細(xì)胞衰老及在個(gè)體衰老中的作用①

馬少締，呂東鶴，霍 健，王姍姍，樸金花

(1．佳木斯大學(xué)預(yù)防醫(yī)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007；2.佳木斯大學(xué)康復(fù)醫(yī)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154002；3.佳木斯大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154002；4. 佳木斯大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

細(xì)胞衰老及在個(gè)體衰老中的作用①

馬少締1，呂東鶴2，霍 健3，王姍姍4，樸金花4

(1．佳木斯大學(xué)預(yù)防醫(yī)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007；2.佳木斯大學(xué)康復(fù)醫(yī)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154002；3.佳木斯大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154002；4. 佳木斯大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

衰老(aging)又稱老化，是生物發(fā)育成熟后的一個(gè)持續(xù)發(fā)展的、動態(tài)的、緩慢的自身機(jī)能減退，結(jié)構(gòu)、組分逐步退行性病變并趨向死亡的不可逆轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。衰老伴隨的器官功能減退、細(xì)胞與分子水平改變往往漸進(jìn)性影響健康，因此衰老與疾病和死亡密切相關(guān)。很多研究認(rèn)為，個(gè)體衰老起始于微小的亞細(xì)胞損傷。亞細(xì)胞損傷本身并不能直接導(dǎo)致個(gè)體衰老，但如果損傷積累到一定程度，細(xì)胞就會停止增殖并出現(xiàn)衰老相關(guān)的分泌表型現(xiàn)象，最終出現(xiàn)肉眼可見的個(gè)體衰老表現(xiàn)，因而細(xì)胞衰老很可能是二者聯(lián)系的紐帶。

衰老；細(xì)胞衰老

細(xì)胞衰老(cellular senescence)是指細(xì)胞在執(zhí)行生命活動過程中，為應(yīng)答各種應(yīng)激信號而發(fā)生的不可逆的細(xì)胞周期阻滯，是一種復(fù)雜而重要的生命活動[1]。和細(xì)胞衰老相關(guān)的應(yīng)激信號包括：端粒脫帽、DNA損傷以及癌基因激活等。衰老細(xì)胞與處于靜止期的細(xì)胞明顯不同，后者只是短暫離開細(xì)胞周期，一旦收到合適信號，又會重新返回細(xì)胞周期，繼續(xù)分裂增殖；衰老細(xì)胞的不會應(yīng)答促有絲分裂信號，但代謝仍然保持活躍狀態(tài)。細(xì)胞衰老可以在細(xì)胞增殖過程中逐漸發(fā)生，也會在急性應(yīng)激后快速發(fā)生。個(gè)體衰老過程中衰老細(xì)胞逐漸積聚，時(shí)間長達(dá)數(shù)年，因此衰老個(gè)體機(jī)能退化通常被認(rèn)為至少部分的由衰老細(xì)胞積累所致[2]。

1 細(xì)胞衰老的主要特征

除了細(xì)胞周期阻滯之外，衰老細(xì)胞表現(xiàn)出一系列明顯不同于正常細(xì)胞的衰老表型。但是，如果僅從單個(gè)方面看，這種變化并不顯著，使得對衰老細(xì)胞尤其是體內(nèi)環(huán)境中的確認(rèn)充滿挑戰(zhàn)性，因此通常需要同時(shí)考慮不同的特征和生物標(biāo)記。

1.1 細(xì)胞形態(tài)和酶學(xué)變化

衰老細(xì)胞雖然代謝仍然非常活躍，但各種結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出退行性變化。與正常細(xì)胞相比，衰老細(xì)胞停止分裂，體積變大。此外，衰老細(xì)胞呈現(xiàn)扁平化，細(xì)胞質(zhì)中形成空泡，應(yīng)激顆粒逐漸積聚。伴隨細(xì)胞衰老，溶酶體增大且活性增強(qiáng)，表現(xiàn)為酸性的(pH 6)β-半乳糖甘酶表達(dá)過量以至于很容易在衰老細(xì)胞和老化組織中檢測到。值得一提的是，過量表達(dá)的β-半乳糖苷酶是細(xì)胞衰老的結(jié)果而非誘因，因此這種特異性的衰老相關(guān)的β-半乳糖甘酶(senescence associatedβ-galactosidase)常作為檢測衰老細(xì)胞的重要指標(biāo)[3]。細(xì)胞衰老時(shí)，細(xì)胞核形態(tài)也隨之變化，表現(xiàn)為核體積增大，核膜內(nèi)折，染色質(zhì)凝集、固縮，碎裂。相應(yīng)的，基因表達(dá)譜改變，很多基因表達(dá)沉默。衰老細(xì)胞另外一個(gè)特征體現(xiàn)在核DNA結(jié)合蛋白HMGB1(high-mobility group box 1，HMGB1)重定位于細(xì)胞外間隙，促使細(xì)胞通過TLR-4信號通路釋放相應(yīng)的細(xì)胞因子，引發(fā)炎癥反應(yīng)[4]。

1.2 染色質(zhì)重塑

前已述及，DNA損傷會觸發(fā)相應(yīng)的修復(fù)信號通路，細(xì)胞趨向衰老。在功能受損的端?；蚍嵌肆２课唬ダ霞?xì)胞出現(xiàn)以53BP1(p53 binding protein 1)或磷酸化的組蛋白H2AX 聚集為特征的DNA損傷聚焦(DNA damage foci)[5,6]，這將激活下游的(ATM)-p53-p21信號通路，導(dǎo)致細(xì)胞周期阻滯。但是，由于大多數(shù)細(xì)胞不經(jīng)衰老也能夠修復(fù)DNA損傷，不發(fā)生DNA損傷時(shí)DDR損傷應(yīng)答通路也可以被激活，因此DNA損傷灶的形成并不能夠作為細(xì)胞衰老的特有標(biāo)志。

衰老細(xì)胞染色質(zhì)另外一個(gè)明顯特征是細(xì)胞經(jīng)DAPI染色后出現(xiàn)點(diǎn)狀聚集的包含基因組轉(zhuǎn)錄失活區(qū)域的異染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，這種特征性現(xiàn)象被稱為衰老相關(guān)異染色質(zhì)聚集(senescence-associated heterochromatin foci，SAHF)，可能與促增殖基因沉默有關(guān)[7]。但是，SAHF僅能在體外培養(yǎng)的衰老細(xì)胞中檢測到，目前在高表達(dá)p16INK4a或具備其它細(xì)胞衰老特征的組織中尚未檢測到SAHF。此外，衰老細(xì)胞中可見核纖層蛋白lamin B1表達(dá)下調(diào)。細(xì)胞衰老過程中，lamin B1可能從細(xì)胞核中遷移到細(xì)胞質(zhì)，最終被降解。lamin B1作為核纖層一部分，主要負(fù)責(zé)維持細(xì)胞核形態(tài)并能夠調(diào)控基因表達(dá)。lamin B1丟失將影響組蛋白H3賴氨酸殘基上三甲基化修飾位點(diǎn)(H3K4me3和H3K27me3)分布，尤其是富含H3K4me3和H3K27me3的大范圍“山峰”區(qū)和缺乏H3K27me3的“峽谷”區(qū)形成，進(jìn)而引起染色質(zhì)結(jié)構(gòu)明顯變化，影響細(xì)胞衰老[8]。

1.3 基因和蛋白表達(dá)譜改變

細(xì)胞衰老過程中，基因表達(dá)譜發(fā)生深刻而明顯的改變。p16INK4a是細(xì)胞衰老和組織老化過程中常見的分子標(biāo)記，通常情況下，正常年輕細(xì)胞p16INK4a表達(dá)水平很低，但衰老過程中，無論體內(nèi)還是體外實(shí)驗(yàn)，均可很容易檢測得到p16INK4a表達(dá)升高。其它的明顯變化包括lamin B1表達(dá)下調(diào)以及p53信號通路的激活。除此以外，由于線粒體損傷和ROS水平升高，蛋白氧化加劇，衰老細(xì)胞中很容易檢測到蛋白羰基化產(chǎn)物及脂褐素積聚。與年輕細(xì)胞相比，衰老細(xì)胞microRNA表達(dá)明顯不同，稱為SA-miRNAs(senescence-associated microRNAs，SA-miRNAs)即衰老相關(guān)的microRNAs[9]。SA-miRNAs的表達(dá)受到衰老細(xì)胞不同層級的調(diào)控，SA-miRNAs又能夠負(fù)調(diào)控衰老過程中的重要調(diào)控因子[10]。目前，對于SA-miRNAs在細(xì)胞衰老中的功能研究仍處于初級階段。

基因表達(dá)譜的明顯改變也顯著影響到衰老細(xì)胞分泌的多種蛋白因子，包括降解細(xì)胞外基質(zhì)的酶如MMPs、趨化因子(CXCL-1, CXCL-3和CXCL-10)、炎性細(xì)胞因子(IL-1α, IL-1β, IL-6以及IL-8)以及生長因子(HGF, TGFβ和GM-CSF)等。衰老細(xì)胞分泌的多種蛋白因子能夠主動改變周圍環(huán)境，使細(xì)胞衰老由最初的被動過程逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃舆^程，通常被稱為衰老相關(guān)分泌表型(senescence-associated secretory phenotype，SASP)或衰老信號的分泌蛋白質(zhì)組(senescence-messaging secretome，SMS)。SASP通過介導(dǎo)細(xì)胞間通訊和調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)微環(huán)境，不僅能夠影響衰老及衰老相關(guān)疾病，而且還與腫瘤抑制、傷口愈合、免疫調(diào)節(jié)以及組織修復(fù)重構(gòu)等有關(guān)[11]。在分子水平上，p53負(fù)調(diào)控SASP，而NF-κB 和 C/EBP-β則正調(diào)控SASP因子分泌。

2 細(xì)胞衰老在個(gè)體衰老及衰老相關(guān)疾病中的作用

胞衰老途徑被各種觸發(fā)因素激活后，短期內(nèi)表現(xiàn)出有益的一面，如胚胎發(fā)育、傷口愈合以及腫瘤抑制等；然而，細(xì)胞長時(shí)間處于衰老狀態(tài)則帶來災(zāi)難性后果，如促進(jìn)腫瘤發(fā)生，誘發(fā)衰老相關(guān)疾病等。

2.1 細(xì)胞衰老與個(gè)體衰老

衰老細(xì)胞抑制凋亡，隨個(gè)體衰老逐漸積累。積累的衰老細(xì)胞對促有絲分裂信號不再敏感，這將不利于組織更新。干細(xì)胞和祖細(xì)胞隨個(gè)體老化而逐漸衰老，導(dǎo)致組織再生能力進(jìn)一步減弱[12]。目前并不清楚衰老細(xì)胞與正常細(xì)胞代謝方面差異程度究竟有多大，但細(xì)胞衰老中能夠檢測到那些參與主要代謝途徑的基因表達(dá)的顯著變化。例如，衰老的肝細(xì)胞中胰島素代謝途徑異常。此外，SASP因子以及細(xì)胞衰老引起的ROS升高也導(dǎo)致細(xì)胞微環(huán)境改變，進(jìn)而影響組織結(jié)構(gòu)和功能[13]。因此，衰老細(xì)胞積累通過降低組織更新能力、影響細(xì)胞代謝功能以及改變組織微環(huán)境等方面逐漸引起個(gè)體衰老，是亞細(xì)胞損傷與個(gè)體衰老的橋梁和紐帶。衰老相關(guān)的病理部位能夠檢測到細(xì)胞衰老，這也從側(cè)面印證了細(xì)胞衰老對個(gè)體老化的不利影響。另一方面研究也發(fā)現(xiàn)，清除衰老細(xì)胞將助于延緩衰老相關(guān)疾病的進(jìn)展[14]。

2.2 細(xì)胞衰老與慢性疾病

目前，衰老細(xì)胞與多種慢性疾病發(fā)生有關(guān)。盡管有觀點(diǎn)認(rèn)為細(xì)胞衰老是慢性疾病發(fā)生的結(jié)果，但很多研究證實(shí)，細(xì)胞衰老在慢性疾病發(fā)展過程、器官功能衰竭以及預(yù)后不良等方面扮演重要角色。因此，細(xì)胞衰老標(biāo)記有望應(yīng)用于疾病診斷，細(xì)胞衰老也可能是潛在的藥物作用靶點(diǎn)而用于疾病治療。細(xì)胞衰老對慢性疾病而言也存在有利的一面。例如，衰老的肝星狀細(xì)胞和心成纖維細(xì)胞能夠降低相應(yīng)器官的纖維化，限制疾病發(fā)展[15]。

2.3 細(xì)胞衰老與癌癥

細(xì)胞衰老的重要功能之一是癌癥預(yù)防。細(xì)胞發(fā)生DNA損傷、癌基因激活或端粒損耗時(shí)，容易造成基因組不穩(wěn)定，增加細(xì)胞癌變風(fēng)險(xiǎn)。細(xì)胞衰老通過誘發(fā)細(xì)胞周期阻滯能夠阻止或延緩腫瘤發(fā)生。腫瘤細(xì)胞中，p16和p53通常不能發(fā)揮腫瘤抑制作用，表明腫瘤細(xì)胞無限增殖很可能需要繞過細(xì)胞衰老相關(guān)的信號傳導(dǎo)途徑。在p53缺陷腫瘤細(xì)胞中，通過重新激活p53表達(dá)，能夠誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞衰老，顯示細(xì)胞衰老在腫瘤抑制方面發(fā)揮重要作用。然而，細(xì)胞衰老也與腫瘤發(fā)生有關(guān)。SASP因子能夠促進(jìn)惡變細(xì)胞無限增殖及轉(zhuǎn)化。不僅如此，如果衰老細(xì)胞沒有被機(jī)體免疫監(jiān)視系統(tǒng)清除，則有可能轉(zhuǎn)變?yōu)槟[瘤細(xì)胞。因此，細(xì)胞衰老表現(xiàn)出令人困惑的兩面性。一方面，在細(xì)胞損傷早期，細(xì)胞衰老有益于腫瘤抑制；另一方面，在細(xì)胞損傷晚期，細(xì)胞衰老反而促進(jìn)癌癥的發(fā)生發(fā)展。

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國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目,編號：201610222007。

馬少締(1994～)男，黑龍江佳木斯人，在讀本科生。

樸金花(1974～)女，黑龍江佳木斯人，碩士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師。E-mail: 280600468@qq.com。

Q255

A

1008-0104(2017)06-0014-02

2017-04-12)