細胞衰老及其標志物

日期：2023-12-07 08:51:22

一個細胞不僅是生物結構和功能的基本單位，也是有機體衰老的基本單位。有機體的大多數細胞在其生命周期內經歷幾個階段：增殖、分化、衰老和死亡。眾所周知，沒有什么是永恒不變的，細胞的增殖能力也不例外。細胞持續(xù)分裂的一個障礙是衰老，這首次被提出用來描述有限的增殖能力 ^[1]。正常人類胚胎細胞在分裂之前可以進行的次數（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胞的有限增殖能力。

在這篇綜述中，我們將介紹細胞衰老的定義，衰老細胞的特征，調控衰老增殖阻滯的兩條途徑，以及細胞衰老標志物。

4.1 p53通路
4.2 pRB路徑

5. 抗細胞衰老標志物抗體

1. 什么是細胞衰老？

細胞衰老是一種增殖細胞停止分裂并永久性退出細胞周期的過程。與可通過適當的有絲分裂原恢復的休眠狀態(tài)不同，衰老是一種永久性的細胞周期阻滯狀態(tài)。細胞在遇到多種刺激時會發(fā)生衰老，包括端粒功能障礙、DNA損傷、線粒體功能障礙、氧化應激、癌基因活化、營養(yǎng)信號紊亂、慢性炎癥、有絲分裂信號或暴露于外源性毒素等 ^[2-4]。

細胞衰老對細胞產生雙重影響。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展方面發(fā)揮著有益作用 ^[5-8]。相反，細胞衰老是衰老和與年齡相關疾病的主要原因之一。它在發(fā)育和受傷后促進組織再生，但會削弱細胞的再生和功能能力，導致衰老生物體中的炎癥和腫瘤發(fā)生。由于清除不足，衰老細胞會在晚期病理階段穩(wěn)定累積，導致病理癥狀加劇。此外，衰老細胞還可以通過上調和釋放可以改變腫瘤微環(huán)境的因子來促進癌癥進展，包括炎性細胞因子、趨化因子和生長調節(jié)因子。

2. 衰老細胞的特征

衰老細胞保持活力或代謝活性 ^[9][10]，并表現出一些明顯的變化，具有四個典型特征，包括不可逆的細胞周期阻滯、衰老相關分泌表型（SASP）、巨分子損傷和代謝紊亂。衰老細胞還可能經歷結構和形態(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，修改的細胞膜組成以及令人驚訝的核膨脹。

細胞周期阻滯

不可逆的細胞周期阻滯是細胞衰老最基本的特征之一。這種現象是在體外鑒定細胞衰老最基本和不可或缺的指標之一。

衰老相關分泌表型（SASP）

衰老細胞分泌許多因子，包括炎性細胞因子、趨化因子、生長調節(jié)因子、血管生成因子和基質金屬蛋白酶，統(tǒng)稱為SASP。SASP是衰老細胞的另一個典型標志。這些SASP因子與免疫系統(tǒng)合作，改善細胞微環(huán)境，影響鄰近細胞的增殖和分化，從而雙向調節(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
生長因子和調節(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

在衰老細胞中存在三種巨分子損傷：DNA損傷、蛋白質損傷和脂質損傷。端粒縮短與細胞周期阻滯密切相關。在衰老細胞中，線粒體功能障礙、ATP生成受阻以及大量ROS產生最終導致蛋白質損傷和脂質損傷。

代謝紊亂

衰老細胞的溶酶體數量和大小增加。SA-B-GAL在溶酶體中積累。

3. 細胞衰老標志物

到目前為止，還沒有完全獨特于衰老狀態(tài)的標志物或特征被確定。此外，并非所有衰老細胞都表達所有可用的衰老標志物。一些已知的衰老標志物包括短而功能異常的端粒、p16INK4A的表達、持續(xù)的DNA損傷反應、SASP的釋放、衰老相關異染色質聚集點（SAHF）、增強的衰老相關β-半乳糖苷酶（SA-β-gal）活性是識別衰老細胞的最早的生物標志物之一，以及Lamin B1的喪失。

不同方面	衰老特征或標記	進一步說明
形態(tài)特征	增加的尺寸	衰老細胞通常呈現多核、大、多邊形和扁平的形態(tài)，并具有紡錘形和液泡化特征[11]。衰老細胞的高爾基體和溶酶體數量增加，胞漿內顆粒明顯增多。這些形態(tài)學特征可以用明視野顯微鏡等方法進行評估，并可能反映出它們代謝和細胞器穩(wěn)態(tài)的改變。
形態(tài)特征	增加的粒度
細胞周期阻滯	P53和磷酸化P53	磷酸化p53的積累促進細胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑(CDKIs)的激活，最終導致細胞周期阻滯。
	53BP1	53BP1通過p53介導細胞衰老。53BP1-p53相互作用缺陷導致p53依賴性細胞周期檢查點激活效率低下，最終導致細胞衰老。
	P21	當與CDK2結合時，p21通過阻止G1-S轉變來抑制細胞周期。
	p16	p16INK4A染色是公認的衰老標志物之一[12]。大多數衰老細胞表達p16INK4a。p16與CDK4和CDK6結合，導致細胞周期阻滯在G1期。
	Rb和磷酸Rb	Rb的磷酸化促進了細胞周期的進展，而在衰老細胞中未檢測到磷酸化Rb。多種CDKIs(包括p21和p16)對細胞周期的抑制導致Rb的過度活化;這最終促進了細胞周期的停滯和衰老。
線粒體遺傳	增加尺寸/數量	衰老細胞線粒體豐度增加，膜電位改變，ROS生成增加，氧化磷酸化和耗氧量增加。它們可以用來增強衰老細胞的表型。
	增加活性氧生成
	降低膜的完整性
溶酶體的變化	增加尺寸/數量	衰老細胞中的溶酶體豐度允許通過增強的自噬進行衰老溶解。
	增強SA-β-gal活性	SA-β-gal活性是最早識別衰老細胞的生物標志物之一，可在pH 6.0時檢測到 ^[13]。SA-β-gal部分反映了溶酶體質量的增加 ^[13][14]。它在衰老細胞的溶酶體中積累。
	脂褐質積累	脂褐素是溶酶體副產物的聚集體，在衰老細胞中積累。
核變化	端粒縮短	它是導致衰老的主要原因 ^[15]，是細胞衰老的首要和最突出的特征性機制之一。
	telomere-associated foci	這些標記都反映了DDR。H2AX在Ser139位點磷酸化成為γ-H2AX以響應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B1參與細胞核隨著衰老發(fā)生的結構變化 ^[16]，在衰老細胞中丟失。
	DNA復制減少	衰老細胞的增殖停止并保持較低的復制能力。
	Ki67	Ki67是一種核蛋白，常被用作細胞增殖的標記物。由于衰老細胞永久退出細胞周期，因此它們不表達Ki67。
其他選定功能	胞質DNA/ cGAS-STING活化	SASP包括白細胞介素如IL-6、趨化因子如IL-8和生長因子如VEGF7(見表1)。它們影響鄰近組織，可能導致鄰近細胞衰老。
	LINE-1逆轉錄轉座子去抑制
	ssp相關超級增強子的重塑

表2：衰老標志物及特征

(本表資料引自：https://www.nature.com/articles/s43587-021-00121-8)

4. 維持細胞衰老生長阻滯的兩個通路

在衰老細胞中，DNA和其他類型的巨分子損傷最終通過激活p53/p21CIP1和p16INK4a/RB抑癌通路導致細胞增殖停止。這兩個通路由門衛(wèi)抑癌蛋白p53和pRb調控 ^{[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激信號刺激后，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），以及通過增強蛋白質穩(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，如p21和E2F7，分別有助于G1細胞周期阻滯和有絲分裂基因抑制，從而導致細胞衰老或其他細胞響應 ^{[19] [20]}。

圖1. p53對細胞衰老的調控

圖片來自：https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3784259

4.2 pRB通路

多種內部或外部應激因素觸發(fā)DNA損傷應答（DDR）通路，從而引發(fā)p16INK4A通路。p16INK4A使Cdk4和Cdk6失活，導致磷酸化pRb的積累，抑制E2F轉錄因子的表達，促使細胞周期阻滯或衰老 ^[21]。

圖2. 衰老細胞中p53和prb介導的調控、作用以及功能和形態(tài)改變

圖片來自：衰老細胞中p53和prb介導的調控、作用以及功能和形態(tài)改變

5. 抗細胞衰老標志物抗體

華美生物提供了一些抗體，將有助于識別和鑒定常用的細胞衰老標志物。

靶點	功能	抗體產品
phospho-Histone H2AX (S139)	DNA損傷反應(DDR)標記物	Recombinant Phospho-Histone H2AX (S139) Antibody
P16INK4A	腫瘤抑制因子/細胞周期調節(jié)因子	CDKN2A Antibody
P21	腫瘤抑制因子/細胞周期調節(jié)因子	CDKN1A Antibody
P53	腫瘤抑制因子/細胞周期調節(jié)因子	Recombinant TP53 Antibody
Phospho-RB1 (S780)	腫瘤抑制因子/細胞周期調節(jié)因子	Recombinant Phospho-RB1 (S780) Antibody
Ki67	細胞增生標記物	MKI67 Monoclonal Antibody
Beta-galactosidase	Lysosome-associated蛋白質;活性增強	lacZ Monoclonal Antibody
IL-6	SASP制造商;SASP中最顯著的細胞因子;顯著增加	Recombinant IL-6 Antibody
IL-8	SASP制造商;大多數衰老細胞過表達IL-8	CXCL8 Monoclonal Antibody
Lamin B1	核層標記物;在衰老細胞中不存在	LMNB1 Monoclonal Antibody

參考文獻：

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