什么是衰老？
細胞衰老是指穩定細胞周期停滯的狀態，在這種狀態下增殖細胞會對促生長刺激產生耐受，通常由 DNA 損傷所引起。Leonard Hayflick 首先描述了細胞衰老，他觀察到人類胎兒成纖維細胞最終會停止分裂，但在長時間培養后仍然具有活力和代謝活性。現在普遍認為，除了具有干細胞樣特性的細胞類型外，只有轉化的惡性細胞會無限復制，而非轉化細胞則不會。除了在體外受控條件下發育的胚胎干細胞或誘導多能干細胞，此類細胞還包括內源性生殖干細胞和成體干細胞。衰老細胞與靜息細胞和終末分化細胞均不同，其中靜息細胞能夠重新進入細胞周期。
衰老細胞的特征是形態學和代謝變化、染色質重構、基因表達改變以及出現一種稱為衰老相關分泌表型 (SASP) 的促炎癥表型。衰老的生物學作用復雜，衰老細胞的保護作用和有害作用均已有描述，主要取決于生理環境。例如，盡管衰老可能作為避免受損細胞惡性轉化的機制進化而來，但衰老的發生可能會導致許多年齡相關病變，包括癌癥、組織退化和炎癥性疾病。
老化和細胞衰老這兩個術語不能互換使用。老化是隨時間推移的進行性衰退，而衰老在整個生命周期中都可發生，包括胚胎發生期間。衰老細胞的數量隨著年齡增大而增加，但衰老還在發育以及傷口愈合中發揮重要作用。
β-半乳糖苷酶染色可檢測 pH 依賴性 β-半乳糖苷酶活性的表達（細胞染成藍色），這是衰老細胞的已知特征。正常細胞（左圖）；衰老細胞（右圖）。
為何會發生衰老？
衰老能夠阻止含有受損 DNA 的細胞復制，這是一種重要的抗腫瘤功能。衰老通常由損傷性刺激引起，包括端粒縮短（復制衰老）、DNA 損傷（DNA 損傷誘導衰老）和致癌信號轉導（癌基因誘導衰老）。
了解復制衰老和海弗利克極限
復制衰老是指正常非惡性細胞在大約 50 次分裂（稱為海弗利克極限）后會停止體外分裂。復制衰老由端粒縮短所誘導。在每一輪的 DNA 復制中，端粒都會逐漸縮短，最終達到一個臨界長度，阻止進一步復制，從而停止細胞分裂。較短的無帽端粒會引起 DNA 損傷應答，從而觸發衰老。
DNA 損傷誘導衰老
DNA 損傷會觸發 DNA 修復機制、凋亡或衰老，具體取決于損傷程度和生理環境。衰老細胞的特征是持續的 DNA 損傷應答 (DDR)，包括慢性 ATM（共濟失調性毛細血管擴張突變）和 ATR（共濟失調性毛細血管擴張和 Rad3 相關）激酶信號轉導，最終通過激活 p53/p21 和 p16/pRb 通路誘導細胞周期停滯和衰老。 持續的 DNA 損傷和后續衰老還可通過電離輻射、化療、遺傳毒性應激和氧化應激所誘導。
細胞周期 G2/M DNA 損傷信號轉導 >>
癌基因誘導的衰老
細胞衰老可由致癌信號轉導所誘導，作為一種強效的細胞自主抗癌機制。在出現致癌信號轉導的細胞中發生的衰老，是一種防止其轉化為惡性細胞的應答。癌基因誘導衰老 (OIS) 來源于 H-Ras 等癌基因的的過度激活或 PTEN 等腫瘤抑制基因的失活。例如，H-RASV12 是 GTP 酶 H-RAS 的致癌形式，它的表達可通過誘導慢性 p38 絲裂原活化蛋白激酶 (p38 MAPK) 信號轉導觸發 OIS。強烈的有絲分裂信號轉導也可以通過復制應激誘導 DNA 損傷，從而觸發停滯復制叉的崩解。
衰老的生物標志物
磷酸化組蛋白 H2A.X (Ser139) 也稱為 γ-H2A.X，是細胞衰老的常用標志物（右側圖像中綠色染色的胞核）。
衰老細胞的特征是穩定細胞周期停滯、形態學和代謝變化、染色質重構、基因表達改變以及出現老化相關分泌表型 (SASP)。需要注意的是，并非所有衰老細胞都表現出所有的衰老生物標志物。此外，衰老生物標志物不一定為衰老細胞所特有，例如某些標志物也可在凋亡細胞或休眠細胞中觀察到。因此，衰老細胞的鑒別有賴于對多種生物標志物的觀察，如以下所述：
穩定的細胞周期停滯
只有具有穩定細胞周期停滯的細胞才被視為衰老。與休眠細胞不同，衰老細胞不會因任何已知生理刺激而重新進入細胞周期。細胞周期停滯由 p53/p21CIP1 和 p16INK4A/pRb 腫瘤抑制基因通路所介導，詳述如下。在衰老細胞中經常觀察到 p16INK4A 的表達，這是一種有用的生物標志物。但 p16INK4A 也在 pRb 陰性腫瘤和細胞系中高度表達。
形態學和代謝變化
與分裂細胞相比，衰老細胞通常增大并呈扁平形狀。衰老細胞出現廣泛空泡化，有時為多核。此外，由于 lamin B1 表達喪失，可觀察到核膜完整性破壞。衰老細胞積累功能失調的線粒體，并表現出活性氧 (ROS) 水平升高。還可觀察到溶酶體內容物增加和溶酶體活性改變，表現為 pH 為 6.0 時 β-半乳糖苷酶活性增加 ，使其成為廣泛采用的細胞衰老生物標志物。
Lamin B1（此處顯示為綠色）丟失是細胞衰老的標志物。
染色質重構和基因表達改變
衰老細胞的標志特征是廣泛的染色質重構，最顯著的是衰老相關異染色質簇集 (SAHF) 的形成。這些兼性異染色質位點在促增殖基因沉默中發揮作用，包括 E2F 靶標基因如周期素 A。衰老細胞通常包含 30-50 SAHF，其特征為 DAPI 亮染以及 macroH2A、異染色質蛋白 1 (HP1) 和賴氨酸 9 二甲基化或三甲基化組蛋白 H3 (H3K9Me2/3) 免疫反應性。盡管 SAHF 在衰老時經常觀察到，但一些細胞出現衰老時并不形成 SAHF。
HP1 是一種常用的細胞衰老標志物。使用 HP1 alpha 抗體對石蠟包埋人乳腺癌細胞中的 HP1 表達進行免疫組織化學分析。
DNA 損傷和持續的 DNA 損傷應答 (DDR)
DNA 損傷（例如 DNA 雙鏈斷裂）是衰老的重要特征。衰老細胞表現出持續的 DNA 損傷應答 (DDR)，最終觸發細胞周期停滯。衰老細胞含有一種胞核損傷灶，稱為具有增強衰老的染色質改變的 DNA 片段 (DNA-SCARS)，與 PML 核小體相關，并導致激活的 p53、ATR 和 ATM 等 DDR 蛋白積累。發生于去帽端粒的 DNA-SCARS 被稱為端粒功能障礙誘導的損傷灶 (TIF)。DNA 損傷的另一個指標是 γ-H2A.X，這是 H2A.X 的磷酸化形式，是雙鏈 DNA 斷裂后檢查點介導的細胞周期停滯和 DNA 修復所需的變異體組蛋白。電離輻射、紫外線或擬輻射劑引起的 DNA 損傷會導致 H2A.X 在 Ser139 位點的快速磷酸化。
H2A.X 是一種常用的細胞衰老標志物。使用 Phospho-Histone H2A.X (Ser139) Mouse mAb（綠色）對未經處理的（左圖）或經紫外線 (100 mJ/cm2) 處理（右圖）的 HeLa 細胞進行共聚焦免疫熒光分析。肌動蛋白微絲用 DyLight? 554 Phalloidin（紅色）標記。
衰老相關分泌表型 (SASP)
許多衰老細胞會出現一種促炎癥的衰老相關分泌表型 (SASP)，可介導非細胞自主的衰老效應，包括有益和有害的效應。SASP 由分泌的細胞因子、趨化因子、生長因子和蛋白酶的高度復雜混合物組成，其確切成分隨細胞和組織環境以及誘導衰老的刺激而顯著不同。這些分泌因子促進與相鄰細胞和免疫系統的通信，最終影響衰老細胞的命運。例如，SASP 將免疫細胞募集至衰老細胞，從而促進其清除，發揮腫瘤抑制功能。然而矛盾的是，已表明 SASP 可通過分泌促進血管生成、細胞外基質重塑或上皮-間質轉化 (EMT) 的因子來促進腫瘤細胞發展。此外，衰老誘導的慢性炎癥可引起系統性免疫抑制，可能導致包括癌癥在內的疾病發生。這種慢性炎癥還可能導致衰老相關的組織損傷和變性。
衰老信號轉導通路
衰老的觸發因素最終會聚于誘導細胞周期停滯的 p53/p21CIP1 和 p16INK4A/pRb 腫瘤抑制基因通路。
細胞周期停滯
穩定的細胞周期停滯是衰老的一個定義性特征，由端粒縮短、致癌信號轉導和 DNA 損傷所誘導。細胞周期停滯通過 p53/p21CIP1 或 p16INK4A/磷酸化-Rb 腫瘤抑制基因通路的激活所介導。有趣的是，在不同類型的癌癥中常發現通路組分中的突變。
細胞周期 G2/M DNA 損傷信號轉導
慢性基因組應激或端粒損耗導致的持續 DNA 損傷應答 (DDR) 造成腫瘤抑制基因 p53 激活，進而激活 p21CIP1 從而啟動細胞周期停滯。p53 的上游是激酶 ATR 和 ATM，它們分別通過 Chk1 和 Chk2 激活 p53，作為 DDR 的一部分。一旦 p21CIP1 被 p53 激活，則抑制周期素依賴性激酶 (CDK)，CDK 可阻止細胞周期進展通過 G1 期至 S 期的檢查點。此外，CDK 抑制可阻斷成視網膜細胞瘤抑制蛋白 (Rb) 的磷酸化，從而阻止 E2F 介導的促增殖基因轉錄。磷酸化 Rb 的抑制還可通過 p16INK4A 的激活直接介導，這可阻止 CDK4 和 CDK6 介導的 Rb 磷酸化以及下游 E2F 介導的轉錄。
細胞衰老的轉錄調節
衰老中最常見的蛋白
Cell Signaling Technologies 提供了用于鑒別衰老細胞的抗體和檢測試劑：蛋白質或標志物在衰老中的作用
衰老相關 β-半乳糖苷酶
當衰老細胞中 pH 為 6.0 時活性增加
p53
其激活觸發細胞周期停滯
Rb（成視網膜細胞瘤抑制蛋白）
其抑制觸發細胞周期停滯
p21CIP1
抑制周期素依賴性激酶；位于 p53 下游
p16INK4A
抑制 pRb 磷酸化和失活
Bcl-2
增加衰老細胞表達，抑制凋亡
macroH2A1.1
macroH2A1 亞型；SAHF 標志物
macroH2A1.2
macroH2A1 亞型；SAHF 標志物
H3K9Me2/3（賴氨酸9 二甲基化或三甲基化組蛋白 H3）
SAHF 標志物
HP1（異染色質蛋白 1）
SAHF 標志物
磷酸化組蛋白H2A.X (Ser139)
DNA 損傷標志物
Lamin B1
在衰老細胞中表達降低可導致核膜破壞
HMGB1（高遷移率族蛋白 B1）
SASP 組件
IL-6（白介素 6）
SASP 組件
TNF-α（腫瘤壞死因子 α）
SASP 組件
MMP3（基質金屬蛋白酶-3）
SASP 組件
端粒及其在衰老中的作用
在大部分體細胞中，端粒縮短會觸發復制衰老，這與不表達端粒的轉化細胞不同。
端粒和端粒酶的簡要說明
端粒是染色體末端的重復核苷酸序列及其相關的蛋白質，作為防止染色體降解和末端融合的保護帽。端粒包含數百到數千個富含 GT 的短串聯重復序列，然后是富含 GT 的單鏈突出。構成 shelterin 復合體的端粒結合蛋白與重復序列結合，形成 T 形環結構，為染色體末端加帽。Shelterin 復合體由端粒重復因子 1 (TRF1)、端粒重復因子 2 (TRF2)、端粒重復結合因子 2-相互作用蛋白（TERF2IP，也稱為 RAP1）、端粒保護蛋白 1 (POT1)、TRF1- 和 TRF2-相互作用核蛋白 2 (TIN2) 以及 TIN2 結合蛋白 TPP1 組成。
TPP1 已知和預計的蛋白間相互作用。
DNA 聚合酶無法完全復制端粒序列，這會導致大多數體細胞中端粒會逐漸截短。轉化細胞、干細胞以及生殖細胞表達端粒酶，這是一種可從頭合成端粒末端序列的核糖核蛋白復合體。端粒酶復合體由端粒酶逆轉錄酶 (TERT)、端粒酶 RNA (TERC) 和 dyskerin (DKC1) 組成。由于在表達端粒酶的細胞中端粒長度得以維持，因此它們能夠持續增殖，而不會出現復制衰老。
衰老中的端粒調控異常
調控端粒穩定性或長度的機制破壞（例如形成 shelterin 或端粒復合體的蛋白突變）與基因組不穩定、組織損傷和癌癥有關。與端粒維護機制缺陷相關的遺傳疾病統稱為端粒病。例如，編碼 TERT、TERC、DKC1 或 TINF2 的基因突變會導致先天性角化不良 (DKC)，這種疾病特征為指甲營養不良、皮膚色素沉著過度和口腔內白色斑塊（口腔白斑病）。DKC 患者經常發生骨髓功能障礙，并且患白血病及其他癌癥的風險更高。Hoyeraal-Hreidersson 綜合征是一種更嚴重的 DKC，可導致小腦萎縮和小頭畸形。端粒功能障礙還與特發性肺纖維化、家族性肝硬化和自發性急性髓系白血病 (AML) 相關。
端粒長度及其對衰老的影響
在每一輪 DNA復制中，端粒會逐漸縮短 50-100 堿基對，從而導致復制衰老。在 DNA 合成期間，DNA 聚合酶無法完全復制后隨鏈上的末端序列，稱為“末端復制問題”。因此，這些未復制的序列被截短，導致進展性端粒損耗。一旦端粒達到臨界長度，具有保護作用的端粒帽狀結構被破壞，并被細胞識別為 DNA 雙鏈斷裂，從而觸發持續的 DNA 損傷應答并停止進一步細胞分裂。表達端粒酶的細胞如癌細胞能夠維持端粒長度，從而避免衰老。
衰老研究為何重要？
衰老細胞隨年齡積累，導致正常的老化過程以及年齡相關疾病。衰老、老化和年齡相關病變（包括癌癥、神經退行性變以及代謝和心血管疾病）之間的聯系在很大程度上推動了衰老研究領域的進展。對嚙齒類動物模型的研究顯示，在體內選擇性清除衰老細胞可減少炎癥，增強免疫系統功能，從而延遲年齡相關疾病的進展，增強健康和延長壽命。例如，誘導衰老的藥物（包括某些化療藥物）可通過抑制復制潛力而對癌癥有效。但是，接受化療患者中的衰老細胞累積（原因可能是 DNA 損傷），被認為可導致不良副作用，尤其是疲勞。此外，衰老細胞還可以通過釋放 SASP 組分促進癌癥復發和轉移。因此，在化療患者中使用 senolytics（一種針對衰老細胞的靶向治療藥物）有助于預防癌癥復發，并緩解某些副作用。Senolytic 療法還能夠在正常小鼠中延長壽命并延遲年齡相關的身體衰退，提示它們或許可以有效治療年齡相關疾病。目前正在人體臨床試驗中測試 senolytic 藥物用于治療骨關節炎和慢性腎臟疾病。
衰老研究模型
一類導致過早老化類似疾病（稱為早老性綜合征）為探索基因組完整性和 DNA 損傷在老化過程中的作用提供了線索。在人類中發生的此類疾病包括 Werner 綜合征、Hutchinson-Gilford 早老癥和著色性干皮病。早老性綜合征小鼠模型已被用于研究過早老化和衰老的機制。例如，表達低水平 BubR1（一種細胞周期檢查點激酶）的小鼠表現出加速老化，并在出現年齡相關病變的某些組織中表達高水平的 p16INK4A。敲除生殖系中的 p16INK4A 能夠延遲 BubR1 類早老小鼠的老化，這與衰老細胞水平降低相關，證明生物性老化和細胞衰老之間在體內存在功能性關聯。此外，在可以選擇性清除表達 p16INK4A 的衰老細胞的轉基因小鼠模型 INK-ATTAC 中，已表明衰老細胞喪失能夠延長小鼠的壽命和健康期。
已開發出多種衰老加速小鼠 (SAM) 模型動物品系。這些品系最初源自具有加速衰老表型（包括活動減少、脫毛和壽命縮短）的小鼠。SAM 小鼠表現出學習和記憶缺陷、骨質疏松癥和淋巴瘤等病理生物學表型。
另一方面，動物模型還用于研究延遲老化和衰老。例如，裸鼴鼠是一種大小與小鼠相仿的嚙齒類動物，可生存 30 年或以上，大大超出基于其體型預測的壽命。裸鼴鼠很少發生癌癥，甚至在老年仍然保持健康和活躍。有趣的是，在這種動物中衰老正常發生，表明長壽并非依賴于消除細胞的衰老應答。
裸鼴鼠
特征：
Roman Klementschitz, Wien [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)]，來自 Wikimedia Commons
闡明衰老和老化的機制對于理解和潛在治療或預防人類的年齡相關疾病具有重要意義。二甲雙胍是一種已獲批準的糖尿病藥物，可降低胰島素水平并抑制 IGF-1 信號轉導，導致 AMPK 激活和哺乳動物雷帕霉素靶蛋白 (MTOR) 抑制。二甲雙胍能夠抑制 SASP，在人體內可降低癌癥發生率。二甲雙胍靶向衰老 (TAME) 臨床研究將測試二甲雙胍治療是否能夠延緩或預防年齡相關疾病的發生，例如癌癥、心臟病和癡呆。
