第十四章：細胞衰老、死亡與癌變1整理ppt14.細胞衰老、死亡與癌變14.1細胞衰老(cellularaging，cellsenescence)在生物機體內大多數細胞都要經歷未分化到分化、分化到衰老、衰老至死亡的歷程。因此,細胞總體的衰老反響了機體的衰老,而機體的衰老是以總體細胞的衰老為根底的。

14.1.1衰老的概念●衰老是機體在退化時期生理功能下降和紊亂的綜合表現,是不可逆的生命過程。人體是由細胞組織起來的,組成細胞的化學物質在運動中不斷受到內外環境的影響而發生損傷，造成功能退行性下降而老化。細胞的衰老與死亡是新陳代謝的自然現象。●細胞衰老是客觀存在的。同新陳代謝一樣,細胞衰老是細胞生命活動的客觀規律。2整理ppt14.1.2細胞的壽限細胞也同生物體一樣，有一定的壽命，體內總有細胞不斷地衰老與死亡,同時又有細胞的增殖與新生進行補充。■Hayflick界限(Hayflicklifespan)●1961年，LeonardHayflick首次報道了體外培養的人的成纖維細胞(humanfibroblasts)具有增殖分裂的極限。他利用來自胚胎和成體的成纖維細胞進行體外培養，發現：胚胎的成纖維細胞分裂傳代50次后開始衰退和死亡〔圖14-1〕，相反，來自成年組織的成纖維細胞只能培養15～30代就開始死亡。左邊是只分裂了幾代的年輕成纖維細胞，呈現薄層、細長的形態；右邊是別離了50次的老的成纖維細胞，開始衰退，并很快死亡。圖14-1體外培養的年輕和老的人成纖維細胞的顯微形態3整理ppt●Hayflick等發現，動物體細胞在體外可傳代的次數，與物種的壽命有關。例如，Galápagos龜的最高壽命是175歲，它的細胞在體外培養時能分裂100次。而小鼠的壽命只有幾年，所以從小鼠別離的細胞在體外分裂的次數不超過30次〔圖〕。圖14-2物種的壽命與體外培養時細胞傳代次數的關系長壽物種的細胞體外培養的代數比短壽物種的細胞代數多，說明細胞的衰老是由生物本身的程序決定的。灰色局部表示生物的壽命，白色局部部份表示體外培養傳代的次數。4整理ppt■細胞的壽限●各類細胞本身的壽命很不一樣,一般說來,能夠保持持續分裂能力的細胞是不容易衰老的。分化程度高又不分裂的細胞壽命卻是有限的。表14-1列出了成年小鼠各類細胞的壽命。●表14-1根據細胞壽命情況將細胞分為三類：第一類細胞的壽命接近于動物的整體壽命，如神經元，脂肪細胞，肌細胞等。第二類是緩慢更新的細胞，其壽命比機體的壽命短，如肝細胞，胃壁細胞等。第三類是快速更新的細胞，如皮膚的表皮細胞，紅細胞和白細胞等，它們在正常情況下終生保持分裂能力。舉例說明三類不同壽命的細胞各有什么特點？接近或等于動物自身壽命的細胞緩慢更新（長于30天，短于動物的平均壽命）的細胞快速更新（少于30天）的細胞神經元腎上腺皮質細胞皮膚表皮細胞腎上腺髓質細胞腎皮質細胞口腔和胃腸道上皮細胞胞骨細胞唾液腺細胞紅細胞和白細胞肌細胞胰臟腺泡細胞及胰島細胞角膜上皮細胞胃酶原細胞胃壁細胞

脂肪細胞肝細胞

腎髓質細胞

表14-1成年小鼠各類細胞的壽命5整理ppt14.1.3細胞衰老的特征■細胞內水分減少●細胞內水分減少的原因可能是由于構成蛋白質親水膠體系統的膠粒受時間或其他因素的影響，逐漸失去電荷而相互聚集，膠體失水，膠粒的分散度降低，不溶性蛋白質增多，導致細胞硬度增加，代謝速度減慢而趨于老化。■色素生成和色素顆粒沉積〔即461頁致密體〕許多細胞內色素的生成,隨著衰老而增加。脂褐素也稱老年色素，首先在衰老個體的神經元的胞漿中被發現，它在分裂指數低或不分裂的細胞，如肝細胞、肌細胞和神經細胞中的積聚尤為明顯。在人和大鼠的腦皮層和海馬中脂褐素的積累是衰老的常見形態特征之一。■衰老過程中細胞質膜的變化細胞質膜的流動性降低：隨年齡的增大，膜結構中的磷脂含量逐漸下降，使質膜中膽固醇與磷脂的比值升高；但磷脂中不飽和脂肪酸含量及卵磷脂與鞘磷脂的比值卻隨年齡的增高而下降，使得細胞質膜的粘性增加，流動性降低。再加上質膜發生脂質過氧化反響，使細胞的興奮性降低，離子轉運的效率下降以及對內源性和外源性刺激的反響性也隨之降低。6整理ppt■衰老過程中線粒體的變化有人認為線粒體是細胞衰老的生物鐘。研究結果說明,細胞中線粒體的數量隨著年齡的增大而減少，而其體積那么隨著年齡的增大而增大。與衰老關系緊密的是線粒體DNA(mtDNA)突變。不少學者發現體細胞中mtDNA突變隨年齡而增加存在著與衰老直接正相關性。■細胞核的變化核膜內折。染色質固縮化。染色體端粒的縮短。

■細胞骨架體系的變化細胞骨架被認為是細胞代謝功能的調節者,尤其是微絲系統與細胞增殖和細胞分化的調節直接相關。細胞骨架的改變包括微絲系統的結構和成分發生變化和核骨架的變化。■蛋白質合成的變化在細胞衰老過程中蛋白質合成速度降低，原因是由于核糖體的效率和準確性降低及蛋白質合成延伸因子的數量和活性降低所致。7整理ppt14.1.4細胞衰老的理論●半個世紀以來，科學家們致力于分析衰老發生的原因及導致衰老變化的機制，提出很多種有關衰老起因的觀點或學說。如遺傳程序說、體細胞突變論、錯誤成災說、自由基理論、線粒體損傷論等，近幾年，又有衰老基因和衰老相關基因的研究報道。●由于衰老是一個十分復雜的生命現象，又受到多種因素包括環境因素和體內因素的影響，任一角度的闡述都難以使衰老機理得到圓滿解釋，因而目前仍未形成較為一致的論點。●雖然衰老的理論很多，但歸納起來主要分為兩類：一類是遺傳程序論，另一類是損傷積累論。8整理ppt■衰老的遺傳程序論(geneticprogramtheory)衰老的遺傳程序論認為衰老是遺傳上的程序化過程，衰老是受特定基因控制的。一切生理功能的啟動和關閉都是按照一定程序進行的。這一理論有三方面的證據的支持：①Hayflick的細胞培養實驗；②發現人從30歲開始，人體各種器官的功能有1%的減退；③衰老基因控制的早老綜合癥〔symptomsofearlyaging，〔圖14-3〕。左邊是一個正常健康的9歲兒童，右邊是一個患早老癥的8歲兒童什么是衰老的遺傳程序論(geneticprogramtheory)？圖14-3早老癥兒童與正常兒童的比較9整理ppt■衰老的損傷積累論衰老的損傷積累理論認為，由于修復和維持總是少于無限存活的需求而出現的損傷積累。損傷的積累可以通過細胞成分的磨損和撕裂的方式或合成錯誤的方式出現。這些錯誤包括DNA復制錯誤、蛋白質合成錯誤。最有代表性的理論是錯誤成災理論。它是指細胞大分子合成錯誤成災。意思說,細胞里的核酸和蛋白質在生物合成中如果由于某些原因發生過失,當變質的非功能蛋白到達一定水平時，出現完全喪失功能的“錯誤災難〞。

■細胞衰老的端粒假說(mitochondrialtelomeretheory)Harley于1990年提出細胞衰老端粒假說。人類染色體末端普遍存在端粒結構，但各類細胞端粒長度各有差異，一般體細胞的端粒比生殖細胞短。人類染色體端粒是由250～1500個進化上高度保守的TTAGGG重復順序組成，是由端粒酶催化合成的。Harley等發現人體內成纖維細胞端粒每年約縮短14～18bp，而外周血淋巴細胞那么每年縮短33bp。正常人二倍體成纖維細胞在體外培養時隨代數的增加，細胞中的端粒以一定速率縮短，DNA每復制一次，端粒就縮短一段。人體血細胞與皮膚細胞端粒長度也隨增齡而相應縮短。因此，端粒記錄著細胞的年齡并預示它死亡的時限。何謂衰老的端粒假說？依據是什么？10整理ppt■細胞衰老的線粒體損傷論Cortopassi和Amteim用聚合酶鏈式反響(PCR)法檢查發現，成人心臟、肌肉和腦的線粒體有DNA片段低水平的喪失，胎腦和胎心那么無此現象。目前，美、加、日等國多個實驗室相繼報道，衰老期間人體線粒體DNA出現異常，而且阿爾采默(Alzheimer)病腦組織線粒體中DNA損傷甚為多見。此外，老年糖尿病亦與線粒體DNA的損傷有關等。研究發現老齡人各種mtDNA缺失突變存在突變“熱點〞，即缺失突變的缺失片段5＇和3＇端斷裂位點的側翼具有4～13bp同向重復序列，如5kb常見缺失的側翼為13pb的5'ACCTCCCTCACCA重復順序。動物實驗也證實線粒體DNA有隨年齡增加，其喪失頻率升高現象。11整理ppt■自由基理論(freeradicaltheory)●自由基及其性質：自由基是指那些在原子核外層軌道上具有不成對電子的分子或原子基團。所謂未成對電子,就是指那些在原子或分子軌道中未與其它電子配對而獨占一個軌道的電子。如AB兩個原子各提供一個電子通過共價鍵形成一個分子A∶B,這兩個電子是配對的。如果在化學反響中發生了均裂,A和B各帶走一個電子,它們就是未成對電子。A∶B→A·+·BA·和·B就稱為自由基。在正常條件下，自由基是在機體代謝過程中產生的。此外，空氣污染，輻射，某些化學物質等都可影響自由基的產生。具有自由基的是一類高度活化的分子。當這種分子與其他物質反響時，力圖得到電子，而對細胞及組織產生十分有害的生物效應。●自由基對生物大分子的損傷：自由基由于活性強，容易與細胞內的生物大分子發生反響。過多的自由基會對許多細胞組分造成損傷。它們能使質膜中的不飽和脂肪酸氧化，從而使膜內酶活性破壞、膜蛋白變性、膜脆性增加、膜結構發生改變，因而膜的運輸功能紊亂以至喪失；它們還能將蛋白質中的巰基氧化而造成蛋白質發生交聯、變性，使酶失活；另外它們還能使DNA鏈斷裂、交聯、堿基羥基化、堿基切除等，從而對DNA造成損傷。有人認為在衰老的原因中，99％是由自由基造成的。12整理ppt5.自由基如何對細胞產生傷害？答:細胞內自由基的濃度過高時，常與生物大分子發生反響，破壞了生物大分子的結構，從而傷害了細胞，這些反響包括：〔1〕自由基與核酸分子中的堿基發生加成反響，OH·等加到堿基(胸腺嘧啶C6或C5,腺嘌呤C8)的雙鏈上，破壞堿基可產生基因突變。〔2〕自由基可加成到膜脂及其他脂類不飽和脂肪酸的雙鏈中，引起脂質過氧化，并可產生新的自由基。如脂質過氧化可使線粒體損傷，導致能量代謝障礙;微粒體損傷，使多聚核糖體解聚,抑制蛋白質合成;溶酶體損傷可使溶酶體膜通透性改變，使機體受到更大損傷。〔3〕自由基常攻擊肽鏈上的脯氨酸殘基，引入羰基而生成α-吡咯烷酮，經水解與其相鄰氨基酸斷開，造成蛋白質斷裂。此外自由基還引起蛋白質交聯、蛋白質殘基側鏈基發生改變、破壞蛋白質高級結構等。〔4〕自由基的氧化損傷涉及到細胞骨架蛋白。如肌動蛋白是構成微絲的主要蛋白質。用肌動蛋白做實驗，發現它的4個一SH為氧化過程的靶子，肌動蛋白與氧化型谷胱甘肽(GSSG)之間形成二硫鍵可導致分子外表電荷的改變;在老化的紅細胞中也可檢測出類似的修飾物，用醌處理的細胞中也發現不同肌動蛋白分子或肌動蛋白與其他蛋白質之間形成二硫鍵〔圖14Q-1〕，這種氧化性蛋白質交聯引起大分子的聚結。圖14Q-1細胞骨架肌動蛋白中巰基氧化的機理13整理ppt●衰老的自由基學說衰老的自由基學說是美國科學家Harman1955年在美國的原子能委員會提出的,題目是“衰老:根據自由基和放射化學提出的理論〞。這一學說是建立在實驗研究的根底上的，核心內容有三條：(1)衰老是由自由基對細胞成分的有害進攻造成的。(2)這里所說的自由基，主要就是氧自由基，因此衰老的自由基理論，其實質就是衰老的氧自由基理論。〔3〕維持體內適當水平的抗氧化劑和自由基去除劑水平可以延長壽命和推遲衰老。老年人皮膚上的老年斑〔agespots〕就是自由基對細胞破壞的見證〔圖14-4〕。圖14-4老人斑：自由基攻擊細胞的見證14整理ppt機體如何防止自由基的傷害機體內存在著自由基去除系統，其可以最大限度地防御自由基的損傷。自由基去除系統包括酶促反響和非酶促反響兩局部。酶促反響所需酶有谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-PX)、超氧化物歧化酶(superoxidedismutase,SOD)、過氧化物酶(POP)及過氧化氫酶(catalase,CAT)。非酶促反響的作用物質主要為一些低分子的化合物，是一些抗氧化作用的物質，統稱抗氧化劑(antioxidant)，主要有谷胱甘肽(GSH)、維生素C、β-胡蘿卜素、維生素E、半胱氨酸、硒化物、巰基乙醇等。此外，細胞內部形成的自然隔離，也能使自由基局限在特定部位，如氧化反響產生的自由基主要在線粒體內，線粒體作為獨立的細胞器可很大限度地阻止自由基的擴散。15整理ppt14.2細胞死亡(celldeath)●細胞死亡的一般定義是細胞生命現象不可逆的停止。細胞死亡有兩種形式：一種為壞死性死亡，是由外部的化學、物理或生物因素的侵襲而造成的細胞崩潰裂解；另一種為程序性死亡，是細胞在一定的生理或病理條件下按照自身的程序結束其生存。多細胞生物隨時都在進行著有規律的程序化細胞死亡，如人類的淋巴細胞系統、神經系統等。如何判斷細胞的死亡？16整理ppt14.2.1多細胞有機體中細胞數量和質量的控制在多細胞生物體中，細胞分化發育到一定的階段，細胞的數量要控制在一定的水平，不能讓其無限的分裂和增殖。不同的生物控制的細胞數量水平是不同的，如一個受精的老鼠卵細胞和一個受精的人卵細胞在體積上大小相似，但是成年的老鼠比成年的人要小得多，這主要是細胞數量的差異。那么是什么原因控制著這種數量的差異?這主要是細胞的增殖、細胞的存活壽命和細胞的死亡這三者間有著嚴格的調控機制。■信號控制細胞的增殖單細胞的生物如細菌和酵母都是盡可能快地生長和分裂，它們的增殖速率依周圍環境中的營養而定。而多細胞的生物體中的細胞是高度組織化的，細胞的增殖必須靠指令行事，需要補充細胞數量時，由特定的組織發出指令。因此，對于動物細胞的增殖僅有營養是不夠的，還必須有指令，這種指令通常來自鄰近細胞。由指令決定細胞是進行增殖還是停止進入細胞周期。Rb蛋白參與的細胞周期的調控就是信號控制細胞增殖的典型例子。Rb蛋白如何依賴信號控制細胞的增殖？17整理ppt9.Rb蛋白如何依賴信號控制細胞的增殖？答:Rb蛋白是成視網膜細胞瘤蛋白。在脊椎動物的細胞核中Rb蛋白很豐富，它通過與特定的基因調節蛋白相結合，以阻止與增殖有關基因的轉錄。一些細胞外的刺激細胞增殖的信號如生長因子能夠導致G1周期蛋白-Cdk復合物的激活。Rb蛋白的磷酸化改變Rb蛋白的構型從而釋放它所結合的與細胞增殖有關的調節蛋白〔E2F〕，啟動相應基因的表達，從而使細胞進入S期(圖14Q-2)。該途徑中，第一個被鑒定的信號分子是血小板衍生生長因子(platelet-derivedgrowthfactor,PDGE),它通過與細胞質膜中的受體結合，激活細胞內的信號傳導途徑。該信號途徑引起的細胞增殖主要是通過細胞分裂進行傷口的愈合，用新生成的細胞取代壞死的細胞。其機理是：當形成血塊時，血塊中血小板被觸發釋放PDGE,釋放出的PDGE與傷口處的活細胞質膜中酪氨酸蛋白激酶受體結合，引起細胞的增殖分裂，對傷口進行愈合。圖14Q-2Rb蛋白對細胞增殖的控制18整理ppt體外培養的大多數動物細胞都需要一些特別的生長因子促使細胞的分裂和增殖。這些生長因子主要是選擇性的調控某些與分裂增殖有關基因的表達，進行細胞分裂的控制。表14-2列出一些常見的生長因子以及它們的作用。※：表中除紅細胞生成素外，其它生長因子都能激活多種類型細胞的增殖。生長因子功能※血小板生長因子(PDGF)激活結締組織細胞增殖表皮生長因子(EGF)激活皮膚組織細胞增殖成纖維細胞生長因子(FGF)激活成纖維細胞增殖肝細胞生長因子(HGF)激活肝細胞增殖紅細胞生成素(EPO)激活紅細胞的增殖、分化和發育表14.2某些生長因子和它們的作用19整理ppt■Cdk抑制蛋白控制細胞增殖的質量細胞有嚴格的自我調節機制，控制著細胞增殖的質量。如DNA因某種原因造成損傷后，細胞被阻止在S期，G2期就不能進行。在這一調控過程中，Cdk抑制蛋白(Cdkinhibitorproteins)起重要作用，這些抑制蛋白可以阻止Cdk的裝配或抑制Cdk的活性。例如當DNA在S期受到損傷時可使抑癌基因P53的產物P53蛋白濃度升高，P53蛋白進一步激活編碼Cdk抑制蛋白P21基因的轉錄和表達，合成的P21蛋白抑制S-期周期蛋白-Cdk復合物的活性，一直等待受損傷的DNA修復和正確復制之后才進入G2期(圖14-5)。當DNA受到損傷時，P53蛋白合成增加，并被激活；激活的P53促進編碼Cdk抑制蛋白P21的基因轉錄。P21蛋白與S期周期蛋白-Cdk復合物結合，并使它們失活，因此，細胞被阻止在G1期。圖14-5P53將細胞阻止在G1期的機理20整理ppt14.2.2程序性細胞死亡(programmedcelldeath,PCD)的根本特性又稱為細胞凋亡(apoptosis)。程序性細胞死亡是指為維持內環境穩定，由基因控制的細胞自主的有序性的死亡，它涉及一系列基因的激活、表達以及調控等的作用，因而是具有生理性和選擇性的。Apoptosis的概念來自于希臘語，原意是指樹葉或花的自然凋落，而細胞發生程序性死亡時，就像樹葉或花的自然凋落一樣，凋亡的細胞散在于正常組織細胞中，無炎癥反響，不遺留瘢痕。死亡的細胞碎片很快被巨噬細胞或鄰近細胞去除，不影響其他細胞的正常功能。21整理ppt■細胞壞死與編程細胞死亡細胞壞死(necrosis)與細胞程序死亡是兩種完全不同的過程和生物學現象，在形態學、生化代謝改變、分子機制、細胞的結局和意義等方面都有本質的區別〔圖14-6〕。什么是程序性細胞死亡？與細胞壞死有什么不同？圖14-6細胞的兩種死亡方式及其比較22整理ppt■編程性細胞死亡的特征●程序化細胞死亡具有明顯的形態學特征,包括細胞變圓，染色質聚集、分塊，胞質皺縮(圖14-7)。圖14-7正常的細胞與編程性死亡細胞形態比較a.掃描電鏡觀察的正常T-細胞；b.掃描電鏡觀察的編程死亡的T-細胞的形態，外表可見許多芽；c.用抑制劑處理的正處于膜起泡階段(membraneblebbingstage)的編程死亡細胞的透射電鏡照片。23整理ppt●編程性死亡細胞的核DNA在核小體連接處斷裂成核小體片段，并向核膜下或中央異染色質區聚集形成濃縮的染色質塊，隨著染色質不斷聚集，核纖層斷裂消失，核膜在核孔處斷裂，形成核碎片。然后整個細胞通過發芽(bybudding)、起泡(byzelosls)等方式形成凋亡小體(apoptoticbody)，或通過分隔機制：在凋亡細胞內由內質網分隔成大小不等的分隔區，靠近細胞膜端的分隔膜與細胞核融合并脫落形成凋亡小體。最后，凋亡小體被周圍細胞或單核細胞吞噬〔圖14-8〕。圖14-8程序性死亡細胞的形態結構變化24整理ppt●程序化細胞死亡最突出的生化特征是染色質DNA的有控裂解，并且是由于內源性內切核酸酶基因的活化和表達而造成的結果。這種由內源性內切核酸酶切割的染色質DNA斷片大小是有規律的，即都為200bp的倍數。因此，抽提其中的DNA，進行瓊脂糖凝膠電泳時，或進行氯化銫溴化乙錠超速離心時，呈現出梯狀(1adder)譜型(圖4-9)，可作為鑒別是否發生程序化細胞死亡的一個重要的生化標志。圖14-9編程死亡細胞的DNA梯狀譜型25整理ppt表14-3程序性細胞死亡與細胞壞死的比較●程序性細胞死亡與細胞壞死在形態學、生化反響的改變、分子機制、細胞結局等方面都有本質的區別〔表14-3〕比較內容程序性細胞死亡細胞壞死質膜不破裂發生破裂細胞核固縮，DNA片段化彌漫性降解細胞質由質膜包圍形成凋亡小體溢出，細胞破裂成碎片細胞質生化改變溶酶體的酶增多溶酶體解體蛋白質合成有無基因活動由基因調控無基因調控自吞噬常見缺少線粒體自身吞噬腫脹誘發因素生理性信號強烈刺激信號對個體影響生長、發育、生存所必需引起炎癥26整理ppt14.2.3程序性細胞死亡的機理程序性細胞死亡是基因調控作用的結果。有很多基因參與調控程序化細胞死亡過程，調控環節包括信號轉導、基因表達、蛋白質生物合成和代謝過程等。這些基因也叫程序化細胞死亡相關基因。■程序性細胞死亡的過程●程序性細胞死亡分為兩個階段：一是死亡激活期(activationphase),此階段主要是接受來自內部或外部的死亡信號(deathsignals)并做出反響，即接受指令并決定死亡。第二階段是死亡執行期〔executionphase〕,即執行一套死亡程序，包括發生染色質凝縮,并逐步分布在核膜周圍；接著發生細胞質濃縮,此時橋粒和中間纖維的連接被破壞，膜泡形成凋亡小體，最后被吞噬細胞吞噬和降解等。●程序性死亡的細胞之所以能夠被吞噬細胞識別和吞噬，是因為這些細胞的外表具有“將我吃掉〞的信號，這種信號在正常細胞的外表是不存在的。研究得最清楚的被吞噬信號是存在于程序化死亡細胞質膜脂雙層外葉的磷脂酰絲氨酸(phosphatidylserine)分子，它一般存在于正常細胞質膜脂雙層的內葉。27整理ppt■秀麗隱桿線蟲中參與程序性細胞死亡控制的基因●關于程序性細胞死亡的分子根底研究最初是在秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditiselegans，CE)中獲得突破。在胚胎發育期間，秀麗隱桿線蟲有1090個體細胞，但在發育過程中有131個細胞死亡。因此，一個成熟的秀麗隱桿線蟲有959個體細胞和約1000～2000個性細胞。線蟲的成蟲分雌雄同體和雄性兩種性別，雌雄同體相當于雌性〔圖14-10〕。蟲體透明，有6對染色體，約3000個基因。圖14-10雌雄同體的秀麗隱桿線蟲28整理ppt●秀麗隱桿線蟲的細胞死亡是一種典型的程序性細胞死亡。15個基因〔大致可分為4組〕分別在不同程度上與CE的PCD有關(圖14-11)。簡述參與秀麗隱桿線蟲的細胞程序性死亡基因的分組及相關作用圖14-11秀麗隱桿線蟲程序性細胞死亡途徑及相關基因29整理ppt●ced-3(celldeathabnormal)、ced-4、ced-9和egl-1四個基因構成了線蟲執行死亡的“死亡機器〞(deathmachinery)。遺傳學研究發現ced-3和ced-4是細胞殺手，在ced-3或ced-4突變體中，雌雄同體發育中應該死去的131個細胞都活下來了;ced-9可抵消ced-3和ced-4的作用，防止細胞被殺死，因此是存活因子，在ced-3和ced-4的殺死細胞作用中起負調控。●進一步的研究發現真正的細胞殺手是ced-3而不是ced-4。ced-3編碼的蛋白與哺乳動物中的白細胞介素轉換酶(interleukin-1β〔IL-1β〕-covertingenzyme,ICE)號碼相類似。ICE屬于日益擴大的半胱氨酸蛋白酶家族，該家族至少有30個成員，統稱為天冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白酶(caspase)。Ced-4的作用是轉換器〔adapter〕,對ced-3引起的程序性細胞死亡起促進作用。30整理ppt動物細胞中蛋白酶解級聯系統對程序性細胞死亡的介導所有的動物細胞都有一種相類似的控制程序性細胞死亡的機制，即通過一個自殺性蛋白酶家族的介導，這種蛋白酶在誘導程序化死亡信號的作用下通過自我切割而激活。激活的自殺性蛋白酶又可激活家族中的其他成員，引起蛋白質酶解的級聯反響。在該反響系統中，上一級的信號激活下一級的一個關鍵蛋白，并快速將其水解，從而使信號得以放大〔圖14-12〕。最后，被激活的蛋白酶切割了細胞與程序性細胞死亡相關的關鍵蛋白，如核纖層蛋白，從而快速引起有控制的細胞死亡。圖14-12蛋白酶解級聯反響介導的程序性細胞死亡〔a〕每一個自殺性的蛋白酶以非活性的形式存在，它可以被同一蛋白酶家族中的另一個成員裂解切割而自我激活。(b)每一被激活的蛋白酶分子能夠切割許多蛋白酶分子，并將它們激活。以這種方式，開始激活的少量蛋白酶通過激活的級聯反響，激活大量的蛋白酶。某些被激活的蛋白酶能夠切割細胞內一些關鍵的蛋白，如核纖層蛋白，導致細胞的有控制的死亡。31整理ppt■天冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白酶(caspase，cysteine-containingaspartate-specificproteases)級聯反響中的自殺性蛋白水解酶就是caspase。由于caspase家族的成員較多，它們作用時分成一些亞組被激活，每一組caspase對應不同的激活信號。如caspase-3、–6、-7和-8在FAS/TNF介導的程序性細胞死亡途徑中起作用；而caspase-9和-3一起參與線粒體中Apaf-I、細胞色素c介導的程序性細胞死亡。有兩類caspase，一類是起始者〔initiators〕,另一類是執行者〔executioners〕。起始caspase在外來蛋白信號的作用下被切割激活，進而對執行者caspase進行切割并使之激活，后者對caspase靶蛋白的水解，導致程序性細胞死亡。一種caspase激活的級聯反響導致執行者caspase的激活。非活性的執行者caspase(酶原)被激活的caspase切割，形成幾種蛋白片段。其中兩個大片段作為執行者caspase的兩個亞基相互結合形成有活性的執行者caspase，然后通過對一系列靶蛋白的切割(均在天冬氨酸殘基caspase位點)，導致細胞的程序性死亡。圖14-13執行者caspase在程序性細胞死亡中的作用32整理ppt●研究說明，能夠被caspase切割的靶蛋白包括以下幾類：〔1〕蛋白激酶：caspase能夠切割十多種蛋白激酶，如粘著斑激酶(focaladhesionkinase,FAK);PKB,PKC,以及Raf1。如果粘著斑激酶被破壞了，即破壞了細胞的粘著，使得細胞與相鄰細胞失去粘著而導致程序性死亡。〔2〕核纖層蛋白：是位于細胞核內膜下的一層纖維結構，對內膜具有支撐作用。核纖層蛋白被切割，導致核纖層解體、核被膜濃縮。〔3〕細胞結構蛋白：一些維持細胞結構必需的蛋白質，如中間纖維、肌動蛋白和凝溶解膠蛋白(gelsolin)等被caspase切割后導致細胞形態的改變。〔4〕與DNA修復相關的酶類遭caspase切割后失活。由于DNA的修復是維持細胞內環境穩定的主要因素，這一因素遭到破壞，合成的DNA難以保證正確，因而導致程序性細胞死亡。〔5〕caspase激活的DNase(CAD)抑制蛋白：caspase能夠將caspase激活的DNase(CAD)抑制蛋白水解，導致這種酶被激活。該酶是一種內切核酸酶，被激活后從細胞質轉移到細胞核，與核DNA結合并將DNA切割成片段。33整理ppt■細胞外信號對程序性細胞死亡的激發如果細胞外的信號促進程序性細胞死亡，那么屬于死亡的正控制。假設細胞外信號抑制細胞的程序性死亡，那么是死亡的負控制，將這種信號稱為存活因子(survivalfactors)。目前對存活因子是如何作用的，根本不了解。促進程序性細胞死亡的例子很多，也研究得較為清楚。圖14-14顯示了細胞外信號——腫瘤壞死因子〔tumornecrosisfactor,TNF〕激發細胞的程序性死亡的過程。說明腫瘤壞死因子在細胞程序性死亡中的正控作用。圖14-14受體介導的程序性細胞死亡途徑34整理ppt■細胞內信號對程序性細胞死亡的激發除了外部信號激發程序性細胞死亡外，細胞內源信號也會激發細胞的程序性死亡，包括：DNA損傷、細胞質中Ca2+濃度過高、極度氧脅迫〔產生大量的自由基〕等。在內源信號中有些是促進細胞死亡的正控制信號，如細胞色素c,凋亡蛋白酶激活因子〔apoptoticprotease-activatingfactor，Apaf〕。內源信號中也有抑制細胞死亡的負控制信號，如哺乳動物中的Bcl-2蛋白(Bcl-2protein)和Bcl-x蛋白。圖14-15是細胞內源信號激發細胞程序性死亡的過程。圖14-15線粒體介導的細胞凋亡途徑35整理ppt14.2.4程序性細胞死亡的生物學意義在健康的成年人體的骨髓和腸組織中每小時大約有十億個細胞死亡。動物機體靠對細胞增殖和細胞周期的正負控制以及對編程性細胞死亡的正負控制來維持細胞總數的平衡和機體的生命活力〔圖14-16〕。圖14-16動物機體的細胞數量控制的途徑36整理ppt■在形態建成中編程死亡起重要作用。如手指和腳趾在發育的早期是連在一起的，通過編程死亡使一局部細胞進入自殺途徑才將單個指加以分開(圖14-17)。圖14-17編程死亡在小鼠足趾形成中的作用〔a〕開始時足趾是相連在一起的；〔b〕經編程死亡足趾分開。37整理ppt■另外，對于生物發育成熟后一些不再需要的結構通過程序性細胞死亡加以消除。例如蝌蚪的尾巴就是靠程序性細胞死亡消除的(圖14-18)。當蝌蚪變成蛙時，尾巴經編程死亡而消除。主要是血液中甲狀腺激素的增加誘導細胞的編程死亡。圖14-18在蝌蚪向蛙發育中的變態反響中的編程死亡的作用38整理ppt■細胞的程序性死亡不僅參與形態建成，而且能夠調節細胞的數量和質量。例如在神經系統的發育過程中，神經細胞必需通過“競爭上崗〞獲得生存的時機。在胚胎中產生的神經細胞一般是過量的，然后通過競爭數量有限的從靶細胞分泌出來的生存因子，只有那些獲得足夠生存因子的神經細胞才能生存下去，而其他的神經細胞將會通過程序性死亡而消失(圖14-19)。圖14-19程序性細胞死亡對發育中神經細胞數量的調節生成的神經細胞多于能夠支持它們生存的生存因子的數量，這些生存因子是由靶細胞釋放出來的。某些得不到生存因子的神經細胞那么通過編程死亡而消失。39整理ppt14.3癌細胞所謂癌細胞實際上是一種突變的體細胞，這種突變體脫離了細胞社會關于增殖和存活的控制，因此可以無限制的增殖產生腫瘤。14.3.1癌生物學“Cancer〞一詞源于拉丁語“crab〞，是用于描述一種由于體內組織的無限生長，最后奪去生命的疾病。癌細胞與正常的細胞有很大的不同，有許多特有的生物學特征。■癌的類群根據癌變涉及的細胞類型的不同，癌分為三個類群：①癌(carcinomas),是最常見的一種類型，主要是從組織的外外表和內外表生長的癌。如肺癌、乳腺癌和結腸癌等。②瘤(sarcomas),主要是源于中胚層形成的支持組織〔骨、軟骨、脂肪、結締組織和肌組織等〕中形成的癌。③淋巴瘤(lymphomas)和白血病(leukemias),是由淋巴和血液產生的癌。白血病主要是指癌細胞已經大量進入血液中。根據癌變涉及的細胞，將癌分為幾個類型？40整理ppt■體外培養的癌細胞生長特性無論是活體內的癌細胞還是體外培養的癌細胞，它們最重要的特性是失去了生長的控制。正常細胞在體外培養時，細胞通過分裂增殖并鋪滿培養器皿的外表形成單層(monolayer)后即停止分裂(圖4-20a,b)，這種現象稱作接觸抑制(contactinhibition)。在相同條件下培養的惡性細胞(malignantcells)對密度依賴性生長抑制失去敏感性，因而不會在形成單層時停止生長，而是相互堆積形成多層生長的聚集體(圖14-20c,d)。正常細胞體外培養時，在培養器皿外表形成單層即停止生長(a,b);而由病毒轉化的或由致癌化學物質誘導的惡性細胞會成堆生長〔c,d〕。圖14-20正常細胞與癌細胞生長特性比較41整理ppt■癌細胞轉移(metastasis)惡性腫瘤細胞能夠突破其所在環境的束縛，進入淋巴管或血管在體內轉移，在新的部位產生致死性的二級腫瘤〔圖14-21〕。腫瘤是一種基因病，它與先天性遺傳病有何不同？在腫瘤組織中只有極少數的腫瘤細胞能夠進行轉移：①腫瘤細胞侵襲周圍的組織和血管，②腫瘤細胞經由循環系統進行轉移；③在新的部位生長形成腫瘤。圖14-21腫瘤轉移的過程42整理ppt■癌細胞的某些特性●癌細胞的染色體的變化正常細胞在生長和分裂時能夠維持二倍體的完整性，而癌細胞常常出現染色體異常，主要是非整倍性〔aneuploidy〕,有染色體的缺失或增加。一般來說，正常細胞中染色體整倍性的破壞，會激活導致細胞程序性死亡的信號，引起細胞的程序性死亡。但是癌細胞染色體整倍性的破壞，不會進入程序性死亡，因這種細胞對程序性死亡的信號已不再敏感了。這也是癌細胞區別于正常細胞的一個重要指標。●細胞骨架的變化正常細胞的細胞質中有高度組織化的細胞骨架網絡結果，而癌細胞中的細胞骨架不僅少而且雜亂無章(圖14-22)。圖14-22正常和癌細胞微管骨架的比較用微管蛋白抗體制備的細胞微管骨架的免疫熒光照片。(a).用溫度敏感的腫瘤病毒感染并在高溫下培養的成纖維細胞，由于在高溫下溫度敏感病毒在轉化細胞中不起作用，所以細胞骨架是正常的。(b).同樣轉化的細胞在低溫下培養，表現出轉化的表型，細胞骨架的組織遭到破壞。43整理pptMetastasis.

44整理ppt●對生長因子的依賴性體外培養的正常細胞通常對血清有依賴性，即在培養基中補充一定濃度的血清，而血清的作用是提供生長因子，如表皮生長因子、胰島素等。而癌細胞由于它的生長周期已不受信號的控制，所以對血清就失去依賴性〔圖14-23〕。培養基中有沒有血清，對癌細胞的生長影響不大，但沒有血清時，正常細胞根本停止生長。圖14-23血清對正常細胞和癌細胞生長的影響45整理ppt●細胞外表變化腫瘤細胞的外表常常出現一些變化，包括增加了一些新合成的特殊成份、消失了某些原有的成份。某些癌細胞能夠合成一些新的外表蛋白，由于這些新出現的蛋白具有抗原性，所以常稱為腫瘤相關抗原〔tumor-associatedantigens〕。癌細胞外表另一種重要的變化是間隙連接減少，如將熒光染料注入正常的細胞后，染料很快向周圍細胞擴散，但是將熒光染料注入癌細胞，那么只停留在被注射的細胞內，這一實驗說明癌細胞之間的通訊連接有了缺陷。●蛋白質合成的變化一些惡性腫瘤常常會合成和分泌一些蛋白酶。分泌的蛋白酶能夠降解細胞的某些外表結構，降低了細胞粘著。正因為癌細胞失去了粘著特性，使得癌細胞具有在體內轉移的能力。46整理ppt14.3.2癌的起因：物理和化學致癌物引起癌細胞的原因很多，大致分為四種類型：化學因素、輻射、病毒和遺傳。化學因素主要是各種化學致癌物；物理因素主要是紫外光等的輻射作用。病毒和遺傳那么是指病毒癌基因和細胞癌基因。■化學致癌物英國倫敦醫生JohnHill在1761年首次提出化學致癌觀點，1775年，另一位英國外科醫生PercivalPott獲得環境因子與癌發生的相關證據。他發現一些男性煙囪清潔工人的鼻腔和陰囊皮膚等是癌的高發部位，原因是過渡與煤煙接觸有關。在過去幾十年內，經動物實驗，已經從煤煙中別離出幾百種致癌化學物質。后來發現煤炭工業、印染工業中的某些化學物質也具有致癌性。表14-4列出了一些常見的化學致癌物質。化學致癌物誘發癌的部位丙稀腈結腸，肺4-氨基二苯膀胱苯胺衍生物膀胱砷化合物肺，皮膚石棉肺，間皮苯白血病鎘鹽前裂腺，肺四氯化碳肝鉻與鉻酸鹽肺，鼻竇二乙基乙烯雌酚子宮，陰道鉛腎芥子氣肺，喉α-萘胺膀胱鎳肺，鼻有機氯殺蟲劑肝聚氯聯苯肝氡肺煤煙和焦油皮膚，肺和膀胱乙烯氯肝，肺和腦吸煙肺，口腔，胃，喉，食管，胰47整理ppt■輻射對癌的誘發人類在自然環境中受到的輻射主要來自太陽的紫外線、外層空間的宇宙射線(cosmicrays)以及自然發生的放射性元素的放射性(emissions)。另外，還受到來自醫療、工業和軍事活動中人為產生的高能輻射，這些輻射主要是X-射線和放射活性。關于化學致致癌物和輻射等因素對癌的誘發機理目前很不清楚，通過對一些特別致癌物的分析，發現與DNA突變有關。圖14-24是幾種致癌物對DNA的誘變作用。雖然勿庸置疑食物和環境中的誘變劑是致癌的因素，但大多數致癌的突變主要來自正常代謝過程中的DNA損傷。圖14-24化學和UV致癌物的作用機制圖中隨機挑選了p53基因中7個密碼子，這些密碼在人的癌癥病人中有50%會發生缺失或突變。圖中顯示了幾種不同致癌物，包括苯并芘(Benzo[a]pyrene),它是在香煙的煙霧中發現的、黃曲霉毒素B1、陽光中的紫外光等作用于該序列引起突變的機理。每一種致癌物都引起一種不同的堿基置換。圖中也顯示了由于內源代謝引起的脫氨作用，也會導致C→T突變。48整理ppt14.3.3腫瘤發生(tumorigenesis)的遺傳學雖然癌是一種非常之常見的疾病，但是從細胞水平上看，癌的發生又是極偶然的事件。從遺傳上看，癌都是由一個細胞開展而來，由一個失去了增殖控制的細胞開展而來。人體有百萬兆的細胞，每天都有幾十億個細胞進行分裂，理論上幾乎任何一個細胞都有可能由遺傳成份的改變而癌變，但實際上并非如此。■腫瘤發生的進程〔progression〕●為什么大多數細胞都不會發生癌變？其中一個主要原因是：細胞的惡性轉化需要發生多個遺傳改變，即一個細胞發生屢次遺傳突變。因此腫瘤發生是一個漸進式的過程，涉及多級反響和突變的積累。關于腫瘤發生的漸進性，有兩個研究得較深入的例子，即結腸癌(colon)和星形細胞瘤(astrocytoma，一種腦瘤),它們的癌變過程是先后發生幾種突變并積累的過程〔圖14-25〕。圖14-25結腸癌和腦瘤惡性轉變的多步開展過程圖中的組織學照片揭示結腸癌和腦瘤由正常細胞→轉變成良性腫瘤→轉變成惡性腫瘤的開展過程中幾個明顯可分的階段。a.結腸癌在癌變程中順序突變事件，注意結腸癌在癌變過程中組織結構由有序向無序的變化。b.星形細胞瘤癌變過程中順序突變及形態變化，具有與結腸癌發生過程不同的特征。49整理ppt●某些惡性腫瘤發生的第一步是形成良性腫瘤(begigntumor),良性腫瘤的增殖也不受正常調控作用的控制，但不會侵染其它組織，不能進行遠距離轉移。●根據對結腸癌發生過程的形態變化及突變分析，提出了關于結腸癌發生的遺傳漸進模型(圖14-26)。在癌開展過程的不同階段發生不同的基因突變，如APC基因〔adenomatouspolyposiscolon〕是結腸癌發生過程中第一個發生突變的基因。而p53基因那么是結腸癌開展過程的后期發生突變的基因。圖14-26結腸癌發生過程中可能涉及的基因突變及順序50整理ppt■抑癌基因、癌基因與原癌基因●癌的發生涉及兩類基因∶抑癌基因(Tumorsuppressorgene)與癌基因(oncogene)。在正常的二倍體細胞中，每一種抑癌基因都有兩個拷貝，只有當兩個拷貝都喪失了或兩個拷貝都失活了才會使細胞失去增殖的控制，只要有一個拷貝是正常的，就能夠正常調節細胞的周期〔圖14-27a〕。癌基因是細胞加速器，它們編碼的蛋白使細胞生長不受控制，并促進細胞癌變〔圖14-27b〕。大多數癌基因都是由與細胞生長和分裂有關的正常基因(原癌基因)突變而來。圖14-27抑癌基因與原癌基因突變對細胞的影響a.抑癌基因突變對細胞的影響；b.原癌基因突變對細胞的影響51整理ppt●原癌基因〔proto-oncogene〕，原本是細胞的正常基因，它們編碼的蛋白質在正常細胞中通常參與細胞的生長與增殖的調節。但突變后成為促癌的癌基因(cancer-promotingoncogene)，導致細胞癌變。原癌基因突變成癌基因，稱為原癌基因的激活。有幾種可能的機制使原癌基因激活〔圖14-28〕。什么是原癌基因？為什么突變后會導致細胞癌變？圖14-28原癌基因激活成癌基因a.原癌基因編碼區突變；b.調節區突變；c.DNA發生重排52整理ppt■病毒癌基因與癌的誘發就癌基因的來源分為兩類，一類是細胞癌基因(cellularoncogene，c-onc)，由細胞原癌基因突變而來；另一類是病毒癌基因(viraloncogene，v-onc)。大約已經鑒定了100多種不同的癌基因，它們中的大多數屬于RNA腫瘤病毒基因組中的基因。雞肉瘤病毒(roussarcomavirus，RSV)是一種RNA病毒，可使雞產生肉瘤。第一個病毒癌基因就是在RSV中發現并鑒定的，即src基因。近幾年的研究說明，許多致癌病毒中的癌基因不僅與致癌密切相關，而且與正常細胞中的某些DNA順序同源，從而推測病毒癌基因起源于細胞的原癌基因〔圖14-29〕。圖14-29RNA腫瘤病毒癌基因起源的模型53整理ppt除了RNA病毒引起細胞癌變外，某些DNA病毒也能引起細胞癌變。表14-5列出了局部與腫瘤有關的DNA病毒和RNA病毒。病毒誘導的腫瘤生物DNA病毒：呂克氏病毒腎腺癌蛙非洲淋巴瘤病毒（EBV）非洲淋巴瘤；鼻咽癌人禽麻痹病病毒淋巴瘤雞兔乳頭瘤病毒乳頭瘤兔SV-40皮下、腎和肺肉瘤人多瘤病毒肝、腎、肺、骨、血管、神經組織、結締組織多形瘤鼠人乳頭瘤病毒宮頸癌人人的腺病毒皮下、腹膜內、顱內腺瘤倉鼠RNA病毒勞氏肉瘤病毒肉瘤鳥，哺乳動物鼠白血病病毒白血病鼠人T—細胞白血病病毒白血病/淋巴瘤人禽類白血病病毒白血病雞貓肉瘤病毒肉瘤貓表14-5局部DNA和RNA腫瘤病毒54整理ppt2.由于腫瘤病毒的感染可引起正常細胞癌變，如何證明非病毒的癌基因也能誘發細胞癌變？答:由于腫瘤病毒的感染會誘發被感染生物的細胞癌變，從癌細胞中別離的DNA是否也具有誘發細胞癌變的能力？在20世紀80年代早期，RobertWeinberg和GeoffreyCooper通過基因轉移實驗證明非病毒的癌基因也能誘發細胞癌變〔圖14E-1〕。圖14E-1DNA轉移對癌的誘導從人的癌細胞中別離DNA,然后將別離的癌細胞DNA導入培養的正常鼠的成纖維細胞，某些鼠的成纖維細胞進行了惡性轉化。將轉化的癌細胞注入正常小鼠體內，正常小鼠長出了瘤。55整理ppt■原癌基因與癌變●細胞增殖受一系列基因表達產物蛋白質的控制，將參與細胞增殖控制的蛋白質分為7種類型〔圖14-30〕。根據蛋白質在細胞增殖中的作用，可分為幾種類型？它們的編碼基因發生突變后對細胞的增殖有什么影響？圖14-30參與細胞生長控制的7種類型的蛋白質56整理ppt●這7種類型的蛋白質中，有些是原癌基因的編碼產物，它們突變后會導致細胞癌變。表14-6列出了局部人體原癌基因和它們突變后引起的癌癥。原癌基因突變腫瘤abl易位慢性髓細胞性白細胞bcl-2易位B-細胞淋巴瘤CYCD1易位乳腺癌Cdk-4擴增肉瘤erbB擴增鱗狀細胞癌；星形細胞瘤neu/HER2擴增乳腺腺癌；卵巢腺癌；胃腺癌gip點突變卵巢癌；腎上腺癌gsp點突變垂體腺瘤；甲狀腺瘤myc易位非洲淋巴瘤

擴增肺癌；乳腺癌；子宮莖癌L-myc擴增肺癌N-myc擴增成神經細胞瘤，肺小細胞癌H-ras點突變結腸癌；肺癌；腺癌；黑素瘤K-ras點突變極性髓樣和成淋巴細胞白血病；甲狀腺；黑素瘤N-ras點突變生殖泌尿和甲狀腺癌；黑素瘤retDNA重排甲狀腺癌trkDNA重排甲狀腺癌表14-6原癌基因與人類腫瘤57整理ppt根據Pro在細胞增殖中的作用，可分為幾種類型？其編碼基因突變后對細胞增殖有何影響？細胞增殖受一系列基因表達蛋白質的控制，將參與細胞增殖控制的蛋白質分為7種類型：Ⅰ.生長因子(growthfactor)；Ⅱ.生長因子受體(growth-factorreceptor)；Ⅲ.信號轉導蛋白〔signaltransductionprotein〕;Ⅳ.轉錄因子〔transcriptionfactor〕；Ⅴ.抗編程死亡蛋白(anti-apototicprotein)；Ⅵ.細胞周期控制蛋白〔cell-cyclecontrolprotein〕;Ⅶ.DNA修復蛋白〔DNA-repairprotein〕。這7種類