细胞衰老的四个方面

摘要

40多年前，细胞衰老被正式描述为限制培养中正常人类细胞增殖（生长）的过程(海弗利克，1965年). 这篇具有里程碑意义的论文包含了两个先见之明。第一种说法是“无限细胞分裂或……逃避衰老样变化……只能由具有……假定癌细胞特性的[体细胞]实现。”第二种说法是：“[培养中细胞生长的停止]可能与衰老[老化]有关体内因此，近半个世纪前，现在被称为细胞衰老的过程与肿瘤抑制和衰老有关。

在接下来的几十年里，我们了解了细胞衰老的原因以及衰老表型的本质。重要的是，我们开始了解它的生理相关性。最近的数据证实了细胞衰老对肿瘤抑制很重要的早期观点。现在的数据也强烈表明，细胞衰老导致衰老，而且，衰老相关表型可以促进肿瘤进展和正常组织修复。它们还揭示了为什么除了简单的生长停滞外，复杂的衰老表型可能已经进化。

细胞衰老：引物

细胞衰老是指当能够分裂的细胞遇到致癌应激时发生的基本上不可逆的生长停滞。除了胚胎干细胞(Miura等人，2004年)，大多数分裂竞争性细胞，包括一些肿瘤细胞，在受到适当刺激时会衰老(Shay和Roninson，2004年;Campisi和d'Adda di Fagagna，2007年).

什么导致细胞衰老？

引起衰老的刺激有很多。我们现在知道，人类细胞在培养中生长受限的部分原因是端粒侵蚀，即染色体末端DNA（端粒）的逐渐丢失。端粒DNA在每个S期都会丢失，因为DNA聚合酶是单向的，不能启动新的DNA链，导致染色体末端附近的DNA丢失；此外，大多数细胞不表达端粒酶，端粒酶是一种能够从头恢复端粒DNA序列的特殊酶(Harley等人，1990年;Bodnar等人，1998年). 我们还知道，受损的端粒会产生持续的DNA损伤反应（DDR），从而启动并维持衰老生长停滞(d'Adda di Fagagna等人，2003年;Takai等人，2003年;Herbig等人，2004年;Rodier等人，2009年,2011). 事实上，许多衰老细胞在非减数位点存在基因组损伤，这也会产生衰老生长停滞所需的持续DDR信号(Nakamura等人，2008年). DNA双链断裂是特别有效的衰老诱导剂(DiLeonardo等人，1994年). 此外，组蛋白去乙酰化酶抑制剂等化合物可以在不损伤DNA的情况下放松染色质，激活DDR蛋白共济失调毛细血管扩张突变（ATM）和p53肿瘤抑制因子(Bakkenist和Kastan，2003年)并诱导衰老反应(Ogryzko等人，1996年;Munro等人，2004年). 最后，许多细胞在经历强烈的有丝分裂信号时会衰老，例如某些癌基因或高度表达的促增殖基因传递的信号(Serrano等人，1997年;Lin等人，1998年;Zhu等人，1998年;Dimri等人，2000年). 值得注意的是，这些有丝分裂信号可以造成DNA损伤和持续的DDR，这是由于复制源失配和复制叉崩溃所致(Bartkova等人，2006年;Di Micco等人，2006年;Mallette等人，2007年). 因此，许多衰老诱导刺激会导致表观基因组破坏或基因组损伤。

然而，在没有检测到DDR信号的情况下，衰老也可能发生。“培养应激”（其天然和体内等效物尚不清楚）会导致衰老停止，而端粒无明显侵蚀(Ramirez等人，2001年). 这些压力可能包括不适当的基质（例如，组织培养塑料）、血清（体内大多数细胞经历血浆而非血清）和氧化压力（例如，在大气中培养₂这是超生理的；Fusenig和Boukamp，1998年;亚斯温和斯坦普弗，2002年;Parrinello等人，2003年). 失去Pten抑癌因子（一种对抗促增殖/促生存激酶的磷酸酶）后，细胞也会在没有DDR的情况下衰老(Alimonti等人，2010年). 此外，细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂（CDKis）的异位表达通常会导致衰老生长停滞，尤其是p21WAF1和p16INK4a，导致衰老而没有明显的DDR(McConnell等人，1998年;Rodier等人，2009年).

衰老细胞的定义是什么？

衰老细胞不是静止的或最终分化的细胞，尽管区别并不总是简单的。迄今为止，尚未发现衰老的标志或特征完全针对衰老状态。此外，并非所有衰老细胞都表达所有可能的衰老标记。尽管如此，衰老细胞表现出几种表型，这些表型共同定义了衰老状态(图1). 衰老细胞的显著特征是：

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图1。

衰老细胞的特征。衰老细胞与其他非分裂（静止的，终末分化的）细胞在几个方面有所不同，尽管衰老表型的单一特征并不是唯一的特异性。衰老细胞的特征包括基本上不可逆的生长停滞；SA-Bgal和p16INK4a的表达；大量生长因子、细胞因子、蛋白酶和其他蛋白质（SASP）的强劲分泌；以及含有DDR蛋白（DNA-SCARS/TIF）或异染色质（SAHF）的核病灶。非基因细胞（左）和衰老细胞（右）中的粉红色圆圈代表细胞核。

（a） 衰老生长停滞本质上是永久性的，不能被已知的生理刺激逆转。然而，一些不表达CDKi p16INK4a的衰老细胞在基因干预使p53抑癌基因失活后可以恢复生长(Beauséjour等人，2003年). 到目前为止，还没有证据表明衰老细胞（无论是在培养中还是在体内）中发生了自发的p53失活，尽管这种情况并非不可能发生。

（b） 衰老细胞的大小增加，有时比非新生细胞的大小增大两倍以上(海弗利克，1965年).

（c） 衰老细胞表达衰老相关的β-半乳糖苷酶（SA-Bgal；Dimri等人，1995年)部分反映了溶酶体质量的增加(Lee等人，2006年).

（d） 大多数衰老细胞表达p16INK4a，这通常不由静止或终末分化细胞表达(Alcorta等人，1996年;Hara等人，1996年;Serrano等人，1997年;Brenner等人，1998年;Stein等人，1999年). 在一些细胞中，p16INK4a通过激活pRB肿瘤抑制因子，导致衰老相关异染色质灶（SAHF）的形成，使关键的促增殖基因沉默(成田等人，2003年). p16INK4a是一种肿瘤抑制因子，由培养应激诱导，是对端粒或染色体内DNA损伤的晚期反应(Brenner等人，1998年;罗伯斯和阿达米，1998年;Ramirez等人，2001年;te Poele等人，2002年;Jacobs和de Lange，2004年;Le等人，2010年). 此外，p16INK4a在小鼠和人类中的表达随着年龄的增长而增加(Zindy等人，1997年;尼尔森等人，1999年;Krishnamurthy等人，2004年;Ressler等人，2006年;Liu等人，2009年)，其活性在功能上与衰老过程中多个组织中发生的祖细胞数量减少有关(Janzen等人，2006年;Krishnamurthy等人，2006年;Molofsky等人，2006年).

（e） 具有持久DDR信号的衰老细胞具有持久的核焦点，称为染色质改变增强衰老的DNA片段（DNA-SCARS）。这些病灶含有活化的DDR蛋白，包括磷酸化的ATM和磷酸化的AT/共济失调毛细血管扩张症以及Rad3相关（ATR）底物(d'Adda di Fagagna等人，2003年;Herbig等人，2004年;Rodier等人，2009年)、和可与瞬态损伤焦点区分开来(Rodier等人，2011年). DNA-SCARS包括端粒功能障碍或端粒功能障碍诱导的病灶（TIF；d'Adda di Fagagna等人，2003年;Takai等人，2003年;Herbig等人，2004年;Kim等人，2004年).

（f） 具有持续DDR信号的衰老细胞分泌生长因子、蛋白酶、细胞因子和其他具有强大自分泌和旁分泌活性的因子(Acosta等人，2008年;Coppé等人，2008年,2010;Kuilman等人，2008年). 正如我们稍后讨论的，这种衰老相关分泌表型（SASP）有助于解释衰老细胞的一些生物活性。

现在清楚的是，细胞衰老是一种重要的抗癌机制，可以阻止处于肿瘤转化风险的细胞生长。

引起衰老反应的刺激物都有可能引发或促进致癌。此外，为了形成致命的肿瘤，癌细胞必须在表达激活的癌基因的同时获得极大的增长潜力和增殖能力(哈纳汉和温伯格，2000年)，被衰老程序抑制的性状。此外，细胞衰老严重依赖于两种强大的肿瘤抑制途径：p53和pRB/p16INK4a途径(Hara等人，1991年;Shay等人，1991年;Bond等人，1994年;Lin等人，1998年;Schmitt等人，2002年;Beauséjour等人，2003年;柯林斯和塞迪维，2003年;奥伦，2003;Herbig等人，2004年;雅各布斯和德兰格，2004年;Ohtani等人，2004年;Chen等人，2005年;Campisi和d'Adda di Fagagna，2007年;Rodier等人，2007年). 这两种途径整合了细胞生理学的多个方面，以确定和协调细胞命运。在人类和小鼠中，大多数（如果不是全部的话）癌症在这两种途径中的一种或两种都有突变。此外，这两种途径中的缺陷都会损害细胞衰老的能力，并大大增加机体对癌症的敏感性。

对人体组织和致癌小鼠的研究强烈证明，细胞衰老抑制体内癌症。恶性前期人类痣和结肠腺瘤包含表达衰老标记的细胞，包括SA-Bgal和DDR信号；然而，由这些病变发展而来的恶性黑色素瘤和腺癌中的衰老细胞明显减少(Bartkova等人，2005年;Michalloglou等人，2005年). 同样，在致癌Ras表达或Pten缺失的小鼠模型中，衰老细胞在癌前病变中大量存在，但在最终发展的癌症中却很少(Braig等人，2005年;Chen等人，2005年;Collado等人，2005年). 此外，通过失活p53破坏衰老反应，导致恶性肿瘤的发展显著加速(Chen等人，2005年).

此外，一些肿瘤细胞保持衰老的能力(Shay和Roninson，2004年)，并在体内对化疗作出反应(Schmitt等人，2002年;Coppé等人，2010年)或者，在某些组织中，在p53重新激活后(Ventura等人，2007年;Xue等人，2007年). 在这些情况下，衰老反应与肿瘤退化有关。值得注意的是，退化的肿瘤引发炎症反应，刺激先天免疫系统，消除衰老细胞。正如我们在后续章节中所讨论的，局部炎症的产生可能解释了衰老细胞的其他生物活性。

虽然细胞衰老在癌前阶段阻止了早期肿瘤的发生，但尚不清楚肿瘤是如何最终从这些病变中出现的，尽管这种情况并不常见。它们是由衰老细胞引起的吗？在衰老细胞中，突变、表观遗传变化或来自组织的信号会逆转衰老生长停滞？或者它们是由癌前病变中处于休眠状态或暂时无法增殖并最终绕过细胞凋亡或衰老的非休眠细胞引起的？不管是什么情况，上面的例子，以及越来越多的类似研究(科拉多和塞拉诺，2010年)，认为细胞衰老通过对癌细胞损伤/应激细胞的增殖施加细胞自主阻滞来抑制癌症(图2). 令人惊讶的是，衰老细胞也能促进癌症的发展。正如下一节所讨论的，这种活性主要来源于细胞的非自主机制。

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图2。

细胞衰老的生物活性。衰老细胞由于p53和p16INK4a/pRB肿瘤抑制途径施加的细胞自主机制以及组成SASP的一些蛋白质施加的细胞非自主机制而停止生长。生长停滞是细胞衰老抑制恶性肿瘤发生的主要特征，但可能导致增殖（干/祖细胞）细胞库的耗竭。此外，SASP的成分可以促进肿瘤进展，促进伤口愈合，并可能导致衰老。

乍一看，细胞衰老是一种既定的抗癌机制，它可以促进癌症的说法似乎自相矛盾。然而，拮抗性多效性的进化理论规定，一个生物过程可能是有益的，也可能是有害的，这取决于生物体的年龄(威廉姆斯，1957年;Rauser等人，2006年). 重要的是要记住，癌症主要是一种与年龄有关的疾病(坎皮西，2003年;Balducci和Ershler，2005年). 年龄是发展恶性肿瘤的最大单一风险因素，大约50岁后（人类）癌症发病率呈指数级增长。在这些方面，癌症与衰老的退行性疾病非常相似。

拮抗性多效性的理论基础是，大多数生物体在充满致命外部危害（捕食、感染、饥饿等）的环境中进化。在这种情况下，老年人是罕见的，因此针对导致晚年残疾或疾病的过程的选择很弱。也就是说，年龄相关的表型，包括年龄相关的疾病，已经逃脱了自然选择的力量。因此，选择一种生物过程来促进年轻生物体的健康（例如抑制癌症）可能对老年生物体有害（促进晚年疾病，包括癌症）。

癌症是一种与年龄相关的疾病，但与大多数其他与年龄相关疾病至少在一个基本方面有所不同。为了形成致命肿瘤，癌细胞必须获得新的，尽管异常的表型(哈纳汉和温伯格，2000年). 相比之下，对于大多数与年龄相关的疾病，正常的细胞/组织功能失效。因此，大多数与年龄相关的疾病都是退化性的，而癌症几乎不能被视为退化性疾病。那么，细胞衰老是否会导致癌症以外的衰老和与年龄相关的疾病？有越来越多的证据表明，这个问题的答案是肯定的，尽管目前还不确定。

即使粗略地阅读了组成SASP的因素，也很明显，许多因素对组织修复很重要：参与伤口愈合的生长因子和蛋白酶，杀死病原体的免疫细胞的引诱剂，以及动员干细胞或祖细胞的蛋白质。因此，SASP可用于向周围组织传达细胞损伤/功能障碍，并在需要时刺激修复。最近的两项研究支持这一观点。

小鼠急性肝损伤后，肝星状细胞最初增殖并分泌ECM成分，从而产生纤维化瘢痕，最终消融。增殖期过后不久，受损肝脏中的星状细胞就会衰老(Krizhanovsky等人，2008年). 这种衰老反应伴随着ECM产量的下降，正如SASP所预期的那样，几种MMP的分泌增加，已知MMP会降解ECM蛋白。这一发现表明衰老反应有助于解决纤维化瘢痕。与这一观点一致，当星状细胞的衰老能力受到损害时（因为p53或p16INK4a和p19ARF的缺陷），小鼠在急性肝损伤后发生严重纤维化。

类似地，在皮肤伤口愈合的小鼠模型中，ECM蛋白CCN1高度表达，对细胞迁移、分化和存活至关重要。令人惊讶的是，愈合伤口积聚了衰老的成纤维细胞和肌成纤维细胞；在野生型CCN1等位基因与编码CCN1蛋白的突变等位基因交换的小鼠中，这种情况没有发生(Jun和Lau，2010年). 突变小鼠的伤口过度纤维化，但局部应用野生型CCN1蛋白后纤维化得到逆转；局部CCN1诱导细胞衰老和MMPs的预期表达，这可能有助于解决伤口纤维化。

总之，这些研究表明，细胞衰老虽然无疑是一种重要的肿瘤抑制反应，但并不仅仅是一种与凋亡无关的失效保护机制。相反，衰老反应也可能是解决正常组织损伤所必需的(图2). 组织修复中这种新的衰老相关功能表明，生长停滞是在进化过程中选择的，以抑制肿瘤发生，并可能在伤口修复过程中抑制过度细胞增殖或基质沉积。相反，选择SASP最有可能是为了让受损细胞与组织微环境相互作用。此外，可能选择了一些SASP成分来加强衰老生长抑制。

那么，细胞衰老如何参与四个复杂的过程（肿瘤抑制、肿瘤促进、衰老和组织修复），其中一些具有明显的相反作用？我们设想衰老表型通过协调其活动的时间调控步骤进行进展(图3).

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图3。

衰老表型的时间组织。在经历潜在致癌损伤后，细胞会评估压力，必须“决定”是尝试修复和恢复，还是经历衰老。在一段时间间隔（决定期）（其长度未知）后，衰老生长停滞基本上是永久性的，有效地抑制了应激细胞形成恶性肿瘤的能力。衰老表型的早期表现之一是细胞表面结合IL-1α的表达。这种细胞因子以并列方式作用于结合细胞表面结合的IL-1受体，后者启动激活转录因子（NF-κB，C/EBPβ）的信号级联。转录因子随后刺激许多分泌（SASP）蛋白的表达，包括增加IL-1α的表达和诱导炎症细胞因子IL-6和IL-8的表达。这些积极的细胞因子反馈回路加强SASP，直到其达到衰老细胞中的水平。SASP成分，如IL-6、IL-8和MMPs，可以促进组织修复，也可以促进癌症进展。一些SASP蛋白与衰老细胞表达的细胞表面配体和粘附分子结合，最终吸引免疫细胞杀死并清除衰老细胞。衰老表型的晚期表现是microRNAs（mir-146a和mir-146b）的表达，其调节IL-6、IL-8和可能的其他SASP蛋白的表达，可能是为了防止SASP产生持续的急性炎症反应。尽管有这种抑制作用，SASP仍然可以继续产生低水平的慢性炎症。衰老细胞的积累逃避或超过免疫清除，并以慢性低水平表达SASP，这被认为是导致衰老表型的原因。因此，随着时间的推移（黄线），衰老细胞的表型变得越来越复杂（蓝色三角形），对机体的健康既有有利影响（肿瘤抑制和组织修复），也有有害影响（肿瘤促进和衰老）。

在电离辐射同步诱导衰老的培养细胞中，衰老生长停滞迅速建立，通常在24–48小时内(DiLeonardo等人，1994年;Rodier等人，2009年,2011). 接受非致衰电离辐射剂量的细胞在24小时后恢复，但接受衰老剂量的细胞则不会。因此，必须有一个决定期，在此期间，肿瘤应激细胞“决定”衰老。当然，这个决定阻止了该细胞发展成癌症(图3).

生长停滞后最早的事件之一是IL-1α的表达，至少在培养基中是如此(Orjalo等人，2009年). 这种细胞表面结合的细胞因子激活转录因子核因子κB（NF-κB）和C/EBPβ(Orjalo等人，2009年)是许多SASP蛋白表达所必需的(图3;Acosta等人，2008年;Kuilman等人，2008年;Freund等人，2010年). 这些第二波SASP蛋白中的一些加强了生长停滞，而其他蛋白则促进组织修复并推动癌症进展(图3).

我们认为这些活动先于蛋白质的表达，这些蛋白质允许免疫系统清除衰老细胞(图3). 衰老细胞表达表面结合的配体和粘附分子，这些配体和黏附分子以自然杀伤细胞和其他免疫细胞的攻击为目标(Krizhanovsky等人，2008年)，尽管还不知道这些蛋白何时相对于SASP表达。因为衰老细胞随着年龄的增长而增加，要么清除不完全（衰老细胞逐渐积累），要么老年人产生衰老细胞的速度快于免疫系统的处理速度，要么两者兼而有之(图3).

最后，在培养中，衰老细胞最终表达两种微小RNA，mir-146a和mir-146b(Bhaumik等人，2009年)，包括一个负反馈回路，以抑制NF-κB活性(Taganov等人，2006年;Freund等人，2010年). 在IL-6和IL-8最大分泌数天后，Mir-146a/b增加(图3)只在分泌非常高水平的细胞中(Bhaumik等人，2009年). 因此，这些微RNA是调节长期衰老表型的另一层复杂性的例子，当SASP达到非常高的水平时，它会“调节”SASP(图3). 这些miRNAs的诱导可能阻止SASP产生持续的急性（强健）炎症，与低水平慢性炎症不同，SASP的设计是自我限制的(Taganov等人，2006年). 然而，尽管有诱导作用，炎症反应仍可能持续，尽管处于低慢性水平，我们推测它可能会导致与衰老相关的慢性病理。

从细胞培养现象到肿瘤抑制、癌症、伤口愈合和衰老的协调器，细胞衰老有着丰富的历史，具有意想不到的复杂性。其生理意义的某些方面仍然是猜测，其调节的几个方面仍然是谜。随着生物学家进一步揭示细胞衰老的基础和后果，他们很可能会揭示出更深层的复杂性和额外的惊喜。

致谢

脚注

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