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深度读:为什么细胞程序性死亡≠细胞凋亡了?

今天读书内容:细胞的衰老和死亡。

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问题探讨

问题探讨从生活中老年人常见的白头出发,以细胞衰老和个体衰老为情境进行设问,这样的设计贴近生活。唯一的缺憾就是较难联系到细胞死亡。

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细胞的衰老
2.1细胞衰老的特征

新教材以图文结合的方式,通过直观的示意图配上文字介绍细胞衰老的特征。细胞衰老的特征往往同时发生在某个衰老的细胞中,而不是在衰老细胞中孤立地出现,此处用一张图概括细胞衰老的特征,有助于学生建立整体性的认识。

细胞的衰老涉及细胞形态和结构的改变,如细胞膜的通透性改变(使物质运输功能降低)和细胞核体积增大等等——这些内容放置在图的左侧先介绍。除细胞结构发生变化,与细胞中的化学反应有关的物质也会发生变化,如细胞水分的减少(使细胞萎缩,体积变小)、多种酶的活性降低(导致呼吸和新陈代谢速率减慢)、色素逐渐积累(因此妨碍了细胞内物质的交流和传递)——这些内容放置在图的右侧后介绍。

2.2细胞衰老的原因

细胞衰老的原因在现行教材中是以小字呈现的,新教材升级为正文内容,也就是说这部分内容要求有所提高,但在内容表述上并没有显著变化。

端粒学说中的端粒是个比较有意思的内容,对于选修生物的学生,可以在选择性必修处理PCR时讲清楚引物和DNA聚合酶的作用特点(不能从头合成,只能将核苷酸加至已有的链上,且合成方向为5'→3'),然后回头处理必修二中DNA分子的复制,解释为什么DNA复制时5'端会不断变短,从而与细胞分裂时端粒变短联系起来。甚至还可以引导学生思考干细胞为什么可以持续分裂下去,由此引出端粒酶。上述分阶段分层次的处理,可以让学生对端粒了解得更全面一些,不过必修部分不宜要求过高。

2.3细胞衰老和个体衰老的关系

这部分从内容上讲很容易处理,但新教材把这部分内容单独列出来,其中还特别安排了“年龄因素和细胞衰老的关系”的讨论活动,这些设计的目的主要是让学生认识到:随着年龄的增长,人体内细胞的活性慢慢下降,会出现组织衰老,免疫力下降,适应环境的能力也随之降低。学生通过学习明确衰老是一个自然过程,每个人都终将面临衰老,我们应该坦然接受,并且在生活中学会关爱老年人,培养学生的社会责任意识。

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细胞的死亡

细胞死亡命名委员会(NCCD)专门负责细胞死亡分类。2012年该委员会开始根据生化和分子途径对细胞死亡分类,其最后一版根据形态学分类的建议发表在2009年。新教材对细胞死亡的分类符合形态学分类的标准,故此处主要参考该委员会2009年的建议(https://www.nature.com/articles/cdd2008150)。

3.1细胞凋亡

现行教材把细胞凋亡和细胞程序性死亡视作等价的或者说是同义词,这种认识并不正确,生理发育过程中发生的细胞死亡有些并不属于细胞凋亡。因此,新教材此处改为:细胞凋亡是一种程序性死亡,这里的意思是细胞程序性死亡不仅仅只有细胞凋亡一种形式。

细胞凋亡的形态学特征包括形成凋亡小体、染色质固缩、染色体DNA片段化等。凋亡过程中细胞膜始终保持完整,凋亡形成的凋亡小体最终被临近细胞或吞噬细胞吞噬,因此细胞内含物并不泄漏到细胞外,不会引发炎症反应。

(引自翟中和等《细胞生物学》第四版)

我们强调细胞凋亡属于细胞程序性死亡,受到细胞内基因的控制,因此有时教学中教师会把细胞凋亡视作凋亡基因表达的结果,这种认识实际上是不准确的。一方面,凋亡进程很快,从凋亡起始到出现凋亡小体不过短短数分钟,这样短的时间不足以启动基因的表达并发挥效应。另一方面,对动物细胞凋亡的研究结果显示,细胞凋亡是受一系列信号转导途径调控的,信号转导途径中的关键化合物是事先合成的(不是启动凋亡基因从头合成的)。不管是内源还是外源途径,一旦出现了合适的刺激信号,凋亡的信号转导途径就运转起来,引发细胞凋亡。

3.2细胞坏死

细胞坏死最重要的特征是:坏死过程中细胞膜破裂,细胞内容物释放出来,从而引发炎症反应。

长期以来,细胞坏死被视作一个偶然的不受控制的细胞死亡形式,但是越来越多的证据表明,细胞坏死的执行受到信号转导途径的调控。[根据生化和分子途径分类标准,有些细胞坏死属于ACD(Accidental cell death),ACD是指受到不可控的物理、化学等因素导致的细胞死亡,接近高中师生对坏死的理解;而有些细胞坏死则属于RCD(Regulated cell death),受到信号转导途径的调控。]

细胞坏死在免疫反应中发挥着重要作用。细胞感染病原体之后常通过自杀(细胞凋亡)的方式消灭病原体,一些病原体携带抑制细胞凋亡的基因,此时坏死可以作为一种替代方式起作用。被感染的细胞坏死之后可以释放病原体,并在随后被免疫细胞识别,再次促发免疫反应,有助于病原体的及时清除。

3.3自噬性细胞死亡

新教材介绍了细胞自噬,自噬分为三种类型:巨自噬(macroautophagy),微自噬(microautophagy)和CMA(Champerone mediated autophagy,分子伴侣介导的自噬?)。新教材图示的自噬属于巨自噬,这种自噬作用的典型特征是形成自噬体,并伴随着与溶酶体的结合;微自噬和CMA不涉及自噬体的形成,但都需要溶酶体的参与。

细胞自噬是一种细胞存活的自我保护机制。当细胞面临代谢压力时,通过降解自身蛋白质分子或细胞器,为细胞生存提供原材料或ATP。此外,细胞自噬还具有自我清理功能,细胞自噬能降解错误折叠的蛋白质多聚体,还能够降解功能失常的整个线粒体、高尔基体等细胞器,甚至可以清除细胞内的病原体。

(引自翟中和等《细胞生物学》第四版)

自噬性细胞死亡一般认为是由巨自噬引发的,属于细胞程序性死亡。自噬性细胞死亡过程中没有染色质固缩,且常伴随大量的自噬空泡;与细胞凋亡不同,以自噬形态死亡的细胞也不涉及吞噬细胞的作用(凋亡涉及到吞噬细胞吞噬凋亡小体)。自噬性细胞死亡的例子极少,目前的研究主要集中在果蝇幼虫唾液腺细胞的死亡上。自噬性细胞死亡和细胞凋亡在调控路径上有部分交叉,因此新教材认为:有些激烈的细胞自噬可能诱导细胞凋亡。

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建构概念,发展素养

细胞衰老的过程是细胞生理状态和生化反应复杂变化的过程,最终反映在细胞形态、结构和功能上发生了变化。个体衰老和细胞衰老有着密切的关系。细胞凋亡是由基因决定的细胞自动结束生命的过程,与细胞坏死有所区别。细胞衰老和凋亡对于多细胞生物个体具有一定的积极意义。

凋亡的细胞奉献了自己,但对多细胞生物个体而言却具有积极意义,学生可以从中体会奉献的价值(当然我们也主张珍爱生命)。通过学习,学生明确了衰老是自然现象,每个人终将成为老年人,关爱老年人就是关爱我们自己

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