干細(xì)胞衰老的調(diào)控機(jī)制

馬珊珊 姚寧 王欣欣 邢衢 韓康 孟楠 關(guān)方霞，，3

(1.鄭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 干細(xì)胞研究室 河南 鄭州 450001;2.鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院 干細(xì)胞研究室 河南 鄭州 450001;3.河南省醫(yī)學(xué)科學(xué)院 河南 鄭州 450003)

干細(xì)胞是一類具有自我更新和多向分化潛能的細(xì)胞群體。干細(xì)胞在特定的微環(huán)境下可分化為骨、脂肪、神經(jīng)、肝臟等組織細(xì)胞，同時(shí)分泌多種生長(zhǎng)因子和活性物質(zhì)，為維持機(jī)體穩(wěn)態(tài)和損傷修復(fù)發(fā)揮重要作用。曾經(jīng)，人們一度認(rèn)為干細(xì)胞是永生的，隨著年齡的增長(zhǎng)或體外傳代次數(shù)的增加，許多干細(xì)胞，如血液、大腦、骨骼肌、皮膚、間充質(zhì)干細(xì)胞的自我更新能力下降，細(xì)胞發(fā)生衰老，最終導(dǎo)致機(jī)體組織退化和功能障礙，產(chǎn)生衰老相關(guān)的疾病。隨著研究的深入，干細(xì)胞衰老可能與DNA損傷、線粒體功能障礙、端粒長(zhǎng)度、衰老相關(guān)基因表達(dá)和表觀遺傳調(diào)控等因素相關(guān)［1－2］。本文主要討論這些因素對(duì)干細(xì)胞衰老的影響，總結(jié)干細(xì)胞衰老的調(diào)控機(jī)制。

1 DNA損傷與干細(xì)胞衰老

DNA是遺傳信息的載體，DNA的完整性對(duì)遺傳信息的維持至關(guān)重要。然而，當(dāng)受到紫外線、電離輻射、化學(xué)誘變以及機(jī)體自身代謝產(chǎn)生的自由基(又稱活性氧，reactive oxygen species，ROS)刺激時(shí)會(huì)造成DNA損傷，而DNA損傷的積累會(huì)導(dǎo)致機(jī)體的衰老［3］。Jeong等［4］發(fā)現(xiàn)復(fù)制性衰老的人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的內(nèi)源性ROS水平明顯增加。機(jī)體中超氧化物歧化酶(SOD)的活性高低反映機(jī)體清除自由基的能力，隨著年齡的增加，SOD的活性逐漸降低促使細(xì)胞衰老，加速細(xì)胞死亡［5］。為了維持基因組的完整性和高度保真性，機(jī)體在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中產(chǎn)生了針對(duì)損傷的DNA修復(fù)機(jī)制。KU80、ATM和WRN等蛋白參與DNA損傷修復(fù)，當(dāng)DNA損傷修復(fù)出現(xiàn)缺陷時(shí)不能維護(hù)基因組完整性，引起干細(xì)胞功能障礙、衰老和凋亡［6－7］。Rossi等［8］發(fā)現(xiàn)Xpd基因(一個(gè)DNA修復(fù)系統(tǒng)的主要成員)突變的小鼠表現(xiàn)為骨質(zhì)疏松、駝背、骨硬化、不孕等早衰特征;而且Xpd缺失雖然沒(méi)有導(dǎo)致造血干細(xì)胞的損耗，但是隨著年齡的增長(zhǎng)，造血干細(xì)胞的重構(gòu)和增殖能力受到嚴(yán)重影響。此外，年齡依賴性的DNA損傷積累可能會(huì)引起干細(xì)胞尤其是誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(iPSC)的衰老，從而降低其功能性［9］。最新研究［10］發(fā)現(xiàn)使用干擾素可以擴(kuò)大DNA損傷反應(yīng)，進(jìn)而激活p53通路，通過(guò)縮短端粒長(zhǎng)度促進(jìn)衰老，抑制干細(xì)胞的功能。而持續(xù)的DNA損傷可抑制DNA合成、改變?nèi)斯撬栝g充質(zhì)干細(xì)胞的形態(tài)特征，促進(jìn)衰老［11］。這些結(jié)果說(shuō)明DNA損傷和損傷通路在細(xì)胞衰老和干細(xì)胞早衰過(guò)程中發(fā)揮重要作用。

2 線粒體功能障礙與干細(xì)胞衰老

線粒體是細(xì)胞中生成ATP、進(jìn)行有氧呼吸的主要場(chǎng)所，它擁有自身DNA，在維持Ca2+體內(nèi)平衡、調(diào)控細(xì)胞分化、凋亡等過(guò)程中發(fā)揮重要作用［12］。隨著年齡的增長(zhǎng)，ROS增加造成線粒體DNA突變累積，線粒體功能障礙，最終導(dǎo)致細(xì)胞和機(jī)體衰老［13－14］。敲除線粒體DNA聚合酶會(huì)導(dǎo)致小鼠發(fā)生脫毛、生殖力下降、神經(jīng)系統(tǒng)和造血功能障礙等早衰現(xiàn)象［15－16］。此外，當(dāng)線粒體DNA損傷到一定程度或線粒體中的特定位點(diǎn)基因突變會(huì)導(dǎo)致線粒體功能障礙，影響干細(xì)胞功能，導(dǎo)致衰老相關(guān)疾病的發(fā)生［17］。

FOXOs是線粒體生物合成和代謝的關(guān)鍵因子，F(xiàn)OXO的表達(dá)上調(diào)有助于改善線粒體功能，提高抗氧化能力，防止細(xì)胞衰老。FOXO3a是與人類壽命密切相關(guān)的基因［18］。FOXO3a基因缺失的小鼠ROS水平增加，抗氧化能力降低，造血干細(xì)胞和神經(jīng)干細(xì)胞增殖和分化潛能下降，表現(xiàn)為ROS誘導(dǎo)的干細(xì)胞衰老和缺乏［19－21］。此外，F(xiàn)OXO3a低表達(dá)還增加p38MAPK磷酸化，調(diào)控下游基因的表達(dá)進(jìn)而降低造血干細(xì)胞的功能和穩(wěn)態(tài)，使用抗氧化劑可以顯著降低缺陷鼠p38MAPK表達(dá)，從而改善造血干細(xì)胞的自我更新和分化能力［22－23］。因此，線粒體功能障礙導(dǎo)致ROS增加，引起干細(xì)胞衰老，加速組織衰老［24］。

3 端粒長(zhǎng)度與干細(xì)胞衰老

端粒是位于真核細(xì)胞染色體末端的DNA－蛋白質(zhì)復(fù)合體，對(duì)保持染色體的穩(wěn)定性和完整性具有重要作用［25－26］。端粒酶是一種DNA聚合酶，可以使端粒延長(zhǎng)。研究發(fā)現(xiàn)，第一代缺失端粒酶活性的小鼠(G1Terc－/－)表型正常，連續(xù)傳代三代后(G3Terc－/－)小鼠出現(xiàn)明顯的端?？s短和染色體末端融合，小鼠壽命縮短，生殖能力減退，器官衰竭［26］。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，衰老的第三代端粒酶敲除小鼠引起造血干細(xì)胞數(shù)目減少，其造血干細(xì)胞自我更新能力和分化能力下降［27］。端粒功能障礙通過(guò)激活細(xì)胞內(nèi)在的檢測(cè)點(diǎn)和誘導(dǎo)干細(xì)胞微環(huán)境的改變，進(jìn)而減弱干細(xì)胞的功能，促進(jìn)細(xì)胞衰老［28－29］。因此，端粒是保持基因組完整性的關(guān)鍵因素，端粒酶的活性調(diào)控干細(xì)胞端粒長(zhǎng)度，進(jìn)而影響其細(xì)胞增殖狀態(tài)［30］。

4 衰老相關(guān)基因與干細(xì)胞衰老

越來(lái)越多的結(jié)果表明細(xì)胞衰老是受基因調(diào)控的，某些基因的表達(dá)差異與細(xì)胞衰老密切相關(guān)。目前已經(jīng)明確兩條經(jīng)典的信號(hào)通路在細(xì)胞衰老中發(fā)揮重要作用:p53－p21－pRB和p16－pRB通路。p53基因參與DNA損傷修復(fù)、自由基清除，是一種在體內(nèi)衰老和體外復(fù)制損傷的共同靶點(diǎn)和途徑。Insinga等［31］發(fā)現(xiàn)當(dāng)造血祖細(xì)胞受到DNA損傷時(shí)，激活p53從而上調(diào)p21的表達(dá)，使造血干細(xì)胞處于衰老狀態(tài)。Armesilla－Diaz等［32］發(fā)現(xiàn)隨著年齡的增加，間充質(zhì)干細(xì)胞形態(tài)發(fā)生改變，細(xì)胞周期停滯在G0期，增殖能力下降，p53表達(dá)上升，凋亡細(xì)胞數(shù)目增加;而p53缺陷小鼠干細(xì)胞增殖和分化能力明顯高于野生鼠［33］。Yew等［34］發(fā)現(xiàn)隨著干細(xì)胞體外傳代次數(shù)的增加，p21蛋白表達(dá)增加，增殖和分化能力降低;干擾p21表達(dá)后，β－半乳糖苷酶活性降低，增殖能力得到改善。Hong等［35］研究表明，當(dāng)阻斷p53－p21信號(hào)通路時(shí)，能夠顯著提高干細(xì)胞的數(shù)目和分化能力。

p16Ink4a也是細(xì)胞生命周期的關(guān)鍵調(diào)控基因，負(fù)責(zé)細(xì)胞增殖及分裂，通過(guò)p16－cylinD/CDK－RB途徑調(diào)控細(xì)胞周期，影響干細(xì)胞增殖和分化功能［36］。Molofsk等［37］發(fā)現(xiàn)隨著年齡增加，神經(jīng)干細(xì)胞的數(shù)量和自我更新降低，p16INK4a的表達(dá)增加。相反，p16INK4a基因敲除的小鼠造血干細(xì)胞比同窩野生型的小鼠增殖能力強(qiáng)，顯著增強(qiáng)老年小鼠的神經(jīng)干細(xì)胞的神經(jīng)再生能力，延緩大腦的衰老過(guò)程［36］。所以，p16INK4a的表達(dá)促進(jìn)造血干細(xì)胞、神經(jīng)干細(xì)胞和胰腺等干細(xì)胞的衰老，進(jìn)而抑制干細(xì)胞的增殖和活性［38］。

5 表觀遺傳調(diào)控與干細(xì)胞衰老

表觀遺傳調(diào)控也是影響干細(xì)胞衰老的關(guān)鍵因素之一。表觀遺傳修飾主要包括DNA甲基化、組蛋白修飾、RNA干擾、染色質(zhì)重塑等。DNA甲基化是通過(guò)在基因組CpG島的胞嘧啶被選擇性地添加甲基從而增加DNA穩(wěn)定性和調(diào)控基因表達(dá)，發(fā)揮維持干細(xì)胞正常功能的作用［1］。Dnmt3a和Dnmt3b是DNA甲基化的重要基因。Dnmt3a和Dnmt3b基因缺失小鼠的造血干細(xì)胞造血功能喪失，抑制了造血干細(xì)胞的分化能力［39］。組蛋白甲基化是另一種甲基化形式。PcG蛋白是一種組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶復(fù)合體，甲基轉(zhuǎn)移酶Ezh1和Ezh2是PRC2復(fù)合體中的催化組分，Ezh1和Ezh2基因缺失小鼠對(duì)p16INK4a的表觀抑制作用減弱，從而誘發(fā)造血干細(xì)胞衰老［40－41］。

組蛋白修飾主要是針對(duì)核心組蛋白進(jìn)行翻譯后共價(jià)修飾，主要是組蛋白H3和H4N端賴氨酸位點(diǎn)乙?；揎桽irtuins家族是組蛋白去乙?；傅牡?個(gè)家族，在調(diào)控細(xì)胞周期、有絲分裂、染色質(zhì)重塑等過(guò)程中發(fā)揮作用［28］。目前研究較多的是具有年齡成負(fù)相關(guān)的Sirt1和Sirt2蛋白［42－43］。Gurd等［44］發(fā)現(xiàn)Sirt1可以使MSCs抵抗不良環(huán)境因素對(duì)細(xì)胞造成的損傷，從而延長(zhǎng)MSCs的壽命。Rathbone等［45－46］研究表明Sirt1在肌肉干細(xì)胞中也可以促進(jìn)細(xì)胞增殖延緩干細(xì)胞衰老，抑制Sirt1可促使p53激活下游靶基因轉(zhuǎn)錄活性，導(dǎo)致細(xì)胞衰老。此外，Sirt1蛋白結(jié)合叉頭蛋白類轉(zhuǎn)錄因子FOXO并將其去乙?；?，減弱FOXO3所誘導(dǎo)的凋亡，從而促進(jìn)細(xì)胞在應(yīng)激條件下的細(xì)胞存活，延長(zhǎng)細(xì)胞壽命［19］。

6 結(jié)語(yǔ)

細(xì)胞衰老是機(jī)體衰老的基礎(chǔ)，干細(xì)胞衰老可以誘導(dǎo)機(jī)體衰老的發(fā)生發(fā)展。研究顯示DNA損傷、線粒體功能障礙、端粒長(zhǎng)度、衰老相關(guān)基因以及表觀遺傳學(xué)調(diào)控等均影響干細(xì)胞的衰老。這些事件并不是獨(dú)立存在的，而是彼此之間相互聯(lián)系。例如氧化應(yīng)激導(dǎo)致DNA損傷和端?？s短，而端粒長(zhǎng)度縮短也將引起DNA損傷。我們從這些方面闡述了干細(xì)胞衰老的調(diào)控機(jī)制，但對(duì)于誘導(dǎo)衰老的影響因素以及衰老的發(fā)生、發(fā)展機(jī)制仍需深入研究，如果能揭示干細(xì)胞衰老的分子機(jī)制，將為進(jìn)一步尋求延緩干衰老的方法或藥物提供依據(jù)，對(duì)機(jī)體衰老及相關(guān)疾病的治療具有重大的生物學(xué)意義和臨床應(yīng)用前景。

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