 and the MDM2 inhibitr ARF. Senescence-inducing stimuli lead t upregulatin f p21, which blcks the cyclin D/CDK4-mediated hyperphsphrylatin f pRb, and prvkes cell cycle arrest and, ultimately, cellular senescence. Alternatively, these events induce ARF, which blcks the activity f the p53 inhibitr MDM2 and thereby activates p53. One f the characteristics f senescent cells is a change in mrphlgy, such as enlargement, flattening, and increased granularity. In additin, senescent cells r tissue exhibit increased activity f senescence-assciated β-galactsidase (SA-β-gal), a reliable bimarker f senescence.
BMB Rep. 2014 Feb; 47(2): 51–59.
个体的衰老（aging）是指随着年龄的增加，机体功能呈现退行性变化的现象个体衰老伴随着生殖能力的下降，死亡率的上升以及对一系列疾病如癌症，糖尿病，心血管系统功能障碍，神经退行性疾病等的易感性增加个体衰老的机制非常复杂，涉及分子，细胞，组织，器官各个层面
四、细胞衰老与个体衰老
个体衰老在基因和蛋白质分子水平上的主要标志（hallmarks）
基因组DNA 损伤在衰老个体中明显积累衰老个体的染色体端粒长度明显缩短衰老个体的DNA 及组蛋白某些位点甲基化或乙酰化修饰发生改变，染色质高级结构变化等表观遗传修饰的改变，及其引起的基因表达异常衰老个体细胞内协助蛋白折叠的体系（如分子伴侣）以及降解非正常折叠蛋白质的体系（如泛素- 蛋白酶体，自噬体- 溶酶体）发生障碍导致错误蛋白的堆积
个体衰老在细胞水平上的主要标志（hallmarks）
衰老个体中失去增殖能力和功能减退的细胞累积，不能被免疫系统及时清除。同时，衰老细胞的分泌物又造成周围细胞及组织器官生存微环境的恶化，出现个体衰老的体征成体干细胞因为细胞衰老而减弱甚至丧失组织更新的能力细胞通讯的失调，尤其是涉及传递营养信号的多条信号通路，如感受葡萄糖浓度的胰岛素及胰岛素样生长因子信号通路，感受氨基酸浓度的mTOR 信号通路等，营养过剩导致上述信号通路持续活化，加速了个体衰老线粒体功能障碍：衰老个体中线粒体损伤的累积造成能量代谢等功能性障碍
The Hallmarks f Aging
细胞衰老是个体衰老的根源
Fig. Senescence as a central hallmark f aging. Telmere damage, epigenetic dysregulatin, DNA damage, and mitchndrial dysfunctin are primary drivers f damage in aging. Several f these drivers f damage can induce senescence. Senescence can in turn drive the cnsequential aging hallmarks in respnse t damage: stem cell exhaustin and chrnic inflammatin. Other respnses t damage, such as prtestatic dysfunctin and nutrient signaling disruptin, are als integrally linked with the senescence respnse.
Fig. Bilgical cnsequences f cellular senescence. Cellular senescence can be induced by varius triggers, including, but nt limited t, telmere dysfunctin, ncgene activatin, reactive xygen species and cell–cell fusin. Shrt-term presence f senescent cells plays a beneficial rle in tumr suppressin, wund healing and embrynic develpment. Hwever, the lng-term persistence f senescent cells in tissues can paradxically prmte tumrigenesis and develpment f age-related diseases
多种形式的细胞死亡及其生物学意义
细胞凋亡的生理过程及其特征
植物细胞程序性死亡的分子机制
一、多种形式的细胞死亡及其生物学意义
Majr cell death subrutines.Mammalian cells expsed t unrecverable perturbatins f the intracellular r extracellular micrenvirnment can activate ne f many signal transductin cascades ultimately leading t their demise. Each f such regulated cell death (RCD) mdes is initiated and prpagated by mlecular mechanisms that exhibit a cnsiderable degree f intercnnectivity. Mrever, each type f RCD can manifest with an entire spectrum f mrphlgical features ranging frm fully necrtic t fully appttic, and an immunmdulatry prfile ranging frm anti-inflammatry and tlergenic t pr-inflammatry and immungenic. ADCD: autphagy-dependent cell death, ICD: immungenic cell death, LDCD: lyssme-dependent cell death, MPT: mitchndrial permeability transitin.
Frm: Mlecular mechanisms f cell death: recmmendatins f the Nmenclature Cmmittee n Cell Death 2018
随机被动性死亡：物理或化学因素导致程序性死亡（prgrammed cell death，PCD）：细胞具有内在遗传机制控制的主动性死亡方式；是维持生物体正常生长发育及生命活动的必要条件不同类型细胞在不同条件下表现出的程序性细胞死亡方式：动物细胞的凋亡（apptsis）程序性坏死（necrsis）自噬性细胞死亡（autphagic cell death）植物细胞的程序性死亡
（一）动物细胞的凋亡（apptsis）
1885 年，德国生物学家Flemming 就曾描述过卵巢滤泡细胞的凋亡形态特征。他观察到细胞死亡时伴随染色质的水解，因此将这种细胞死亡称作“染色质溶解（chrmatlysis）”1965 年，澳大利亚病理学家Jhn Kerr 观察到结扎大鼠肝门静脉后，在局部缺血的情况下，大鼠肝细胞死亡细胞的质膜及溶酶体保持完整，细胞内含物不会释放到膜外，不会诱导机体发生炎症反应。1972 年Kerr 将这一现象命名为细胞凋亡（apptsis）“apptsis”一词源自古希腊语，意指花瓣或树叶的脱落、凋零，这一命名意在强调这种细胞死亡方式是正常的生理过程
A diagram describing the mrphlgy f apptsis. Adapted frm Kerr et al. (1972)
保证正常胚胎发育进程，塑造个体及器官形态，形成免疫耐受维持生物体内的自稳态生理保护， 肿瘤监控
图15-3 原位末端标记法显示斑马鱼胚胎发育过程中的细胞凋亡正常16 体节期的斑马鱼胚胎（Cn 16s）在发育过程中部分细胞发生凋亡，突变体（248a-/- 16s）有大量细胞发生凋亡。原位末端标记法即转移酶介导的dUTP 缺口末端标记法（terminal dexynucletidyl transferase-mediated dUTP nick end labeling，TUNEL）。这一方法能对DNA 分子断裂缺口中的3′-OH 进行原位荧光标记，用荧光显微镜能观察到单个凋亡细胞
图15-4 细胞凋亡使得神经细胞与靶细胞的数量相匹配发育过程中神经细胞的数量较靶细胞多。靶细胞通过分泌存活因子来调节神经细胞的数量。不能获得足够存活因子的神经细胞发生凋亡，使得剩下的神经细胞与靶细胞的数量相当
动物发育过程中的细胞凋亡
PROGRAMMED CELL DEATH DURING DEVELOPMENT. A, Examples f cells that underg prgrammed cell death. B–D, Prgrammed cell death in the embrynic muse paw. At day 12.5 f develpment, the digits are fully cnnected by webbing. By day 13.5, the webbing has started t die, and by day 14.5, all the webbing cells are gne. E, Cells underging prgrammed cell death take up acridine range, whereas cells f the surrunding healthy tissue d nt.
细胞凋亡参与了免疫耐受的形成
杀伤性T- 淋巴细胞使被感染细胞发生凋亡
（二）程序性坏死（prgrammed necrsis）
Necrptsis in mdel rganisms
与细胞凋亡类似，这种细胞膜破裂的死亡过程，也受到细胞内特异基因的控制缺乏特异性的分子标记和抑制剂，目前对程序性坏死生理功能的了解还较为有限程序性坏死可能在机体免疫反应中发挥重要作用
（三）自噬性细胞死亡（autphagic cell death）
细胞自噬（autphagy）是细胞通过溶酶体与双层膜包裹的细胞自身物质融合，从而降解细胞自身物质的过程现在了解的自噬性死亡现象主要存在于昆虫的变态过程中，幼虫的许多细胞通过自噬性死亡和凋亡的共同作用被清除，从而建成新的成体结构自噬性细胞死亡在其它物种生理过程中的作用尚不明确。
The Nbel Prize in Physilgy r Medicine 2016
"fr his discveries f mechanisms fr autphagy."
Fig. In yeast (left panel) a large cmpartment called the vacule crrespnds t the lyssme in mammalian cells. Ohsumi generated yeast lacking vacular degradatin enzymes. When these yeast cells were starved, autphagsmes rapidly accumulated in the vacule (middle panel). His experiment demnstrated that autphagy exists in yeast. As a next step, Ohsumi studied thusands f yeast mutants (right panel) and identified 15 genes that are essential fr autphagy.
（四）植物细胞的程序性死亡
细胞程序性死亡在植物中广泛存在。主要生理功能包括：植物防御病原体的反应或称超敏反应（hypersensitive respnse，HR）植物对环境胁迫的反应植物发育进程中发挥作用植物细胞程序性死亡的方式与动物细胞差别较大。往往利用溶酶体（液泡）中的水解酶来消化分解死亡细胞，主要包括两种方式：植物细胞内液泡膜破裂，水解酶释放出来消化细胞内含物，整个细胞被迅速直接地分解而死亡（一般发生在植物发育进程中）；液泡膜与细胞膜发生融合，水解酶释放到细胞外触发细胞死亡（植物被细胞外复制的病原体感染时会诱发这种反应）
二、细胞凋亡的生理过程及其特征
图15-5 细胞凋亡的过程及特征A. 细胞凋亡过程模式图。1 正常细胞；2 细胞凋亡的起始，染色质固缩并沿核膜分布，细胞皱缩；3 凋亡中的细胞，细胞质膜反折，包裹染色质片段和细胞器等细胞碎片，形成芽状突起并逐渐脱离，形成凋亡小体；4 凋亡小体被吞噬细胞吞噬。B. 凋亡细胞的电镜照片，显示染色质的变化。上图：染色质凝集并沿核膜分布；中图，下图：染色质片段逐渐“离开”原来的细胞核，进入核膜包围的泡状结构
典型动物细胞的凋亡过程，形态学上可分为三个阶段
凋亡的起始凋亡小的形成凋亡小体被吞噬
细胞核内染色质固缩凝集
图15-6 DAPI 染色显示凋亡细胞的染色质凝集。A. 正常细胞核。B. 凋亡细胞核。4′，6- 二脒基-2- 苯基吲哚（4′，6-diamidin-2-phenylindle，DAPI）， 是常用的一种与DNA结合的荧光染料
三、细胞凋亡的分子机制
动物细胞凋亡的过程包括4个阶段：接受凋亡信号；凋亡相关分子的活化；凋亡的执行；凋亡细胞的清除动物细胞凋亡的途径Caspase依赖性和不依赖于Caspase的凋亡
1. Caspases 及其基本类型简介
Caspase（Cysteine aspartic acic specific prtease）：是一组天冬氨酸特异性的半胱氨酸蛋白水解酶caspases通常以无活性酶原形式存在于细胞质中活性位点均包含半胱氨酸残基，能够特异地切割靶蛋白天冬氨酸残基后的肽键，切割的结果是使靶蛋白活化或失活，而非完全降解Caspases 的发现源于秀丽隐杆线虫（Caenrhabditis elegans）发育的研究
Fig. Schematic representatin f structural features f mammalian caspases
透明，长仅1mm，体细胞959个1090 cells - 131 cells death = 959 cells
模式生物：秀丽隐杆线虫 C. elegans
The Nbel Prize in Physilgy r Medicine 2002
"fr their discveries cncerning genetic regulatin f rgan develpment and prgrammed cell death."
线虫和哺乳动物体内细胞死亡的途径
caspase 家族部分成员及其功能
炎症caspases： 包括caspase-1，-4，-5，-11，-12，负责产生有活性的白介素-1凋亡caspases，包括caspase-2，-3，-6，-7，-8，-9，-10， 负责介导细胞凋亡；按照功能可分为两类起始caspase（caspase-2 等）负责对效应酶的前体进行切割，产生有活性的效应caspases效应caspase（caspase-3 等）负责切割细胞核内、细胞质中的结构蛋白和调节蛋白，使其失活或活化，保证凋亡程序的正常进行caspases 家族成员还参与了细胞自噬，坏死，分化等生命活动的调控
2. caspases 在细胞凋亡中的作用机制
接受凋亡信号刺激后，酶原分子在特异的天冬氨酸位点被切割，产生的两段多肽形成大小两个亚基，再聚合成异二聚体，此即具有活性的酶
Nat Rev Ml Cell Bil, 2010, 11(9): 621-632
caspases 的活化：同源活化(hm-activatin)；异源活化(heter-activatin)
图15-7 细胞凋亡过程中caspases 的活化
效应caspases 底物
效应caspases 对底物的切割使得细胞呈现出凋亡的一系列形态学和分子生物学特征。可以分为被活化和被失活两大类：被caspase 活化的代表分子是caspases 激活的核酸酶CAD（caspase activated DNase）被caspase 失活的代表分子是聚腺苷酸二磷酸核糖转移酶（ply（ADP-ribse）plymerase，PARP）效应caspases 还通过切割细胞骨架蛋白使细胞的骨架体系发生结构变化，便于细胞改变形态以及形成凋亡小体等
DNA梯状条带（DNA Ladders）是细胞凋亡的标志之一
图15-8 细胞凋亡的典型特征-DNA 梯状条带（DNA ladders）A. DNA 梯状条带产生过程示意图。细胞凋亡时，细胞内特异性DNA 内切酶活化，染色质DNA 被随机地在核小体间切割，降解成180～200 bp 或其整数倍片段。B. 正常细胞与凋亡细胞的DNA 电泳照片。a 对照的正常人胚肾293 细胞DNA；b，过量表达肿瘤坏死因子受体1（TNFR-1）诱导凋亡的293 细胞DNA。由于提取DNA 过程中保持细胞核膜的完整，因此正常细胞的提取物中几乎没有DNA；而凋亡细胞凋亡小体中的DNA 被提取出来，长度相差200 bp 或其整数倍的DNA 分子经琼脂糖凝胶电泳分离，呈现梯状条带
3. 细胞凋亡信号通路
死亡受体引发的外源途径起始于死亡配体与受体的结合死亡配体主要是肿瘤坏死因子（TNF）家族成员；胞质部分均含有死亡结构域（death dmain，DD），负责招募凋亡信号通路中的接头蛋白线粒体引发的内源途径内源途径中，线粒体处于中心地位当细胞受内外部凋亡信号刺激时，线粒体膜通透性会发生改变，向细胞质中释放凋亡相关因子，引发细胞凋亡
图15-9 凋亡信号通路
（1）死亡受体起始的外源途径
（2）线粒体起始的内源途径
线粒体在脊椎动物细胞凋亡调控中起着重要作用
Bcl-2（the B-cell lymphma gene 2）蛋白家族
能在线粒体外膜上形成通道 促进细胞凋亡
凋亡信号“感受器”；促进细胞凋亡
Nat Rev Ml Cell Bil, 2010, 11(9): 621-632
凋亡诱导因子(apptsis inducing factr，AIF）限制性内切核酸酶 G二者均由线粒体释放，进入细胞核
Jurnal f Cell Science 2014 127: 2135-2144
caspase 非依赖的细胞凋亡（caspases independent apptsis）
Fig. Mechanism f mitchndrial permeabilisatin-mediated caspase-independent cell death
J. Exp. Med., 2010, 207(9): 1807-1817
Find-me and eat-me signal 凋亡细胞的清除
4. 生死抉择：细胞凋亡的调控
大多数细胞都需要获得存活信号来维持生存，这类信号主要来自于其它细胞分泌的细胞因子，包括多种有丝分裂原和生长因子细胞接受不到足够的存活信号，就会激活自杀程序
图15-10 存活因子通过调节Bcl-2 家族成员的活性及表达抑制细胞凋亡的发生
通过细胞死亡信号或退出生存因子诱导细胞凋亡
caspases 的活性调控
Caspases 抑制因子cIAPs（inhibitrs f apptsis）：直接与caspases 活性分子结合，阻抑其对底物的切割Smac（secnd mitchndria derived activatr f caspase）又称DIABLO（direct IAP binding prtein with lw pI）蛋白：含有IAP 结合结构域，从线粒体膜间隙释放出来后能与cIAPs 结合，释放出被封闭caspases丝氨酸蛋白酶Htra2/Omi：接受凋亡信号后从线粒体释放出来，通过切割cIAPs 解除其抑制凋亡的作用
p53 依赖性的细胞凋亡
p53 直接解除Bcl-2 对Bax/Bak 的抑制作用触发凋亡内源途径p53发挥转录因子功效，激活凋亡正调节因子，抑制负调节因子的表达p53 的活性对癌的放射和化疗效果起关键作用
四、细胞坏死的分子机制
图15-11 细胞程序性坏死的电镜照片。鼠成纤维细胞L929在TNF 及凋亡抑制剂的作用下发生坏死。细胞质出现空泡，细胞质膜破损，细胞内含物，包括膨大和破碎的细胞器释放到胞外
脑卒中坏死性上睑下垂的信号通路
DOI : 10.2174/1570159X16666180416152243
五、植物细胞的程序性死亡的分子机制
Mechanistic principles putatively invlved in the cntrl f develpmentally-regulated prgrammed cell death (dPCD)
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