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不同，衰老是一種永久性的細胞周期阻滯狀態。細胞在遇到多種刺激時會發生衰老，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。它在胚胎發育、組織穩態維持、傷口愈合、宿主免疫以及抑制腫瘤進展方面發揮著有益作用 ^[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生。由于清除不足，衰老細胞會在晚期病理階段穩定累積，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的改變，例如體積增大、扁平化、多核形態，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、生長調節因子、血管生成因子和基質金屬蛋白酶，統稱為SASP。SASP是衰老細胞的另一個典型標志。這些SASP因子與免疫系統合作，改善細胞微環境，影響鄰近細胞的增殖和分化，從而雙向調節器官衰老以及腫瘤的發生和發展。

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，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態的改變。
形態特征	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DNA損傷應答（DDR）通路，從而引發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/細胞周期調節因子	CDKN2A Antibody
P21	腫瘤抑制因子/細胞周期調節因子	CDKN1A Antibody
P53	腫瘤抑制因子/細胞周期調節因子	Recombinant TP53 Antibody
Phospho-RB1 (S780)	腫瘤抑制因子/細胞周期調節因子	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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