第十五章细胞表老与凋亡
衰老(aging,senescence,senility)又称老化，通常指生物发育成熟后，在正常情况下 随着年龄的增加，机能减退，内环境稳定性下降，结构中心组分退行性变化，趋向死亡的不可 逆的现象。衰老和死亡是生命的基本现象，衰老过程发生在生物界的整体水平、种群水平、个 体水平、细胞水平以及分子水平等不同的层次。生命要不断的更新，种族要不断的繁衍。而这 种过程就是在生与死的矛盾中进行的。至少从细胞水平来看，死亡是不可避免的。 第一节细胞衰老 一、人体细胞的动态分类 人体的自然寿命约120岁，而组成人体组织的细胞寿命有显著差异，根据细胞的增殖能 力，分化程度，生存时间，可将人体的组织细胞分为4类：①更新组织：执行某种功能的特化 细胞，经过一定时间后衰老死亡，由新细胞分化成熟补充，如上皮细胞、血细胞，构成更新组 织的细胞可分为3类：a干细胞，能进行增殖又能进入分化过程。b过渡细胞，来自干细胞， 是能伴随细胞分裂趋向成熟的中间细胞，℃成熟细胞，不再分裂，经过一段时间后衰老和死 亡。②稳定组织细胞，是分化程度较高的组织细胞，功能专一，正常情况下没有明显的衰老现 象，细胞分裂少见，但在某些细胞受到破坏丧失时，其余细胞也能进行分裂，以补充失去的细 胞，如肝、肾细胞。③恒久组织细胞，属高度分化的细胞，个体一生中没有细胞更替，破坏或 丧失后不能由这类细胞分裂来补充。如神经细胞，骨骼细胞和心肌细胞。④可耗尽组织细胞， 如人类的卵巢实质细胞，在一生中逐渐消耗，而不能得到补充，最后消耗殆尽。 二、细胞衰老的特征 (一)形态变化 衰老细胞的形态变化主要表现在细胞皱缩，膜通透性、脆性增加，核膜内折，细胞器数量 特别是线粒体数量减少，胞内出现脂褐素等异常物质沉积，最终出现细胞调亡或坏死。总体来 说老化细胞的各种结构呈退行性变化（表15-1）。 表15-1衰老细胞的形态变化 核 增大、染色深、核内有包含物 染色质 凝聚、固缩、碎裂、溶解 质膜 粘度增加、流动性降低 细胞质 色素积聚、空泡形成 线粒体 数目减少、体积增大、tDNA突变或丢失 高尔基体 碎裂
衰老（aging，senescence，senility）又称老化，通常指生物发育成熟后，在正常情况下 随着年龄的增加，机能减退，内环境稳定性下降，结构中心组分退行性变化，趋向死亡的不可 逆的现象。衰老和死亡是生命的基本现象，衰老过程发生在生物界的整体水平、种群水平、个 体水平、细胞水平以及分子水平等不同的层次。生命要不断的更新，种族要不断的繁衍。而这 种过程就是在生与死的矛盾中进行的。至少从细胞水平来看，死亡是不可避免的。 第一节 细胞衰老 一、人体细胞的动态分类 人体的自然寿命约 120 岁，而组成人体组织的细胞寿命有显著差异，根据细胞的增殖能 力，分化程度，生存时间，可将人体的组织细胞分为 4 类：①更新组织：执行某种功能的特化 细胞，经过一定时间后衰老死亡，由新细胞分化成熟补充，如上皮细胞、血细胞，构成更新组 织的细胞可分为３类：a干细胞，能进行增殖又能进入分化过程。b 过渡细胞，来自干细胞， 是能伴随细胞分裂趋向成熟的中间细胞，c 成熟细胞，不再分裂，经过一段时间后衰老和死 亡。②稳定组织细胞，是分化程度较高的组织细胞，功能专一，正常情况下没有明显的衰老现 象，细胞分裂少见，但在某些细胞受到破坏丧失时，其余细胞也能进行分裂，以补充失去的细 胞，如肝、肾细胞。③恒久组织细胞，属高度分化的细胞，个体一生中没有细胞更替，破坏或 丧失后不能由这类细胞分裂来补充。如神经细胞，骨骼细胞和心肌细胞。④可耗尽组织细胞， 如人类的卵巢实质细胞，在一生中逐渐消耗，而不能得到补充，最后消耗殆尽。 二、细胞衰老的特征 （一）形态变化 衰老细胞的形态变化主要表现在细胞皱缩，膜通透性、脆性增加，核膜内折，细胞器数量 特别是线粒体数量减少，胞内出现脂褐素等异常物质沉积，最终出现细胞凋亡或坏死。总体来 说老化细胞的各种结构呈退行性变化（表 15-1）。 表 15-1 衰老细胞的形态变化 核 增大、染色深、核内有包含物 染色质 凝聚、固缩、碎裂、溶解 质膜 粘度增加、流动性降低 细胞质 色素积聚、空泡形成 线粒体 数目减少、体积增大、mtDNA 突变或丢失 高尔基体 碎裂
尼氏体 消失 包含物 糖原减少、脂肪积聚 核膜 内陷 (二)分子水平的变化 衰老细胞会出现脂类、蛋白质和DNA等细胞成分损伤，细胞代谢能力降低，主要表现在 以下方面： DNA:复制与转录受到抑制，但也有个别基因会异常激活，端粒DNA丢失，线粒体 DNA特异性缺失，DNA氧化、断裂、缺失和交联，甲基化程度降低。 RNA:mRNA和tRNA含量降低。 蛋白质：含成下降，细胞内蛋白质发生糖基化、氨甲酰化、脱氨基等修饰反应，导致蛋 白质稳定性、抗原性，可消化性下降，自由基使蛋白质肽断裂，交联而变性。氨基酸由左旋变 为右旋。 酶分子：活性中心被氧化，金属离子Ca2*、Zn2*、Mg2*、Fe2*等丢失，酶分子的二级结 构，溶解度，等电点发生改变，总的效应是酶失活。 脂类：不饱和脂肪酸被氧化，引起膜脂之间或与脂蛋白之间交联，膜的流动性降低。 三、细胞衰老的机理 关于衰老的机理具有许多不同的学说，概括起来主要有差错学派(Error theories)和遗 传学派(Genetic/Programmed theories)两大类，前者强调衰老是由于细胞中的各种错误积 累引起的，后者强调衰老是遗传决定的自然演进过程。其实，现在看来两者是相互统一的。 (一）差错学派 细胞衰老是各种细胞成分在受到内外环境的损伤作用后，因缺乏完善的修复，使“差错”积 累，导致细胞衰老。根据对导致“差错”的主要因子和主导因子的认识不同，可分为不同的学 说，这些学说各有实验证据。 1.代谢废物积累(waste product accumulation) 细胞代谢产物积累至一定量后会危害细胞，引起衰老，哺乳动物脂褐质的沉积是一个典型 的例子，脂褐质是一些长寿命的蛋白质和DNA、脂类共价缩合形成的巨交联物，次级溶酶体 是形成脂褐质的场所，由于脂褐质结构致密，不能被彻底水解，又不能排出细胞，结果在细胞 内沉积增多，阻碍细胞的物质交流和信号传递，最后导致细胞衰老，如老年性痴呆(D)就 是由B-淀粉样蛋白沉积引起的，因此B-AP可做为AD的鉴定指标
尼氏体 消失 包含物 糖原减少、脂肪积聚 核膜 内陷 （二）分子水平的变化 衰老细胞会出现脂类、蛋白质和 DNA 等细胞成分损伤，细胞代谢能力降低，主要表现在 以下方面： DNA：复制与转录受到抑制，但也有个别基因会异常激活，端粒 DNA 丢失，线粒体 DNA 特异性缺失，DNA 氧化、断裂、缺失和交联，甲基化程度降低。 RNA：mRNA 和 tRNA 含量降低。 蛋白质：含成下降，细胞内蛋白质发生糖基化、氨甲酰化、脱氨基等修饰反应，导致蛋 白质稳定性、抗原性，可消化性下降，自由基使蛋白质肽断裂，交联而变性。氨基酸由左旋变 为右旋。 酶分子：活性中心被氧化，金属离子 Ca2+、Zn2+、Mg2+、Fe2+等丢失，酶分子的二级结 构，溶解度，等电点发生改变，总的效应是酶失活。 脂类：不饱和脂肪酸被氧化，引起膜脂之间或与脂蛋白之间交联，膜的流动性降低。 三、细胞衰老的机理 关于衰老的机理具有许多不同的学说，概括起来主要有差错学派（Error theories）和遗 传学派（Genetic /Programmed theories）两大类，前者强调衰老是由于细胞中的各种错误积 累引起的，后者强调衰老是遗传决定的自然演进过程。其实，现在看来两者是相互统一的。 （一）差错学派 细胞衰老是各种细胞成分在受到内外环境的损伤作用后，因缺乏完善的修复，使“差错”积 累，导致细胞衰老。根据对导致“差错”的主要因子和主导因子的认识不同，可分为不同的学 说，这些学说各有实验证据。 1．代谢废物积累（waste product accumulation） 细胞代谢产物积累至一定量后会危害细胞，引起衰老，哺乳动物脂褐质的沉积是一个典型 的例子，脂褐质是一些长寿命的蛋白质和 DNA、脂类共价缩合形成的巨交联物，次级溶酶体 是形成脂褐质的场所，由于脂褐质结构致密，不能被彻底水解，又不能排出细胞，结果在细胞 内沉积增多，阻碍细胞的物质交流和信号传递，最后导致细胞衰老，如老年性痴呆（AD）就 是由 β-淀粉样蛋白沉积引起的，因此 β-AP 可做为 AD 的鉴定指标
2.大分子交联(cross linking) 过量的大分子交联是衰老的一个主要因素，如DNA交联和胶原胶联均可损害其功能，引 起衰老。在临床方面胶原交联和动脉硬化、微血管病变有密切关系。 3.自由基学说(free radical theories) 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。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。此外，机体血红蛋白、肌红蛋白中还可通过 非酶促反应产生自由基。 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(polyunsaturated fatty Acids,PUFA)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。 实验表明DNA中OH8dG随着年龄的增加而增加。OH8dG完全失去碱基配对特异性，不仅 OH8dG被错读，与之相邻的胞嘧啶也被错误复制。 正常细胞内存在清除自由基的防御系统，包括酶系统和非酶系统，前者如：超氧化物歧化 酶(SOD),过氧化氢酶(CAT),谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-PX)，非酶系统有维生素 E、醌类物质等电子受体。Orr WC和Sohal RS(1994),将铜锌超氧化物岐化酶(copper- zinc superoxide dismutase)基因导入果蝇，使转基因株具有3个拷贝的SOD基因，其寿命 比野生型延长13。这个实验为衰老的自由基学说提供了有力的证据。 4.线粒体DNA突变(mitochondrial DNA mutation) 在线粒体氧化磷酸化生成ATP的过程中，大约有1-4%氧转化为氧自由基，也叫活性氧 (reactive oxygen species,ROS),因此线粒体是自由基浓度最高的细胞器。mtDNA裸露于 基质，缺乏结合蛋白的保护，最易受自由基伤害，而催化tDNA复制的DNA聚合酶Y不具 有校正功能，复制错误频率高，同时缺乏有效的修复酶，故tDNA最容易发生突变。tDNA 突变使呼吸链功能受损，进一步引起自由基堆积，如此反复循环。衰老个体细胞中tDNA缺 失表现明显，并随着年龄的增加而增加，许多研究认为tDNA缺失与衰老及伴随的老年衰退 性疾病有密切关系。 人类的脑、心、骨骼肌的氧负荷(oxidative stress)最大，因而是最容易衰老的组织。研 究表明，限制热量(caloric restriction)摄入能明显延长小鼠的寿命。 5.体细胞突变与DNA修复(somatic mutation and DNA repair)
2．大分子交联（cross linking） 过量的大分子交联是衰老的一个主要因素，如 DNA 交联和胶原胶联均可损害其功能，引 起衰老。在临床方面胶原交联和动脉硬化、微血管病变有密切关系。 3．自由基学说（free radical theories） 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。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。此外，机体血红蛋白、肌红蛋白中还可通过 非酶促反应产生自由基。 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（polyunsaturated fatty Acids，PUFA）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。 实验表明 DNA 中 OH8dG 随着年龄的增加而增加。OH8dG 完全失去碱基配对特异性，不仅 OH8dG 被错读，与之相邻的胞嘧啶也被错误复制。 正常细胞内存在清除自由基的防御系统，包括酶系统和非酶系统，前者如：超氧化物歧化 酶（SOD），过氧化氢酶（CAT），谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-PX），非酶系统有维生素 E、醌类物质等电子受体。Orr WC 和 Sohal RS（1994），将铜锌超氧化物岐化酶（copperzinc superoxide dismutase）基因导入果蝇，使转基因株具有 3 个拷贝的 SOD 基因，其寿命 比野生型延长 1/3。这个实验为衰老的自由基学说提供了有力的证据。 4．线粒体 DNA 突变（mitochondrial DNA mutation） 在线粒体氧化磷酸化生成 ATP 的过程中，大约有 1-4%氧转化为氧自由基，也叫活性氧 （reactive oxygen species，ROS)，因此线粒体是自由基浓度最高的细胞器。mtDNA 裸露于 基质，缺乏结合蛋白的保护，最易受自由基伤害，而催化 mtDNA 复制的 DNA 聚合酶 γ 不具 有校正功能，复制错误频率高，同时缺乏有效的修复酶，故 mtDNA 最容易发生突变。mtDNA 突变使呼吸链功能受损，进一步引起自由基堆积，如此反复循环。衰老个体细胞中 mtDNA 缺 失表现明显，并随着年龄的增加而增加，许多研究认为 mtDNA 缺失与衰老及伴随的老年衰退 性疾病有密切关系。 人类的脑、心、骨骼肌的氧负荷（oxidative stress）最大，因而是最容易衰老的组织。研 究表明，限制热量（caloric restriction）摄入能明显延长小鼠的寿命。 5．体细胞突变与 DNA 修复（somatic mutation and DNA repair）
外源的理化因子，内源的自由基本均可损伤DNA,导致体细胞突变。如辐射可以导致年 轻的哺乳动物出现衰老的症状，这与个体正常衰老非常相似。正常机体内存在DNA的修复机 制，可使损伤的DNA得到修复，但是随着年龄的增加，这种修复能力下降，导致DNA的错 误累积，最终细胞衰老死亡。DNA的修复并不均一，转录活跃基因被优先修复，而在同一基 因中转录区被优先修复，而彻底的修复仅发生在细胞分裂的DNA复制时期，这就是干细胞能 永保青春的原因。 6,重复基因失活 真核生物基因组DNA重复序列不仅增加基因信息量，而且也是使基因信息免遭机遇性分 子损害的一种方式。主要基因的选择性重复是基因组的保护性机制，也可能是决定细胞衰老速 度的一个因素，重复基因的一个拷贝受损或选择关闭后，其它拷贝被激活，直到最后一份拷贝 用完，细胞因缺少某种重要产物而衰亡。实验证明小鼠肝细胞重复基因的转录灵敏度随年龄而 逐渐降低，哺乳动物RNA基因数随年龄而减少。 (二)遗传学派 认为衰老是遗传决定的自然演进过程，一切细胞均有内在的预定程序决定其寿命，而细胞 寿命又决定种属寿命的差异，外部因素只能使细胞寿命在限定范围内变动 1,程序性衰老(programmed senescence) 程序性衰老理论认为，生物的生长、发育、衰老和死亡都由基因程序控制的，衰老实际 上是某些基因依次开启或关闭的结果。例如在小鼠肝中，胚胎早期表达的胞质丙氨酸转氨酶 (cytosolic alanine aminotransferase,cAAT)为A型，随后停止表达，但是在衰老时则表达 B型cAAT,其它类似的衰老标志物(senescence markers)也有报道，如肝脏中的衰老标志 蛋白2(senescence marker protein2)也是在老年期表达。 此外程序性学派还认为衰老还与神经内分泌系统退行性变化以及免疫系统的程序性衰老 有关。 2.复制性衰老(replicative senescence)】 L.Hayflick(1961)报道，人的成纤维细胞在体外培养时增殖次数是有限的。后来许多实 验证明，正常的动物细胞无论是在体内生长还是在体外培养，其分裂次数总存在一个“极极 值”。此值被称为“Hayflick”极限，亦称最大分裂次数。如人胚成纤维细胞在体外培养时只能增 殖60-70代。 细胞增殖次数与端粒DNA长度有关。Harley等1991发现体细胞染色体的端粒DNA会随 细胞分裂次数增加而不断缩短。细胞DN八每复制一次端粒就缩短一段，当缩短到一定程度至 Hayflick点时，可能会启动DNA损伤检测点(DNA damage checkpoint)),激活p53,引起 p21表达（参见第十三章第四节），导致不可逆地退出细胞周期，走向衰亡。资料表明人的成
外源的理化因子，内源的自由基本均可损伤 DNA，导致体细胞突变。如辐射可以导致年 轻的哺乳动物出现衰老的症状，这与个体正常衰老非常相似。正常机体内存在 DNA 的修复机 制，可使损伤的 DNA 得到修复，但是随着年龄的增加，这种修复能力下降，导致 DNA 的错 误累积，最终细胞衰老死亡。DNA 的修复并不均一，转录活跃基因被优先修复，而在同一基 因中转录区被优先修复，而彻底的修复仅发生在细胞分裂的 DNA 复制时期，这就是干细胞能 永保青春的原因。 6．重复基因失活 真核生物基因组 DNA 重复序列不仅增加基因信息量，而且也是使基因信息免遭机遇性分 子损害的一种方式。主要基因的选择性重复是基因组的保护性机制，也可能是决定细胞衰老速 度的一个因素，重复基因的一个拷贝受损或选择关闭后，其它拷贝被激活，直到最后一份拷贝 用完，细胞因缺少某种重要产物而衰亡。实验证明小鼠肝细胞重复基因的转录灵敏度随年龄而 逐渐降低，哺乳动物 rRNA 基因数随年龄而减少。 （二）遗传学派 认为衰老是遗传决定的自然演进过程，一切细胞均有内在的预定程序决定其寿命，而细胞 寿命又决定种属寿命的差异，外部因素只能使细胞寿命在限定范围内变动 1．程序性衰老（programmed senescence） 程序性衰老理论认为，生物的生长、发育、衰老和死亡都由基因程序控制的，衰老实际 上是某些基因依次开启或关闭的结果。例如在小鼠肝中，胚胎早期表达的胞质丙氨酸转氨酶 （cytosolic alanine aminotransferase，cAAT）为 A 型，随后停止表达，但是在衰老时则表达 B 型 cAAT，其它类似的衰老标志物（senescence markers）也有报道，如肝脏中的衰老标志 蛋白 2（senescence marker protein 2）也是在老年期表达。 此外程序性学派还认为衰老还与神经内分泌系统退行性变化以及免疫系统的程序性衰老 有关。 2．复制性衰老（replicative senescence） L.Hayflick （1961）报道，人的成纤维细胞在体外培养时增殖次数是有限的。后来许多实 验证明，正常的动物细胞无论是在体内生长还是在体外培养，其分裂次数总存在一个“极极 值”。此值被称为“Hayflick”极限，亦称最大分裂次数。如人胚成纤维细胞在体外培养时只能增 殖 60-70 代。 细胞增殖次数与端粒 DNA 长度有关。Harley 等 1991 发现体细胞染色体的端粒 DNA 会随 细胞分裂次数增加而不断缩短。细胞 DNA 每复制一次端粒就缩短一段，当缩短到一定程度至 Hayflick 点时，可能会启动 DNA 损伤检测点（DNA damage checkpoint），激活 p53，引起 p21 表达（参见第十三章第四节），导致不可逆地退出细胞周期，走向衰亡。资料表明人的成