細(xì)胞衰老及其標(biāo)志物

日期：2023-12-07 08:51:22

一個細(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。

4.1 p53通路
4.2 pRB路徑

5. 抗細(xì)胞衰老標(biāo)志物抗體

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(yīng)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(xì)胞衰老對細(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?？s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（SAHF）、增強(qiáng)的衰老相關(guān)β-半乳糖苷酶（SA-β-gal）活性是識別衰老細(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)行評估，并可能反映出它們代謝和細(xì)胞器穩(wěn)態(tài)的改變。
形態(tài)特征	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，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)胞中未檢測到磷酸化Rb。多種CDKIs(包括p21和p16)對細(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活性是最早識別衰老細(xì)胞的生物標(biāo)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(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)胞衰老生長阻滯的兩個通路

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?；╬300/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，將有助于識別和鑒定常用的細(xì)胞衰老標(biāo)志物。

靶點	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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