續(xù)篇 （二）

這九項(xiàng)特征為：基因組失穩(wěn)（genomic instability）、端粒損耗（telomere attrition）、表觀遺傳學(xué)改變（epigenetic alterations）、蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)喪失（loss of proteostasis）、營養(yǎng)素感應(yīng)失調(diào)（deregulated nutrient sensing）、線粒體功能障礙（mitochondrial dysfunction）、細(xì)胞衰老（cellular senescence）、干細(xì)胞耗竭（stem cell exhaustion）和胞間通訊改變（altered intercellular communication）。目前面臨的重要問題是，揭示上述特征之間的關(guān)聯(lián)性以及各自對衰老的相對貢獻(xiàn)度，最終目標(biāo)是確定藥物干預(yù)的靶點(diǎn)，以改善人類衰老進(jìn)程中的健康水平并最大程度地避免副作用。

六，線粒體功能障礙（mitochondrial dysfunction）

伴隨細(xì)胞和機(jī)體衰老，呼吸鏈效率趨于降低，由此電子漏增加，而致ATP生成減少（Green et al., 2011）（圖4B）。長期以來，一直有關(guān)于線粒體功能障礙與衰老之間關(guān)系的猜測，然而闡明其細(xì)節(jié)仍然是衰老研究中的重大挑戰(zhàn)。

活性氧

衰老的線粒體自由基理論認(rèn)為，衰老過程中發(fā)生進(jìn)行性線粒體功能障礙，會增加ROS生成，后者反而會進(jìn)一步導(dǎo)致線粒體功能惡化和細(xì)胞整體損害（Harman, 1965）。大量資料支持ROS在衰老中的作用，本文聚焦于近5年來的進(jìn)展，這些研究正促使研究者對衰老的線粒體自由基理論予以重新評價(jià)（Hekimi et al., 2011）。意外發(fā)現(xiàn)，酵母和線蟲ROS增加反可延長其壽命（Doonan et al., 2008; Mesquita et al.,2010; Van Raamsdonk and Hekimi, 2009）。上述發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了特別的影響，而與此類似，通過基因操作使小鼠增加線粒體ROS生成和氧化損傷，并不會加速衰老（Van Remmen et al., 2003; Zhang et al., 2009）?？寡趸烙芰υ鰪?qiáng)的小鼠，則未顯示壽命延長（Pérez et al., 2009）。最后，通過基因操作僅損傷線粒體功能而不增加ROS生成，即可加速衰老（Edgar et al., 2009; Hiona et al., 2010;Kujoth et al., 2005;Trifunovic et al., 2004; Vermulst et al., 2008）.）。上述資料及其他研究為重新探討ROS在衰老中的作用鋪平了道路（Ristow and Schmeisser, 2011）。實(shí)際上，平行且獨(dú)立于針對ROS損傷效應(yīng)的研究，在胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)領(lǐng)域已積累的堅(jiān)實(shí)證據(jù)證實(shí)，ROS可細(xì)胞的啟動增殖和存活反應(yīng)，以應(yīng)對生理信號和應(yīng)激狀態(tài)（Sena and Chandel, 2012）。與AMP或NAD⁺的概念相類似（見“營養(yǎng)素感應(yīng)失調(diào)”），以上兩方面的證據(jù)可統(tǒng)一描述為，ROS可作為應(yīng)激誘導(dǎo)的存活信號。從這個(gè)意義上來講，ROS的初始效應(yīng)或?yàn)榧せ畲鷥斝苑€(wěn)態(tài)反應(yīng)。伴隨時(shí)序年齡的進(jìn)展，細(xì)胞應(yīng)激和損傷程度加劇，而ROS水平亦平行增加，以試圖保持細(xì)胞存活。一旦超過某一閾值，此水平的ROS則不再具有保持穩(wěn)態(tài)的作用，最終加劇（而非減輕）增齡性損傷（Hekimi et al., 2011）。由此，這一概念框架即可協(xié)調(diào)ROS對衰老有“正面效應(yīng)”、“負(fù)面效應(yīng)”或“中性效應(yīng)”等表面矛盾的證據(jù)。

線粒體完整性及其生物合成

線粒體功能障礙可單獨(dú)促進(jìn)衰老（獨(dú)立于ROS），正如針對DNA聚合酶γ缺陷小鼠的研究所見（Edgar et al., 2009; Hiona et al., 2010）（見“基因組失穩(wěn)”）。該研究的發(fā)生機(jī)制涉及多個(gè)方面：如線粒體缺陷導(dǎo)致其為應(yīng)對應(yīng)激反應(yīng)而發(fā)生滲漏的可能性增加，從而影響細(xì)胞凋亡的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)（Kroemer et al., 2007）；或是線粒體缺陷促進(jìn)ROS介導(dǎo)和/或通透性易化的（permeabilization-facilitated）炎性體（Inflammasome）激活（Green et al., 2011）并且，線粒體功能障礙可通過影響線粒體外膜與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)之間的界面，從而直接影響細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和細(xì)胞器之間相互應(yīng)答（cross-talk）（Raffaello and Rizzuto, 2011）。

另有多重機(jī)制亦會共同導(dǎo)致線粒體生物能量的生成效率降低，其中機(jī)制之一即是線粒體的生物合成減少，如端粒酶缺陷小鼠在端粒損耗表現(xiàn)之外，還可繼發(fā)p53介導(dǎo)的PGC-1α和PGC-1β抑制（Sahin and DePinho, 2012）。在野生型小鼠的生理性衰老過程中，亦可發(fā)現(xiàn)其線粒體功能減退，而通過激活端粒酶則可部分逆轉(zhuǎn)之（Bernardes de Jesus et al., 2012）。SIRT1亦能夠調(diào)節(jié)線粒體的生物合成，原因即在于其可影響到與轉(zhuǎn)錄共激活因子PGC-1α相關(guān)的過程，或通過自噬清除損傷的線粒體。作為線粒體中主要的去乙?；?/span>（Lombard et al., 2007），SIRT3可靶向與能量代謝（包括呼吸鏈、三羧酸循環(huán)、酮體生成和脂肪酸β-氧化）相關(guān)的多種酶類（Giralt and Villarroya, 2012）。而通過去乙?；i超氧化物歧化酶（線粒體主要抗氧化酶），SIRT3亦可直接控制ROS的生成速度（Qiu et al., 2010; Tao et al., 2010）?？傊?，上述結(jié)果可支持以下觀點(diǎn)：即端粒和sirtuins可控制線粒體功能，從而發(fā)揮對抗增齡性疾病的作用。

其他導(dǎo)致線粒體生物能量不足的機(jī)制還包括，mtDNA突變和缺失的累積、線粒體蛋白氧化、呼吸鏈（超級）復(fù)合體大分子組裝失穩(wěn)、線粒體膜脂質(zhì)成分改變、分裂和融合失衡所致線粒體動力學(xué)改變、線粒體自噬（靶向缺陷線粒體、降解蛋白質(zhì)的細(xì)胞器特異型巨自噬）質(zhì)控缺陷等（Wang and Klionsky, 2011）。而線粒體生物合成減少及缺陷線粒體清除不足，會導(dǎo)致其損傷累積和更新減少，共同促進(jìn)衰老的進(jìn)展（圖4B）。

有趣的是，耐力訓(xùn)練和隔日禁食可避免線粒體變性，從而改善健康壽命（Castello et al., 2011; Safdar et al., 2011）。有推測上述良性效應(yīng)的原因在于，耐力訓(xùn)練和禁食可作為強(qiáng)有力的觸發(fā)因素，至少在部分程度上誘導(dǎo)自噬的發(fā)生（Rubinsztein et al., 2011）。當(dāng)然，自噬誘導(dǎo)可能并非健康生活方式延緩衰老的唯一機(jī)制，因?yàn)橥ㄟ^精細(xì)的DR食譜，其他長壽通路亦可能被激活（Kenyon, 2010）。

線粒體毒物興奮效應(yīng)

衰老過程中發(fā)生的線粒體功能障礙亦與毒物興奮效應(yīng)（hormesis）有關(guān)，近期已有多項(xiàng)的衰老研究聚焦于這一概念（Calabrese et al., 2011）。按照這一觀點(diǎn)，經(jīng)少量毒物處理后會促發(fā)良性代償反應(yīng)，并強(qiáng)于其誘發(fā)損傷后的修復(fù)反應(yīng)；這樣與損傷開始前狀態(tài)相比，最終的細(xì)胞適應(yīng)性反而更優(yōu)。因此，雖然嚴(yán)重的線粒體功能障礙是致病性的，但輕微的線粒體呼吸缺陷則可延長壽命，這可能是源于毒物興奮效應(yīng)（Haigis and Yankner, 2010）。毒物興奮效應(yīng)可能啟動線粒體的對抗反應(yīng)。在線蟲，該反應(yīng)既可見于有線粒體缺陷的組織，還可能見于較遠(yuǎn)組織（Haigis and Yankner, 2010）。強(qiáng)烈證據(jù)顯示，某些復(fù)合物（如二甲雙胍、白藜蘆醇）具有輕微的線粒體毒性，能夠通過增加AMP水平和激活APMK而誘導(dǎo)低能量狀態(tài)（Hawley et al., 2010）。重要的是，二甲雙胍通過誘導(dǎo)代償性應(yīng)激反應(yīng)而延長線蟲壽命，是經(jīng)由AMPK和抗氧化主要調(diào)節(jié)因子NRF2介導(dǎo)的（Onken and Driscoll, 2010）。近期研究還顯示，二甲雙胍延緩線蟲衰老，亦源于其破壞腸道微生物組的葉酸和甲硫氨酸代謝（Cabreiro et al., 2013）。而就哺乳動物來講，自生命早期即開始應(yīng)用二甲雙胍，亦可延長小鼠壽命（nisimov et al., 2011）。而對于白藜蘆醇以及sirtuin激活劑SRT1720，有確切證據(jù)顯示，二者可通過依賴于PGC-1α的方式對抗代謝損傷，并改善線粒體呼吸（Baur et al., 2006; Feige et al., 2008;Lagouge et al., 2006; Minor et al., 2011），不過白藜蘆醇在正常飲食情況下并不能延長小鼠壽命（Pearson et al., 2008;Strong et al., 2013）。有報(bào)道指出，PGC-1α過表達(dá)延長果蠅壽命與改善線粒體活性有關(guān)，該研究進(jìn)一步支持了PGC-1α在衰老中的作用（Rera et al., 2011）。最后，通過基因過表達(dá)線粒體解偶聯(lián)蛋白UCP1，或應(yīng)用化學(xué)解偶聯(lián)劑2，4-二硝基苯酚（2-4-dinitrophenol），所導(dǎo)致的線粒體解偶聯(lián)均可延長果蠅和小鼠壽命（Caldeira da Silva et al., 2008; Fridell etal., 2009; Gates et al., 2007; Mookerjee et al., 2010）。

總結(jié)

線粒體功能對衰老進(jìn)程有著復(fù)雜的影響。線粒體功能障礙可加速哺乳動物衰老（Kujoth et al., 2005; Trifunovic et al.,2004; Vermulst et al., 2008），但尚不明確是否可通過改善線粒體功能（如通過線粒體毒物興奮效應(yīng)）延長哺乳動物壽命，不過在這方面已有證據(jù)提示存在這種可能性。

七，細(xì)胞衰老（cellular senescence）

細(xì)胞衰老可定義為細(xì)胞周期的穩(wěn)定性中止，并伴隨表型的固定化（Campisi and d’Adda di Fagagna, 2007; Colladoet al., 2007; Kuilman et al., 2010）（圖5A）。該現(xiàn)象最早由海弗利克（Hayflick）對人成纖維細(xì)胞進(jìn)行連續(xù)傳代培養(yǎng)時(shí)加以描述（Hayflick and Moorhead, 1961）。而今，已知海弗利克所見到的細(xì)胞衰老現(xiàn)象由端?？s短所致（Bodnar et al., 1998），尚有其他衰老相關(guān)刺激可誘發(fā)細(xì)胞衰老，且獨(dú)立于上述端粒過程。最值得注意的是，非端粒性DNA損傷和INK4/ARF位點(diǎn)脫抑制（derepression）（兩者隨時(shí)序年齡而漸進(jìn)性發(fā)生），亦能夠誘導(dǎo)細(xì)胞衰老（Collado et al., 2007）。衰老組織中衰老細(xì)胞的累積程度，一般可通過替代性指標(biāo)（如DNA損傷）來推斷。某些研究直接采用細(xì)胞衰老相關(guān)β-半乳糖苷酶（SABG）來測定組織中的細(xì)胞衰老程度（Dimri et al., 1995）。值得注意的是，通過對小鼠肝臟SABG和DNA損傷進(jìn)行精細(xì)的量化平行分析，所獲取的比較數(shù)據(jù)顯示，青年小鼠肝臟中衰老細(xì)胞所占比例約為8%，而在老年小鼠約為17%（Wang et al., 2009）。在小鼠的皮膚、肺臟和脾臟亦有類似結(jié)果，但在其心臟、骨骼肌和腎臟中則未見類似改變（Wang et al., 2009）?；谶@些數(shù)據(jù)，顯然可知老年生物體出現(xiàn)細(xì)胞衰老并非所有組織的普遍特征。就衰老的腫瘤細(xì)胞而言，其受到嚴(yán)格的免疫監(jiān)視，并可通過細(xì)胞吞噬作用而被有效清除（Hoenicke and Zender, 2012; Kang et al.,2011; Xue et al., 2007）。確定無疑的是，衰老過程中衰老細(xì)胞的累積程度，能夠反映衰老細(xì)胞產(chǎn)生速度和/或其清除速度（如免疫反應(yīng)減弱所致）。

正是由于衰老細(xì)胞隨機(jī)體衰老而增加，所以普遍認(rèn)為細(xì)胞衰老促進(jìn)機(jī)體衰老。但此觀點(diǎn)低估了細(xì)胞衰老的初始效應(yīng)，即其可通過免疫系統(tǒng)阻止受損細(xì)胞增殖，并促發(fā)其死亡。因此，細(xì)胞衰老可能是一種良性代償反應(yīng)，有助于將受損細(xì)胞和潛在致癌細(xì)胞清除出組織。然而，這一細(xì)胞檢查點(diǎn)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)，需要高效的細(xì)胞更新系統(tǒng)，涉及到衰老細(xì)胞的清除和祖細(xì)胞的動員，以恢復(fù)細(xì)胞數(shù)量。在老年生物體，上述細(xì)胞更新系統(tǒng)會變得效率低下，或者會耗竭祖細(xì)胞的再生能力，最終導(dǎo)致衰老細(xì)胞的累積，進(jìn)而加劇損傷并促進(jìn)衰老（圖5A）。

近年來，開始重視衰老細(xì)胞分泌蛋白質(zhì)組（secretome）的顯著改變，其分泌蛋白質(zhì)組中促炎性細(xì)胞因子和基質(zhì)金屬蛋白酶相當(dāng)豐富，可稱之為“細(xì)胞衰老相關(guān)分泌表型”（senescence-associated secretory phenotype）（Kuilman et al., 2010; Rodier and Campisi,2011）。而這種促炎性分泌蛋白質(zhì)組亦可促進(jìn)衰老（見“胞間通訊改變”）。

INK4a/ARF位點(diǎn)和p53

除DNA損傷外，其他形式的應(yīng)激，如過量的促有絲分裂信號與細(xì)胞衰老之間存在更強(qiáng)烈的相關(guān)性。近期匯總數(shù)據(jù)顯示，有50種以上的致癌性改變或促有絲分裂改變能夠誘導(dǎo)細(xì)胞衰老（Gorgoulis and Halazonetis, 2010）。通過細(xì)胞衰老以對抗上述致癌性侵襲的機(jī)制，雖然有越來越多的發(fā)現(xiàn)，但其中最為重要的仍是最早報(bào)道的p16^INK4a/Rb和p19^ARF/p53通路。對小鼠和人類的各類組織進(jìn)行分析均發(fā)現(xiàn)，p16^INK4a水平（以及p19^ARF在較小范圍內(nèi)）與時(shí)序年齡相關(guān)聯(lián)（Krishnamurthy et al., 2004; Ressler et al.,2006）?？紤]到這一發(fā)現(xiàn)，更可強(qiáng)烈支持這些通路與衰老之間的相關(guān)性。目前尚未發(fā)現(xiàn)有其他蛋白或基因的表達(dá)與時(shí)序年齡有如此強(qiáng)烈的關(guān)聯(lián)，而上述蛋白在不同組織、不同物種之間都是如此，且其平均變化幅度在青年組織和老年組織中存在一個(gè)數(shù)量級的差異。p16^INK4a和p19^ARF均定位于同一遺傳位點(diǎn)，即INK4a/ARF位點(diǎn)。近期對300多項(xiàng)全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS）進(jìn)行薈萃分析發(fā)現(xiàn)，在所有基因組位點(diǎn)中，INK4a/ARF位點(diǎn)與最多數(shù)量的增齡性病變存在遺傳相關(guān)性，如嚴(yán)重的心血管疾病、糖尿病、青光眼、阿爾茨海默病等（Jeck et al., 2012）。在調(diào)控人類衰老和增齡性疾病方面，以上研究均將INK4a/ARF位點(diǎn)列為最值得關(guān)注的基因。尚待解決的問題是確定疾病相關(guān)的INK4a/ARF等位基因是否存在功能的獲得或缺失。

p16^INK4a和p53的關(guān)鍵作用是誘導(dǎo)細(xì)胞衰老，這更可以支持兩者通過誘導(dǎo)細(xì)胞衰老以促進(jìn)病理性衰老的假說。因此，考慮到p16^INK4a和p53抑制腫瘤的益處，二者的促進(jìn)衰老作用或許是可以承受的代價(jià)。支持上述觀點(diǎn)的是，遭受強(qiáng)烈而持續(xù)損傷的早老突變小鼠，其細(xì)胞衰老程度十分顯著，而若清除其p16^INK4a或p53，其早老表型則有所減輕。這種早老模型可見于BRCA1缺陷小鼠（Cao et al., 2003）、HGPS模型小鼠（Varela et al., 2005），以及BubR1亞效突變所致染色體穩(wěn)定性缺陷小鼠（Baker et al., 2011）。然而，還有其他的證據(jù)提示這其中的情形更為復(fù)雜。與其促進(jìn)衰老作用相比，系統(tǒng)性輕微增加p16^INK4a、p19^ARF或p53等腫瘤抑制因子表達(dá)的小鼠，顯示其壽命延長，且并不能歸因于其腫瘤發(fā)病率降低（Matheu et al., 2007, Matheu et al., 2009）。并且，清除p53反而會加重某些早老突變小鼠的衰老表型（Begus-Nahrmann et al., 2009; Murga et al.,2009;Ruzankina et al., 2009）。正如前述的細(xì)胞衰老兩面性，激活p53和INK4a/ARF可看作是良性代償反應(yīng)，可避免損傷細(xì)胞的增殖及其導(dǎo)致衰老和癌癥的后果。然而，一旦細(xì)胞損傷廣泛發(fā)展，則組織再生能力近乎耗竭或飽和，在這種極端情況下，p53和INK4a/ARF的反應(yīng)即具有危害性，從而加速衰老。

總結(jié)

細(xì)胞衰老最初是對抗損傷的良性代償反應(yīng)，若組織再生能力因此而耗竭，則細(xì)胞衰老可具有危害性，從而加速衰老。正是由于其復(fù)雜性，細(xì)胞衰老是否符合衰老特征理想標(biāo)準(zhǔn)的第三條，尚無法給出簡單地回答。針對致細(xì)胞衰老的腫瘤抑制因子通路，若適度增強(qiáng)之，則可延長壽命（Matheu et al., 2007, Matheu et al., 2009）；同樣，針對實(shí)驗(yàn)性早老模型，若清除其衰老細(xì)胞，亦可延緩增齡性病變的發(fā)生（Baker et al., 2011）。因此，盡管上述兩種干預(yù)手段的理念相反，但均可延長健康壽命。

八，干細(xì)胞耗竭（stem cell exhaustion）

組織再生潛力降低是衰老最明顯的特征之一（圖5B）。例如，衰老過程中造血干細(xì)胞減少，導(dǎo)致適應(yīng)性免疫細(xì)胞的生成減少［此過程稱為免疫衰老（immunosenescence）］，以及貧血和骨髓異常增生的發(fā)病率增加（Shaw et al., 2010）。干細(xì)胞功能損耗可見于所有重要的干細(xì)胞區(qū)室（compartments），如小鼠前腦（Molofsky et al., 2006）、骨骼（Gruber et al., 2006）和肌纖維（Conboy and Rando, 2012）。老年小鼠研究發(fā)現(xiàn)，其造血干細(xì)胞（HSCs）的細(xì)胞周期活動呈現(xiàn)整體性降低，且老年期HSCs的細(xì)胞分裂能力弱于青年期HSCs（Rossi et al., 2007）。而上述變化與DNA損傷累積（Rossi et al., 2007）和細(xì)胞周期抑制蛋白（如p16^INK4a）過表達(dá)（Janzen et al., 2006）有關(guān)。實(shí)際上，較之老年期野生型HSCs，老年期INK4a^?/?HSCs則顯示較強(qiáng)的植入能力和細(xì)胞周期活動增加（Janzen et al., 2006）。在多種組織中均發(fā)現(xiàn)，端?？s短亦為衰老過程中干細(xì)胞減少的重要原因（Flores et al., 2005; Sharpless and DePinho,2007）。該發(fā)現(xiàn)作為衰老領(lǐng)域的一項(xiàng)例證，提示干細(xì)胞減少是多重?fù)p害整合的結(jié)果。

雖然干細(xì)胞和祖細(xì)胞增殖能力不足，對機(jī)體的長期維護(hù)明顯不利，但二者過度增殖會加速干細(xì)胞巢（niches）的耗竭，因而同樣是有害的。干細(xì)胞休眠對其長期保持功能也具有重要作用，這方面的強(qiáng)烈證據(jù)顯示，果蠅小腸干細(xì)胞過度增殖會導(dǎo)致干細(xì)胞耗竭，并出現(xiàn)過早衰老（Rera et al., 2011）。同樣情形亦見于p21缺失小鼠，其表現(xiàn)為HSCs和神經(jīng)干細(xì)胞的過早耗竭（Cheng et al., 2000; Kippin et al., 2005）。如此看來，衰老過程中INK4a誘導(dǎo)（見“細(xì)胞衰老”）和血清IGF-1降低（見“營養(yǎng)素感應(yīng)失調(diào)”），均可能反映出機(jī)體試圖保持干細(xì)胞休眠狀態(tài)。近期研究亦發(fā)現(xiàn)，老年期的肌肉干細(xì)胞巢中FGF2信號通路增強(qiáng)，可導(dǎo)致干細(xì)胞休眠減少，最終出現(xiàn)干細(xì)胞缺失并喪失再生能力，而抑制該通路則可挽救上述損害（Chakkalakal et al., 2012）。上述發(fā)現(xiàn)可望啟發(fā)如下的設(shè)計(jì)思路，即通過抑制FGF2通路以減少衰老過程中的干細(xì)胞耗竭。與上述方向相一致，亦有報(bào)道通過DR可增強(qiáng)小腸和肌肉干細(xì)胞的功能（Cerletti et al., 2012; Yilmaz et al., 2012）。

還有一個(gè)重要議題是，干細(xì)胞功能降低是源于細(xì)胞-內(nèi)源性通路還是源于細(xì)胞-外源性通路（Conboy and Rando, 2012）。近期研究則強(qiáng)烈支持后者。特別是，將青年小鼠的肌源性干細(xì)胞移植入早老小鼠后，可延長后者壽命，并改善其退行性改變，即便在未檢測到供體細(xì)胞的組織中亦是如此，提示上述治療獲益或源于干細(xì)胞分泌因子的系統(tǒng)性效應(yīng)（Lavasani et al., 2012）。更有異種共生（parabiosis）實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，來自青年小鼠的系統(tǒng)性因子，可逆轉(zhuǎn)老年小鼠神經(jīng)干細(xì)胞和肌肉干細(xì)胞的功能降低（Conboy et al., 2005; Villeda et al., 2011）。

而亦有研究探索采用藥物干預(yù)來改善干細(xì)胞功能。特別是，通過雷帕霉素抑制mTORC1，不僅可改善蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)（見“蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)喪失”）和影響能量感應(yīng)（見“營養(yǎng)素感應(yīng)失調(diào)”）以延緩衰老，其還可改善上皮、造血系統(tǒng)和小腸干細(xì)胞的功能（Castilho et al., 2009; Chen et al., 2009;Yilmaz et al., 2012）。這些發(fā)現(xiàn)也表明，要闡明雷帕霉素的抗衰老機(jī)制還存在相當(dāng)大的難度，也更凸顯本文所討論的衰老各項(xiàng)特征之間亦存在相互關(guān)聯(lián)性。另值得注意的是，GTP酶CDC42可致衰老HSCs增加，而通過藥物抑制CDC42，則可使人體衰老細(xì)胞重新恢復(fù)年輕（rejuvenation）（Florian et al., 2012）。

總結(jié)

干細(xì)胞耗竭是多種衰老相關(guān)損害相互整合的結(jié)果，也可能是組織和機(jī)體衰老的終極元兇。近期研究提示，干細(xì)胞恢復(fù)年輕可逆轉(zhuǎn)機(jī)體水平的衰老表型（Rando and Chang, 2012）。

九，胞間通訊改變（altered intercellular communication）

胞間通訊改變

除外細(xì)胞自主性改變，衰老還涉及到胞間通訊水平的改變，即內(nèi)分泌、神經(jīng)內(nèi)分泌或神經(jīng)方面的改變（Laplante and Sabatini, 2012; Rando andChang, 2012; Russell and Kahn, 2007; Zhang et al., 2013）（圖5C）。因此，在衰老過程中，易出現(xiàn)神經(jīng)激素信號通路（如腎素-血管緊張素、腎上腺素、胰島素-IGF-1信號通路）的失調(diào)，表現(xiàn)為炎癥反應(yīng)增強(qiáng)、對抗病原體和癌前細(xì)胞的免疫監(jiān)視功能降低，以及胞周、胞外環(huán)境組分的改變。

炎癥

衰老相關(guān)胞間通訊的顯著改變，可稱為“炎性衰老”（inflammaging），即伴隨哺乳動物衰老，表現(xiàn)為促炎癥表型的累積（Salminen et al., 2012）。炎性衰老的發(fā)生有多重原因，如促炎性組織損傷的累積、免疫系統(tǒng)功能（可有效清除病原體和不良宿主細(xì)胞）紊亂和失常、衰老細(xì)胞分泌促炎性因子增加（見“細(xì)胞衰老”）、轉(zhuǎn)錄因子NF-κB的激活增強(qiáng)、缺陷性自噬反應(yīng)發(fā)生（Salminen et al., 2012）。上述改變可增強(qiáng)NLRP3炎性體及其他促炎性通路的激活，最終導(dǎo)致IL-1β、腫瘤壞死因子和干擾素的生成增加（Green et al., 2011; Salminen et al., 2012）。在人群中，炎癥還與肥胖和2型糖尿病的發(fā)生相關(guān)，這兩種情況則可促進(jìn)或關(guān)聯(lián)衰老（Barzilai et al., 2012）。與此類似，炎癥反應(yīng)缺陷在動脈粥樣硬化的發(fā)生中亦發(fā)揮重要作用（Tabas, 2010）。近期研究發(fā)現(xiàn)，增齡性炎癥可抑制上皮干細(xì)胞功能（Doles et al., 2012），這進(jìn)一步表明，不同衰老特征之間存在復(fù)雜聯(lián)系，從而強(qiáng)化衰老的進(jìn)程。而適應(yīng)性免疫系統(tǒng)的功能降低，亦與炎性衰老平行發(fā)生（Deeks, 2011）。免疫衰老（immunosenescence）可在系統(tǒng)水平上加重衰老表型，這源于免疫系統(tǒng)障礙導(dǎo)致其無法清除感染因子、感染細(xì)胞及癌前細(xì)胞。免疫細(xì)胞另一項(xiàng)功能是，識別和清除衰老細(xì)胞（見“干細(xì)胞耗竭”）和超倍體細(xì)胞，而這兩種細(xì)胞則累積于在衰老組織和癌前病變（Davoli and de Lange, 2011; Senovilla et al.,2012）。

對衰老組織的轉(zhuǎn)錄狀態(tài)進(jìn)行的整體研究，進(jìn)一步凸顯了炎癥通路與衰老的相關(guān)性（（de Magalh?es et al., 2009; Lee et al., 2012）。衰老轉(zhuǎn)錄特征之一表現(xiàn)為NF-κB通路的過激活，而在轉(zhuǎn)基因老年小鼠皮膚中條件性表達(dá)NF-κB抑制因子，可見其皮膚組織表型恢復(fù)年輕，且其轉(zhuǎn)錄特征較之青年期有所恢復(fù)（Adler et al., 2007）。與之類似，在不同的衰老加速小鼠模型中發(fā)現(xiàn)，通過基因和藥物抑制NF-κB信號通路可阻止其增齡性特征的出現(xiàn)（Osorio et al., 2012; Tilstra et al., 2012）。關(guān)于炎癥與衰老之間聯(lián)系的最新研究發(fā)現(xiàn)，炎癥和應(yīng)激反應(yīng)可激活下丘腦NF-κB，誘導(dǎo)相關(guān)信號通路，導(dǎo)致神經(jīng)元生成促性腺激素釋放激素（GnRH）減少（Zhang et al., 2013）。而GnRH降低可促進(jìn)多種增齡性改變，如骨骼變脆、肌肉虛弱、皮膚萎縮，以及神經(jīng)生成減少。相應(yīng)地，小鼠采用GnRH治療后，可阻止增齡性神經(jīng)生成減少和衰老進(jìn)展加速（Zhang et al., 2013）。以上結(jié)果提示，下丘腦可通過整合NF-κB驅(qū)動的炎癥反應(yīng)和GnRH介導(dǎo)的神經(jīng)內(nèi)分泌效應(yīng)，以調(diào)節(jié)系統(tǒng)性衰老。

進(jìn)一步的體內(nèi)研究證實(shí)，炎癥與衰老的關(guān)聯(lián)源于mRNA降解因子AUF1的功能，其可介導(dǎo)細(xì)胞因子mRNA降解，從而終止炎癥反應(yīng)（Pont et al., 2012）。AUF1缺陷小鼠表現(xiàn)為明顯的細(xì)胞衰老以及早老表型，且可通過重新表達(dá)這種RNA結(jié)合因子而得以緩解。有趣的是，AUF1不僅可指導(dǎo)炎性細(xì)胞因子mRNA的降解，還可激活端粒酶的催化亞基TERT，從而有助于保持端粒長度（Pont et al., 2012），這也更說明單一因子可對多項(xiàng)衰老特征均產(chǎn)生強(qiáng)烈影響。

類似的情形亦見于sirtuins，其還可影響衰老過程中的炎癥反應(yīng)。多項(xiàng)研究顯示，SIRT1可去乙?；M蛋白及NF-κB等炎癥信號通路的組分，從而下調(diào)炎癥相關(guān)基因（Xie et al., 2013）。與此發(fā)現(xiàn)相一致， SIRT1水平降低與多種炎癥性疾病的發(fā)生和進(jìn)展相關(guān)，而通過藥物激活SIRT1則可預(yù)防小鼠的炎癥反應(yīng)（Gillum et al., 2011;Yao et al., 2012; Zhanget al., 2010）。且SIRT2和SIRT6亦可通過去乙?；?/span>NF-κB亞基，以及轉(zhuǎn)錄抑制其靶基因，從而下調(diào)炎癥反應(yīng)（Kawahara et al., 2009;Rothgiesser et al.,2010）。

其他類型的胞間通訊

除炎癥外，還有越來越多的證據(jù)顯示，某一組織的衰老相關(guān)改變，可導(dǎo)致其他組織的衰老特異性衰退，這可以解釋衰老表型在不同器官之間存在協(xié)同性。發(fā)生這種“傳染性衰老”（contagious aging）或旁觀者效應(yīng)（bystander effects）的原因除炎癥細(xì)胞因子外，還有其他例證表明，衰老細(xì)胞通過間隙連接介導(dǎo)的細(xì)胞聯(lián)系，以及ROS相關(guān)過程，亦可導(dǎo)致鄰近細(xì)胞衰老（Nelson et al., 2012）。應(yīng)用過繼轉(zhuǎn)移（adoptive transfer）模型小鼠進(jìn)行評估發(fā)現(xiàn)，其微環(huán)境可促進(jìn)增齡性CD4T細(xì)胞缺陷（Lefebvre et al., 2012）。相反，僅針對某一組織進(jìn)行的延長壽命操作，亦可延緩其他組織的衰老進(jìn)程（Durieux et al., 2011;Lavasani et al., 2012;Tomás-Loba et al., 2008）。

恢復(fù)胞間通訊缺陷

關(guān)于恢復(fù)衰老過程中的胞間通訊缺陷，存在多種可能的手段，如可通過遺傳、營養(yǎng)或藥物干預(yù)來實(shí)現(xiàn)（Freije and López-Otín, 2012; Rando andChang, 2012）。這其中尤其令人感興趣的是，通過DR方法（Piper et al., 2011; Sanchez-Roman et al.,2012）或恢復(fù)青春策略（應(yīng)用異種共生研究中確定的血源性系統(tǒng)因子）（Conboy et al., 2005; Loffredo et al., 2013;Villeda et al., 2011）可延長壽命。并且，長期應(yīng)用抗炎藥物（如阿司匹林等）亦可延長小鼠壽命和人類健康壽命（Rothwell et al., 2011; Strong et al., 2008）。另外，鑒于腸道微生物組可塑造宿主免疫系統(tǒng)并發(fā)揮系統(tǒng)性代謝效應(yīng)，可通過操控復(fù)雜且動態(tài)的腸道細(xì)菌生態(tài)系統(tǒng)的成分和功能，實(shí)現(xiàn)人體壽命延長（Claesson et al., 2012; Ottaviani et al.,2011）。

總結(jié)

強(qiáng)烈證據(jù)顯示，衰老并非專屬于細(xì)胞的生物學(xué)現(xiàn)象，其亦與胞間通訊的整體改變相關(guān)聯(lián)，由此為在這一水平上調(diào)控衰老提供了機(jī)遇。可喜的是，通過血源性系統(tǒng)因子實(shí)現(xiàn)恢復(fù)青春的策略，已獲得了概念驗(yàn)證（Conboy et al., 2005; Loffredo et al., 2013;Villeda et al., 2011）。

結(jié)論與展望

對本篇綜述列舉的衰老的九項(xiàng)特征進(jìn)行整體分析，可將其分為三種類型，即原發(fā)性特征、拮抗性特征和整合性特征（圖6）。原發(fā)性特征的共同點(diǎn)為，四者均產(chǎn)生負(fù)面作用。具體表現(xiàn)為DNA損傷（包括染色體異倍性）、線粒體DNA突變，以及端粒缺失、表觀遺傳學(xué)漂移（epigenetic drift）和蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)缺陷。與原發(fā)性特征相比，拮抗性特征則具有兩面性，且取決于其強(qiáng)度。在較低水平可介導(dǎo)良性效應(yīng)，而在較高水平則產(chǎn)生惡性效應(yīng)。

圖6 衰老九項(xiàng)特征之間的功能相關(guān)性

上述衰老九項(xiàng)特征可劃分為三種類型：（上）這四項(xiàng)特征是導(dǎo)致細(xì)胞損傷的原發(fā)性因素。（中）這三項(xiàng)特征部分是針對損傷的代償性反應(yīng)或拮抗性反應(yīng)。這種反應(yīng)最初會緩解損傷，但若慢性化或加劇發(fā)展，則最終轉(zhuǎn)變?yōu)槎拘苑磻?yīng)。（下）這兩項(xiàng)整合性特征是前兩類特征造成的結(jié)局，最終導(dǎo)致增齡性功能下降。

以細(xì)胞衰老為例，其可防御機(jī)體癌變，但一旦細(xì)胞衰老過度，則會促進(jìn)衰老。與此類似，ROS可介導(dǎo)細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與存活，但慢性高水平的ROS則會導(dǎo)致細(xì)胞損傷；同樣營養(yǎng)素感應(yīng)和合成代謝的理想狀態(tài)，顯然對細(xì)胞存活是相當(dāng)重要的，但其功能若過度和長期受損，則亦可導(dǎo)致病變。這三項(xiàng)特征可看做是機(jī)體為防御損傷或營養(yǎng)匱乏而設(shè)計(jì)的。而一旦這些特征加劇或慢性化，則其功效發(fā)生逆轉(zhuǎn)，反而進(jìn)一步加劇損傷。衰老特征的第三種類型（即干細(xì)胞耗竭和胞間通訊改變）稱為整合性特征，其可直接影響組織穩(wěn)態(tài)和功能。盡管上述特征相互關(guān)聯(lián)，本文仍認(rèn)為其存在某種程度的層次關(guān)系（圖6）。原發(fā)性特征可作為啟動性觸發(fā)因素，隨著時(shí)間延長，其損傷效應(yīng)會逐漸累積。拮抗性特征在原則上是良性的，在某一過程中（部分因原發(fā)性特征而促進(jìn)或加速）則具有負(fù)面性。最后，當(dāng)原發(fā)性特征和拮抗性特征無法通過組織穩(wěn)態(tài)機(jī)制實(shí)現(xiàn)代償時(shí)，便呈現(xiàn)整合性特征。正是由于衰老過程中這些特征同時(shí)發(fā)生且相互關(guān)聯(lián)，揭示這一精密的因果網(wǎng)絡(luò)，將會是未來一項(xiàng)激動人心的挑戰(zhàn)。

圖7 可延長人類健康壽命的干預(yù)手段

圖中展示了衰老的九項(xiàng)特征及相應(yīng)治療策略，并已針對小鼠進(jìn)行過原理驗(yàn)證

闡明衰老的特征，既有助于建立未來研究衰老分子機(jī)制的框架，也有助于設(shè)計(jì)改善人類健康壽命的干預(yù)手段（圖7）。然而，就衰老這一復(fù)雜的生物學(xué)過程來講，仍面臨著大量的棘手問題（Martin, 2011; Miller, 2012）。而下一代測序技術(shù)的快速發(fā)展，可望對衰老研究產(chǎn)生特殊影響：針對衰老機(jī)體的個(gè)體細(xì)胞采用該技術(shù)，將更容易評價(jià)其遺傳學(xué)和表觀遺傳學(xué)改變的特異性累積情況。這項(xiàng)技術(shù)已應(yīng)用于測定極度長壽（exceptional longevity）個(gè)體的全基因組序列，比較長壽和短壽動物種系和品系之間的基因組差異，以及在最高解析度下分析增齡性表觀遺傳學(xué)改變（Heyn et al., 2012; Kim et al., 2011;Sebastiani et al., 2011）。平行開展功能獲得或功能缺失動物模型研究，同樣是必不可少的；這將跨越比較分析的層次，為理解衰老過程中上述特征提供因果證據(jù)。未來還需要采用系統(tǒng)生物學(xué)方法，其不僅可對衰老各項(xiàng)特征進(jìn)行典型化描述，還可解釋導(dǎo)致衰老的過程與伴隨衰老的過程之間的機(jī)械性聯(lián)系（Gems and Partridge, 2013; Kirkwood, 2008）。另外，在分子水平分析基因組與環(huán)境之間的交互對衰老的調(diào)節(jié)作用，將有助于確定延長壽命的藥物靶點(diǎn)（de Magalh?es et al., 2012）?？深A(yù)計(jì)的是，未來將有更為復(fù)雜的手段來最終解決眾多難題。相信這些手段的聯(lián)合應(yīng)用，將會更詳細(xì)地理解衰老特征的潛在機(jī)制，從而有利于在未來研發(fā)出改善人類健康壽命和延年益壽的干預(yù)手段。

The Hallmarks of Aging

CarlosLópez-Otín¹, Maria A. Blasco², Linda Partridge^{3, 4},Manuel Serrano^{5, ,} and Guido Kroemer^{6, 7, 8, 9, 10}

¹ Departamento de Bioquímica y Biología Molecular,Instituto Universitario de Oncología (IUOPA), Universidad de Oviedo, Oviedo,Spain

² Telomeres and Telomerase Group, Molecular OncologyProgram, Spanish National Cancer Research Centre (CNIO), Madrid, Spain

³ Max Planck Institute for Biology of Ageing,Cologne, Germany

⁴ Institute of Healthy Ageing, Department ofGenetics, Evolution and Environment, University College London, London, UK

⁵ Tumor Suppression Group, Molecular OncologyProgram, Spanish National Cancer Research Centre (CNIO), Madrid, Spain

⁶ INSERM, U848, Villejuif, France

⁷ Metabolomics and Cell Biology Platforms, InstitutGustave Roussy, Villejuif, France

⁸ Centre de Recherche des Cordeliers, Paris, France

⁹ P?le de Biologie, H?pital Européen GeorgesPompidou, AP-HP, Paris, France

¹⁰ Université Paris Descartes, Sorbonne Paris Cité,Paris, France