Transcript 第十三章： 细胞衰老
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 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 有关） 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 龟 90－125 水貂 30－34 鸡 15－35 小鼠 14－28 人 胚胎 40－60 出生至15岁 20－40 15岁以上 10－30 早老病患者 2－10 个体最长寿命（年） 175（？） 10 30 3.5 110 10－20 早老症病人细胞培养只传代 2-4次 3 早衰症是人体衰老中的一种病症 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 肾小球减少 肾小球过滤率减少 脊神经元减少 神经传导速度减慢 脑供血量减少 肺活量减少 64％ 44％ 31％ 37％ 10％ 20％ 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H2O2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。 染色体端粒和衰老 （三） 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 dGTP 5’ ...TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTG ...AACCCCAACCCC AACCCCAAC 3’ RNA template 3’ Telomerase 5’ dGTP 5’ ...TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTT ...AACCCCAACCCC AACCCCAAC 3’ 3’ 5’ 3’ 5’ ...TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTTG ...AACCCCAACCCC AACCCCAAC 3’ 3’ 5’ primase 5’ ...TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTTG ...AACCCCAACCCC CCCCAAC 3’ primase 5’ ...TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTTG ...AACCCCAACCCC CAACCCCAAC 3’ DNA polymerase 5’ ...TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTTG ...AACCCCAACCCC CCAACCC CAACCCCAAC 3’ 5’ ...TTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTTGGGGTTG ...AACCCCAACCCC AACCCCAACCC 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 变态： 哺乳类: 红细胞： 蝌蚪 青蛙 昆虫 、卵 幼虫 成虫 皮肤，指（趾）甲 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 （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 Apoptosis 细胞坏死 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 被周围细胞吞噬 胞浆外溢 引起周围炎症反应 细胞凋亡与坏死的比较 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 1. 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(Caenorbabditis 秀丽隐杆线虫 Elegans) 秀丽隐杆线虫 (Caenorbabditis Elegans) 1031个细胞 ，131 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，ced3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 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 Caspase9 Caspase10 Caspase3 Caspase6 caspase7 参与细胞凋亡的起始 参与细胞凋亡的执行 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 Caspase10 活化 死亡诱导信号复合物 FasL/Fas DISC FADD TRADD 细胞色素c(Apaf-2) Apaf-1 (apoptotic protease activating factor-1)， Apaf-1 具有激活Caspase3 (CPP32) 的作用 （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 抑制凋亡 Bcl-x 促进凋亡 Bax 促进凋亡 Bak 促进凋亡 Bad 促进凋亡 A1 44 21 28 40 （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。 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 。 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。 Caspase8 抑制 这些基因的 表达蛋白能 抑制 Caspase8的 活性从而抑 制细胞凋亡。 Textbook-free classroom The 2002 Nobel Prize in Physiology or Medicine 7 October 2002 The Nobel Assembly at Karolinska Institutet has today decided to award The Nobel Prize in Physiology or Medicine for 2002 jointly to Sydney Brenner, H. Robert Horvitz and John E. Sulston for their discoveries concerning "genetic regulation of organ development 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. elegans Sydney 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 lineage John 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 on 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.