細(xì)胞衰老及其標(biāo)志物
日期：2023-12-07 08:51:22
一個(gè)細(xì)胞不僅是生物結(jié)構(gòu)和功能的基本單位，也是有機(jī)體衰老的基本單位。有機(jī)體的大多數(shù)細(xì)胞在其生命周期內(nèi)經(jīng)歷幾個(gè)階段：增殖、分化、衰老和死亡。眾所周知，沒有什么是永恒不變的，細(xì)胞的增殖能力也不例外。細(xì)胞持續(xù)分裂的一個(gè)障礙是衰老，這首次被提出用來描述有限的增殖能力 [1]。正常人類胚胎細(xì)胞在分裂之前可以進(jìn)行的次數(shù)（約50次），這被稱為“海夫利克極限”，是由Leonard Hayflick和Paul Moorhead于1961年首次提出的，以描述培養(yǎng)中正常人類成纖維細(xì)胞的有限增殖能力。
在這篇綜述中，我們將介紹細(xì)胞衰老的定義，衰老細(xì)胞的特征，調(diào)控衰老增殖阻滯的兩條途徑，以及細(xì)胞衰老標(biāo)志物。
1. 什么是細(xì)胞衰老？
細(xì)胞衰老是一種增殖細(xì)胞停止分裂并永久性退出細(xì)胞周期的過程。與可通過適當(dāng)?shù)挠薪z分裂原恢復(fù)的休眠狀態(tài)不同，衰老是一種永久性的細(xì)胞周期阻滯狀態(tài)。細(xì)胞在遇到多種刺激時(shí)會(huì)發(fā)生衰老，包括端粒功能障礙、DNA損傷、線粒體功能障礙、氧化應(yīng)激、癌基因活化、營(yíng)養(yǎng)信號(hào)紊亂、慢性炎癥、有絲分裂信號(hào)或暴露于外源性毒素等 [2-4]。
細(xì)胞衰老對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生雙重影響。它在胚胎發(fā)育、組織穩(wěn)態(tài)維持、傷口愈合、宿主免疫以及抑制腫瘤進(jìn)展方面發(fā)揮著有益作用 [5-8]。相反，細(xì)胞衰老是衰老和與年齡相關(guān)疾病的主要原因之一。它在發(fā)育和受傷后促進(jìn)組織再生，但會(huì)削弱細(xì)胞的再生和功能能力，導(dǎo)致衰老生物體中的炎癥和腫瘤發(fā)生。由于清除不足，衰老細(xì)胞會(huì)在晚期病理階段穩(wěn)定累積，導(dǎo)致病理癥狀加劇。此外，衰老細(xì)胞還可以通過上調(diào)和釋放可以改變腫瘤微環(huán)境的因子來促進(jìn)癌癥進(jìn)展，包括炎性細(xì)胞因子、趨化因子和生長(zhǎng)調(diào)節(jié)因子。
2. 衰老細(xì)胞的特征
衰老細(xì)胞保持活力或代謝活性 [9][10]，并表現(xiàn)出一些明顯的變化，具有四個(gè)典型特征，包括不可逆的細(xì)胞周期阻滯、衰老相關(guān)分泌表型（SASP）、巨分子損傷和代謝紊亂。衰老細(xì)胞還可能經(jīng)歷結(jié)構(gòu)和形態(tài)的改變，例如體積增大、扁平化、多核形態(tài)，伴有增加的液泡，修改的細(xì)胞膜組成以及令人驚訝的核膨脹。
細(xì)胞周期阻滯
不可逆的細(xì)胞周期阻滯是細(xì)胞衰老最基本的特征之一。這種現(xiàn)象是在體外鑒定細(xì)胞衰老最基本和不可或缺的指標(biāo)之一。
衰老相關(guān)分泌表型（SASP）
衰老細(xì)胞分泌許多因子，包括炎性細(xì)胞因子、趨化因子、生長(zhǎng)調(diào)節(jié)因子、血管生成因子和基質(zhì)金屬蛋白酶，統(tǒng)稱為SASP。SASP是衰老細(xì)胞的另一個(gè)典型標(biāo)志。這些SASP因子與免疫系統(tǒng)合作，改善細(xì)胞微環(huán)境，影響鄰近細(xì)胞的增殖和分化，從而雙向調(diào)節(jié)器官衰老以及腫瘤的發(fā)生和發(fā)展。
| SASP 類型 | 成分 |
|---|---|
| 白細(xì)胞介素 | IL-1a, IL-1b, IL-6, IL-7, IL-13, IL-15 |
| 趨化因子 (CXCL, CCL) | IL-8, GRO-a, GRO-b, GRO-gamma, MCP-2, MCP-4, MIP-1a, MIP-3a, HCC-4, eotaxin-3, TECK, ENA-78, I-309, I-TAC |
| 其他炎癥因素 | GM-CSE, G-CSE, IFN-γ, BLC, MIF |
| 生長(zhǎng)因子和調(diào)節(jié)因子 | Amphiregulin, Epiregulin, Heregulin, EGF, bFGF, HGF, KGF (FGF7), VEGF, Angiogenin, SCF, SDF-1, PIGF, NGF, IGFBP-2, IGFBP-3, IGFBP-4, IGFBP-6, IGFBP-7 |
| 蛋白酶和調(diào)節(jié)劑 | MMP-1, MMP-3, MMP-10, MMP-12, MMP-13, MMP-14, TIMP-1, TIMP-2, PAI-1, PAI-2, tPA, uPA, Cathepsin B |
| 可溶性或脫落的受體或配體 | ICAM-1, ICAM-3, OPG, sTNFRI, TRAIL-R3, Fas, sTNFRII, uPAR, SGP130, EGF-R |
| 非蛋白可溶性因子 | PGE2，一氧化氮，活性氧 |
| 不溶性因子(ECM) | 纖維連接蛋白，膠原蛋白，層粘連蛋白 |
表1：SASP因子的包合作用
(本表資料引自：https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4166495/)
巨分子損傷
在衰老細(xì)胞中存在三種巨分子損傷：DNA損傷、蛋白質(zhì)損傷和脂質(zhì)損傷。端粒縮短與細(xì)胞周期阻滯密切相關(guān)。在衰老細(xì)胞中，線粒體功能障礙、ATP生成受阻以及大量ROS產(chǎn)生最終導(dǎo)致蛋白質(zhì)損傷和脂質(zhì)損傷。
代謝紊亂
衰老細(xì)胞的溶酶體數(shù)量和大小增加。SA-B-GAL在溶酶體中積累。
3. 細(xì)胞衰老標(biāo)志物
到目前為止，還沒有完全獨(dú)特于衰老狀態(tài)的標(biāo)志物或特征被確定。此外，并非所有衰老細(xì)胞都表達(dá)所有可用的衰老標(biāo)志物。一些已知的衰老標(biāo)志物包括短而功能異常的端粒、p16INK4A的表達(dá)、持續(xù)的DNA損傷反應(yīng)、SASP的釋放、衰老相關(guān)異染色質(zhì)聚集點(diǎn)（SAHF）、增強(qiáng)的衰老相關(guān)β-半乳糖苷酶（SA-β-gal）活性是識(shí)別衰老細(xì)胞的最早的生物標(biāo)志物之一，以及Lamin B1的喪失。
| 不同方面 | 衰老特征或標(biāo)記 | 進(jìn)一步說明 |
|---|---|---|
| 形態(tài)特征 | 增加的尺寸 |
衰老細(xì)胞通常呈現(xiàn)多核、大、多邊形和扁平的形態(tài)，并具有紡錘形和液泡化特征[11]。衰老細(xì)胞的高爾基體和溶酶體數(shù)量增加，胞漿內(nèi)顆粒明顯增多。這些形態(tài)學(xué)特征可以用明視野顯微鏡等方法進(jìn)行評(píng)估，并可能反映出它們代謝和細(xì)胞器穩(wěn)態(tài)的改變。 |
| 增加的粒度 | ||
| 細(xì)胞周期阻滯 | P53和磷酸化P53 | 磷酸化p53的積累促進(jìn)細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑(CDKIs)的激活，最終導(dǎo)致細(xì)胞周期阻滯。 |
| 53BP1 | 53BP1通過p53介導(dǎo)細(xì)胞衰老。53BP1-p53相互作用缺陷導(dǎo)致p53依賴性細(xì)胞周期檢查點(diǎn)激活效率低下，最終導(dǎo)致細(xì)胞衰老。 | |
| P21 | 當(dāng)與CDK2結(jié)合時(shí)，p21通過阻止G1-S轉(zhuǎn)變來抑制細(xì)胞周期。 | |
| p16 | p16INK4A染色是公認(rèn)的衰老標(biāo)志物之一[12]。大多數(shù)衰老細(xì)胞表達(dá)p16INK4a。p16與CDK4和CDK6結(jié)合，導(dǎo)致細(xì)胞周期阻滯在G1期。 | |
| Rb和磷酸Rb | Rb的磷酸化促進(jìn)了細(xì)胞周期的進(jìn)展，而在衰老細(xì)胞中未檢測(cè)到磷酸化Rb。多種CDKIs(包括p21和p16)對(duì)細(xì)胞周期的抑制導(dǎo)致Rb的過度活化;這最終促進(jìn)了細(xì)胞周期的停滯和衰老。 | |
| 線粒體遺傳 | 增加尺寸/數(shù)量 | 衰老細(xì)胞線粒體豐度增加，膜電位改變，ROS生成增加，氧化磷酸化和耗氧量增加。它們可以用來增強(qiáng)衰老細(xì)胞的表型。 |
| 增加活性氧生成 | ||
| 降低膜的完整性 | ||
| 溶酶體的變化 | 增加尺寸/數(shù)量 | 衰老細(xì)胞中的溶酶體豐度允許通過增強(qiáng)的自噬進(jìn)行衰老溶解。 |
| 增強(qiáng)SA-β-gal活性 | SA-β-gal活性是最早識(shí)別衰老細(xì)胞的生物標(biāo)志物之一，可在pH 6.0時(shí)檢測(cè)到 [13]。SA-β-gal部分反映了溶酶體質(zhì)量的增加 [13][14]。它在衰老細(xì)胞的溶酶體中積累。 | |
| 脂褐質(zhì)積累 | 脂褐素是溶酶體副產(chǎn)物的聚集體，在衰老細(xì)胞中積累。 | |
| 核變化 | 端粒縮短 | 它是導(dǎo)致衰老的主要原因 [15]，是細(xì)胞衰老的首要和最突出的特征性機(jī)制之一。 |
| telomere-associated foci | 這些標(biāo)記都反映了DDR。H2AX在Ser139位點(diǎn)磷酸化成為γ-H2AX以響應(yīng)DNA損傷，這使其成為研究DDR通路和衰老的有力工具。 | |
| SAHF | ||
| γ-H2AX | ||
| Lamin B1/LMNB1 缺失 | 層粘連蛋白B1參與細(xì)胞核隨著衰老發(fā)生的結(jié)構(gòu)變化 [16]，在衰老細(xì)胞中丟失。 | |
| DNA復(fù)制減少 | 衰老細(xì)胞的增殖停止并保持較低的復(fù)制能力。 | |
| Ki67 | Ki67是一種核蛋白，常被用作細(xì)胞增殖的標(biāo)記物。由于衰老細(xì)胞永久退出細(xì)胞周期，因此它們不表達(dá)Ki67。 | |
| 其他選定功能 | 胞質(zhì)DNA/ cGAS-STING活化 | SASP包括白細(xì)胞介素如IL-6、趨化因子如IL-8和生長(zhǎng)因子如VEGF7(見表1)。它們影響鄰近組織，可能導(dǎo)致鄰近細(xì)胞衰老。 |
| LINE-1逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子去抑制 | ||
| ssp相關(guān)超級(jí)增強(qiáng)子的重塑 |
表2：衰老標(biāo)志物及特征
(本表資料引自：https://www.nature.com/articles/s43587-021-00121-8)
4. 維持細(xì)胞衰老生長(zhǎng)阻滯的兩個(gè)通路
在衰老細(xì)胞中，DNA和其他類型的巨分子損傷最終通過激活p53/p21CIP1和p16INK4a/RB抑癌通路導(dǎo)致細(xì)胞增殖停止。這兩個(gè)通路由門衛(wèi)抑癌蛋白p53和pRb調(diào)控 [17] [18]。
4.1 p53通路
在受到諸如端粒侵蝕、DNA損傷和癌基因活化等多種應(yīng)激信號(hào)刺激后，p53通過兩種翻譯后修飾被激活：磷酸化（ATM-Chk2或ATR-Chk1）和乙酰化（p300/CBP、PCAF、Tip60/hMOF和SIRT1），以及通過增強(qiáng)蛋白質(zhì)穩(wěn)定性（ARF-MDM2）和增加翻譯速率（RNPC1、HuR和RPL26）。然后，活性p53激活了促衰老的靶基因的表達(dá)，如p21和E2F7，分別有助于G1細(xì)胞周期阻滯和有絲分裂基因抑制，從而導(dǎo)致細(xì)胞衰老或其他細(xì)胞響應(yīng) [19] [20]。
圖1. p53對(duì)細(xì)胞衰老的調(diào)控
圖片來自：https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3784259
4.2 pRB通路
多種內(nèi)部或外部應(yīng)激因素觸發(fā)DNA損傷應(yīng)答（DDR）通路，從而引發(fā)p16INK4A通路。p16INK4A使Cdk4和Cdk6失活，導(dǎo)致磷酸化pRb的積累，抑制E2F轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)，促使細(xì)胞周期阻滯或衰老 [21]。
圖2. 衰老細(xì)胞中p53和prb介導(dǎo)的調(diào)控、作用以及功能和形態(tài)改變
圖片來自：衰老細(xì)胞中p53和prb介導(dǎo)的調(diào)控、作用以及功能和形態(tài)改變
5. 抗細(xì)胞衰老標(biāo)志物抗體
華美生物提供了一些抗體，將有助于識(shí)別和鑒定常用的細(xì)胞衰老標(biāo)志物。
| 靶點(diǎn) | 功能 | 抗體產(chǎn)品 |
|---|---|---|
| phospho-Histone H2AX (S139) | DNA損傷反應(yīng)(DDR)標(biāo)記物 | Recombinant Phospho-Histone H2AX (S139) Antibody |
| P16INK4A | 腫瘤抑制因子/細(xì)胞周期調(diào)節(jié)因子 | CDKN2A Antibody |
| P21 | 腫瘤抑制因子/細(xì)胞周期調(diào)節(jié)因子 | CDKN1A Antibody |
| P53 | 腫瘤抑制因子/細(xì)胞周期調(diào)節(jié)因子 | Recombinant TP53 Antibody |
| Phospho-RB1 (S780) | 腫瘤抑制因子/細(xì)胞周期調(diào)節(jié)因子 | Recombinant Phospho-RB1 (S780) Antibody |
| Ki67 | 細(xì)胞增生標(biāo)記物 |
MKI67 Monoclonal Antibody |
| Beta-galactosidase | Lysosome-associated蛋白質(zhì);活性增強(qiáng) | lacZ Monoclonal Antibody |
| IL-6 | SASP制造商;SASP中最顯著的細(xì)胞因子;顯著增加 | Recombinant IL-6 Antibody |
| IL-8 | SASP制造商;大多數(shù)衰老細(xì)胞過表達(dá)IL-8 | CXCL8 Monoclonal Antibody |
| Lamin B1 | 核層標(biāo)記物;在衰老細(xì)胞中不存在 | LMNB1 Monoclonal Antibody |
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