十三

衰老

第一节 细胞的衰老一、早期的细胞衰老研究

100 年前魏斯曼的种质不死学说

原生动物细胞

34 年的鸡心细胞的否定

小鼠 L 系细胞

HeLa 肿瘤细胞

二、 Hayflick 界限 Hayflick 的一些经典实验

1 从胎儿肺取到的成纤维细胞可在体外培养条件下传代 50 次。而从成人肺取到的成纤维细胞只能传代 20次，可见细胞的增殖能力与供体的年龄有关。

体外培养成纤维细胞

来自胎儿 可传代 50 次 （与供体年龄 来自成人 可传代 20 次 有关）

来自小鼠 可传代 14 － 28 次 （与供体物种来自乌龟 可传代 90 － 125 次 特性有关）

2 1961 年 Hayflick 等观察到在人二倍体成纤维细胞体外连续培养时，增殖能力有一定限度。正常细胞培养到一定时期，会出现生长停滞，渐渐失去有丝分裂的能力并在细胞内积累大量碎片和颗粒，最终难免死亡。海弗立克认为这是人的寿命在细胞水平的表示。 Hayflick 还比较取自寿命长度不同的生物的胚成纤维细胞在体外培养条件下的传代次数和寿命的关系，发现物种寿命与培养细胞寿命之间存在着确定的相互关系（表 12 － 1 ）。

体外培养的人和动物细胞的寿命与他们个体寿命的关系

物种 成纤维细胞传代数 个体最长寿命（年） 龟 90 － 125 175 （？） 水貂 30 － 34 10 鸡 15 － 35 30 小鼠 14 － 28 3.5 人 胚胎 40 － 60 110 出生至 15 岁 20 － 40 15 岁以上 10 － 30 早老病患者 2 － 10 10 － 20

早衰症是人体衰老中的一种病症

3 早老症病人细胞培养只传代2-4 次

4 用巴氏小体做标记 老男和少女细胞的培养 证明细胞内部决定衰老 5 胞质体和完整细胞的融合实验 证明是细胞核决定衰老 Hayflick 得出这样的结论 细胞、至少是培养的细胞，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，而是有一定界限的。这就是有名的 Hayflick 界限。

三、细胞在体内条件下的衰老 人体和动物的各种器官和组织都是由细胞组成的，整

体水平的老化是机体各部分组织细胞老化的总的反映。从五官的感觉功能的老年性退化，如人眼的视力调节能力随年龄而降低，到老年性疾病引起死亡率的提高，如肾、心、脑组织中血管的故障、骨质疏松、肺功能和免疫功能的缺陷等等，都是以细胞发生的变化为基础的。

特别是那些出生后不再进行有丝分裂的细胞所组成的器官和组织，其细胞以及基质的衰老变化必然会显示出该器官功能的衰退。骨骼肌的重量是随年龄变化的，70 岁以上的老人肌肉的重量只有成年初期的将近一半左右。新生儿到 95 岁老人的脑细胞数与年轻呈反比，每年失去成年时期的 0.8% ，至 60 岁时将失去一半。此外，运动神经的传导速度和感觉神经的传导速度也都随年龄增加而降低，大约每年递减 0.4%左右。

一名男子从 36 岁到 75 岁

味觉丧失 64％肾小球减少 44％肾小球过滤率减少 31％脊神经元减少 37％神经传导速度减慢 10％脑供血量减少 20％肺活量减少 44％

不同种类的细胞寿命相差很大。高等动物体内存在了 3 种不同类型的细胞，第 1类细胞的寿命接近于动物的整体寿命，如神经元和肌肉细胞等。在胚胎发育终了时，这些细胞不再增加数量，在个体的生长期中它们可增长细胞体积，以使其与躯体成比例。它们随着个体衰老而衰老，或者由于这些细胞的衰老、死亡引起个体死亡。

第 2类是缓慢更新的细胞，它们的寿命短于动物的平均寿命，如肝细胞，胃壁细胞等。

第 3类是短命的、快速更新的细胞，如皮肤的表皮细胞、红细胞和白细胞等。因此，机体可以不断有大量的细胞衰亡，如皮肤的表皮细胞死亡，形成角质化的保护层，保护着内层的细胞，但这并不影响其生存。只有当与个体生命休戚相关的神经，心肌细胞大量衰亡时才会造成整体的死亡。

问题是细胞本身的衰老还是体内环境的恶化？人们做了许多实验

1 小鼠的表皮移植表皮移植 7-8 年，说明体内环境因素影响了细胞的寿命2 骨髓移植说明骨髓干细胞的衰老至少是缓慢的

四、衰老细胞结构的变化 （一）衰老过程中细胞核的变化 在衰老变化中细胞核结构的最明显变化是核膜内折。电镜检测可见衰老细胞核形状不规则、内陷和断裂。在体内细胞中也观察到核膜的不同程度的内折，神经细胞尤为明显，这种内折随年龄增长而增加，最后可能导致核膜崩解。染色体固缩化是衰老细胞核中另一个重要变化。在衰老细胞中，细胞核固缩，还常常出现核内容物，核质染色加深，核的细致结构逐渐消失，核仁也发生明显的变化。

（二）内质网的变化 在衰老细胞中，内质网排列变得无序，膜腔膨胀扩大甚至崩解，膜面上核糖体数量减少。

（三）衰老过程中线粒体的变化 多数研究工作表明，细胞中线粒体的数量随着年龄

的增大而减少，而其体积则随着年龄的增长而增大。衰老的神经元，肝脏细胞和肌细胞的线粒体数目减少，但体积增大。同时，线粒体的结构也发生变化，肿胀空泡化，内部嵴大大减少。线粒体崩解是细胞衰老变化的重要标志。

线粒体变化主要是自由基损伤的结果，因为线粒体的呼吸链是损伤性自由基的发源地。线粒体 DNA 成为自由基的主要攻击目标，使线粒体 DNA呈逐渐减少或使线粒体 DNA 的转录产物逐渐减少，直接影响与线粒体呼吸和能量转换过程有关的蛋白质的合成，造成 ATP合成和细胞能量供应不足，引起细胞功能紊乱，直到细胞死亡。

（四） 致密体的生成（五）膜体系的变化

1 细胞的间隙连接明显减少，组成间隙连接的膜内颗粒聚集体变小，这种变化使细胞间代谢协作减少了。

2 细胞膜上的微绒毛数目增加，补偿了衰老时细胞间联系的衰退，以利于保持内环境的稳定。

3 膜脂相发生改变，不饱和脂肪酸含量增加，膜流动性下降。年轻的功能健全的细胞膜是典型的液晶相，膜中脂肪酸链能自由移动，每个脂类分子与其相邻分子之间的位置交换极其频繁，镶嵌于其中的蛋白分子表现出最大的生物学活性。衰老的或有缺陷的膜通常处于凝胶相或固相，由于磷脂的脂肪酸尾不饱和程度增加而被“冻结”了，脂分子移动很慢或完全不能自由移动。因此镶嵌于其中的蛋白质也就不能再运动了，从而干扰了膜蛋白的正常结构与功能。衰老细胞膜发生脂质过氧化反应，流动性明显降低，因而细胞的兴奋性降低，离子转运的效率下降以及对内源性和外源性刺激的反应性也随之降低。

膜的微粘度增加，从而影响膜表面受体的移动和特异性生物化学信号的传导。

五、细胞衰老的分子机制 细胞的衰老（ senescence ）现在关于细胞衰老的分子

机制的研究，引起人们关注的有染色体端粒复制和线粒体自由基的假说。

（一）自由基学说 自由基理论最初是由 Harman 于 1956 年提出来的，所谓自由基指那些带有奇数电子数的化学物质，即它们都带有未配对的自由电子，这些自由电子导致了这些物质的高反应活性。自由基在细胞内的产生是有多种原因的，如生物氧化、辐射、受污染物的侵害以及细胞内的酶促反应等过程中都会释放自由基。

氧代谢中很多酶促反应都可能产生自由基，如黄嘌呤（次黄嘌呤）氧化为尿酸。线粒体呼吸链，微粒体电子传递系统都会引发氧自由基

O2－·和羟自由基OH·， OH·可引发脂质氧化，

脂质过氧化首先引起生物膜的 损伤，进一步对细胞造成损伤。自由基一旦生成，它

们就能不断扩增，发生级联反应。在细胞中正常的自由基反应过程包括起始、扩增、终止等 3 个过程。例如：

R·＋ O2→ROO·

ROO·＋ R’H→ROOH＋ R’· R·＋ R’·→R： R’

尤其重要的是，细胞内具有多种抗氧化酶和抗氧化物质存在，它们都是自由基反应的有效终止剂。如超氧化物歧化酶（ SOD ），过氧化氢酶（ CAT ）以及谷胱甘肽过氧化物酶（ GHS － PX ）。 Ve 和 Vc 是小分子抗氧化物质。

细胞中的自由基若不能及时除去，过多的自由基对许多细胞造成损伤。例如，它们能使质膜中的不饱和脂肪酸氧化；使蛋白质中的疏基氧化造成蛋白质交联，变性和酶钝化；使糖类化合物降解；使 DNA链断裂、交联，碱基羟基化和碱基切除等等。同时还能抑制蛋白质、核酸和脂肪酸的生物合成。其中可能对磷脂的氧化和对 DNA造成损伤是主要的，也是很致命的。

自由基可使细胞中的大分子受到随机的损伤，这种损伤可以不断积累，从而导致细胞生理功能的衰退。由细胞代谢产生的自由基对体内有机化合物可发生直接或间接的强氧化或过氧化作用，诱导氧化反而引起生物膜受损和细胞组织衰老。最脆弱的膜是线粒体膜和内质网膜。自由基的强氧化反应也可使 DNA双股结构发生股间交联，核酸变性和蛋白质合成障碍。自由基还可氧化体内存在的不饱和脂肪酸，使脂肪变性形成过氧化脂质并分解为醛类，再和磷脂蛋白质结合成脂褐素，因脂褐素在细胞内大量沉积，破坏细胞亚显微结构而使细胞萎缩和衰亡。

（二）线粒体自由基假说

线粒体产生 ATP 为细胞内进行的大多数生命过程提供能量。不幸的是线粒体从营养物中获取能量的同时作为副产物产生自由基。细胞中，许多自由基是由线粒体制造出来的比如超氧自由基 O2

· －（点代表不配对的电子）， O2

· －本身有破坏作用还能转为成 H2O2 。虽然 H

2O2 不是自由基但可形成氢氧自由基（ OH ）当自由基一旦形成就能损伤细胞内的蛋白质、脂类和 DNA 。其中以线粒体中合成 ATP 的组分和线粒体 DNA首当其冲，它们更易受到自由基的损伤，这是因为线粒体 DNA处于自由基产生的邻近部位，故易被氧化攻击。

此外线粒体 DNA 不像核 DNA那样被包围着的蛋白质保护。因而线粒体 DNA 比核 DNA更易受氧化损伤。线粒体自由基假说认为自由基引起的线粒体损伤最终干扰了 ATP产生的效率并增加了自由基的输出。自由基加速了线粒体组分的氧化损伤因而进一步抑制了 ATP的产生。机体虽然具有一定的抵消氧化剂影响的能力，比如细胞产生抗氧化酶能解毒自由基；细胞制造其它的酶也能修复氧化损伤，但是，损伤是随着时间累积的。

（三）染色体端粒和衰老 端粒是由简单的富含 T 和 G 的 DNA 片段的重复序列组成。人类端粒结构为染色体末端重复上千次的 TTAGGG序列所组成。DNA聚合酶不能完成线性染色体末端 DNA 的复制，

由于 RNA 引物的原因， DNA聚合酶一定会留下染色体末端的一段 DNA （一段端粒）使其不被复制。那么真核细胞染色体末端的端粒就会随着细胞分裂而缩短。这个缩短的端粒传给子细胞后，随着细胞的再次分裂进一步缩短。染色体末端端粒随着每次细胞分裂逐渐缩短，直到不能分裂走向衰老。人类种系细胞一生中维持分裂。不断增殖的原因是该细胞表达端粒酶。端粒酶以自身一段 RNA 为模板，通过逆转录酶，转录出一段端粒片段并使之连接于染色体的端粒末端，使端粒不缩短，维持完整，从而保持了细胞的永生化生长。

在单细胞生物、多细胞生物的种系细胞中都显示出弱的端粒酶活性。而在人类正常组织的体细胞均无端粒酶活性。值得注意的是，在绝大多数恶性肿瘤细胞中显示明显的端粒酶活性，这可能是肿瘤细胞具有永生性生长的原因之一。

F4 端粒复制F4 端粒复制

...TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTG

...AACCCCAACCCC AACCCCAAC

5’

3’3’ 5’

dGTP

...TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTT

...AACCCCAACCCC AACCCCAAC

5’

3’3’ 5’

dGTP

...TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTTG

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5’

3’3’ 5’

3’

RNA template

Telomerase

DNA polymerase

primase

primase

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5’

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...AACCCCAACCCC AACCCCAACCC

5’

3’

第二节 细胞凋亡一、细胞凋亡的概念和生物学意义 1965 年澳大利亚科学家发现，结扎鼠门静脉后，电镜

观察到肝实质组织中有一些散在的死亡细胞这些的溶酶体并未被破坏，显然不同于细胞坏死。这些细胞体积收缩、染色质凝集从其周围的组织中脱落并被吞噬机体无炎症反应。 1972 年 Kerr 等三位科学家首次提出了细胞凋亡的概念，宣告了对细胞凋亡的真正探索的开始，在此之前，关于胚胎发育生物学、免疫系统的研究，肝细胞死亡的研究都为这一概念的提出奠定了基础。

细胞凋亡是指为维持内环境稳定，由基因控制的细胞自主的有序的死亡。细胞凋亡与细胞坏死不同，细胞凋亡不是一件被动的过程，而是主动过程，它涉及一系列基因的激活、表达以及调控等的作用，它并不是病理条件下，自体损伤的一种现象，而是为更好地适应生存环境而主动争取的一种死亡过程。细胞发生凋亡时，就象树叶或花的自然凋落一样，对于这种生物学观察，借用希腊 ?quot;Apoptosis" 来表示，意思是象树 叶 或 花 的 自 然 凋 落 ， 可 译 为 细 胞 凋 亡 。

死亡意味着生命的终止是生物界普遍的现象。细胞的死 亡 有两种 不 同形式：一 种 是坏死 （ 性 ）或意外（性）死亡（ necrosis ），它是由某些外界因素比如局部贫血，高热以及物理、化学损伤和生物侵袭等造成细胞急速死亡，是一种被动性死亡。

另一种称之为程序性死亡（ programmed cell death PCD ）是由基因控制的自杀程序引起的主动性死亡。主要发生在胚胎发育过程中，例如鼠的爪在胚胎发育过程中成形，起初是一种类似铲状的结构，只有当爪间的细胞死亡后爪才能分开。其实人的手和足在胚胎发育过程中的成形也与鼠类似。又如在蝌蚪发育成蛙的变态过程中蝌蚪尾部细胞的死亡再如胚胎中产生大量的神经细胞，在发育过程中神经细胞以死亡的方式调节细胞的数目以达到与其靶细胞匹配的神经分布。

这两类细胞死亡过程中细胞形态有明显的差别。因此，他们建议称这类死亡为 apoptosis 细胞凋亡（希腊字意思是 dropping off像花瓣或树叶落下。）而细胞坏死 necrosis （希腊字意思是 make death使之死亡）。可以认为细胞凋亡是细胞程序性死亡的形态和生化特征。现在一般把细胞凋亡和细胞程序性死亡等同应用。

坏死和凋亡在形态学和生物化学上有着明显的差别。坏死是意外性、被动性的死亡，而凋亡则是在胚胎发育过程中程序控制的死亡，

细胞凋亡是普遍存在的细胞凋亡是普遍存在的

变态： 蝌蚪 青蛙 昆虫 、卵 幼虫 成虫

哺乳类 : 皮肤，指（趾）甲

红细胞： 分化成熟 失去细胞核 凋亡

淋巴细胞： 95% 以上在成熟之前死去， 不到 5% 成熟后只存活一至几天

T—细胞杀伤靶细胞的机制之一， 就是诱使靶细胞凋亡

癌细胞亦可看作是凋亡失控了的细胞。

二、细胞凋亡的形态学和生物化学特征二、细胞凋亡的形态学和生物化学特征 （一）细胞凋亡与细胞坏死

细胞凋亡和细胞坏死有明显区别细胞凋亡和细胞坏死有明显区别 ::

细胞凋亡 细胞坏死 Apoptosis Necrosis

细胞变圆 ,与周围细胞脱开 细胞外形不规则变化

核染色质凝聚 溶酶体破坏

细胞膜内陷 细胞膜破裂

细胞分为一个个小体 胞浆外溢

被周围细胞吞噬 引起周围炎症反应

细胞凋亡与坏死的比较1.  正常细胞 2. 细胞凋亡的起始 ,染色质固缩、分离并沿核膜分布 3.凋亡中的细胞 , 细胞膜反折 , 包围细胞碎片 , 如染色质片段和细胞器 , 出芽形成凋亡小体 4. 凋亡小体被邻近细胞吞噬 5.坏死的早期阶段 ,染色体形成串状片段 , 细胞器膨胀 6.坏死的最后阶段 , 细胞膜破裂 ,细胞解体 , 内容物散逸

三、细胞凋亡的分子机制 细胞凋亡的基因调控机制最先是从线虫（ c.elegas）研究开始的。线虫是一种细胞定数细胞，在个体发育中，成体的 1090 个体细胞中，有 131 个注定是要自然凋亡。在线虫中已发现 14 个与细胞凋亡相关的基因。其中研究得比较深入的有促进细胞凋亡的 ced-3 和 ced-4基因，以及抑制细胞凋亡的 ced-9基因。

秀丽隐杆线虫

秀丽隐杆线虫 (Caenorbabditis Elegans)

秀丽隐杆线虫 (Caenorbabditis Elegans) 1031 个细胞 ， 13

1 个细胞凋亡 找到一系列与细胞凋亡有关的基因 ced-3 、 ced-4 诱发、启动凋亡 ced-9 抑制凋亡① ced-3 、 ced-4 基因突变或缺失，使凋亡受阻

② 移入 ced-9 使凋亡受阻 ③ 失去 ced-9 使细胞凋亡

Ced-3蛋白有 530 个氨基酸组成，其中含有约 100 个氨基酸长度的丝氨酸富含区，由于丝氨酸通常是磷酸化的位点，揭示磷酸化在细胞凋亡过程中十分重要。 ced-3,ced-4 的促细胞凋亡作用可被线虫中 ced-9所抑制 ,ced-9 在 ced-3及 ced-4 的上游。 Ced-3,4两个基因正调控， ced-9负调控。当 ced-9基因激活时，ced-3 和 ced-4被抑制，则细胞存活；当 ced-9基因不活动时， ced-3 和 ced-4激活，导致细胞的程序性死亡，甚至造成许多正常存活细胞的提早死亡。

（一） caspase(ICE 蛋白酶家族 ) 家族与凋亡 1 caspase家族

ICE基因 哺乳动物中克隆出的与线虫细胞凋亡基因 ced-3 的同源基因。

ICE是一个半胱氨酸蛋白酶。 ICE基因定位于人类染色体11q23 ，其 cDNA全长 1.35kb，编码由 404 个氨基酸残基组成的 45kd蛋白。迄今已发现了 11 个同源基因， 1996 年后这些家族成员统称为 Caspase，它能选择性地切割蛋白质使其失活或激活。

Caspase是一组在细胞质中结构相关的半光氨酸蛋白酶。

同样它能切割蛋白使其或激活或失活。

表 13-1 （教材 460 ）列出了 caspase家族成员及其底物

caspase家族成员基本功能 Caspase1 Caspase11 不直接参与细胞凋亡信号的传导 Caspase4

Caspase2 Caspase8 参与细胞凋亡的起始 Caspase9 Caspase10

Caspase3 Caspase6 参与细胞凋亡的执行 caspase7

2 Caspase的活化 目前认为细胞凋亡的起始者活化执行者 即 Caspase2 Caspase3 Caspase6 Caspase8 caspase7 Caspase9 活化 Caspase10

FasL/Fas

FADD

TRADD

DISC

死亡诱导信号复合物

Apaf-1 (apoptotic protease activating factor-1) ， Apaf-1具有激活 Caspase3 (CPP32)的作用

细胞色素 c(Apaf-2)

（三） bcl2家族 细胞凋亡抑制基因，名称来源于 B细胞淋巴瘤/白血病 -2(B-cell lymphoma/Leukemia-2 ，bcl-2)，最早由 Tsujimoto（ 1985 ）从伴有14 、 18染色体易位的淋巴瘤细胞中发现，在正常人体内位于 18号染色体，在患者易位于 14号染色体

bcl-2基因是抑制细胞程序性死亡的基因，它定位于人的第 18号染色体，从人的滤泡性 B细胞瘤中分离出的 bcl-2基因产物与 Ced-9蛋白的氨基酸序列有 23％的同源性，都可抑制多种原因诱导的细胞凋亡，说明两者都属于抗凋亡基因。

Bcl-2 是一 个不断扩增 的多基因家族的原型（ prototypes），其在哺乳类中的家族成员有 Bcl-x,Mcl-1,Bax,Bak,Bad,A1 和 Bik-1 。大量实验证明它是多细胞动物中普遍存在的“长寿”基因，如神经元寿命长， bcl-2 的表达则高于其他类型细胞。

Bcl-2蛋白家族成员概况 家族成员与 Bcl-2 同源性 Bcl-2 抑制凋亡

Bcl-xl 44 抑制凋亡 Bcl-x 促进凋亡 Bax 21 促进凋亡 Bak 28 促进凋亡 Bad 促进凋亡 A1 40 抑制凋亡 Mcl-1 35 抑制凋亡

（四） p53 p53 是肿瘤抑制基因，可以阻断细胞周期和诱导细胞凋亡。长期以来人们认识到细胞在 DNA损伤后便停止 DNA复制，这是 P53蛋白表达、聚集并进一步上调一系列基因表达的结果。

P21便是其中之一 , P21具有抑制细胞周期素 /细胞周期素依赖性激酶的底物磷酸化作用，导致 G1 期阻滞，使细胞赢得时间，在进入 S期前修复损伤的 DNA。

如果损伤不能修复， P53 就激活那些诱导细胞凋亡的基因转录，使细胞进入凋亡状态。当 P53基因发生缺失或异常时， P53 失去对细胞的监视作用，带着损伤的 DNA进入 S期，其结果是细胞因遗传不稳定性而产生突变和染色体畸变，最后导致细胞癌变。 ， P53基因产物诱导细胞凋亡，可提供一种防护机制，使 DNA损伤的细胞不能存活，而走向程序性死亡。

（五）细胞凋亡的信号传导1 Ras-p13-K-Akt(PKB) 抗细胞凋亡途径Akt 又叫 PKB可以特异的使酶原 Caspase9 的大亚基 196位丝氨酸磷酸化。因而Caspase9 不能参与 Caspase3 的活化。从而起到抗细胞凋亡的作用。

2 NF-kB与细胞凋亡NF-kB是细胞核内的基因转录的调控因子

它的靶基因是 TRAF， IAPS等，这些基因的表达蛋白能抑制 Caspase8 的活性从而抑制细胞凋亡。

Ras活化 NF-Kb， NF-kB通过调控靶基因表达蛋白，抑制 Caspase8 的活性，从而抑制细胞凋亡。

Caspase8

Akt 又叫 PKB可以特异的使酶原 Caspase9 的大亚基 196位丝氨酸磷酸化。因而 Caspase9 不能参与Caspase3 的活化。从而起到抗细胞凋亡的作用。

这些基因的表达蛋白能抑制 Caspase8 的活性从而抑制细胞凋亡。

抑制

。Ras活化 NF-Kb， NF-kB通过调控靶基因表达蛋白，抑制Caspase8 的活性，从而抑制细胞凋亡

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The 2002 Nobel Prize in Physiology or Medicine

7 October 2002The Nobel Assembly at

Karolinska Institutet has today decided to award The Nobel Prize in Physio

logy or Medicine for 2002jointly to

Sydney Brenner, H. Robert Horvitz and John E. Sulston

for their discoveries concerning"genetic regulation of organ develo

pment and programmed cell death"

Sydney Brenner

H. Robert Horvitz

John E. Sulston

It is of considerable biological and medical importance to understand how these complicated processes are controlled. In unicellular model organisms, e.g. bacteria and yeast, organ development and the interplay between different cells cannot be studied. Mammals, on the other hand, are too complex for these basic studies, as they are composed of an enormous number of cells. The nematode C. elegans, being multi-cellular, yet relatively simple, was therefore chosen as

the most appropriate model system, which has then led to characterization of these processes also in humans.

Programmed cell death

Normal life requires cell division to generate new cells but also the presence of cell death, so that a balance is maintained in our organs. In an adult human being, more than a thousand billion cells are created every day. At the same time, an equal number of cells die through a controlled "suicide process", referred to as programmed cell death.

Developmental biologists first described programmed cell death. They noted that cell death was

necessary for embryonic development, for example when tadpoles undergo metamorphosis to become adult frogs. In the human foetus, the interdigital mesoderm initially formed between fingers and toes is removed by programmed cell death. The vast excess of neuronal cells present during the early stages of brain development is also eliminated by the same mechanism.

The seminal breakthrough in our understanding of programmed cell death was made by this year's Nobel Laureates. They discovered that specific genes control the cellular death program in the nematode C. elegans. Detailed studies in this simple model organism demonstrated that 131 of totally 1090 cells die reproducibly during development, and that this natural cell death is controlled by a unique set of genes.

The model organism C. elegansSydney Brenner realized, in the early

1960s, that fundamental questions regarding cell differentiation and organ development were hard to tackle in higher animals. Therefore, a genetically amenable and

multicellular model organism simpler than mammals, was required. The ideal solution proved to be the nematode Caenorhabditis elegans. This worm, approximately 1 mm long, has a short generation time and is transparent, which made it possible to follow cell division directly under the microscope.

Brenner provided the basis in a publication from 1974, in which he broke new ground by demonstrating that specific gene mutations could be induced in the genome of C. elegans by the chemical compound EMS (ethyl methane sulphonate). Different mutations could be linked to specific genes and to specific effects on organ development. This combination of genetic analysis and visualization of cell divisions observed under the microscope initiated the discoveries that are awarded by this year's Nobel Prize.

Mapping the cell lineageJohn Sulston extended Brenner's work with C.

elegans and developed techniques to study all cell divisions in the nematode, from the fertilized egg to the 959 cells in the adult organism. In a publication from 1976, Sulston described the cell lineage for a part of the developing nervous system. He showed that the cell lineage is invariant, i.e. every nematode underwent exactly the same program of cell division and differentiation.

As a result of these findings Sulston made the seminal discovery that specific cells in the cell lineage always die through programmed cell death and that this could be monitored in the living organism. He described the visible steps in the cellular death process and demonstrated the first mutations of genes participating in programmed cell death, including the nuc-1 gene. Sulston also showed that the protein encoded by the nuc-1 gene is required for degradation of the DNA of the dead cell.

Identification of "death genes" Robert Horvitz continued Brenner's and Sulston's work o

n the genetics and cell lineage of C. elegans. In a series of elegant experiments that started during the 1970s, Horvitz used C. elegans to investigate whether there was a genetic program controlling cell death. In a pioneering publication from 1986, he identified the first two bona fide "death genes", ced-3 and ced-4. He showed that functional ced-3 and ced-4 genes were a prerequisite for cell death to be executed.

Later, Horvitz showed that another gene, ced-9, protects against cell death by interacting with ced-4 and ced-3. He also identified a number of genes that direct how the dead cell is eliminated. Horvitz showed that the human genome contains a ced-3-like gene. We now know that most genes that are involved in controlling cell death in C. elegans, have counterparts in humans.

Of importance for many research disciplines

The development of C. elegans as a novel experimental model system, the characterization of its invariant cell lineage, and the possibility to link this to genetic analysis have proven valuable for many research disciplines. For example, this is true for developmental biology and for analysis of the functions of various signaling pathways in a multicellular organism.

The characterization of genes controlling programmed cell death in C. elegans soon made it possible to identify related genes with similar functions in humans. It is now clear that one of the signaling pathways in humans leading to cell death is evolutionarily well conserved. In this pathway ced-3-, ced-4- and ced-9-like molecules participate. Understanding perturbations in this and other signaling pathways controlling cell death are of prime importance for medicine.

Disease and programmed cell death Knowledge of programmed cell death has helped us

to understand the mechanisms by which some viruses and bacteria invade our cells. We also know that in AIDS, neurodegenerative diseases, stroke and myocardial infarction, cells are lost as a result of excessive cell death. Other diseases, like autoimmune conditions and cancer, are characterized by a reduction in cell death, leading to the survival of cells normally destined to die.

Research on programmed cell death is intense, including in the field of cancer. Many treatment strategies are based on stimulation of the cellular "suicide program". This is, for the future, a most interesting and challenging task to further explore in order to reach a more refined manner to induce cell death in cancer cells.

Using the nematode C. elegans this year's Nobel Laureates have demonstrated how organ development and programmed cell death are genetically regulated. They have identified key genes regulating programmed cell death and demonstrated that corresponding genes exist also in higher animals, including man.

The figure schematically illustrates the cell lineage (top left) and the programmed cell death (below) in C. elegans. The fertilized egg cell undergoes a series of cell divisions leading to cell differentiation and cell specialization, eventually producing the adult organism (top right).

In C. elegans, all cell divisions and differentiations are invariant, i.e. identical from individual to individual, which made it possible to construct a cell lineage for all cell divisions. During development, 1090 cells are generated, but precisely 131 of these cells are eliminated by programmed cell death. This results in an adult nematode (the hermaphrodite), composed of 959 somatic cells.

谢谢大家的合作！ 谢谢大家的合作！ 再见！再见！