细胞衰老的生理和病理后果

摘要

概述

为了应对细胞应激，通常会导致DNA损伤，增殖细胞可以启动一个程序，导致永久的细胞周期停滞，称为细胞衰老。细胞衰老的短期诱导在肿瘤抑制、伤口愈合和可能的胚胎发育中具有有益的作用（图1). 然而，组织中长期存在的衰老细胞有可能以非自主方式在细胞中促进与年龄相关的疾病和癌症。在这篇综述中，我们讨论了细胞衰老的各种触发因素和机制，衰老程序的生理和病理后果，衰老细胞与免疫细胞相互作用的能力，并对衰老细胞为什么可能存在于组织中提供了可能的解释。

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图1

细胞衰老的生物学后果。细胞衰老可由多种触发因素诱导，包括但不限于端粒功能障碍、癌基因激活、活性氧和细胞-细胞融合。衰老细胞的短期存在在肿瘤抑制、伤口愈合和胚胎发育中发挥着有益的作用。然而，组织中衰老细胞的长期存在可能会反常地促进肿瘤的发生和年龄相关疾病的发展

细胞衰老的触发因素和分子途径

细胞衰老可以由各种刺激物诱导，所有这些刺激物都参与类似的分子途径来启动和维持衰老程序（图1). Hayflick和Moorehead提供了此类程序存在的第一个实验证据[1]50多年前。他们证明，培养细胞对可进行的细胞分裂数量有最大限制。这种复制极限是由于复制聚合酶无法在染色体末端合成DNA而导致端粒逐渐缩短的结果[2,三]. 染色体末端由端粒蛋白质组成的端粒末端复合体组成，端粒蛋白质保护染色体末端不被识别为双链断裂，从而防止DNA损伤反应（DDR）。然而，当端粒变得极短时，它就不再受到保护，并诱导DDR，从而引发细胞衰老，称为复制性衰老（RS）[4]. 端粒酶使端粒伸长，端粒酶是一种将端粒重复序列添加回染色体末端的酶，可保护细胞免受RS的侵袭[5,6].

除RS外，细胞衰老还可由其他刺激物启动，这些刺激物可过早诱导细胞衰老，而不依赖于端粒长度。癌基因的激活，如RAS系统[7]和英国皇家空军[8]还诱导细胞衰老，称为致癌诱导衰老（OIS）。这种形式的细胞衰老与肿瘤抑制有关。最近一项对RS细胞和OIS细胞进行比较的基因组研究表明，尽管RS和OIS与增殖细胞相比存在一些共同的基因表达变化，但也存在实质性差异[9]. 虽然最初仅限于体外研究，但许多研究结果表明，OIS可能通过诱导DNA损伤介导，至少部分是通过诱导DNA受损介导的，通常与活性氧（ROS）水平升高有关[10–14]. 研究还表明，通过促进细胞周期进展所需蛋白质的降解，激活ERK也是Ras诱导衰老所必需的[15]. 似乎细胞复制是通过癌基因激活激活DDR所必需的，因为在缺乏DNA复制的情况下，癌基因表达不会触发DDR[11]. 然而，DDR在体内对OIS的贡献尚不完全清楚，需要进一步表征。此外，例如，突变癌基因H（H）-ras（拉斯维加斯） ^G12伏具有激活细胞衰老分子途径（如p38和NF-kB）的潜力，而不依赖于DNA损伤。此外，致癌Ras可以通过p19ARF促进小鼠p53的上调，而不依赖于DNA损伤[16]. 因此，不能排除在没有DNA损伤的情况下诱导细胞衰老[17].

电离辐射、紫外线、化疗药物引起的DNA损伤以及细胞内和细胞外ROS的病理性增加也可以激活衰老程序。这种类型的细胞衰老通常被称为应激诱导的早衰（SIPS）[18]，因为它的发生与端粒长度无关，类似于OIS。SIPS的诱导完全依赖于DDR。与OIS一样，表型SIPS和RS在许多方面似乎相似，但已经表明它们在蛋白质表达水平上可能不同[19]. 线粒体和抗氧化酶系统中与年龄相关的损伤可能导致ROS相关损伤的增加[20]. 各种形式的活性氧，如过氧化氢、超氧物和羟基自由基，可造成DNA损伤，尤其是端粒处，可能导致SIPS的诱导[18,21]. SIPS是否在正常生理衰老中起作用仍存在争议，因为几种抗氧化酶的表达增加并没有延长小鼠的寿命[22].

在许多情况下，上述细胞衰老的触发因素导致DDR的激活。众所周知，虽然轻微的DNA损伤可以导致短暂的生长停滞，广泛的DNA损伤可导致程序性细胞死亡，但持续的DNA损伤会导致细胞衰老[23]. 调节从短暂生长停滞到不可逆生长停滞转变的分子决定因素变得更加复杂，尚未完全确定。然而，一般来说，DNA损伤的诱导最初激活p53–p21通路以促进细胞周期阻滞[24]. 该途径是诱导衰老程序的主要驱动力。当DNA损伤无法解决时，p16（INK4a）似乎通过Rb途径诱导染色质变化来调节永久性细胞周期阻滞的长期维持[7,25,26]. 然而，在DNA损伤的情况下，细胞衰老也可以独立于p53和p21发生，这似乎依赖于p16（INK4a）[27,28]. 决定细胞为什么通过p53/p21途径或通过p16（INK4a）独立于p53/p211进入衰老的因素尚未完全了解。可以认为，它们可能与启动刺激的类型、DNA损伤的程度、p16（INK4a）初始水平的细胞类型特异性差异或诱导其表达的能力有关。体内静止细胞中DNA损伤的存在和随后p16（INK4a）的上调也可能诱导前基因状态，当细胞被刺激增殖时，前基因状态转化为完全衰老状态[29]. 这表明DNA复制需要诱导与细胞衰老相关的持续DDR。在体外，还描述了从实验性过表达p21诱导的短暂细胞周期阻滞到永久细胞周期阻滞的转变，并且似乎依赖于对生长因子的持续mTOR激活[30]. 虽然通过DNA损伤诱导细胞衰老是不可逆的，但如果mTOR被抑制，则通过p21过度表达诱导长期细胞周期阻滞可能是可逆的[30].

诱导持续性DNA损伤信号不仅对诱导永久性细胞周期阻滞是必要的，而且还促进可溶性因子的分泌，包括促炎细胞因子、生长因子和蛋白酶[23]. 衰老细胞中这些可溶性因子的分泌似乎通过p38和NFκB途径调节[17,31,32]. 尽管这些分泌因子中的许多可能对某些细胞类型的衰老或衰老诱导方法具有特异性，但常见的分泌因子通常被称为衰老相关分泌表型[33]. 对这种分泌反应的另一种描述是DNA损伤诱导的分泌反应，它不仅限于衰老细胞，而且在某些情况下可能发生在非基因细胞中，如癌细胞或有丝分裂后细胞[34,35]. 然而，由于分泌因子可能独立于DNA损伤而启动，进一步的研究应该确定哪些衰老分泌因子对DNA损伤是特异性的，哪些不是。

衰老、持续DDR和Rb的主要分子途径导致衰老细胞内持续的染色质重塑[26,36,37]. 衰老细胞中染色质的随机重塑很可能促进与细胞衰老相关的混杂基因表达。在微阵列数据和其他衰老与非衰老对应物的基因表达分析中，经常观察到混杂的基因表达，并且似乎也具有细胞类型特异性[38–41]. 混杂基因表达是指基因表达的变化，通常与同一细胞类型的非基因对应物无关。染色质重排将允许接触通常紧密堆积的DNA，并限制染色质的其他常开区域。也有人认为DNA损伤可能通过改变转录因子的结合能力来调节基因表达[42]. 此外，与细胞衰老相关的DNA甲基化变化也可能有助于乱序基因表达[40,43]. 因此，可能正常表达的基因可以被抑制，而正常被抑制的基因可以表达。

因此，细胞衰老可以由三个普遍特征来定义，这三个特征可能与大多数细胞类型中的持续DDR有关：（1）不可逆的生长停滞和导致这种停滞的分子通路的激活，（2）可溶性因子的分泌，和（3）混杂的基因表达。然而，应该强调的是，虽然不同的触发因素似乎诱导了类似的衰老反应，但由于各种刺激而产生的分子差异尚未完全理解。细胞衰老的早期研究大多是在体外成纤维细胞上进行的，对其他类型细胞的衰老表型了解有限，尤其是与体内年龄相关病理相关的细胞。因此，需要进一步的研究来详细描述这些条件下衰老细胞的特性。

由于细胞衰老可以在多种不同类型的细胞中诱导，也可以通过生物体内不同位置的无数触发器诱导，因此有必要对识别组织中衰老细胞所需的一套标准进行标准化。标准SA-β-半乳糖染色[44]虽然表明存在衰老细胞，但不是衰老细胞的绝对标记，表明溶酶体b半乳糖苷酶活性增加[45]. 有必要使用几种代表衰老细胞不同特征的分子标记（图2). 这样的分子标记物可以代表细胞周期停滞机制（例如p53、p21、p16）、缺乏细胞增殖（例如缺乏BrdU掺入、Ki67）、DDR的激活（例如γH2AX或p53BP1病灶）、分泌因子的表达（例如IL-6和IL-8），调节分泌表型的途径的激活（例如p-p65或p-p38），免疫监视相关基因的激活及其促生存反应的可能调节因子（DCR2、p-Akt、p-Erk）。衰老细胞中拉明B1的丢失也被认为是细胞衰老的标志[46]. 除了SA-β-半乳糖外，还有几个这样的标记物，应该清楚地表明存在衰老细胞。

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图2

识别衰老细胞。使用几个分子标记这代表了细胞衰老的不同特征，是鉴定衰老细胞所必需的。标记根据其功能分为类别。以下各项的组合标记表示不同的类别可能会提高标识的有效性

体内细胞衰老的生理影响

细胞衰老的病理影响

自相矛盾的是，虽然诱导细胞衰老最初可以通过阻止肿瘤发生和限制组织损伤而产生有益的效果，但它们在组织中的长期存在可能会促进与年龄相关的疾病并加剧癌症的形成[67–71]. 衰老细胞有三个主要特征，可以对其所在的组织产生有害影响。首先，单靠不能增殖就可能损害组织再生，如果干细胞或祖细胞衰老的话更是如此。第二，细胞功能障碍阻止衰老细胞执行其正常生理功能。第三，可能最突出的是，通过细胞非自主机制对局部微环境产生负面影响。

体内存在衰老细胞的进一步证据

虽然关于RS的大多数研究都集中于体外研究，但也提供了RS体内研究的证据。通过SA-β-Gal染色和端粒长度测定，在慢性肝炎、肝硬化和肝癌患者的肝脏中检测到RS细胞[102,103]. 此外，端粒长度减少的小鼠更容易诱发肝硬化[104]提示端粒缩短和诱导细胞衰老可能与病理状态有关。

衰老灵长类动物皮肤内的细胞衰老也被证明加剧[105]. 这项研究表明，显示端粒损伤、p16（INK4a）表达和DDR等细胞衰老生物标志物的皮肤成纤维细胞数量在老化狒狒中升高。许多研究也报告了体内存在衰老细胞，但端粒长度没有明显差异。例如，大鼠肾脏中的细胞衰老随着年龄增长而增加，与p16（INK4a）升高相关，但端粒长度没有观察到显著差异[106]. 肠内的隐窝肠细胞似乎随着年龄的增长而衰老，与端粒缩短无关，这与γH2A测定的DNA损伤升高有关。X免疫细胞化学[107]. 使用老年人和阿尔茨海默病（AD）患者的脑组织研究星形胶质细胞衰老[108]. 将p16（INK4a）和基质金属蛋白酶-1（MMP-1）的表达作为细胞衰老的生物标志物，与胎儿对照组和非AD成人对照组相比，观察到星形胶质细胞衰老的增加。同一组早期的体外研究也表明，星形胶质细胞衰老也可能由氧化应激触发[109]. 使用体内模型进行的进一步功能研究将更好地了解细胞衰老在衰老和年龄相关疾病中的可能作用。

衰老细胞的免疫监测

衰老细胞通过上调促炎细胞因子触发先天免疫反应的能力首次被认为在限制肿瘤发生中发挥作用[110]. 这种免疫反应后来被证明在肝脏损伤期间对消除衰老的星状细胞很重要[53]. 在自然杀伤（NK）细胞介导的细胞毒性中，NK细胞通过衰老细胞膜上存在NKG2D配体来识别衰老细胞[53,111,112]. 这些配体在衰老细胞上的表达可能由DDR介导，而DDR以前曾被证明可以诱导其表达[113]. 特别是，ATM–ATR通路似乎对NKG2D配体在应激反应中的上调很重要[111]. NK细胞诱导衰老细胞的细胞毒性是通过颗粒胞吐和穿孔素介导的死亡而非死亡受体诱导的凋亡介导的[54]. 穿孔素介导的细胞毒性随着年龄的增长而降低[114]因此，在衰老期间和与年龄相关的疾病中，可能有助于机体中衰老细胞的积累。如前所述，已知衰老细胞会随着年龄和疾病状态而积累，这表明衰老细胞可能正在逃避免疫监视，或者其积累速度大于清除速度，或者两者兼而有之。有人主张衰老细胞的积累可能是衰老免疫系统受损的结果[70,115]. 事实上，免疫细胞也会衰老[116,117]这些变化可能导致衰老细胞的清除受损。因此，恢复衰老免疫系统的策略是消除衰老细胞和促进健康寿命延长的一种引人注目的方法。

最近的一项研究表明，在肝脏损伤和肿瘤发生过程中，衰老的HSC可以被先天免疫系统的另一种成分，即M1样巨噬细胞所清除[89]. 衰老HSC的分泌因子有助于巨噬细胞清除这些细胞。相反，由于p53缺失而不会衰老的细胞，也不会成为巨噬细胞的靶细胞。因此，先天免疫系统似乎是一个初始的早期屏障，在诸如伤口愈合等生理条件下调节衰老细胞的存在。

适应性免疫系统也能消除衰老细胞[118]. OIS肝细胞分泌细胞因子以引发免疫反应，导致CD4（+）T细胞消除衰老细胞，这一过程需要巨噬细胞的作用。为了防止肝癌的发展，需要清除衰老的肝细胞。这项研究提到了可溶性因子对T细胞的吸引力，但没有提到衰老细胞识别的机制，这是一个仍需探索的研究领域。然而，有一些迹象表明RS细胞可能通过p53上调MHC1的表达[119,120]. 可以推测，衰老细胞中的MHC1蛋白可能具有显示衰老相关抗原的功能，类似于癌细胞[121]允许细胞毒性T细胞识别和消除。进一步的研究将为衰老细胞与免疫系统相互作用的机制和后果提供多种见解。

衰老细胞的持久性

与增殖细胞相比，当细胞在体外衰老时，它们往往对凋亡刺激产生抵抗力[59,122]. 虽然控制这种促生存反应的分子机制尚未完全阐明，但衰老细胞在进一步损伤DNA时无法稳定p53，这似乎在防止细胞凋亡方面发挥了作用[123]. 可以推测，如果免疫细胞是消除衰老细胞所必需的，那么衰老细胞的促生存表型可能有助于这种消除。结合调节免疫配体和分泌表型，DDR的持续激活，特别是双链断裂（DSB），也可能促进促生存反应，以促进DNA修复[124]. 然而，如果衰老细胞没有被免疫系统清除，这种促生存表型会无意中促进其在组织中的持久性。或者，衰老细胞的促生存表型可能是由微环境中的压力介导的适应性反应，以促进免受进一步压力的影响。

问题仍然在于为什么衰老的细胞会倾向于被免疫系统清除，而不是经历程序性细胞死亡。一种似是而非的解释可能与组织损伤后细胞修复过程中衰老细胞的潜在功能有关。在伤口愈合过程中，衰老细胞很可能通过以下方式发挥积极作用：（1）分泌化学引诱剂，将免疫细胞招募并激活至损伤部位；（2）分泌生长因子，刺激细胞增殖，以进行细胞替换和蛋白质合成；（3）分泌蛋白酶，以清除受损组织。此外，衰老细胞可能有助于在伤口愈合期间保持组织完整性。如果细胞发生凋亡，完整性可能会丧失。衰老而非凋亡的诱导保留了组织结构，直到来自其他来源的非驻留细胞（如干细胞）出现，使组织中重新充满功能细胞。在协调的反应中，衰老细胞随后会在不再需要时被免疫系统清除。

如果情况确实如此，那么独立于物理损伤（例如RS、OIS、SIPS）的细胞衰老诱导可能会引发类似伤口愈合的反应。然而，尚不清楚单个细胞中细胞衰老的诱导是否提供了足够的刺激来吸引免疫细胞进行消除。我们已经在上面提出，衰老细胞可能是由于衰老免疫系统未能消除它们而积累的，但另一种解释是，它们随着年龄的增长而积累，因为单个衰老细胞本身不足以刺激免疫反应。

结束语

衰老细胞的持续存在和积累已被证明在衰老和年龄相关疾病的病理生理学中可能发挥作用。事实上，与加速衰老相关的各种疾病，如哈钦森-吉尔福德早衰和沃纳综合征，都与衰老细胞有关[125,126]. 因此，消除组织中的衰老细胞有可能延长健康寿命，甚至可能延长寿命。例如，最近的研究表明，在转基因小鼠模型中消除p16表达细胞可以延缓与年龄相关的疾病[127]. 因此，有许多研究的治疗途径有可能消除衰老细胞或防止其积聚（图三). 首先，端粒酶激活剂可用于延长端粒长度，从而延长细胞的复制能力并防止RS。其次，细胞重编程指的是将衰老细胞恢复到正常功能状态的潜力。或者，如果受到DNA损伤的静止细胞在被刺激增殖时转变为衰老，那么消除这种损伤可能会阻止这种转变。第三，如果衰老细胞确实因衰老免疫系统清除失败而积聚，那么增强对衰老细胞的免疫反应可能会改善其清除。最后，鉴定能在衰老细胞中特异诱导程序性细胞死亡的药理化合物，将为消除衰老细胞提供有效手段，无论其存在的原因为何。然而，由于衰老细胞在伤口愈合过程中也发挥着有益的作用，因此应谨慎使用未来的药理化合物。在组织损伤期间过早清除衰老细胞可能会损害伤口反应。事实上，可以推测，在去除衰老细胞和伤口愈合之间可能存在一种权衡，即增强衰老细胞的去除（可能减缓衰老）会导致愈合过程变慢（并增加感染疾病的风险）。未来的研究将表明，药物消除衰老细胞是否是治疗与年龄相关的疾病和延长健康寿命的好途径。

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图3

预防和消除衰老细胞的治疗策略。该图总结了减少衰老细胞存在的拟议策略。这些策略包括：使用端粒酶激活剂延长端粒长度将延长细胞的复制寿命并防止复制衰老。衰老细胞可能会被还原/重新编程回到其功能状态。年龄受损免疫系统的恢复可能会促进衰老细胞的清除。另外，增强衰老细胞的免疫识别也可能是一种选择。可以开发出针对衰老细胞并诱导其死亡的治疗性化合物

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