国自然热点「细胞衰老」详解：标志物、表型、热门通路、检测方法以及高分文献集锦

作者：南京福麦斯生物发布时间：2024-10-12

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抵抗衰老是人类永恒的话题，衰老也是临床研究的重要主题，是很多疾病的风险因素。

从个体的衰老，到组织器官衰老，再到细胞衰老，从宏观到微观，都是博士开题和基金申请的热点领域。

在近几年的国自然申请当中，细胞衰老相关的研究也受到了越来越多的关注，已成为科学研究的热门之一。

据统计，2023年中标项目中，细胞衰老有5796项。

本文将详解细胞衰老&聚焦细胞衰老相关高分文献，了解一下细胞衰老的研究思路。

一、细胞衰老详解

1、细胞衰老概念解析

细胞衰老是一种稳定的细胞周期停滞状态，已在人类、小鼠及其他物种中被证实可加速多种疾病的进程。

细胞衰老可以视为一种复杂的生物学现象，涉及到遗传、分子和细胞层面的多种机制，具体是指细胞随时间推移失去其增殖能力和功能的过程。

这一概念在生物学上具有多重含义，包括由于遗传编程、环境压力或细胞内的损伤积累导致的细胞功能下降。

衰老&细胞衰老

衰老（aging），我们广义地定义为影响大多数生物的依赖时间的功能衰退。细胞衰老（cellular senescence），定义为永久性的细胞周期终止状态。

细胞衰老是衰老的标志之一，衰老器官的主要特征就是衰老细胞的累积。当然了，细胞衰老并不一定就代表衰老，因为在发育阶段和成年阶段细胞衰老都存在。

细胞衰老的主要功能如下：

1）抑制肿瘤发展：

衰老细胞通过防止受损或异常细胞增殖，起到了抑制肿瘤发展的作用。

2）维持组织稳态：

衰老细胞可以在某种程度上维持组织的稳态，从而保证组织的正常生长和功能。

3）促进修复：

衰老细胞可以释放多种生长因子和细胞因子，促进组织修复和再生。

4）防止癌症转移：

衰老细胞可以产生多种抑制癌症转移的信号分子，从而降低癌症扩散的风险。

2、细胞衰老的原因

1）内在因素：

自然衰老、癌基因的激活，氧化应激、线粒体功能障碍等。

2）外在因素：

辐射和化疗药物。这些都可通过引起 DNA 损伤 (DNA damage)，激活 ATM/ATR 激酶和 p53/p21CIP1 信号轴，最终导致细胞周期阻滞，诱发衰老。

3、细胞衰老的标志

衰老细胞的显著特征在于其增殖能力的丧失以及抗凋亡途径的显著上调。这些细胞会释放大量的趋化因子、细胞因子、生长因子以及蛋白酶，这一表现被统称为衰老相关分泌表型（SASP）。

此外，细胞衰老还伴随着染色质结构的显著改变、代谢方式的适应性调整、受损大分子的不断积累以及基因组不稳定性的增加。

▲细胞衰老的标志，衰老的标志为识别组织内的衰老细胞提供了基础。

然而，值得注意的是，单一标志的存在并不能作为判断细胞衰老状态的充分依据，因为这些特征同样可能出现在其他细胞状态中。因此，在识别衰老细胞时，需要综合考虑多个标志的存在。

给大家推荐一篇发布在Nature Reviews Molecular Cell Biology（IF=112.7）的重磅高分文献：《SenNet recommendations for detecting senescent cells in different tissues》，该文献首次全面总结细胞衰老&组织衰老标志物。

▲在这篇综述中，研究团队首先系统介绍了细胞衰老的9大标志。随后，他们深入探讨了正常衰老及疾病过程中，14种不同组织中的衰老标志物，并指出了当前在识别组织衰老细胞方面所面临的挑战。最后，研究团队提出了结合衰老标记物、人工智能以及循环标记物和技术等手段，以更有效地识别和表征衰老细胞的策略。

这里展开说说：9种主要细胞衰老的标志

1）细胞周期停滞现象：p53、p16 INK4A（由 CDKN2A编码）和 p21 CIP1（由 CDKN1A编码）的上调导致 RB 家族蛋白的持续激活、E2F 转录激活的抑制（未显示）和细胞周期停滞。

2）衰老相关分泌表型（SASP）：衰老细胞会分泌多种促炎细胞因子、趋化因子和白细胞介素，如 IL-6、IL-1α 和 IL-1β，以及细胞生长调节剂、蛋白酶及其抑制剂、血管生成因子和不溶性因子，如纤连蛋白、胶原蛋白和层粘连蛋白，以及其他炎症分子，如 GDF15、TGFβ1 和 IFNγ，统称为 SASP。

3）细胞核变化：包括异染色质的整体丢失和局部增加，称为衰老相关异染色质灶 (SAHF)，其特征是在 Lys9 (H3K9me3) 和 H3K27me3 处三甲基化的组蛋白 H3 增加、转座因子激活（例如长散在元件 1 (LINE-1)）、衰老相关卫星扩张 (SADS)、端粒相关灶 (TAF) 形成以及层蛋白 B1 (LMNB1) 和层蛋白相关结构域丢失。

4）细胞表面标志物：已经研究了几种蛋白质作为在细胞培养和组织中识别衰老细胞的潜在标记物，使用可诱导的 CDKN2A 或 CDKN1A 表达系统 (DEP1、NTAL、EBP50、STX4、VAMP3、ARMCX3、B2MG、LANCL1、PLD3 和 VPS26A)。此外，DPP4、TNFRSF10D (也称为 CD264)、NOTCH1、NOTCH3、CD36、氧化Vimentin、ICAM1和 uPAR 也被用作衰老的标志物，以及 CD274、PDL2和MHC I 类分子。

5）细胞形态变化：在细胞培养中，衰老细胞会发生明显的形态变化：它们变得扁平、增大和空泡化，并且可能显示多个或增大的细胞核。衰老细胞建立细胞质桥，使它们能够通过直接的细胞间蛋白质转移向邻近细胞发出信号。培养中的衰老细胞已被观察到显示增大的细胞核、核起泡和细胞质染色质碎片 (CCF) 的形成。CCF 是由染色质通过核膜起泡而产生的，而这种起泡是由核层完整性受损介导的，并通过 cGAS-STING 通路触发干扰素反应。

6）溶酶体含量增加：在衰老细胞中，溶酶体的数量和大小都会增加。这种增加主要包括含有不可消化的自发荧光物质的溶酶体，例如脂褐素，它是氧化蛋白质、脂质和金属的聚集体，会积聚并可通过组织化学染色苏丹黑 B 检测出来。溶酶体质量的增加与衰老相关的 β-半乳糖苷酶(SA-β-gal) 活性有关。

7）代谢适应：衰老细胞的特点是产生能量的氧化代谢增强，超过增殖细胞，从而维持对细胞生存至关重要的 ATP 消耗蛋白质应激途径。线粒体功能障碍的许多驱动因素也会导致细胞衰老。这些驱动因素包括线粒体 DNA (mtDNA) 的耗竭和突变、电子传递链的抑制剂、HSPA9 的丢失、SIRT3 和 SIRT5 的丢失以及复合物 I 组装的中断。线粒体功能障碍相关的衰老主要是由细胞浆 NADH 的积累引起的，导致 ATP 耗竭和 AMPK 激活以及细胞周期停滞。衰老细胞的特征还在于活性氧 (ROS) 生成增加，主要由功能失调的线粒体产生。细胞内和细胞外的 ROS 均可促进衰老的诱导和稳定细胞周期停滞。衰老细胞中的部分线粒体表现出线粒体外膜通透性，mtDNA 由此释放到细胞质中，从而促进 SASP。

8）DNA损伤：包括组蛋白变体 H2AX (γH2AX) 的磷酸化和检查点和 DNA 修复因子（例如，T53BP1）在整个基因组的 DNA 损伤位点（橙色圆圈）的局部组装。

9）抗凋亡途径的上调：衰老细胞通常表现出抗凋亡途径相关蛋白质的上调。研究表明，通过 RNAi 靶向生存途径因子 (ABL1、EFNB1、BCL2L1、EFNB3、SERPINB2 和 PI3K) 可比非衰老人类细胞更大程度地降低衰老细胞的活力

4、细胞衰老的复杂表型

细胞衰老是一种永久性的细胞周期终止状态，用以响应不同的损伤刺激。针对细胞衰老，目前一共有8种，分别是：

1）复制性细胞衰老（Replicative senescence），也就是多次分裂之后增殖能力的减少，最终导致完全停止。

2）DNA损伤诱导细胞衰老（DNA damage-induced senescence），由不可修复的DNA损伤诱导的细胞衰老。

3）致癌基因诱导细胞衰老（Oncogene-induced senescence(OIS)），Ras等致癌基因的激活，或者PTEN等抑癌基因的失活能够导致细胞衰老。

4）氧化应激诱导细胞衰老（Oxidative stress-induced senescence），细胞代谢的氧化产物或者已知的氧化剂导致的细胞衰老。

5）化疗诱导细胞衰老（Chemotherapy-induced senescence），多个抗肿瘤药物能够诱导细胞衰老。

6）线粒体功能失调相关细胞衰老（Mitochondrial dysfunction-associated senescence(MiDAS)），线粒体功能失调导致细胞衰老。

7）表观遗传诱导细胞衰老（Epigenetically induced senescence），DNA甲基化抑制子或者组蛋白脱乙酰酶诱导细胞衰老。

8）旁分泌细胞衰老（Paracrine senescence），由原代衰老细胞产生的衰老相关分泌表型（SASP）诱导。

5、细胞衰老信号通路

细胞衰老涉及的通路，随便一条拿出来都是国自然热点。

从遗传/表观遗传、mRNA水平和蛋白水平三个层面，细胞衰老目前一共汇总了6条关键的信号通路。

▲DOI: 10.1016/j.tcb.2018.02.001

在停止生长的背后，有着2条信号通路：p53-p21-RB，以及p16 INK4A–RB。它们会中止细胞周期，让细胞停止分裂。

▲DOI: 10.1038/nrd.2017.116

▲衰老细胞的三大特征

6、细胞衰老与疾病

细胞衰老是机体衰老和死亡的基础，而机体的衰老又与多种老年性疾病密切相关。

随着年龄的增长，个体倾向于发展成促炎症状态，其特征是高水平的炎症分子循环。炎症是各种慢性年龄相关疾病的风险因素，包括心血管疾病、某些癌症类型和神经退行性变，并可能与过早死亡有关。此外，老年人血液中存在的炎症分子与体重减轻、肌肉萎缩和虚弱、慢性炎症和抑郁有关。

在一系列研究中，衰老细胞与衰老疾病之间的关联得到了进一步的阐明。在早衰的小鼠模型中，研究人员在其组织里发现了大量p16 INK4A阳性的衰老细胞。它们会引起一系列衰老症状，包括肌肉衰减综合征（sarcopenia）、白内障、以及脂肪代谢障碍。

▲DOI: 10.3390/cells8111446

7、细胞衰老与肿瘤

细胞衰老过程中，Rb和p53蛋白在诱导细胞发生衰老时起到了至关重要的作用。而Rb蛋白和p53蛋白又是非常关键的抑癌基因，抑制了细胞发生癌变的过程。很多肿瘤的发生都是由于抑癌基因的失活而导致的。

肿瘤的典型性特征之一就是持续分裂和增殖的能力。如果细胞要发生癌变，那么规避衰老现象是细胞发生癌变的必要条件。因此，研究人员认为细胞衰老是防止细胞发生癌变的第三道保障。目前，现在越来越多的研究开始关注如何启动细胞衰老现象从而抑制肿瘤的发生发展。

但是，仍然有研究显示，发生衰老的细胞可以可以产生各种活性蛋白和细胞因子（也就是SASP现象），间接地对细胞造成损伤，甚至诱导细胞恶性增殖并发生癌变。

因此，衰老不足可能引起肿瘤的发生，但是过度的衰老也可以导致肿瘤的发生。

▲DOI: 10.1016/j.cell.2017.08.025

附：肿瘤细胞衰老研究方向

目前关于肿瘤中细胞衰老的作用，有2个主流方向：

①衰老细胞可以将营养物质吸收到肿瘤中来支持肿瘤生长；

②通过细胞立刻进入衰老状态，不再分裂，能够有效的抑制肿瘤发展。

所以，从某种意义上来说，肿瘤中细胞的衰老是一把双刃剑。

肿瘤中细胞的衰老的系统介绍

▲这篇发表在Annu. Rev. Cancer Biol（IF=5.413）上的综述，研究者对其“双刃剑”特性进行了全面系统的介绍，主要从以下4个方面展开：

1）衰老作为一种肿瘤抑制程序的发现；

2）衰老相关分泌程序（SASP）在癌症中的利弊；

3）开发中的利用细胞衰老治疗疾病的策略；

4）目前存在的挑战和对未来的展望。

8、细胞衰老检测

1）端粒长度测定：

端粒是位于染色体末端的DNA序列，它们在每次细胞分裂时会逐渐缩短。通过测定细胞中端粒的长度，可以评估细胞衰老的程度。这一方法通常使用PCR或Southern blotting等技术进行测定。

2）β-galactosidase染色法：

β-galactosidase是一种酶，它在老化细胞中表达增加。细胞可以通过染色体素X-gal与β-galactosidase反应而呈现出蓝色。因此，通过检测细胞中是否存在蓝色染色来判断细胞是否衰老。

3）染料染色法：

通过使用特定的细胞染料，如细胞核染料（如Hoechst染料）或线粒体染料（如MitoTracker染料），可以观察和评估细胞中核、线粒体等结构的形态和功能变化，从而间接反映细胞衰老的程度。

4）基因表达分析：

细胞衰老通常伴随着基因表达的改变。通过检测特定基因在细胞内的表达水平，可以判断细胞是否处于衰老状态。例如，p16INK4a和p53等基因在衰老过程中表达增加。

二、细胞衰老高分文献解读

1. Cellular senescence in ageing: from mechanisms to therapeutic opportunities

▲IF=94，发表于Nature Reviews Molecular Cell Biology

文章概述：

细胞衰老一词最早于1961年被描述，细胞衰老的显著特征是永久的增殖停滞，其机制是对内源性和外源性应激的反应，包括端粒功能障碍、癌基因激活和持续的DNA损伤。

细胞衰老发生在多种生物过程中，包括胚胎发育。衰老细胞的外源活性，主要和衰老相关分泌表型相关，它不仅扩大了衰老细胞增长停滞的影响，还会阻碍组织再生并导致衰老相关的慢性疾病和个体衰老的发生。

作者讨论了细胞衰老发生的机制和以及衰老相关分泌表型的调控，并概述了与衰老相关疾病两种疗法：senolytic和senomorphic疗法。

2. Type 2 cytokine signaling in macrophages protects from cellular senescence and organismal aging

▲IF=32.4，发表于Immunity

文章概述：

作者前期发现II型细胞因子信号转导缺陷加速衰老，相反，白细胞介素-4（IL-4）-STAT6通路保护巨噬细胞免于衰老。重要的是，作者证明IL-4治疗可以预防巨噬细胞衰老并改善老年小鼠的健康寿命，其程度与衰老清除治疗相当，当组合时具有进一步的累加效应。

所以在研究中通过模型构建、免疫荧光等实验手段支持并延伸了最近抗衰老研究的发现，通过恢复IL-4分泌来保护巨噬细胞免受DNA损伤诱导的衰老，并保持其监测能力可能是逆转衰老和延长健康寿命的另一种有效方法。

本文创新点：

①IL-4信号传导缺失会加速机体衰老；

②STAT6缺失导致巨噬细胞衰老；

③IL-4-STAT6轴调节巨噬细胞中的DNA修复；

④IL-4治疗可改善老年小鼠的健康寿命。

3. Aging Fly Cell Atlas identifies exhaustive aging features at cellular resolution

▲IF=56.9，发表于Science

文章概述：

该研究发表了第一个衰老果蝇细胞图谱（AFCA），详细描述了模式生物黑腹果蝇163种不同细胞类型的衰老过程。深入分析表明，果蝇体内不同类型的细胞年龄不同，每种细胞类型都遵循一个涉及细胞类型特异性模式的过程。这一衰老果蝇细胞图谱（AFCA）为果蝇和衰老研究人员提供了宝贵资源，可作为研究衰老和衰老相关疾病以及评估抗衰老策略成功与否的参考指南。

4. Senescent alveolar macrophages promote early-stage lung tumorigenesis