年度佳Cell綜述：全面解析衰老的十二個標志

衰老 通常是指有機體從成年期開始功能衰退的過程，自2013年 Cell 發(fā)表第一版“衰老的標志”以來，到目前已發(fā)表了近30萬篇有關這一主題的文章，這與上一個世紀的總數(shù)量相當。

早在2013年，科學家就已提出了衰老的九個分子細胞和系統(tǒng)標志，分別為：DNA不穩(wěn)定、端粒損耗、表觀遺傳改變、蛋白質穩(wěn)態(tài)喪失、營養(yǎng)感應失調、線粒體功能障礙、細胞衰老、干細胞耗竭和細胞間通訊改變。

2023年1月，來自西班牙奧維耶多大學腫瘤研究所和法國巴黎大學的科學家在 Cell  發(fā)表了題為：Hallmarks of aging: An expanding universe 的綜述論文，該綜述在之前的基礎上創(chuàng)造性的提出了衰老的十二個標志，對理解衰老的發(fā)生、發(fā)展以及如何干預衰老過程意義巨大。

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衰老的特征首先需要滿足以下三個要求：

1) 它們應為與年齡相關的表現(xiàn)；

2) 有實驗證明誘導它們可以加速衰老；

3) 通過干預它們可以減緩、停止甚至逆轉衰老。

基于以上要求，本文提出以下十二個衰老標志：基因組不穩(wěn)定、端粒損耗、表觀遺傳改變、蛋白質穩(wěn)態(tài)喪失、大自噬失能、營養(yǎng)感應失調、線粒體功能障礙、細胞衰老、干細胞耗竭、細胞間通訊改變、慢性炎癥和生態(tài)失調。

這十二個衰老標志除了對之前的標志進行必要的更新外，還進行了一些重新組合，包括以下三個額外的衰老標志：大自噬失能、慢性炎癥和生態(tài)失調。這些特征相互之間關系密切，并且與提出的健康特征相互關聯(lián)，包括空間分隔的組織特征、體內平衡的維持和對壓力的反應。

 “標志”之間的區(qū)別本質上是分散的，但它們之間卻又相互依賴，相互依賴意味著一個特定標志會影響其他標志。這強調了一個事實，即衰老是一個必須作為整體來考慮的復雜過程。因此，每個特征都應被視為未來探索衰老過程以及開發(fā)新的抗衰老藥物的切入點，下面我們將一一進行闡述。

基因組不穩(wěn)定

基因組的完整性和穩(wěn)定性普遍受到外源性和內源性因素威脅，外源性因素包括化學因素、物理因素和生物因素等，內源性因素包括DNA復制錯誤、染色體分離缺陷、氧化以及自發(fā)水解等。由這些外在或內在損傷來源引起的廣泛遺傳病變包括點突變、缺失、易位、端?？s短、單鏈和雙鏈斷裂、染色體重排、核結構缺陷以及病毒或轉座子整合引起的基因破壞。

所有這些分子的改變和由此產(chǎn)生的基因組嵌合都有可能導致衰老的發(fā)生。因此，生物體已經(jīng)進化出一系列復雜的DNA修復和維持機制，以處理這些因素對核DNA和線粒體DNA（mtDNA）造成的損傷，并確保適當?shù)娜旧w結構和穩(wěn)定性。這些DNA修復網(wǎng)絡隨著年齡的增長而逐漸喪失功能，這也加劇了基因組損傷的積累和細胞質中DNA的異位積累。

端粒損耗

眾所周知，染色體末端（端粒）的 DNA 損傷會導致衰老和與年齡相關的疾病的發(fā)生，復制型 DNA 聚合酶無法完成真核 DNA 端粒區(qū)域的復制。因此，經(jīng)過幾輪細胞分裂后，端粒會大幅縮短，從而導致基因組不穩(wěn)定，導致細胞凋亡或細胞衰老。

這些有害作用可以通過端粒酶的逆轉錄酶活性來預防，端粒酶是一種活性核糖核蛋白，可以延長端粒以保持其維持足夠的長度。然而，大多數(shù)哺乳動物體細胞不表達端粒酶，這導致端粒序列在整個生命過程中在染色體末端逐漸被侵蝕。以往研究表明，端粒損耗可以通過限制惡性細胞的復制來減弱致癌作用。因此，與明確有利于腫瘤發(fā)生的基因組不穩(wěn)定性相反，端粒損耗可能可以對抗惡性腫瘤。

人類端粒酶缺乏與肺纖維化、再生障礙性貧血和先天性角化不良等疾病的過早發(fā)展有關，所有這些都會阻礙受影響組織的再生能力。在許多不同物種（包括人類和小鼠）的正常衰老過程中也觀察到端?？s短。端粒損耗率受年齡、遺傳變異、生活方式和社會因素的影響。端?？s短也可能由 shelterins 的缺陷引起，shelterins 是一組蛋白質，可阻斷染色體末端的 DNA 損傷反應并調節(jié)端粒長度。

在人類中，許多研究提供了短端粒長度與年齡相關疾病之間因果關系的證據(jù)，利用端粒動力學與機體衰老之間的這些聯(lián)系可以用來干預衰老和與年齡相關的疾病，例如，使用基因治療策略激活端粒酶已顯示出對肺纖維化和再生障礙性貧血小鼠模型的治療效果。

表觀遺傳改變

導致衰老的各種表觀遺傳變化包括 DNA 甲基化模式的改變、組蛋白的異常翻譯后修飾、異常的染色質重塑和非編碼RNA（ncRNA）的失調功能。

這些調節(jié)性通常會影響基因表達和其他細胞過程，從而導致多種與年齡相關的人類病理學的發(fā)展和進展，例如癌癥、神經(jīng)變性、代謝綜合征和骨病。

大量的酶系統(tǒng)參與表觀遺傳模式的產(chǎn)生和維持。這些酶包括 DNA 甲基轉移酶、組蛋白乙酰化酶、去乙?；浮⒓谆负腿ゼ谆?，以及與染色質重塑或 ncRNA 合成和成熟有關的蛋白質復合物。

蛋白質穩(wěn)態(tài)喪失

由于錯誤翻譯、錯誤折疊或不完整蛋白質的產(chǎn)生增加，細胞內蛋白質穩(wěn)態(tài)可能被破壞。核糖體蛋白 RPS23 的遺傳操作可提高 RNA 到蛋白質翻譯的準確性，從而延長了粟酒裂殖酵母、秀麗隱桿線蟲和黑腹果蠅的壽命，而 RPS9 中的一種突變則會致小鼠過早衰老。

另一種驅動蛋白質穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡崩潰的機制在于減緩蛋白質的翻譯延伸和累積氧化損傷，越來越多地分散伴侶蛋白折疊細胞健康所需的健康蛋白質。此外，許多與年齡相關的神經(jīng)退行性疾病，包括肌萎縮側索硬化和阿爾茨海默氏癥，可能是由蛋白質突變引起的，這些突變使它們本質上容易發(fā)生錯誤折疊和聚集。

當確保質量控制的機制失敗時，蛋白質穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡也會崩潰，例如，由于內質網(wǎng)中未折疊蛋白質反應（UPR）的功能降低，當正確折疊蛋白質的穩(wěn)定性受到損害或降解機制時蛋白酶體或溶酶體對蛋白質的處理變得不足。此外，一些單泛素化蛋白在蒼蠅、小鼠、猴子和人類的衰老組織中積累，如組蛋白所記錄的那樣。

溶酶體對蛋白質的降解可以通過伴侶介導的自噬（CMA）以特定方式實現(xiàn)，其中暴露出類似于 KFERQ 的五肽基序的蛋白質首先與熱休克蛋白 HSC70 結合，然后與溶酶體相關膜蛋白 2A 型結合（LAMP2A），它促進客戶蛋白易位到溶酶體腔內。小鼠肝臟 LAMP2A 表達隨著年齡的增長而下降，其轉基因重新表達可減少肝臟老化。蛋白質聚集體也可以通過巨自噬去除，因為它們包含在雙膜囊泡（自噬體）中。盡管如此，自噬的刺激構成了消除細胞內蛋白質聚集體的有效策略。

大自噬失能

大自噬（我們將稱之為“自噬”）涉及將細胞質隔離在雙膜囊泡中，自噬體隨后與溶酶體融合以消化管腔內容物。

因此，自噬不僅參與蛋白質穩(wěn)態(tài)，還影響非蛋白質大分子（如異位胞質 DNA、脂質囊泡和糖原）和整個細胞器（包括線粒體自噬靶向的功能失調線粒體，導致“溶食性”的其他細胞器以及網(wǎng)狀噬菌體）以及入侵的病原體。

與年齡相關的自噬下降是細胞器更新減少的重要機制之一，證明將其作為衰老的新標志進行討論是合理的。需要注意的是，參與自噬過程的基因和蛋白質也參與其他降解過程，例如 LC3 相關的細胞外物質吞噬作用和以外球體形式排出細胞內廢物（例如，功能失調的線粒體）隨后被巨噬細胞清除。也就是說，有強有力的證據(jù)表明自噬的核心過程與衰老相關。

營養(yǎng)感應失調

營養(yǎng)感應網(wǎng)絡在進化過程中高度保守，它包括細胞外配體，如胰島素和胰島素樣生長因子、它們相互作用的受體酪氨酸激酶，以及細胞內信號級聯(lián)。這些級聯(lián)涉及 PI3K-AKT 和 Ras-MEK-ERK 通路，以及轉錄因子，包括 FOXO 和 E26 因子，它們反式激活參與不同細胞過程的基因。

雷帕霉素復合物1（mTORC1）的機制靶標對營養(yǎng)物質（包括葡萄糖和氨基酸）以及壓力源（例如缺氧和低能量）作出反應，以調節(jié)包括轉錄因子（例如 SREBP 和 TFEB）在內的多種蛋白質的活性。

該網(wǎng)絡是細胞活動的中央調節(jié)器，包括自噬、mRNA 和核糖體生物發(fā)生、蛋白質合成、葡萄糖、核苷酸和脂質代謝、線粒體生物發(fā)生和蛋白酶體活性。

如果營養(yǎng)物質存在且壓力較低，網(wǎng)絡活動會通過激活合成代謝來響應營養(yǎng)和壓力狀態(tài)，或者通過誘導細胞防御途徑來響應壓力和營養(yǎng)短缺。在網(wǎng)絡內部以及它與其他細胞內信號通路之間存在廣泛的細胞內串擾和反饋，營養(yǎng)感應網(wǎng)絡成分的基因活性降低可以延長不同動物模型的壽命和健康壽命。

此外，人類遺傳關聯(lián)研究表明 FOXO3 轉錄因子和編碼網(wǎng)絡成分的遺傳變異與人類長壽有關。表觀遺傳年齡也與人體細胞的營養(yǎng)感知有關，在青年時期這種信號網(wǎng)絡起到促進有益合成代謝過程的作用，但在成年時期，卻擁有了促衰老特性。

線粒體功能障礙

線粒體不僅是細胞的動力源，而且還構成潛在的炎癥觸發(fā)因素（當活性氧 [ROS] 或 mtDNA 從細胞器中泄漏時，分別導致炎癥小體或細胞溶質 DNA 傳感器的激活）和細胞死亡（當半胱天冬酶的激活劑、核酸酶或其他致命酶從膜間隙中釋放出來）。

隨著衰老，線粒體功能因多種相互交織的機制而惡化，包括線粒體 DNA 突變的積累、導致呼吸鏈復合物不穩(wěn)定的蛋白質穩(wěn)態(tài)不足、細胞器周轉減少以及線粒體動力學變化。

這種情況損害了線粒體對細胞生物能量學的貢獻，增強了 ROS 的產(chǎn)生，并可能引發(fā)線粒體膜的高度通透性，從而導致炎癥和細胞死亡。從邏輯上講，線粒體的功能對于維持健康至關重要，其進行性退化會導致衰老表型。

細胞衰老

細胞衰老是由急性或慢性損傷引起的反應。在人類中，衰老細胞以不同的速率在多個組織中積累，當比較年輕（<35 歲）和老年（>65 歲）健康供體時，發(fā)現(xiàn)衰老細胞速度差異可高達是2-20 倍，主要影響成纖維細胞、內皮細胞和免疫細胞。

所有類型的細胞都會經(jīng)歷衰老，這一過程至少部分是由端粒隨衰老縮短而觸發(fā)的。事實上，即使是有絲分裂后或緩慢增殖的組織，如大腦或心臟，也可能含有衰老細胞。

此外，在許多疾病中都會發(fā)生局灶性或組織特異性衰老細胞積聚。細胞衰老中因果作用的令人信服的證據(jù)是，衰老細胞的持續(xù)遺傳或藥理學消除延長了自然衰老小鼠的健康壽命和壽命。衰老細胞的遺傳或藥理學消除在許多以小鼠為模型的疾病中具有治療作用，并且至少3項臨床試驗已經(jīng)完成，15 項臨床試驗正在進行或計劃針對各種適應癥的衰老。

干細胞耗竭

衰老與穩(wěn)定狀態(tài)下組織更新減少以及損傷后組織修復受損有關，每個器官都有自己的更新和修復策略。例如，在骨骼肌中，一種單細胞類型，即衛(wèi)星細胞，位于單能和單向層次結構的頂端，用于更新和修復。

在以高度更新和易受傷害為特征的皮膚表皮中，存在多個干細胞壁龕，特別是與毛囊相關的干細胞壁龕，每個壁龕都會產(chǎn)生其后代和區(qū)域。然而，一旦受傷，多個細胞可以獲得干細胞特性并顛覆邊界。其他器官，如肝臟、肺或胰腺，在正常情況下表現(xiàn)出相當?shù)偷母侣?，這與不同細胞類型獲得的干細胞特性（包括增殖和多能性）形成鮮明對比。

事實上，組織修復被認為在很大程度上依賴于損傷誘導的細胞去分化和可塑性。例如，在腸、腦和肺中，損傷會誘導非干細胞去分化，從而重新激活通常沉默的胚胎和干性轉錄程序，從而獲得組織修復所需的可塑性。

與常駐干細胞在正常穩(wěn)態(tài)條件下的可塑性相比，損傷誘導的可塑性（及其隨著衰老逐漸喪失）可能與衰老更相關。干細胞和祖細胞與沒有干細胞潛能的細胞一樣都具有相同的衰老特征。因此，在此不討論關于每個衰老特征對干細胞功能影響的大量文獻。相反，將基于“細胞重編程”的概念，專注于應對干細胞功能隨衰老而下降的一般策略。這個過程被認為以細胞自主的方式作用于多種細胞類型；然而，由于其長期影響，它對干細胞和祖細胞的影響被認為具有更高的相關性。 

細胞間通訊改變 

衰老與細胞間通訊的逐漸改變有關，這會損害穩(wěn)態(tài)和激素調節(jié)。因此，衰老涉及神經(jīng)、神經(jīng)內分泌和激素信號通路的缺陷，包括腎上腺素能、多巴胺能和基于胰島素/IGF1 和腎素-血管緊張素系統(tǒng)，以及與生殖功能喪失相稱的性激素。 雖然這種改變的主要原因是細胞內在的，因為這在 SASP 中有特別詳細的記錄，但細胞間通訊的這些紊亂歸結為一個標志，它將細胞內在標志與元細胞標志聯(lián)系起來，包括時間化炎癥反應的增加，加上對病原體和癌前細胞的免疫監(jiān)視能力下降，以及人類基因組和微生物組之間雙向交流的改變，導致生態(tài)失調。 這方面的許多研究都集中在尋找具有促衰老或延長壽命特性的血源性系統(tǒng)因素、細胞間不同通信系統(tǒng)的作用，以及對衰老過程中 ECM 破壞的功能相關性的評估。 慢性炎癥 炎癥在衰老過程中增加，伴有全身表現(xiàn)，以及病理性局部表型，包括動脈硬化、神經(jīng)炎癥、骨關節(jié)炎和椎間盤退變。因此，炎癥細胞因子和生物標志物的循環(huán)濃度會隨著年齡的增長而增加。 血漿中升高的 IL-6 水平構成了人口老齡化全因死亡率的預測性生物標志物。隨著炎癥的加劇，免疫功能下降，這種現(xiàn)象可以通過對患者和小鼠組織血液中的骨髓和淋巴細胞進行高維監(jiān)測來捕捉。 例如，一群與年齡相關的T細胞（稱為Taa細胞）由耗竭的記憶細胞組成，這些細胞通過顆粒酶K介導促炎作用。T細胞群的變化導致促炎性TH1和TH17細胞功能亢進、免疫監(jiān)視缺陷（對病毒感染、惡性或衰老細胞的消除有負面影響）、自身耐受性喪失（導致自身免疫疾病中年齡相關的增加）以及生物屏障的維持和修復減少，這些都會導致全身性炎癥的發(fā)生。 盡管全身性炎癥在機制上與上述所有與年齡相關的改變有關，但炎癥本身就是一個標志。事實上，對炎癥和免疫系統(tǒng)的特定操作可以加速或減緩不同器官系統(tǒng)的衰老過程。 例如，線粒體轉錄因子A（TFAM）中的T細胞特異性缺陷足以驅動心血管、認知、代謝和身體衰老，同時循環(huán)細胞因子增加，TNF-α抑制劑依那西普可以部分逆轉了這種表型。 

生態(tài)失調 

近年來，腸道微生物組已成為多種生理過程的關鍵因素，例如營養(yǎng)消化和吸收、抵御病原體以及產(chǎn)生必需代謝物（包括維生素、氨基酸衍生物、次級膽汁酸和短鏈脂肪酸） 。 腸道微生物群還會向外周和中樞神經(jīng)系統(tǒng)以及其他遠處器官發(fā)出信號，并對宿主健康的整體維持產(chǎn)生至關重要的作用。這種細菌-宿主雙向通訊的中斷會導致生態(tài)失調，并導致各種病理狀況，例如肥胖、2 型糖尿病、潰瘍性結腸炎、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、心血管疾病和癌癥。這一領域的進展引起了人們對探索衰老過程中腸道微生物群變化的極大興趣。 對百歲老人腸道微生物組的進一步代謝組學和功能分析表明，Alistipes putredinis和Odoribacter splanchnicus在某些特定細菌中富集。其中一些細菌種類能夠產(chǎn)生獨特的次級膽汁酸，包括異異石膽酸，它對革蘭氏陽性多藥耐藥病原體（如艱難梭菌和糞腸球菌）具有強大的抗菌作用。因此，特定的膽汁酸代謝可能參與降低致病菌感染的風險并有助于腸道穩(wěn)態(tài)，從而降低對與年齡相關的慢性疾病的易感性。 

總而言之，衰老的所有 12 個標志彼此之間密切相關。例如，基因組不穩(wěn)定性與表觀遺傳改變相互影響串擾，大多數(shù)衰老標志都可以列出類似的功能關系，說明它們強大的相互關聯(lián)性。 作者假設存在八個健康標志，其中包括空間劃分的組織特征（屏障的完整性和局部擾動的遏制），隨著時間的推移維持體內平衡（循環(huán)和周轉，電路整合和節(jié)奏振蕩）。

毫無疑問，衰老與這八個健康標志的逐漸惡化有關，這意味著維持空間劃分能力隨著衰老在不斷下降。這種下降影響了有機體組織的所有八個層次，涉及不同類別的分子、細胞器以及細胞類型。因此，衰老的12個標志與健康狀況不佳的八個標志和有機組織的八個層次相互關聯(lián)，創(chuàng)建一個多維交互空間，用以解釋衰老過程的眾多特征。