什么是衰老？

細(xì)胞衰老是指穩(wěn)定細(xì)胞周期停滯的狀態(tài)，在這種狀態(tài)下增殖細(xì)胞會(huì)對(duì)促生長刺激產(chǎn)生耐受，通常由 DNA 損傷所引起。Leonard Hayflick 首先描述了細(xì)胞衰老，他觀察到人類胎兒成纖維細(xì)胞最終會(huì)停止分裂，但在長時(shí)間培養(yǎng)后仍然具有活力和代謝活性?，F(xiàn)在普遍認(rèn)為，除了具有干細(xì)胞樣特性的細(xì)胞類型外，只有轉(zhuǎn)化的惡性細(xì)胞會(huì)無限復(fù)制，而非轉(zhuǎn)化細(xì)胞則不會(huì)。除了在體外受控條件下發(fā)育的胚胎干細(xì)胞或誘導(dǎo)多能干細(xì)胞，此類細(xì)胞還包括內(nèi)源性生殖干細(xì)胞和成體干細(xì)胞。衰老細(xì)胞與靜息細(xì)胞和終末分化細(xì)胞均不同，其中靜息細(xì)胞能夠重新進(jìn)入細(xì)胞周期。

衰老細(xì)胞的特征是形態(tài)學(xué)和代謝變化、染色質(zhì)重構(gòu)、基因表達(dá)改變以及出現(xiàn)一種稱為衰老相關(guān)分泌表型 (SASP) 的促炎癥表型。衰老的生物學(xué)作用復(fù)雜，衰老細(xì)胞的保護(hù)作用和有害作用均已有描述，主要取決于生理環(huán)境。例如，盡管衰老可能作為避免受損細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化的機(jī)制進(jìn)化而來，但衰老的發(fā)生可能會(huì)導(dǎo)致許多年齡相關(guān)病變，包括癌癥、組織退化和炎癥性疾病。

老化和細(xì)胞衰老這兩個(gè)術(shù)語不能互換使用。老化是隨時(shí)間推移的進(jìn)行性衰退，而衰老在整個(gè)生命周期中都可發(fā)生，包括胚胎發(fā)生期間。衰老細(xì)胞的數(shù)量隨著年齡增大而增加，但衰老還在發(fā)育以及傷口愈合中發(fā)揮重要作用。

β-半乳糖苷酶染色可檢測 pH 依賴性 β-半乳糖苷酶活性的表達(dá)（細(xì)胞染成藍(lán)色），這是衰老細(xì)胞的已知特征。正常細(xì)胞（左圖）；衰老細(xì)胞（右圖）。

為何會(huì)發(fā)生衰老？

衰老能夠阻止含有受損 DNA 的細(xì)胞復(fù)制，這是一種重要的抗腫瘤功能。衰老通常由損傷性刺激引起，包括端?？s短（復(fù)制衰老）、DNA 損傷（DNA 損傷誘導(dǎo)衰老）和致癌信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)（癌基因誘導(dǎo)衰老）。

了解復(fù)制衰老和海弗利克極限

復(fù)制衰老是指正常非惡性細(xì)胞在大約 50 次分裂（稱為海弗利克極限）后會(huì)停止體外分裂。復(fù)制衰老由端?？s短所誘導(dǎo)。在每一輪的 DNA 復(fù)制中，端粒都會(huì)逐漸縮短，最終達(dá)到一個(gè)臨界長度，阻止進(jìn)一步復(fù)制，從而停止細(xì)胞分裂。較短的無帽端粒會(huì)引起 DNA 損傷應(yīng)答，從而觸發(fā)衰老。

DNA 損傷誘導(dǎo)衰老

DNA 損傷會(huì)觸發(fā) DNA 修復(fù)機(jī)制、凋亡或衰老，具體取決于損傷程度和生理環(huán)境。衰老細(xì)胞的特征是持續(xù)的 DNA 損傷應(yīng)答 (DDR)，包括慢性 ATM（共濟(jì)失調(diào)性毛細(xì)血管擴(kuò)張突變）和 ATR（共濟(jì)失調(diào)性毛細(xì)血管擴(kuò)張和 Rad3 相關(guān)）激酶信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，最終通過激活 p53/p21 和 p16/pRb 通路誘導(dǎo)細(xì)胞周期停滯和衰老。 持續(xù)的 DNA 損傷和后續(xù)衰老還可通過電離輻射、化療、遺傳毒性應(yīng)激和氧化應(yīng)激所誘導(dǎo)。

細(xì)胞周期 G2/M DNA 損傷信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo) >>

癌基因誘導(dǎo)的衰老

細(xì)胞衰老可由致癌信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)所誘導(dǎo)，作為一種強(qiáng)效的細(xì)胞自主抗癌機(jī)制。在出現(xiàn)致癌信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的細(xì)胞中發(fā)生的衰老，是一種防止其轉(zhuǎn)化為惡性細(xì)胞的應(yīng)答。癌基因誘導(dǎo)衰老 (OIS) 來源于 H-Ras 等癌基因的的過度激活或 PTEN 等腫瘤抑制基因的失活。例如，H-RASV12 是 GTP 酶 H-RAS 的致癌形式，它的表達(dá)可通過誘導(dǎo)慢性 p38 絲裂原活化蛋白激酶 (p38 MAPK) 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)觸發(fā) OIS。強(qiáng)烈的有絲分裂信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)也可以通過復(fù)制應(yīng)激誘導(dǎo) DNA 損傷，從而觸發(fā)停滯復(fù)制叉的崩解。

衰老的生物標(biāo)志物

磷酸化組蛋白 H2A.X (Ser139) 也稱為 γ-H2A.X，是細(xì)胞衰老的常用標(biāo)志物（右側(cè)圖像中綠色染色的胞核）。

衰老細(xì)胞的特征是穩(wěn)定細(xì)胞周期停滯、形態(tài)學(xué)和代謝變化、染色質(zhì)重構(gòu)、基因表達(dá)改變以及出現(xiàn)老化相關(guān)分泌表型 (SASP)。需要注意的是，并非所有衰老細(xì)胞都表現(xiàn)出所有的衰老生物標(biāo)志物。此外，衰老生物標(biāo)志物不一定為衰老細(xì)胞所特有，例如某些標(biāo)志物也可在凋亡細(xì)胞或休眠細(xì)胞中觀察到。因此，衰老細(xì)胞的鑒別有賴于對(duì)多種生物標(biāo)志物的觀察，如以下所述：

穩(wěn)定的細(xì)胞周期停滯

只有具有穩(wěn)定細(xì)胞周期停滯的細(xì)胞才被視為衰老。與休眠細(xì)胞不同，衰老細(xì)胞不會(huì)因任何已知生理刺激而重新進(jìn)入細(xì)胞周期。細(xì)胞周期停滯由 p53/p21CIP1 和 p16INK4A/pRb 腫瘤抑制基因通路所介導(dǎo)，詳述如下。在衰老細(xì)胞中經(jīng)常觀察到 p16INK4A 的表達(dá)，這是一種有用的生物標(biāo)志物。但 p16INK4A 也在 pRb 陰性腫瘤和細(xì)胞系中高度表達(dá)。

形態(tài)學(xué)和代謝變化

與分裂細(xì)胞相比，衰老細(xì)胞通常增大并呈扁平形狀。衰老細(xì)胞出現(xiàn)廣泛空泡化，有時(shí)為多核。此外，由于 lamin B1 表達(dá)喪失，可觀察到核膜完整性破壞。衰老細(xì)胞積累功能失調(diào)的線粒體，并表現(xiàn)出活性氧 (ROS) 水平升高。還可觀察到溶酶體內(nèi)容物增加和溶酶體活性改變，表現(xiàn)為 pH 為 6.0 時(shí) β-半乳糖苷酶活性增加 ，使其成為廣泛采用的細(xì)胞衰老生物標(biāo)志物。

Lamin B1（此處顯示為綠色）丟失是細(xì)胞衰老的標(biāo)志物。

染色質(zhì)重構(gòu)和基因表達(dá)改變

衰老細(xì)胞的標(biāo)志特征是廣泛的染色質(zhì)重構(gòu)，最顯著的是衰老相關(guān)異染色質(zhì)簇集 (SAHF) 的形成。這些兼性異染色質(zhì)位點(diǎn)在促增殖基因沉默中發(fā)揮作用，包括 E2F 靶標(biāo)基因如周期素 A。衰老細(xì)胞通常包含 30-50 SAHF，其特征為 DAPI 亮染以及 macroH2A、異染色質(zhì)蛋白 1 (HP1) 和賴氨酸 9 二甲基化或三甲基化組蛋白 H3 (H3K9Me2/3) 免疫反應(yīng)性。盡管 SAHF 在衰老時(shí)經(jīng)常觀察到，但一些細(xì)胞出現(xiàn)衰老時(shí)并不形成 SAHF。

HP1 是一種常用的細(xì)胞衰老標(biāo)志物。使用 HP1 alpha 抗體對(duì)石蠟包埋人乳腺癌細(xì)胞中的 HP1 表達(dá)進(jìn)行免疫組織化學(xué)分析。

DNA 損傷和持續(xù)的 DNA 損傷應(yīng)答 (DDR)

DNA 損傷（例如 DNA 雙鏈斷裂）是衰老的重要特征。衰老細(xì)胞表現(xiàn)出持續(xù)的 DNA 損傷應(yīng)答 (DDR)，最終觸發(fā)細(xì)胞周期停滯。衰老細(xì)胞含有一種胞核損傷灶，稱為具有增強(qiáng)衰老的染色質(zhì)改變的 DNA 片段 (DNA-SCARS)，與 PML 核小體相關(guān)，并導(dǎo)致激活的 p53、ATR 和 ATM 等 DDR 蛋白積累。發(fā)生于去帽端粒的 DNA-SCARS 被稱為端粒功能障礙誘導(dǎo)的損傷灶 (TIF)。DNA 損傷的另一個(gè)指標(biāo)是 γ-H2A.X，這是 H2A.X 的磷酸化形式，是雙鏈 DNA 斷裂后檢查點(diǎn)介導(dǎo)的細(xì)胞周期停滯和 DNA 修復(fù)所需的變異體組蛋白。電離輻射、紫外線或擬輻射劑引起的 DNA 損傷會(huì)導(dǎo)致 H2A.X 在 Ser139 位點(diǎn)的快速磷酸化。

H2A.X 是一種常用的細(xì)胞衰老標(biāo)志物。使用 Phospho-Histone H2A.X (Ser139) Mouse mAb（綠色）對(duì)未經(jīng)處理的（左圖）或經(jīng)紫外線 (100 mJ/cm2) 處理（右圖）的 HeLa 細(xì)胞進(jìn)行共聚焦免疫熒光分析。肌動(dòng)蛋白微絲用 DyLight? 554 Phalloidin（紅色）標(biāo)記。

衰老相關(guān)分泌表型 (SASP)

許多衰老細(xì)胞會(huì)出現(xiàn)一種促炎癥的衰老相關(guān)分泌表型 (SASP)，可介導(dǎo)非細(xì)胞自主的衰老效應(yīng)，包括有益和有害的效應(yīng)。SASP 由分泌的細(xì)胞因子、趨化因子、生長因子和蛋白酶的高度復(fù)雜混合物組成，其確切成分隨細(xì)胞和組織環(huán)境以及誘導(dǎo)衰老的刺激而顯著不同。這些分泌因子促進(jìn)與相鄰細(xì)胞和免疫系統(tǒng)的通信，最終影響衰老細(xì)胞的命運(yùn)。例如，SASP 將免疫細(xì)胞募集至衰老細(xì)胞，從而促進(jìn)其清除，發(fā)揮腫瘤抑制功能。然而矛盾的是，已表明 SASP 可通過分泌促進(jìn)血管生成、細(xì)胞外基質(zhì)重塑或上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化 (EMT) 的因子來促進(jìn)腫瘤細(xì)胞發(fā)展。此外，衰老誘導(dǎo)的慢性炎癥可引起系統(tǒng)性免疫抑制，可能導(dǎo)致包括癌癥在內(nèi)的疾病發(fā)生。這種慢性炎癥還可能導(dǎo)致衰老相關(guān)的組織損傷和變性。

衰老信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路

衰老的觸發(fā)因素最終會(huì)聚于誘導(dǎo)細(xì)胞周期停滯的 p53/p21CIP1 和 p16INK4A/pRb 腫瘤抑制基因通路。

細(xì)胞周期停滯

穩(wěn)定的細(xì)胞周期停滯是衰老的一個(gè)定義性特征，由端?？s短、致癌信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和 DNA 損傷所誘導(dǎo)。細(xì)胞周期停滯通過 p53/p21CIP1 或 p16INK4A/磷酸化-Rb 腫瘤抑制基因通路的激活所介導(dǎo)。有趣的是，在不同類型的癌癥中常發(fā)現(xiàn)通路組分中的突變。

細(xì)胞周期 G2/M DNA 損傷信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

慢性基因組應(yīng)激或端粒損耗導(dǎo)致的持續(xù) DNA 損傷應(yīng)答 (DDR) 造成腫瘤抑制基因 p53 激活，進(jìn)而激活 p21CIP1 從而啟動(dòng)細(xì)胞周期停滯。p53 的上游是激酶 ATR 和 ATM，它們分別通過 Chk1 和 Chk2 激活 p53，作為 DDR 的一部分。一旦 p21CIP1 被 p53 激活，則抑制周期素依賴性激酶 (CDK)，CDK 可阻止細(xì)胞周期進(jìn)展通過 G1 期至 S 期的檢查點(diǎn)。此外，CDK 抑制可阻斷成視網(wǎng)膜細(xì)胞瘤抑制蛋白 (Rb) 的磷酸化，從而阻止 E2F 介導(dǎo)的促增殖基因轉(zhuǎn)錄。磷酸化 Rb 的抑制還可通過 p16INK4A 的激活直接介導(dǎo)，這可阻止 CDK4 和 CDK6 介導(dǎo)的 Rb 磷酸化以及下游 E2F 介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄。

細(xì)胞衰老的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)

衰老中最常見的蛋白

Cell Signaling Technologies 提供了用于鑒別衰老細(xì)胞的抗體和檢測試劑：蛋白質(zhì)或標(biāo)志物在衰老中的作用

衰老相關(guān) β-半乳糖苷酶

當(dāng)衰老細(xì)胞中 pH 為 6.0 時(shí)活性增加

p53

其激活觸發(fā)細(xì)胞周期停滯

Rb（成視網(wǎng)膜細(xì)胞瘤抑制蛋白）

其抑制觸發(fā)細(xì)胞周期停滯

p21CIP1

抑制周期素依賴性激酶；位于 p53 下游

p16INK4A

抑制 pRb 磷酸化和失活

Bcl-2

增加衰老細(xì)胞表達(dá)，抑制凋亡

macroH2A1.1

macroH2A1 亞型；SAHF 標(biāo)志物

macroH2A1.2

macroH2A1 亞型；SAHF 標(biāo)志物

H3K9Me2/3（賴氨酸9 二甲基化或三甲基化組蛋白 H3）

SAHF 標(biāo)志物

HP1（異染色質(zhì)蛋白 1）

SAHF 標(biāo)志物

磷酸化組蛋白H2A.X (Ser139)

DNA 損傷標(biāo)志物

Lamin B1

在衰老細(xì)胞中表達(dá)降低可導(dǎo)致核膜破壞

HMGB1（高遷移率族蛋白 B1）

SASP 組件

IL-6（白介素 6）

SASP 組件

TNF-α（腫瘤壞死因子 α）

SASP 組件

MMP3（基質(zhì)金屬蛋白酶-3）

SASP 組件

端粒及其在衰老中的作用

在大部分體細(xì)胞中，端?？s短會(huì)觸發(fā)復(fù)制衰老，這與不表達(dá)端粒的轉(zhuǎn)化細(xì)胞不同。

端粒和端粒酶的簡要說明

端粒是染色體末端的重復(fù)核苷酸序列及其相關(guān)的蛋白質(zhì)，作為防止染色體降解和末端融合的保護(hù)帽。端粒包含數(shù)百到數(shù)千個(gè)富含 GT 的短串聯(lián)重復(fù)序列，然后是富含 GT 的單鏈突出。構(gòu)成 shelterin 復(fù)合體的端粒結(jié)合蛋白與重復(fù)序列結(jié)合，形成 T 形環(huán)結(jié)構(gòu)，為染色體末端加帽。Shelterin 復(fù)合體由端粒重復(fù)因子 1 (TRF1)、端粒重復(fù)因子 2 (TRF2)、端粒重復(fù)結(jié)合因子 2-相互作用蛋白（TERF2IP，也稱為 RAP1）、端粒保護(hù)蛋白 1 (POT1)、TRF1- 和 TRF2-相互作用核蛋白 2 (TIN2) 以及 TIN2 結(jié)合蛋白 TPP1 組成。

TPP1 已知和預(yù)計(jì)的蛋白間相互作用。

DNA 聚合酶無法完全復(fù)制端粒序列，這會(huì)導(dǎo)致大多數(shù)體細(xì)胞中端粒會(huì)逐漸截短。轉(zhuǎn)化細(xì)胞、干細(xì)胞以及生殖細(xì)胞表達(dá)端粒酶，這是一種可從頭合成端粒末端序列的核糖核蛋白復(fù)合體。端粒酶復(fù)合體由端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶 (TERT)、端粒酶 RNA (TERC) 和 dyskerin (DKC1) 組成。由于在表達(dá)端粒酶的細(xì)胞中端粒長度得以維持，因此它們能夠持續(xù)增殖，而不會(huì)出現(xiàn)復(fù)制衰老。

衰老中的端粒調(diào)控異常

調(diào)控端粒穩(wěn)定性或長度的機(jī)制破壞（例如形成 shelterin 或端粒復(fù)合體的蛋白突變）與基因組不穩(wěn)定、組織損傷和癌癥有關(guān)。與端粒維護(hù)機(jī)制缺陷相關(guān)的遺傳疾病統(tǒng)稱為端粒病。例如，編碼 TERT、TERC、DKC1 或 TINF2 的基因突變會(huì)導(dǎo)致先天性角化不良 (DKC)，這種疾病特征為指甲營養(yǎng)不良、皮膚色素沉著過度和口腔內(nèi)白色斑塊（口腔白斑?。?。DKC 患者經(jīng)常發(fā)生骨髓功能障礙，并且患白血病及其他癌癥的風(fēng)險(xiǎn)更高。Hoyeraal-Hreidersson 綜合征是一種更嚴(yán)重的 DKC，可導(dǎo)致小腦萎縮和小頭畸形。端粒功能障礙還與特發(fā)性肺纖維化、家族性肝硬化和自發(fā)性急性髓系白血病 (AML) 相關(guān)。

端粒長度及其對(duì)衰老的影響

在每一輪 DNA復(fù)制中，端粒會(huì)逐漸縮短 50-100 堿基對(duì)，從而導(dǎo)致復(fù)制衰老。在 DNA 合成期間，DNA 聚合酶無法完全復(fù)制后隨鏈上的末端序列，稱為“末端復(fù)制問題”。因此，這些未復(fù)制的序列被截短，導(dǎo)致進(jìn)展性端粒損耗。一旦端粒達(dá)到臨界長度，具有保護(hù)作用的端粒帽狀結(jié)構(gòu)被破壞，并被細(xì)胞識(shí)別為 DNA 雙鏈斷裂，從而觸發(fā)持續(xù)的 DNA 損傷應(yīng)答并停止進(jìn)一步細(xì)胞分裂。表達(dá)端粒酶的細(xì)胞如癌細(xì)胞能夠維持端粒長度，從而避免衰老。

衰老研究為何重要？

衰老細(xì)胞隨年齡積累，導(dǎo)致正常的老化過程以及年齡相關(guān)疾病。衰老、老化和年齡相關(guān)病變（包括癌癥、神經(jīng)退行性變以及代謝和心血管疾?。┲g的聯(lián)系在很大程度上推動(dòng)了衰老研究領(lǐng)域的進(jìn)展。對(duì)嚙齒類動(dòng)物模型的研究顯示，在體內(nèi)選擇性清除衰老細(xì)胞可減少炎癥，增強(qiáng)免疫系統(tǒng)功能，從而延遲年齡相關(guān)疾病的進(jìn)展，增強(qiáng)健康和延長壽命。例如，誘導(dǎo)衰老的藥物（包括某些化療藥物）可通過抑制復(fù)制潛力而對(duì)癌癥有效。但是，接受化療患者中的衰老細(xì)胞累積（原因可能是 DNA 損傷），被認(rèn)為可導(dǎo)致不良副作用，尤其是疲勞。此外，衰老細(xì)胞還可以通過釋放 SASP 組分促進(jìn)癌癥復(fù)發(fā)和轉(zhuǎn)移。因此，在化療患者中使用 senolytics（一種針對(duì)衰老細(xì)胞的靶向治療藥物）有助于預(yù)防癌癥復(fù)發(fā)，并緩解某些副作用。Senolytic 療法還能夠在正常小鼠中延長壽命并延遲年齡相關(guān)的身體衰退，提示它們或許可以有效治療年齡相關(guān)疾病。目前正在人體臨床試驗(yàn)中測試 senolytic 藥物用于治療骨關(guān)節(jié)炎和慢性腎臟疾病。

衰老研究模型

一類導(dǎo)致過早老化類似疾?。ǚQ為早老性綜合征）為探索基因組完整性和 DNA 損傷在老化過程中的作用提供了線索。在人類中發(fā)生的此類疾病包括 Werner 綜合征、Hutchinson-Gilford 早老癥和著色性干皮病。早老性綜合征小鼠模型已被用于研究過早老化和衰老的機(jī)制。例如，表達(dá)低水平 BubR1（一種細(xì)胞周期檢查點(diǎn)激酶）的小鼠表現(xiàn)出加速老化，并在出現(xiàn)年齡相關(guān)病變的某些組織中表達(dá)高水平的 p16INK4A。敲除生殖系中的 p16INK4A 能夠延遲 BubR1 類早老小鼠的老化，這與衰老細(xì)胞水平降低相關(guān)，證明生物性老化和細(xì)胞衰老之間在體內(nèi)存在功能性關(guān)聯(lián)。此外，在可以選擇性清除表達(dá) p16INK4A 的衰老細(xì)胞的轉(zhuǎn)基因小鼠模型 INK-ATTAC 中，已表明衰老細(xì)胞喪失能夠延長小鼠的壽命和健康期。

已開發(fā)出多種衰老加速小鼠 (SAM) 模型動(dòng)物品系。這些品系最初源自具有加速衰老表型（包括活動(dòng)減少、脫毛和壽命縮短）的小鼠。SAM 小鼠表現(xiàn)出學(xué)習(xí)和記憶缺陷、骨質(zhì)疏松癥和淋巴瘤等病理生物學(xué)表型。

另一方面，動(dòng)物模型還用于研究延遲老化和衰老。例如，裸鼴鼠是一種大小與小鼠相仿的嚙齒類動(dòng)物，可生存 30 年或以上，大大超出基于其體型預(yù)測的壽命。裸鼴鼠很少發(fā)生癌癥，甚至在老年仍然保持健康和活躍。有趣的是，在這種動(dòng)物中衰老正常發(fā)生，表明長壽并非依賴于消除細(xì)胞的衰老應(yīng)答。

裸鼴鼠

特征：

Roman Klementschitz, Wien [CC BY-SA 3.0 (http:///licenses/by-sa/3.0/)]，來自 Wikimedia Commons

闡明衰老和老化的機(jī)制對(duì)于理解和潛在治療或預(yù)防人類的年齡相關(guān)疾病具有重要意義。二甲雙胍是一種已獲批準(zhǔn)的糖尿病藥物，可降低胰島素水平并抑制 IGF-1 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，導(dǎo)致 AMPK 激活和哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白 (MTOR) 抑制。二甲雙胍能夠抑制 SASP，在人體內(nèi)可降低癌癥發(fā)生率。二甲雙胍靶向衰老 (TAME) 臨床研究將測試二甲雙胍治療是否能夠延緩或預(yù)防年齡相關(guān)疾病的發(fā)生，例如癌癥、心臟病和癡呆。