连载四 衰老的细胞分子机制: 2.细胞衰老

2衰老的细胞分子机制和重要影响因素

2.2细胞衰老

2.2.1机体衰老与细胞衰老

包括人类在内的高等动物，机体衰老（aging）是一个随着时间推移，在细胞器、细胞、组织、器官和机体水平上的功能逐步退化的过程，最终多器官损伤、衰竭，导致生命的终结[29,80]。不同于机体衰老，细胞衰老（Cellular senescence）是一种细胞的命运决定和应激反应，并伴随着复杂的分泌表型，导致细胞增殖的永久阻滞[29,80，94]。

机体衰老与细胞衰老是既相区别，又密切相关的生物学过程。细胞是生命有机体的基本结构和功能单位，也是机体衰老的基本单位，细胞衰老是机体衰老的基本机制，但个别细胞的衰老死亡，甚至局部许多细胞衰老死亡，并不会影响机体的衰老死亡；另一方面，机体的衰老并不意味着所有细胞的衰老，例如，在70老人的生精细胞仍能活跃地发生。个别机体的衰老进程和寿命受到遗传、表遗传。环境和偶然因素的调控和影响，还与其物种的寿命有关[29,95]。

2.2.2细胞衰老的概念、研究简史与意义

细胞衰老是一种独特的正常生理过程，从胚胎发育直至机体老去[39]；它不同于静止和终末分化的细胞，细胞衰老存在高度稳定的细胞周期阻滞，是在不同的应激条件下产生的。细胞衰老通过抑制生长，限制老龄细胞或受损细胞的复制，使之退出细胞周期，防止细胞癌变。衰老细胞还会发生许多其他表型改变，例如，衰老细胞变得扁平或有增大，发生代谢重编程、染色质重排、异染色质灶和自噬调节等；衰老细胞还产生和分泌一种复杂的因子组合，统称为衰老相关分泌表型，介导其大部分非细胞自主效应[96-98]。

细胞衰老从根本上是由正常细胞有限的寿命所决定的，这是因为细胞每经过一个周期的DNA复制，伴随着端粒缩短的必然结果，达到寿命极限时，就出现停止细胞分裂的现象。体外培养的细胞也有一定的寿命，表现为培养细胞平均增殖的代数，这是很好的研究材料。在1960年代初Hayflick等进行的开创性实验中发现，培养的正常人类胎儿成纤维细胞在衰老之前最多能增加50倍左右。这种现象被称为“复制衰老”或Hayflick极限。Hayflick关于培养正常细胞都会死亡的发现，推翻了当年细胞学界所认为的-所有培养的细胞都是不死的教条；他还发现，唯一不死的培养细胞是癌细胞[29，99]。

随着研究深入发现，衰老细胞具有复杂而多样的生理和病理功能。在历史上细胞衰老一直被视为一种不可逆的细胞周期阻滞机制，其作用是预防癌症，但最近的发现将其已知的功能扩展到其他的复杂生物过程，如发育、组织修复、衰老和与年龄关的疾病[96]。同时衰老反应是一把双刃剑。增殖阻滞通过阻止有恶性变风险的应激或受损细胞的增殖，来抑制癌症的发生。然而，这种抑制也会抑制干细胞或祖细胞的增殖，从而阻碍组织的修复和再生。同样，分泌表型可通过短暂提供生长因子和组织修复所需的初始炎症刺激来促进伤口愈合。然而，当长期存在时，衰老细胞的分泌表型可引起病理炎症，这导致了包括癌症在内的许多与年龄有关的病理过程[94]。

与正常细胞静态终点不同，衰老细胞在最初生长停滞后，获得的一系列渐进和表型多样的细胞状态。随着年龄的增长衰老细胞的数量也在增加，这通常被认为是机体衰老和年龄相关疾病发生的基础。因此，深入探究细胞衰老多步演进的分子机制，以及急性和慢性衰老细胞的发生和功能,这些可为衰老和年龄相关疾病的干预和治疗提供新的策略，延长健康寿命[94，96，100]。

2.2.3细胞衰老的成因、类型和分子途径

细胞衰老是由各种应激引起的，并导致细胞不可逆转的、生长停滞状态的过程。这些应激因素包括DNA复制后的端粒耗损、癌基因活化以及辐照、氧化应激和病毒感染引发的DNA等生物大分子的损伤。外部刺激，如细胞培养压力也可以触发这种生长停滞[101,102]。还有研究表明，细胞可以通过抗癌基因触发的途径，在细胞周期的任何阶段进入细胞衰老状态，从而使细胞免于恶性转化的风险[103]。

根据应激源和受影响的细胞类型的不同，促衰老信号引起细胞衰老的表型可能是异质的[98]。迄今为止描述的三个原发性细胞衰老程序：复制衰老(Replicative senescence RS)、应激诱发过早衰老(Stressinduced premature senescence SIPS)和发育编程衰老(Developmentally programmed senescence DPS)，它们在胚胎发育早期、在生命过程中的各个阶段，以及在年龄相关疾病中发挥作用或有的潜在作用。复制衰老已如上述，在正常、非转化细胞中，当细胞不断分裂，端粒耗损，达到细胞寿限后就出现细胞周期稳定阻滞的复制衰老现象[99.104]。

应激诱导衰老以往常依据引发的应激源性质或作用机制的命名，多种多样的，如致癌基因诱导衰老(oncogene-induced senescence OIS)、化疗诱导衰老(chemotherapy-induced senescence CIS)或表遗传诱导衰老(epigenetically induced senescence EIS)。复制衰老与SIPS的主要区别在于SIPS细胞周期阻滞所需的时间较少于RS较短端粒。然而，它们有一些分子机制方面的共同之处，似乎依赖于p53-p21CIP1和p16ink4a-视网膜母细胞瘤蛋白(pRB)的相同通路，通过抑制E2F引起细胞周期阻滞[99.104]。

发育程序化衰老是在生物体发育的最初几天(处于胚胎发生早期)就检测到一种最新的衰老途径。两项突破性的研究发现，在哺乳动物胚胎发生过程中，细胞衰老发生在多个位置。这些衰老细胞中检测到发育程序化衰老依赖于p21CIP1的表达，与致癌基因诱导衰老具有相同的特征[104]。

2.2.4衰老相关分泌表型(SASP)与细胞外囊泡(EVs)

2.2.4.1衰老相关分泌表型(SASP)

年龄相关的衰老细胞的积累促进机体衰老，这与衰老细胞产生和分泌一种复杂的因子组合有关，它们被统称为衰老相关分泌表型(Senescence Associated Secretory Phenotype SASP)，介导其大部分非细胞自主效应。衰老相关分泌表型是细胞衰老的一个重要特征，它涉及一系列白细胞介素(interleukin,ILs)、炎症因子、趋化因子、蛋白酶和生长因子等。该分泌组在持续损伤后的几天内完全活跃，依赖自分泌和旁分泌信号通路表现出多种功能，如促肿瘤和肿瘤抑制、诱导或强化衰老、促炎和抗炎作用。如果这些衰老细胞的数量足够多，可能会引起组织的退化，这被解释为机体衰老[97,104,105,106]。因此有作者认为，衰老细胞通过获得衰老相关分泌表型成为衰老过程的主要参与者[94]。

不同类型的衰老相关分泌表型的组成是不同的，并遵循特定成分分泌的时间过程。如果这个分泌体长期处于活跃状态，对周围细胞的影响可能导致器官功能障碍和疾病。近来有研究表明，通过异位表达p16Ink4a，降低细胞衰老的衰老相关分泌表型，可用来治疗类风湿关节炎等炎症性疾病，并取得了一定的疗效[94]。

衰老相关分泌表型反应的类型和持续时间直接相关，例如，在致癌基因Ras诱导的衰老(OIS)中，随着时间的推移，有两种类型的SASP反应：第一种是免疫抑制和纤维化，而第二种是促炎和纤维化。因此在这种情况下，如果衰老细胞不清除，两种拮抗反应均以慢性炎症反应告终；相反，快速清除之后是免疫抑制反应。这两种情况中，哪一种对正常的组织功能是最理想的，可能是组织特异性的，尚待阐明[94]。

2.2.4.2细胞外囊泡(EVs)

细胞外囊泡(extracellular vesicles EVs)包括外泌体、微囊泡和凋亡体和大的癌小体等，几乎能从所有类型的细胞中释放，已被证明参与多种生物过程，目前已成为许多不同生物医学的深入研究领域[107,108]。由于的组成取决于细胞来源的类型和导致其释放的刺激，因此细胞外囊泡内容物的分析，仍然是了解细胞外囊泡对靶细胞潜在效应的重要基础资料[109]。

细胞外囊泡由脂质双层分子组成，其中包含跨膜蛋白和胞浆蛋白、脂质和核酸。细胞分泌的细胞外囊泡与邻近或远处的细胞进行信息交流[110]，被认为是细胞间通信的重要介质，并已经被证明可以携带和转移多种分子，如microRNA、信使RNA、DNA和蛋白质，这些分子可以促进生理功能或引发各种疾病的病理过程。越来越多的证据表明，衰老细胞分泌的细胞外囊泡具有独特的特性，有助于调节受体细胞的表型，类似于SASP因子。因此，由衰老细胞分泌的细胞外囊泡，即衰老相关细胞外囊泡，似乎是一种新的SASP因子[107]。

细胞外囊泡是衰老细胞对其微环境影响的重要介质。衰老细胞通过细胞外囊泡分泌更多的EphA2和DNA，分别促进癌细胞增殖和炎症[106]。细胞外囊泡可使调控的、突变的和致癌的大分子(蛋白质、RNA和DNA)从其亲代肿瘤细胞中分泌出，并由不相关的细胞群摄取这种物质。在由此产生的生物学效应中，有一种观点认为，癌源性细胞外泡可能通过突变基因(包括突变ras)的转移,介导正常细胞的水平转化[111]。肿瘤细胞来源的细胞外囊泡在促进肿瘤进展和改变其微环境方面发挥着重要作用。相比之下，非癌细胞来源的细胞外囊泡表现出对损伤的保护功能，如组织恢复和修复，以维持生理稳态[112]。由于细胞外囊泡成分与起源细胞类型有关，故有作者认为，细胞外囊泡在临床诊断、预后和治疗的应用，应有良好的前景[109]。

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