衰老的细胞生物学特征及防治措施

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　　Abstract：China has entered an aging society.Numerous age-related diseases and functional decline accompanying aging are seriously threatening people's health.However, our understanding of aging mechanisms is still in its infancy.Systemic disorders and cellular and molecular alterations affect each other, which makes the mechanism of aging extremely complicated.In this review, we will elaborate the current status of basic research on aging a tmolecular, cellular and system levels.We will further discuss the inherent connections between aging and age-related diseases, and propose potential intervention strategies.Therefore, we will explore the feasibility of strategic transformation from "treating different diseases according to different guidelines" to "treating different diseases with the same guidance", and advocate healthy lifestyle to control the occurrence and development of aging-related diseases.

　　Keyword：aging; systems biology; cell biology; molecular biology;

　　随着社会和医疗科技的发展以及我国人口平均寿命的延长, 我国已进入老龄化社会。根据全国老龄办公布的数据, 截至2017年底, 我国60周岁以上的老龄人群占总人口比重已达到17.3%, 而且该比例在未来的二十年中将会进一步提高。预计到2050年前后, 将占总人口的34.9%, 总数将达到峰值4.87亿。与此同时, 伴随衰老出现的各种心脑血管疾病和癌症等重要疾病的发病率也将逐年增加, 给社会和家庭造成沉重的负担。随着我国乃至世界人口老龄化的加剧, 衰老带来的一系列健康、医疗和社会问题将更加突显出来。

　　衰老是绝大多数生命体必然经历的过程。至今我们对衰老的认识仍处于初步阶段。因此, 围绕衰老展开一系列的基础研究工作, 探索衰老的发生过程与机制, 进而寻找和制定相应的防控策略迫在眉睫。本文中, 我们将从系统、细胞和分子三个角度阐述衰老的基础研究的现状, 进一步阐述衰老的各种特征之间内在联系以及提出潜在的干预策略。

　　1、衰老的系统生物学特征

　　随着时间的增加, 大多生命体发生功能衰退是目前被广泛接受的衰老的定义[1]。个体衰老的系统生物学特征包括寿命和系统、器官、组织的病理生理学改变。一直以来, 衰老的过程都与时间紧密关联, 绝大多数生物个体存活能力越强、寿命越长, 通常意味着其抵抗衰老的能力越强。寿命可以被客观观测记录, 因此, 寿命是目前最为公认的衰老评价指标之一。例如, 儿童早衰症的重要特征之一就是个体寿命严重缩短。在酵母、线虫、果蝇等低等模式动物的相关研究中, 寿命常常被用作评价衰老的主要指标[2,3,4]。

　　然而, 在高等动物中, 由于器官和组织的结构和功能高度复杂, 用寿命作为唯一指标并不能准确反映个体衰老状态。流行病学调查显示, 年龄是多种慢性疾病的独立危险因素, 高龄的个体通常比幼年个体有更为严重的功能或器质性病变。而疾病会直接影响寿命, 还会导致个体失能, 严重降低个体的生存质量。因此, 改善衰老相关疾病的状态也被认为是减轻衰老程度的表现。与衰老相关疾病的种类很多, 其中心脑血管疾病和癌症是造成人群死亡的前两位原因;骨关节炎、糖尿病和神经退行性疾病高发于老年人群;老年性皮肤瘙痒、黄斑变性等疾病也严重影响了人们的晚年生活质量[5]。为增加研究结果的可靠性, 与衰老相关的大型研究中, 通常会同时记录寿命和几种衰老相关疾病的状态来评价个体的衰老情况。例如:能量限制被公认为目前最有效的抗衰老干预措施, 它不仅可以明显延长多个物种的寿命, 还能够降低衰老相关疾病的发病率, 并推迟发病时间、减轻发病严重程度[6]。

　　衰老的系统生物学特征形式多样, 评价方法因而复杂多变, 至今缺少统一标准。考虑到个体的系统生物学特征是体内一系列的细胞与分子生物学事件的最终表现形式, 如果能够透过衰老的表面特征找到衰老的细胞分子调节机制, 将可能更为有效地延缓衰老。

　　2、衰老的细胞生物学特征

　　一般认为, 随着机体衰老, 器官组织中细胞水平的衰老也会相应地增加。细胞是生物体基本的结构和功能单位, 上述改变主要发生在细胞环境中, 直接引起细胞生物学变化。

　　经典的细胞衰老是指一种不可逆的细胞周期阻滞机制。细胞衰老通常由各种急性或者慢性病理刺激引起, 衰老的细胞停止分裂和分化, 并伴随一系列表型改变[5,7,8]。已知可以造成细胞衰老的因素有:端粒缩短, DNA损伤, 活性氧累积, 原癌基因与抑癌基因异常活动, 代谢改变, 未折叠蛋白反应, 炎性因子长期刺激, 有丝分裂异常造成的应激压力等。衰老的细胞虽然分裂不活跃, 但并非处在功能静息状态。衰老细胞呈现出了一系列特异表型。衰老细胞最突出的特点之一是β-半乳糖苷酶活性增强。β-半乳糖苷酶的活性已经发展为体内体外鉴定细胞衰老最常用的方法之一, 为特异性标识细胞衰老和判断衰老细胞占总细胞群的比例提供了重要帮助[9,10]。此后, 人们发现衰老细胞有活跃的分泌功能, 这一现象被称为衰老相关的分泌表型 (senescence-associated secretory phenotype, SASP) 或衰老信息分泌组[11,12]。SASP是细胞衰老最关键的特征之一。SASP的主要成分有炎性细胞因子、趋化因子、生长因子和蛋白酶。体外研究显示, 衰老细胞的早期分泌表型以转化生长因子β (transforming growth factor-β, TGFβ) 家族成员为主, 这一阶段的SASP可以诱导衰老细胞周边的正常细胞发生衰老;而晚期衰老细胞中Notch信号通路的活性不断增强, 使SASP中IL-1α、IL-6、IL-8等促炎因子比例升高, 这可能会导致免疫系统功能紊乱并诱发炎症相关疾病。虽然衰老细胞普遍存在SASP, 但不同类别细胞的SASP成分并不相同。现有对SASP的研究大多采用体外细胞系, 在体内环境中, 自然状态下细胞衰老的SASP的具体特征仍不明确, SASP的发生机制和下游作用也有待继续研究。细胞衰老的另一个突出特点是抵抗凋亡的能力增强, 这可能是衰老细胞失去分裂更新能力后却能长时间存活的主要原因。与凋亡相比, 衰老诱导因素造成的p53蛋白的累积相对温和, 所以其下游促凋亡因子, 如PUMA和NOXA增加相对缓和, 而BCL-2家族成员水平增高更为明显。因此, 衰老细胞中高度表达的BCL-2、BCL-XL和BCL-W等蛋白可以抵抗大量促凋亡蛋白的作用, 所以衰老细胞有较低的线粒体外膜通透性和相对较强的抵抗凋亡能力[5]。

　　现有研究已证实, 细胞衰老可以影响多种系统生物学过程, 包括癌症抑制、胚胎发育、损伤愈合、组织修复和机体衰老。诱导癌细胞衰老可以使癌细胞增殖能力下降, 从而达到抑癌效果。诱导成纤维细胞衰老, 可以在损伤发生和组织修复时, 减少瘢痕修复, 促进功能性恢复。干细胞发生衰老可能导致干细胞耗竭加速, 器官更新修复能力下降。免疫细胞衰老可能造成免疫系统功能异常, 在体内形成炎性环境。衰老细胞的SASP同样有利有弊:早期SASP可能仅造成衰老细胞周边的细胞发生细胞周期阻滞, 有一定的抑癌效果;而晚期SASP中的炎性因子则有可能诱发骨关节炎等疾病, 从体外衰老的成纤维细胞SASP中鉴定出的VEGF可能促进黄斑变性发生。近年提出的“衰老细胞消融 (senolysis) ”概念将细胞衰老在机体衰老中的作用推向了研究热点。已知衰老细胞高表达p16INK4A和抗凋亡蛋白, 以这两类分子为靶标研发的一系列遗传学方法和小分子物质能够特异清除体内的衰老细胞。结果显示, 特异性清除衰老细胞不仅可以明显治疗改善动脉粥样硬化和骨关节炎等疾病, 甚至还可以减轻多种衰老相关特征和延长小鼠的生存期。特异性清除衰老细胞可以消除SASP的病理影响, 而不会导致癌症发生率增加[5,8,13,14]。

　　然而, 细胞衰老的研究大多局限于体外细胞研究, 在体实验细胞衰老的研究仍然较少, 以高等动物和人类为对象的研究更为匮乏。事实上, 细胞衰老导致机体衰老与疾病的直接证据至今仍然不足, 这体现了对细胞衰老的了解仍然欠缺, 也为寻找新的衰老干预策略带来障碍。准确描述细胞衰老的发生根本机制和动态特征、阐明细胞衰老对机体衰老的贡献是衰老研究领域的重要内容。近年来, 以灵长类动物模型和人类外周血细胞为研究对象开展高通量、多组学分析的实验逐渐兴起[6,15,16]。如果能记录个体衰老过程中单个细胞的生命历程, 得到细胞群体的动态变化全貌, 将有助我们更准确地理解衰老的内在机制。

　　3、衰老的分子生物学

　　分子生物学研究为深层次地阐释细胞与整体动态改变提供分子基础。目前的衰老分子生物学试图从分子角度切入, 进而对于衰老的细胞、组织和整体进行阐释, 然而现有的研究总体上尚处于零散、缺乏条理性的现状。个体衰老过程中各细胞与分子的总体变化过程则一直缺少系统阐述。

　　一般认为, 衰老的刺激因素促使细胞启动两条周期相关信号通路:p53-p21-RB (retinoblastoma protein, 视网膜母细胞瘤蛋白, RB) 和p16INK4A-RB是造成细胞周期阻滞的主要原因。端粒缩短和DNA损伤可以直接启动细胞的DNA损伤应答反应, 继而通过ATM与ATR蛋白以及p14ARF或p19ARF蛋白, 分别对p53的磷酸化, 增加p53蛋白稳定和活性。活化的p53可以激活细胞周期抑制因子p21表达, 造成细胞周期阻滞的启动。而细胞周期长久停滞则是由p16INK4A调控的。p38 MAPK和ERK蛋白通过调节转录因子BMI1, ETS1和ETS2, 上调p16INK4A表达。p16INK4A可以抑制CDK4和CDK6的活性, 继而磷酸化RB蛋白, 使得细胞不能进入S期, 导致细胞周期停滞。p53、p21、p14ARF、p19ARF、p16INK4A和RB蛋白因其在细胞衰老中发挥了重要作用, 现已被普遍用作鉴定细胞衰老的标志物[5,10]。

　　除此以外, 在基因层面, 衰老通常伴随基因组不稳定和端粒缩短, 增强子区域的DNA突变可能与衰老关系更密切。在表观遗传学层面, 衰老通常伴随基因组整体去甲基化和启动子区局部过度甲基化, 组蛋白修饰改变以及非编码RNA功能异常。重要蛋白质分子, 如lamin A与儿童早衰症相关;AMPK、m TOR、FOXO和SIRTuin家族分子可能通过调节物质代谢与能量代谢影响生物体寿命及衰老特征[1,2,17,18,19,20,21]。而蛋白质分子出现大规模异常, 如蛋白质稳态丢失、内质网应激和细胞质相分离现象, 也与多种衰老相关疾病尤其是神经退行性疾病相关[22,23]。

　　衰老分子生物学研究结果大部分结论来自小鼠和其他低等模式生物, 在高等灵长类和人类的研究结果较为有限。最近, 中国科学家构建的世界首例SIRT6全身敲除非人灵长类动物模型显示, SIRT6敲除的食蟹猴全身发育迟缓, 与已经报道的SIRT6敲除造成小鼠衰老加速的表型不同。这一研究揭示了灵长类和啮齿类动物在衰老调节通路方面可能存在差异, 长寿分子本身的功能可能直接参与发育[18,21]。这也提示发育的过程和衰老相关的疾病发生过程的同源性, 以类人动物模型或人类组织标本为对象, 从四维时空的角度解析衰老中的分子生物学过程可能是衰老分子生物学研究的未来发展方向。

　　4、衰老的内在联系与防治

　　近二十多年的研究使得人们在整体、细胞和分子水平对于衰老都有一定的认识。《Cell》杂志在2013年发表一篇重要的综述, 将衰老的特征归纳为以下九项:基因组不稳定, 端粒缩短, 表观遗传改变, 蛋白质稳态丢失, 线粒体功能障碍, 细胞衰老, 干细胞耗竭和细胞间通讯改变[1]。衰老相关的研究领域也大致呈现多个亚领域, 包括应激适应、表观遗传、炎症、生物大分子损伤、新陈代谢、蛋白稳态、干细胞与再生, 被认为是衰老的“七大支柱”[24]。然而衰老的各个特征并不是孤立的;衰老研究的各亚领域之间也有很多的交集。在以上基础上, 我们提出衰老分为四个密切关联的层次[25]。衰老最外层表现为低水平炎症状态, 为生物的生理机能衰退, 疾病易感性增加, 因而呈现出看似相互独立的衰老相关疾病;第二层主要表现为慢性炎症、营养感受异常/代谢紊乱、内分泌功能紊乱等相互关联的病理生理学改变。此层受到生活方式, 如饮食/能量限制和运动等广泛影响。第三层主要是由细胞功能失调引发的系统性改变, 由于DNA持续受到内外环境刺激, DNA损伤成为衰老和衰老相关疾病发生的重要因素;端粒随着时间推移而不断缩短, 端粒的耗竭也引起细胞和机体衰老。第四层为生物分子的维系障碍, 主要表现为核酸和蛋白质等生物大分子持续遭受内外损伤, 当损伤超过内源性保护机制 (如DNA修复、自噬和抗氧化) 的限度时, 将直接或间接影响生物分子的结构和功能[25]。由于衰老过程中, 机体系统层面的紊乱 (第一层和第二层) 与细胞层面 (第三层) 和分子层面 (第四层) 的失真互为因果, 使得衰老的机制具有明显的复杂性。将衰老分层可以帮助人们从分析因果关系的角度理解衰老, 针对衰老特征具有两面性, 抗衰老的策略必须严格掌握时间和强度, 以确保在抑制其病理机制的同时, 降低对生理功能的损害。

　　目前, 现代医学多集中关注疾病的本身, 多是“头痛医头, 脚痛医脚”, 以“分病而治”为主。鉴于衰老是心血管疾病、癌症等多种重大疾病的共同危险因素, 阐明衰老机制将为同时防治多种疾病带来希望。衰老的四个层级构成级联反应, 四个层级中生命信息的传递与表型呈现是不同疾病发生发展的共性。因而根据衰老各种特征的内在联系为寻找防治衰老相关疾病的干预策略提供机会。针对衰老的四个层面, 在第一层面上治疗疾病的策略往往造成广泛的副作用, 而在第二层面到第四层面上寻求干预方法则有望对同时防治多种疾病。衰老等危险因素促进不同疾病的发生发展, 如果能遏制危险因素, 使机体疾病易感性降低, 疾病发生率减少, 可以达到“异病同防/治”的效果。以此通过健康的生活方式, 如饮食/能量限制和适量运动, 来控制多种重大疾病的发生发展, 实现从“分病而治”向“异病同防/治”的转变。

　　总之, 衰老研究的最终目的是治疗衰老相关疾病, 延长人类寿命。因此, 充分了解整体衰老各种特征的内在联系对开发有效干预方法有重大意义。要想实现健康中国目标, 医学体系需要实现从“分病而治”为主向“异病同防治”为主的战略转变。医学服务也将面临转型, 服务中心由疾病治疗为主向健康促进为主转变, 最终实现建立人类健康大体系的终极目标, 推动医学走进大健康时代。