第二十三章 细胞衰老与死亡 学习目标 通过本章的学习，你应该能够 掌握细胞衰老的概念，细胞衰老的形态结构特点，细胞衰老的特点及细胞调亡 的概含及形态学特征 熟悉 细胞衰老的主要学说及细胞调亡的途径。 了解细胞衰老、细胞凋亡及进展及与医学的关系。 第一节细胞衰老 细胞衰老(cellular aging,cell senescence)是客观存在的。同新陈代谢一样，细胞衰老是细胞生命活 动的客观规律。对多细胞生物而言，细胞的衰老和死亡与机体的衰老和死亡是两个不同的概念，机体的 衰老并不等于所有细胞的衰老，但是细胞的衰老又是同机体的衰老紧密相关的。细胞在正常环境条件 下发生的功能减退，逐渐趋向死亡的现象。衰老是生物界的普遍规律，细胞作为生物有机体的基本单 位，也在不断地新生和衰老死亡。衰老是一个过程，这一过程的长短即细胞的寿命，它随组织种类而不 同，同时也受环境条件的影响。高等动物体细胞都有最大分裂次数，细胞分裂一旦达到这一次数就要死 亡。各种动物的细胞最大分裂数各不相同，人细胞为50~60次。一般说来，细胞最大分裂数与动物的 平均寿命成正比。细胞衰老问题不仅是一个重大的生物学问题，而且是一个重大的社会问题。随着科 学发展而不断阐明衰老过程，人类的平均寿命也将不断延长。但也会出现相应的社会老龄化问题以及 心血管病、脑血管病、癌症、关节炎等老年性疾病发病率上升的问题。因此衰老问题的研究是今后生命 科学研究中的一个重要课题。 一、细胞衰老的概述 细胞衰老(cellular aging)是细胞内部结构的衰变，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，细胞的生理功能衰退或丧失，细胞趋向死亡的不可逆的现象。 衰老是生物界的普遍规律，细胞作为生物有机体的基本单位，也在不断地新生和衰老死亡。衰老是一个 过程，这一过程的长短即细胞的寿命，它随组织种类而不同，同时也受环境条件的影响。高等动物体细 胞都有最大分裂次数，细胞分裂一日达到这一次数就要死亡。各种动物的细胞最大分裂数各不相同，人 细胞为50~60次。一般说来，细胞最大分裂数与动物的平均寿命成正比。细胞衰老时会出现水分减 少、老年色素一脂褐色素累积、酶活性降低、代谢速率变慢等一系列变化。 细胞衰老是细胞生命活动的客观规律。对多细胞生物而言，细胞的衰老和死亡与机体的衰老和死 516
第二十三章细胞哀老与死亡 亡是两个不同的概念，机体的衰老并不等于所有细胞的衰老，但是细胞的衰老又是同机体的衰老紧密相 关的。生物体内的绝大多数细胞，都要经过未分化、分化、衰老、死亡等几个阶段。可见细胞的衰老和死 亡也是一种正常的生命现象。生物体内每时每刻都有细胞在衰老，死亡，同时又有新增殖的细胞来代替 它们。例如，人体内的红细胞，每分钟要死亡数百万至数千万之多，同时，又能产生大量的新的红细胞递 补上去。近半个世纪以来，生物学家通过大量研究表明，细胞衰老实际上是它的一种重要的生命活动 但是这一观点在60年代初由于Hayflick等人的研究和实验而受到了猛烈的冲击。1961年Hayflick等 人研究发现，培养细胞是有 定寿命的，它们的增殖能力有一定限度，在一个范围常数之内 -Hayflick 常数，又称Hayflick界限。例如从胎儿肺得到的成纤维细胞可在体外传代50次，从成人肺得到的成 纤维细胞只能传20次，可见细胞的增殖能力与供体年龄有关。Hayik还发现不同寿命生物的胚胎 成纤维细胞在体外传代的次数不同。例如Gala即agos龟的平均寿命为175岁，其培养细胞传代达 90~125次：小鼠平均寿命为3.5年，其细胞培养仅传14~28次。表明细胞在体外的传代次数与生 物机体的寿命有关，寿命越长，传达次数越多。体外培养的细胞，不是不死的，而是有一定寿命的，它 们的增殖能力不是无限的，而是有一定的界限。即Hayflick界限。从而引出了细胞最高分裂次数的 问题。通过细胞衰老的研究可了解衰老的某些规律，对认识衰老和最终找到推迟衰老的方法都有重 要意义。 二、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：)干细胞，能 进行增殖又能进人分化过程。)过被细胞，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。 三、细胞衰老的特征 研究表明，衰老细胞的核、细胞质和细胞膜等均有明显的变化：①细胞内水分减少，体积变小，新陈 代谢速度诚慢；②细胞内酶的活性降低：③细胞内的色素会积累；④细胞内呼吸速度减慢，细胞核体积增 大，线粒体数量减少，体积增大：⑤细胞膜通诱性功能改变，使物质运输功能降低 四、形态变化 总体来说老化细胞的各种结构呈退行性变化。衰老细胞的形态变化表现有 1.核增大、染色深、核内有包含物。 2.染色质凝聚、固缩、碎裂、溶解。 3.质膜黏度增加、流动性降低 4.细胞质色素积聚、空泡形成， 5.线粒体数目减少、体积增大 6.高尔基体 碎裂。 7.尼氏体消失。 8.包含物 糖原减少、脂肪积聚 9.核膜内陷。 %
第五篇细胞分裂增殖与生长发育 五、分子水平的变化 1.DNA从总体上DNA复制与转录在细胞衰老时均受抑制，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。 2.RNA mRNA和RNA含量降低。 3.蛋白质合成下降，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。 4.酶分子活性中心被氧化，金属离子Ca2+、Z2·、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。 5.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。 六、细胞衰老的分子机制 衰老(ageing,senescence)是本世纪生物学研究的八大方向之一。随着生物技术、分子生物学和现代 医学的发展，揭示衰老的机制，探索出高效、安全可靠的抗衰老方法，这就是衰老生物学和老年医学研究 的重要领域。近几十年来，随着各边缘学科的飞速发展，人类对于衰老的认识也从整体动物水平推进到 了细胞和分子水平，在大量实验证据的基础上提出了许多学说。从古到今，人们对衰老的机制有各种名 样的理解，提出了数不请的假说和理论，据统计，迄今为止曾提出过的度老假说和理论竟多达300种以 上！这数百条思路，除了完全的谬误之外，多是从不同角度和深度反映了衰老这一复杂过程的某一侧面 或层次。20世纪80年代前，技术与手段所限，国际上从器官水平、整体水平研究衰老机制多年，但成男 寥寥。所举学说繁多：基因控制说、自由基损伤说、代谢产物交联说、体细胞突变说、差错积累说、免疫素 乱说等不下数百种，各有千秋，众说纷纭，莫衷一是。直到90年代以来，其分子机制的研究才有了重大 进展，比如单基因的突变导致寿命的显著延长、端粒和端粒酶与细胞度老关系的发现等。近几十年来 随着现代遗传学、分子生物学、细胞生物学和分子免疫学等边缘学科的飞速发展，人们对衰老的机制有 了深层次的认识，在大量实验证据的基础上提出了许多新的学说。随着细胞生物学、分子生物学等学科 的迅速发展，推动了衰老机制的深人研究，并且已取得重大的进展，提出了若干具有科学价值衰老学说。 大体上可分为两大类：即一类为遗传衰老研究，认为衰老是机体有序的基因活动，是通过遗传按程序矿 先安排好的，或为特异的“衰老”基因所表达，或为可用基因的最终耗竭：另一类为环境伤害研究，认为 衰老是无序的、没有一定的程序，随机发生一系列紊乱的结果，是细胞器的进行性和累积性毁坏的结果 下面介绍20世纪60年代起开始出现的一系列衰老理论。 【一)差错学派 差错学派即错误/损害学说，它认为DNA突变、蛋白质或RNA缺乏积累、细胞代谢等原因导致遗传 信息退化和丧失，蛋白质合成过程中的DNA复制、转录都可能产生差错，它不同于变异，多楼入或少接 入一个核苷酸、或者以另一种核苷酸替代了该位点原有核苷酸。正常情况下这些差错可由修复机制 (外切酶)来修复，但这种差错也可能发生在参与这种修复机制的酶类而使该修复机制的修复能力降低 或丧失，这种差错在体内的累积可导致衰老。但此种假说面临着挑战，有研究者的实验资料证实：增殖 数不同的细胞中蛋白质合成的精确性和可靠性无任何重大不同，以及青龄和老龄细胞培养的病毒无 别，揭示老化细胞中仍维持着蛋白质等代谢的精确性，随着分析方法和技术的提高，许多衰老细胞基因 表达的变化被阐明，大部分是伴随细胞衰老而发生的变化而不是引起细胞衰老的原因，由此产生了目前 盛行的遗传程序学说。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，导致细胞赛老。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,代谢废物积累学说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 518
第二十三章细胞衰老与死亡 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。研究还发现老年性痴呆(AD)脑内的脂褐 质、脑血管沉积物中有B-淀粉样蛋白，因此B-AP可作为AD的鉴定指标。 2。自由基学说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。其种类多、数量大，是活性极高的过渡态中间产物。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。自由基的化学性质活泼，可攻击生物体内的DNA,蛋 白质和脂类等大分子物质，造成损伤，如DNA的断裂、交联、碱基羟基化。蛋白质的变性而失活，膜脂中 不饱和脂肪酸的氧化而流动性降低。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OH8G被错读，与之相邻的胞密啶也被错误复制。大量实验证明实，超氧化 物歧化酶与抗氧化酶的活性升高能延缓机体的衰老。Sohal等人(1994、1995)，将超氧化物歧化酶与过 氧化氢酶基因导人果蝇，使转基因株比野生型这两种酶基因多一个拷贝，结果转基因株中酶活性显著升 高，平均年龄和最高寿限有所延长。 3.体细胞突变学说体细胞突变学说认为突变引起的细胞形态变化及功能失调或丧失是人体哀 老的重要原因。二倍体细胞中两条染色体上等位基因都被某些突变因素击中时，子代细胞会很快发生 形态、功能的改变，甚至死亡。由此可见，二倍体细胞的衰老性改变取决于这种等位基因被击中的比率 以及所造成缺陷的水平 4.DNA损伤修复学说外源的理化因子，内源的自由基本均可导致DNA的损伤。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DN 的错误累积，最终细胞赛老死亡。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，这就是干细胞能永葆青春的原因。 5.生物分子自然交联学说认为体内甲醛、自由基(free radicals)等物质可以引起体内DNA分子 双链间、蛋白胶原纤维间等大分子间的交联。DNA双链的交联可在DNA解链时形成“Y”形结构，使转 录不能顺利进行。胶原纤维间的交联可使纤维结缔组织在正常交联的基础上过度交联，从而使对小分 子物质的通透性降低，可能与结缔组织变性有关，从而影响了结缔组织的张力及韧性。故这种交联可能 引起各种不良后果而导致衰老，其与衰老的确切关系尚等进一步证实。过量的大分子交联是衰老的 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 (二)遗传论学派 贵传程序学说(enetic program theory)认为每一种物种本身周有其责传基因上的衰老程序，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，而外部因素只能使细胞寿命在限定范围内变动。遗传假说最早的实验是1961年Haflick的 “Havflick界限”，由此提出了“程序学说”，也称“生物钟学说”。认为衰老是遗传基因控制程序化的过 程，不同种属的生物之所以有不同的寿命，是因为它们的出生、发育、成熟、衰老和死亡都是由遗传基因 决定的。每种生物都有自己的时问表，寿命是预先定好的。可是遗传基因是如何导致衰老的呢？对此 有端粒学说、DNA甲基化等理论作解释。 1.细胞有限分裂学说（生物钟学说）L.Hyik(1961)报道，人的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。现在普遍认为细胞增殖次数与端粒DNA长度有关。DNA复制时，由于DNA的不 完全复制使DNA末端少量丢失，而端粒酶会重新加上这些丢失的重复TTAGGG序列。Harley等199】 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。DNA复制一次端粒就缩短一段，当缩 短到一定程度至Hayflick点时，细胞停止复制，而走向衰亡。可见染色体的端粒有细胞分裂计数器的功能， 519
第五篇 细胞分裂增殖与生长发育 能记忆细胞分裂的次数。随着细胞的连续分端数深折缩短.细胞老化并丧失繁殖能力而死广 2.重复基因失活学说真核生物基因组有许多重复序列，这种高度重复并保守的序列预示其基因 产物执行某种重要的生理功能。重复基因失活假说认为某一基因序列破坏或抑制时，则由重复序列中 另一个相同基因序列来接替，当这种重复序列被耗竭时则该基因产物就缺失了。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，巾可能是决定细胞其老速度的一个因素，重复基因的一个烤贝受相或 选择关闭后，其他拷贝被激活，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。 3.衰老基因学说大量研究资料证明物种的平均寿命和最高寿命(maximun life-span)是相当恒定 的，所以，物种的寿命显然是在一定程度上受遗传基因控制的，目前，基因确可影响生物的衰老及寿限，已 经为大量的研究所证明。衰老并非由单一基因所决定，而是一连申基因激活和阻抑，及其通过各种自产物 相互作用的结果。统计学资料表明，子女的寿命与双亲的寿命有关，各种动物都有相当恒定的平均寿命和 最高寿命，成人早衰症患者平均39岁时出现衰老，47岁左右生命结束，患婴幼儿早衰症(Hutchinson-Gilford yndrome,图1)的小孩在1岁时出现明显的衰老，l2-18岁即过早天折。由此来看物种的寿命主要取决于 遗传物质，DN链上可能存在一些“长寿基因”或“衰老基因”来决定个体的寿限。 衰老基因和长寿基因是一个矛盾的两个方面。以线虫Caenorhabditis elegans(平均寿命仅20天，话 于寿限研究)所做研究表明，其g-1单基因突变可提高平均寿命65%，提高寿限110%。Ag©-1突变 C.elegans的抗氧化酶活力、应变能力都强，耐受H2O,、农药、紫外线及高温的能力都强于野生型 C.elegans。在人类细胞衰老基因研究方面，近年来也取得了较大进展。研究表明动物种系之间极大的 寿命差异是由于某些所谓的衰老基因的调控在起作用，当细胞衰老时，一些衰老相关基因(SAG)表达特 别活跃，其表达水平大大高于年轻细胞，已在人1号染色体、4号染色体及X染色体上发现SAG 美国科学家日前通过对芽殖酵母和线虫的基因分析，鉴别出两种生物共有的25个负责调控寿命片 短的基因。在这25个“长寿基因”中，至少15个在人的基因组内存在相断版本。这音味着，科学豪有可可 能借此锁定人体内的基因目标，研究如何减缓人的衰老过程，治疗衰老引发的相关疾病。研究小组人员 介绍说，他们选择了单细胞芽殖酵母和秀丽隐杆线虫为基因分析对象，二者都是衰老研究领域常用的模 型生物。从进化史来看，这两种生物之间相距大概有15亿年，如此悬殊的进化差距比小毛虫和人之间的 进化距离还要大。正因如此，从这两种生物体内鉴别出共同拥有的与寿命相关的基因才显得意义重大 另外，人的基因组内也有十几个类似基因存在，这表明，类似基因很可能也能调控人的寿命（图231）。 4.线粒体DNA突变学说呼吸链反应是产 生自由基的重要来源，线粒体在活细胞内产生 90%的白由基，同时也是自由基相伤的重要目标 尤其是线粒体DNA(mtDNA)裸露，无组蛋白保护 并且修复校正系统功能较差，因此tDNA比核内 DNA更易产生突变。自由基对mtDNA造成的突变 积累到一定程度.会导致tDNA重要功能的丧失 许多资料证明mtDNA突变随年龄增高而积累，饮 食限制可以降低线粒体DNA的突变发生率 tDNA的突变与衰老、心肌缺血、老年心衰等老年 性疾病的发生有密切关联。自由基还可通过氧化 心肌磷脂(cardiolipin)而影响线粒体电子传递链复 合体1的活性，从而破坏线节体的功能 近年来研究已经发现某些疾病与mtDNA碱基 图231正常9岁儿童（左）与8岁早衰症儿童骤片 替换突变有关。如Lerbe遗传性视神经病(Lerbe's 520