细胞生物学专题一：细胞衰老和死亡

细胞年轻就是器官年轻，器官年轻就是身体年轻。反之，人体和器官的衰老也是从细胞开始的。细胞衰老的过程是细胞的生理状态和化学反应发生复杂变化的过程，最终表现为细胞的形态、结构和功能发生变化。衰老的细胞通常会出现细胞膜的选择性通透能力下降、细胞内水分减少、酶活性降低、代谢速率减慢等生理上的一系列退行性变化。细胞衰老的典型特征包括细胞核体积增大、染色质凝聚或固缩、细胞质内色素积聚以及线粒体数量减少。

 

20世纪90年代以来，关于细胞衰老机制的研究取得了重大进展。科学家提出了多种关于细胞衰老的假说，目前为大家普遍接受的是端粒学说和自由基学说。

端粒学说的理论认为，真核生物的每条染色体的两端都有一段含有特殊的序列DNA的蛋白复合体，即为端粒。DNA复制时DNA聚合酶不能从头合成DNA，只能在引物与DNA模板互补结合的条件下从5'端向3'端延伸，复制结束后引物被切掉，露出了末端的单链DNA。所以每一条新的子链DNA产生，就意味着有一小段端粒DNA丢失。随着细胞分裂次数的增加，截短的部分会逐渐向内延伸，使得端粒内侧正常基因的DNA序列受到破坏，细胞活性逐渐减弱。

Western blot analysis of TERT on HEK293 (1) and TERT-hIgGFc transfected HEK293 (2) cell lysate using anti-TERT antibody（EM1707-13） at 1/1,000 dilution.

 

端粒酶是细胞中负责端粒延长的一种酶，可将端粒DNA加至真核细胞染色体末端，把DNA复制损失的端粒填补起来，使端粒修复延长，可以让端粒不会因细胞分裂而有所损耗，使得细胞分裂的次数增加。

 

自由基学说则认为，细胞在进行氧化反应过程中或受到外界的不良刺激后，会产生一些异常活跃的带电分子或基团称为自由基。自由基产生后，可以攻击和破坏细胞内各种生物大分子：自由基攻击蛋白，可导致蛋白结构改变，活性丧失；自由基攻击DNA可能引起基因突变；自由基攻击生物膜中的磷脂分子时，会产生大量额外的自由基，从而引发链式反应，对生物膜造成极大伤害。细胞内自由基的积累，引发细胞的氧化应激反应，破坏了细胞内的生物活性物质，最终导致细胞衰老。

Western blot analysis of SOD2 on different lysates with Rabbit anti-SOD2 antibody (ET1701-54) .

 

自由基清除剂分非酶类清除剂和酶类清除剂。其中酶类清除剂有：超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和谷胱甘肽酶过氧化物酶等，如常用药物有：依达拉奉、还原性谷光甘肽、复方甘草酸单胺等。非酶类清除剂主要有：维生素E、维生素C、β胡萝卜素、微量元素硒等。自由基清除剂的短期使用可以起到调节机体功能的效果，如长期大量服用则可能造成机体代谢紊乱影响健康。

细胞死亡是生命活动的终点，也是细胞历程的重要组成部分。当细胞损伤过大或者完成了既定功能后，它们会通过程序性死亡或非自主性死亡来结束自己的生命周期。细胞非自主性死亡就是细胞坏死，通常由外部因素如损伤或病原体引起。细胞程序性死亡是一种自主有序的，受多基因调控的自我毁灭过程。细胞程序性死亡的研究在过去的几十年中逐渐深入，主要包括凋亡、自噬、焦亡、铁死亡，铜死亡等。

 

凋亡（apoptosis）是一种常见的程序性细胞死亡方式，它在组织发育和生理平衡中起着重要作用。在凋亡过程中，核染色质浓缩并最终分裂成小块，整个细胞收缩成凋亡小体，继而被周围的健康细胞吸收和清除。凋亡过程涉及多个关键分子和信号通路，如Bcl-2家族蛋白、半胱氨酸蛋白酶（caspase）家族以及一系列细胞凋亡相关因子。Bcl-2和Caspase-3是两种常用的细胞凋亡标志物。Bcl-2是一种抗凋亡蛋白，通过稳定线粒体膜干扰细胞色素 c/Apaf-1 通路的激活来促进细胞存活。Caspase-3是细胞凋亡的执行者，在凋亡发生时在Asp28和Ser29之间及Asp175和Ser176之间进行剪切，产生有活性的17kD肽段。

 

 自噬（autophage）是一种通过溶酶体降解细胞内部分或全部成分来提供能量和营养的死亡方式，又称作Ⅱ型程序性细胞死亡。当细胞遭受应激、缺乏营养或需要修复时，自噬可以被启动。在自噬过程中，细胞会形成特殊的囊泡（称为自噬体），并将其内部的有机物质通过溶酶体降解。这个过程涉及到多个关键分子和信号通路，如ATG家族蛋白、mTOR信号通路和AMPK信号通路。常用的自噬标志物有Beclin-1和LC3-II。Beclin-1在自噬起始过程中与磷脂酰肌醇激酶的相互作用形成复合物,这种蛋白质复合物启动自噬的成核步骤以开始自噬通量,并且还参与后续步骤,涉及自噬体与溶酶体的融合。降解过程中,位于自噬溶酶体外膜的LC3-II被半胱氨酸蛋白酶ATG4B切割,产生LC3-I被循环利用，位于内膜的LC3-II则与包裹的内容物一起,被溶酶体降解。

 

焦亡（Pyroptosis）是一种由于持续而严重的损伤引起的无法逆转的死亡方式。在焦亡过程中，受损细胞会发生严重的线粒体功能障碍，并释放出大量的线粒体DNA和其他有害物质，从而引发炎症反应和组织损伤。焦亡与多种疾病如心肌梗死和中风等有关，因此研究焦亡的调控机制对于疾病治疗具有重要意义。Garsdermin(GSDM)家族蛋白均对细胞焦亡的产生有重要影响,因此,该家族成员均可作为发生细胞焦亡的标志物(GarsderminA/B/C/D/E),其中以GSDMD和GSDME作为细胞焦亡标志物居多。

 

Western blot analysis of Gasdermin D (N terminal) on different lysates with Rabbit anti-Gasdermin D (N terminal) antibody (HA721144) at 1/500 dilution.

 

铁死亡（Ferroptosis）是一种铁依赖性脂质过氧化物的积累所导致新型细胞死亡的方式。主要是由铁超载和活性氧（ROS）依赖的脂质过氧化物累积引起的。当细胞无法有效处理或排出过多的铁离子时，这些铁离子会促使氧化应激反应、线粒体功能障碍和细胞膜损伤等，最终导致细胞死亡。GPX4为细胞铁死亡的关键调控因子，GPX4可利用其催化活性，削弱脂质过氧化物毒性，维持膜脂质双分子层稳态，从而抑制铁死亡的发生。

 

Immunocytochemistry analysis of HEK-293 cells labeling GPX4 with Rabbit anti-GPX4 antibody (ET1706-45) at 1/200 dilution and competitor's antibody at 1/200 dilution.(Green: GPX4; Blue: DAPI; Red: beta Tubulin)

 

铜死亡（Cuproptosis）是一种新发现的细胞死亡现象，即铜离子稳态失衡诱导细胞发生的死亡过程。铜死亡是通过铜与三羧酸循环（Tricarboxylic acid cycle,TCA cycle）的脂化组分直接结合发生的。这导致脂酰化蛋白聚集和随后的铁硫蛋白损失，使得蛋白毒性应激并最终导致细胞死亡。线粒体中的铁氧还原蛋白（Ferredoxin 1, FDX1）是铜死亡发生的核心分子，在细胞内铜离子发生积累时，FDX1可以将Cu2+还原为Cu+，并催化DLAT、DLST和LIST发生脂酰化，而Cu+进一步结合到DLAT的脂酰化部位，使DLAT发生寡聚化，从而获得铜毒性。此外，Cu+稳态失衡会导致细胞内铁硫蛋白丢失，HSP70表达水平增加，引发蛋白质毒性应激。以上两条途径共同造成了细胞铜死亡的发生。

Western blot analysis of Glutaminase on different lysates with Rabbit anti-Glutaminase antibody (ET1611-5) at 1/1,000 dilution.

综上所述，细胞的衰老和死亡是新陈代谢的必然结果，机体的衰老虽不等于所有细胞的衰老，但细胞的衰老与机体的衰老紧密相关。细胞衰老增加了死亡的可能性，而细胞的死亡则是由多种因素共同引起的。

华安生物为您提供全系列细胞衰老和细胞死亡相关抗体产品，助力全球科学家推进细胞衰老和死亡领域的研究。

扫描下方二维码获取产品清单：

更多细胞生物学相关产品请点击：

参考文献

1. Hoffman BM, Broderick WE, Broderick JB. Mechanism of Radical Initiation in the Radical SAM Enzyme Superfamily. Annu Rev Biochem. 2023 Jun 20;92:333-349.

2. Kopeina GS, Zhivotovsky B. Programmed cell death: Past, present and future. Biochem Biophys Res Commun. 2022 Dec 10;633:55-58.

3. Nguyen TT, Wei S, Nguyen TH, Jo Y, Zhang Y, Park W, Gariani K, Oh CM, Kim HH, Ha KT, Park KS, Park R, Lee IK, Shong M, Houtkooper RH, Ryu D. Mitochondria-associated programmed cell death as a therapeutic target for age-related disease. Exp Mol Med. 2023 Aug;55(8):1595-1619.

4. Parsaee F, Senarathna MC, Kannangara PB, Alexander SN, Arche PDE, Welin ER. Radical philicity and its role in selective organic transformations. Nat Rev Chem. 2021 Jul;5(7):486-499.

5. Lundahl MN, Yang H, Broderick WE, Hoffman BM, Broderick JB. Pyruvate formate-lyase activating enzyme: The catalytically active 5'-deoxyadenosyl radical caught in the act of H-atom abstraction. Proc Natl Acad Sci U S A. 2023 Nov 21;120(47):e2314696120

6. Kallergi E, Siva Sankar D, Matera A, Kolaxi A, Paolicelli RC, Dengjel J, Nikoletopoulou V. Profiling of purified autophagic vesicle degradome in the maturing and aging brain. Neuron. 2023 Aug 2;111(15):2329-2347.e7.

7. Huang C, Zhao S, Yang Y, Guo T, Ke H, Mi X, Qin Y, Chen ZJ, Zhao S. TP63 gain-of-function mutations cause premature ovarian insufficiency by inducing oocyte apoptosis. J Clin Invest. 2023 Mar 1;133(5):e162315.

8. Rao Z, Zhu Y, Yang P, Chen Z, Xia Y, Qiao C, Liu W, Deng H, Li J, Ning P, Wang Z. Pyroptosis in inflammatory diseases and cancer. Theranostics. 2022 May 16;12(9):4310-4329.

9. Wang B, Wang Y, Zhang J, Hu C, Jiang J, Li Y, Peng Z. ROS-induced lipid peroxidation modulates cell death outcome: mechanisms behind apoptosis, autophagy, and ferroptosis. Arch Toxicol. 2023 Jun;97(6):1439-1451.

10. Xie J, Yang Y, Gao Y, He J. Cuproptosis: mechanisms and links with cancers. Mol Cancer. 2023 Mar 7;22(1):46.