細胞衰老及在個體衰老中的作用①

馬少締，呂東鶴，霍 健，王姍姍，樸金花

(1．佳木斯大學預防醫學院，黑龍江 佳木斯 154007；2.佳木斯大學康復醫學院，黑龍江 佳木斯 154002；3.佳木斯大學臨床醫學院，黑龍江 佳木斯 154002；4. 佳木斯大學基礎醫學院，黑龍江 佳木斯 154007)

細胞衰老及在個體衰老中的作用①

馬少締1，呂東鶴2，霍 健3，王姍姍4，樸金花4

(1．佳木斯大學預防醫學院，黑龍江 佳木斯 154007；2.佳木斯大學康復醫學院，黑龍江 佳木斯 154002；3.佳木斯大學臨床醫學院，黑龍江 佳木斯 154002；4. 佳木斯大學基礎醫學院，黑龍江 佳木斯 154007)

衰老(aging)又稱老化，是生物發育成熟后的一個持續發展的、動態的、緩慢的自身機能減退，結構、組分逐步退行性病變并趨向死亡的不可逆轉的現象。衰老伴隨的器官功能減退、細胞與分子水平改變往往漸進性影響健康，因此衰老與疾病和死亡密切相關。很多研究認為，個體衰老起始于微小的亞細胞損傷。亞細胞損傷本身并不能直接導致個體衰老，但如果損傷積累到一定程度，細胞就會停止增殖并出現衰老相關的分泌表型現象，最終出現肉眼可見的個體衰老表現，因而細胞衰老很可能是二者聯系的紐帶。

衰老；細胞衰老

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

1 細胞衰老的主要特征

除了細胞周期阻滯之外，衰老細胞表現出一系列明顯不同于正常細胞的衰老表型。但是，如果僅從單個方面看，這種變化并不顯著，使得對衰老細胞尤其是體內環境中的確認充滿挑戰性，因此通常需要同時考慮不同的特征和生物標記。

1.1 細胞形態和酶學變化

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

1.2 染色質重塑

前已述及，DNA損傷會觸發相應的修復信號通路，細胞趨向衰老。在功能受損的端粒或非端粒部位，衰老細胞出現以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，導致細胞周期阻滯。但是，由于大多數細胞不經衰老也能夠修復DNA損傷，不發生DNA損傷時DDR損傷應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胞衰老的特有標志。

衰老細胞染色質另外一個明顯特征是細胞經DAPI染色后出現點狀聚集的包含基因組轉錄失活區域的異染色質結構，這種特征性現象被稱為衰老相關異染色質聚集(senescence-associated heterochromatin foci，SAHF)，可能與促增殖基因沉默有關[7]。但是，SAHF僅能在體外培養的衰老細胞中檢測到，目前在高表達p16INK4a或具備其它細胞衰老特征的組織中尚未檢測到SAHF。此外，衰老細胞中可見核纖層蛋白lamin B1表達下調。細胞衰老過程中，lamin B1可能從細胞核中遷移到細胞質，最終被降解。lamin B1作為核纖層一部分，主要負責維持細胞核形態并能夠調控基因表達。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(H3K4me3和H3K27me3)分布，尤其是富含H3K4me3和H3K27me3的大范圍“山峰”區和缺乏H3K27me3的“峽谷”區形成，進而引起染色質結構明顯變化，影響細胞衰老[8]。

1.3 基因和蛋白表達譜改變

細胞衰老過程中，基因表達譜發生深刻而明顯的改變。p16INK4a是細胞衰老和組織老化過程中常見的分子標記，通常情況下，正常年輕細胞p16INK4a表達水平很低，但衰老過程中，無論體內還是體外實驗，均可很容易檢測得到p16INK4a表達升高。其它的明顯變化包括lamin B1表達下調以及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，衰老細胞中很容易檢測到蛋白羰基化產物及脂褐素積聚。與年輕細胞相比，衰老細胞microRNA表達明顯不同，稱為SA-miRNAs(senescence-associated microRNAs，SA-miRNAs)即衰老相關的microRNAs[9]。SA-miRNAs的表達受到衰老細胞不同層級的調控，SA-miRNAs又能夠負調控衰老過程中的重要調控因子[10]。目前，對于SA-miRNAs在細胞衰老中的功能研究仍處于初級階段。

基因表達譜的明顯改變也顯著影響到衰老細胞分泌的多種蛋白因子，包括降解細胞外基質的酶如MMPs、趨化因子(CXCL-1, CXCL-3和CXCL-10)、炎性細胞因子(IL-1α, IL-1β, IL-6以及IL-8)以及生長因子(HGF, TGFβ和GM-CSF)等。衰老細胞分泌的多種蛋白因子能夠主動改變周圍環境，使細胞衰老由最初的被動過程逐漸轉變為主動過程，通常被稱為衰老相關分泌表型(senescence-associated secretory phenotype，SASP)或衰老信號的分泌蛋白質組(senescence-messaging secretome，SMS)。SASP通過介導細胞間通訊和調節細胞內微環境，不僅能夠影響衰老及衰老相關疾病，而且還與腫瘤抑制、傷口愈合、免疫調節以及組織修復重構等有關[11]。在分子水平上，p53負調控SASP，而NF-κB 和 C/EBP-β則正調控SASP因子分泌。

2 細胞衰老在個體衰老及衰老相關疾病中的作用

胞衰老途徑被各種觸發因素激活后，短期內表現出有益的一面，如胚胎發育、傷口愈合以及腫瘤抑制等；然而，細胞長時間處于衰老狀態則帶來災難性后果，如促進腫瘤發生，誘發衰老相關疾病等。

2.1 細胞衰老與個體衰老

衰老細胞抑制凋亡，隨個體衰老逐漸積累。積累的衰老細胞對促有絲分裂信號不再敏感，這將不利于組織更新。干細胞和祖細胞隨個體老化而逐漸衰老，導致組織再生能力進一步減弱[12]。目前并不清楚衰老細胞與正常細胞代謝方面差異程度究竟有多大，但細胞衰老中能夠檢測到那些參與主要代謝途徑的基因表達的顯著變化。例如，衰老的肝細胞中胰島素代謝途徑異常。此外，SASP因子以及細胞衰老引起的ROS升高也導致細胞微環境改變，進而影響組織結構和功能[13]。因此，衰老細胞積累通過降低組織更新能力、影響細胞代謝功能以及改變組織微環境等方面逐漸引起個體衰老，是亞細胞損傷與個體衰老的橋梁和紐帶。衰老相關的病理部位能夠檢測到細胞衰老，這也從側面印證了細胞衰老對個體老化的不利影響。另一方面研究也發現，清除衰老細胞將助于延緩衰老相關疾病的進展[14]。

2.2 細胞衰老與慢性疾病

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

2.3 細胞衰老與癌癥

細胞衰老的重要功能之一是癌癥預防。細胞發生DNA損傷、癌基因激活或端粒損耗時，容易造成基因組不穩定，增加細胞癌變風險。細胞衰老通過誘發細胞周期阻滯能夠阻止或延緩腫瘤發生。腫瘤細胞中，p16和p53通常不能發揮腫瘤抑制作用，表明腫瘤細胞無限增殖很可能需要繞過細胞衰老相關的信號傳導途徑。在p53缺陷腫瘤細胞中，通過重新激活p53表達，能夠誘導腫瘤細胞衰老，顯示細胞衰老在腫瘤抑制方面發揮重要作用。然而，細胞衰老也與腫瘤發生有關。SASP因子能夠促進惡變細胞無限增殖及轉化。不僅如此，如果衰老細胞沒有被機體免疫監視系統清除，則有可能轉變為腫瘤細胞。因此，細胞衰老表現出令人困惑的兩面性。一方面，在細胞損傷早期，細胞衰老有益于腫瘤抑制；另一方面，在細胞損傷晚期，細胞衰老反而促進癌癥的發生發展。

[1]Campisi J, Fagagna F. Cellular senescence: when bad things happen to good cells[J]. Nat Rev Mol Cell Biol, 2007, 8(9):729-740

[2]Childs BG, Durik M, Baker DJ, et al. Cellular senescence in aging and age-related disease: from mechanisms to therapy[J]. Nat Med, 2015, 21(12):1424-1435

[3]Lee BY, Han JA, Im JS, et al. Senescence associated beta-galactosidase is lysosomal beta-galactosidase[J].Aging Cell, 2006, 12(3):187-195

[4]Davalos AR, Kawahara M, Malhotra GK, et al. p53-dependent release of alarmin HMGB1 is a central mediator of senescent phenotypes[J].J Cell Biol, 2013, 201(12):616-629

[5]Zhang R, Chen W, Adams PD. Molecular dissection of formation of senescence associated heterochromatin foci[J]. Mol Cell Biol, 2007, 27(43):2343-2358

[6]Kosar M, Bartkova J, Hubackova S, et al. Senescence-associated heterochromatin foci are dispensable for cellular senescence, occur in a cell type- and insult-dependent manner and follow expression of p16(ink4a)[J]. Cell Cycle Georget Tex, 2011, 10(23):457-468

[7]Reddy KL, Zullo JM, Bertolino M. Transcriptional repression mediated by repositioning of genes to the nuclear lamina[J]. Natur, 2008, 14(56):243-247

[8]Shah PP, Donahue G, Otte GL, et al. Lamin B1 depletion in senescent cells triggers large-scale changes in gene expression and the chromatin landscape[J]. Genes Dev, 2013, 27(3):1787-1799

[9]Demaria M, Desprez PY, Campisi J, et al. Cell Autonomous and Non-Autonomous Effects of Senescent Cells in the Skin[J]. J Invest Dermatol, 2015, 135(7):1722-1726

[10]Gorospe M, Abdelmohsen K. Micro Regulators come of age in senescence[J]. Trends Genet, 2011, 27(6):233-241

[11]Davalos AR. Senescent cells as a source of in ammatory factors for tumor progression[J]. Cancer Metastasis Rev, 2010, 29(2):273-283

[12]Dekker P. Microarray-based identi cation of age-dependent differences in gene expression of human dermal broblasts[J]. Mech Ageing Dev, 2012, 133(7):498-507

[13]Aravinthan A, Challis B, Shannon N, et al. Selective insulin resistance in hepatocyte senescence[J]. Exp Cell Res, 2015, 331(1):338-345

[14]Baker DJ. Clearance of p16Ink4a-positive senescent cells delays ageing-associated disorders[J]. Nature, 2011, 479(7372):232-236

[15]Zhu F, Li Y, Zhang J, et al. Senescent cardiac broblast is critical for cardiac brosis after myocardial infarction[J]. PLoS One, 2013, 8(9):1-13

國家級大學生創新創業訓練計劃項目,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，碩士研究生導師。E-mail: 280600468@qq.com。

Q255

A

1008-0104(2017)06-0014-02

2017-04-12)