翻譯 by 曹天玲 楊遠(yuǎn)涵 張彬 胡健立
代謝是生物體維持生命的化學(xué)反應(yīng)的總稱，是不斷進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的過程，如果將人體比作一輛行駛中的汽車，那么代謝就是這輛汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)工作系統(tǒng)。衰老過程中往往會(huì)發(fā)生代謝異常，“汽車”的“發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)”出現(xiàn)工作障礙，難免行駛得磕磕絆絆，甚至危及生命。2021年10月18日，美國(guó)塔夫茨大學(xué)的Christopher D. Wiley教授和巴克老年研究中心的Judith Campisi教授在Nature Metabolism上發(fā)表了題為 “The metabolic roots of senescence: mechanisms and opportunities for intervention” 的綜述文章，為我們?cè)敿?xì)梳理了代謝與衰老間聯(lián)系，并為衰老干預(yù)措施的開發(fā)提供了建設(shè)性意見。
摘 要
細(xì)胞衰老往往伴隨著細(xì)胞永久性的增殖停滯和多種表型的變化。這些變化包括大量生物活性分子的釋放，這些分子統(tǒng)稱為衰老相關(guān)分泌表型（senescence-associated secretory phenotype, SASP）。研究表明，衰老和SASP會(huì)因細(xì)胞和機(jī)體代謝狀態(tài)發(fā)生變化，而細(xì)胞和機(jī)體的衰老狀態(tài)反過來又驅(qū)動(dòng)了代謝功能障礙相關(guān)的表型。本文回顧了目前探討衰老和代謝關(guān)系的相關(guān)研究，重點(diǎn)關(guān)注了細(xì)胞水平的發(fā)現(xiàn)，包括細(xì)胞衰老的代謝驅(qū)動(dòng)因子和衰老相關(guān)的細(xì)胞代謝改變。此外文章還關(guān)注了靶向代謝或衰老細(xì)胞的干預(yù)措施，并探討了這些干預(yù)措施是如何通過影響代謝和細(xì)胞衰老間的相互聯(lián)系，最終延緩衰老的。最后，本文發(fā)現(xiàn)最有效的干預(yù)措施可能是通過打破“細(xì)胞衰老誘發(fā)代謝疾病，代謝疾病又加劇細(xì)胞衰老”這一惡性循環(huán)而發(fā)揮作用。
細(xì)胞衰老的歷史淵源二十世紀(jì)六十年代早期Hayflick和Moorhead首次提出了細(xì)胞衰老的概念，即脊椎動(dòng)物細(xì)胞在應(yīng)激條件下進(jìn)入的非分裂狀態(tài)。培養(yǎng)過程中正常細(xì)胞最終停止分裂，這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了Alexis Carrel在二十世紀(jì)零零年代初期提出的觀點(diǎn)，即“正常的培養(yǎng)細(xì)胞本質(zhì)上是“不朽的””。并且Hayflick和Moorhead認(rèn)為細(xì)胞分裂的最終停滯反映了生物體衰老的觀點(diǎn)，和Carrel認(rèn)為生物體死亡可能是多細(xì)胞性結(jié)果的觀點(diǎn)有所不同。他們還指出，源自惡性腫瘤的細(xì)胞不會(huì)經(jīng)歷這種形式的衰老，這表明細(xì)胞衰老狀態(tài)的存在抑制了癌癥的發(fā)展。多年后，Sager及其同事表明細(xì)胞衰老是對(duì)潛在腫瘤誘導(dǎo)刺激的反應(yīng)，因此正式提出細(xì)胞衰老反應(yīng)是一種有效抗癌機(jī)制的假設(shè)。自二十世紀(jì)六十年代以來，有關(guān)細(xì)胞衰老的生理和病理功能的發(fā)現(xiàn)急速增加。而衰老細(xì)胞經(jīng)歷并導(dǎo)致多方位代謝重編程改變的觀點(diǎn)也得到廣泛認(rèn)可，本文對(duì)此展開了討論。
衰老細(xì)胞的自發(fā)和非自發(fā)效應(yīng)細(xì)胞衰老的核心是不可逆的細(xì)胞增殖停滯，這一觀點(diǎn)得到了廣泛的證明。細(xì)胞增殖停滯是一種有效的自主抗癌機(jī)制。因此，大多數(shù)攜帶阻止或抑制衰老細(xì)胞生長(zhǎng)停滯的突變 (例如，p53或pRB失活或顯性負(fù)突變) 的人和小鼠都易患癌癥，并且通常會(huì)因惡性腫瘤而過早死亡。
此外，部分衰老細(xì)胞由于抗凋亡蛋白的表達(dá)增加獲得了對(duì)細(xì)胞死亡的自主抗性。而某些癌細(xì)胞也具有同樣的特性，因此針對(duì)此特性開發(fā)的部分無效的抗癌藥物目前正被重新利用，用于延緩衰老藥物的研發(fā)，而這些藥物可以選擇性的只殺死衰老細(xì)胞，而對(duì)其它細(xì)胞不起作用。然而，目前尚不清楚細(xì)胞死亡的自主抗性是如何普遍存在于不同類型的衰老細(xì)胞中的。例如，衰老的內(nèi)皮細(xì)胞通常比衰老的成纖維細(xì)胞更容易發(fā)生自發(fā)性細(xì)胞凋亡，但即使是成纖維細(xì)胞在面臨某些類型的DNA損傷如轉(zhuǎn)錄阻斷損傷時(shí)也會(huì)在衰老后發(fā)生凋亡。除此之外，目前關(guān)于衰老細(xì)胞對(duì)細(xì)胞死亡的自主抗性機(jī)制也未完全了解。
最后，所有衰老細(xì)胞最終都表現(xiàn)出復(fù)雜的、多成分的衰老相關(guān)分泌表型 (SASP)。SASP會(huì)非自主地改變鄰近細(xì)胞的行為和組織微環(huán)境。隨著細(xì)胞類型和細(xì)胞衰老方式的變化，SASP也表現(xiàn)出極高的可塑性，同時(shí)會(huì)隨著時(shí)間推移發(fā)生極大的動(dòng)態(tài)變化。SASP的一個(gè)顯著特點(diǎn)是含有大量的促炎分子，包括細(xì)胞因子、趨化因子、生物活性脂質(zhì)和損傷相關(guān)分子模式 (damage-associated molecular patterns, DAMPs)。而慢性炎癥作為衰老組織的一個(gè)共同特征，是許多衰老相關(guān)疾病 (例如晚年癌癥) 的主要危險(xiǎn)因素，慢性炎癥在衰老組織的積累可能就是由于衰老細(xì)胞分泌的SASP導(dǎo)致的。
近年來研究發(fā)現(xiàn)，除SASP之外，衰老細(xì)胞的表型還具有顯著的可變性、異質(zhì)性和可塑性。例如，對(duì)于大部分衰老細(xì)胞來說，生長(zhǎng)停滯是由細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶與細(xì)胞周期抑制因子p16INK4a和p21CIP1 (由CDKN2A和CDKN1A基因編碼) 啟動(dòng)和/或強(qiáng)制執(zhí)行的。同樣，其他常用的衰老標(biāo)志物，例如衰老相關(guān)的β-半乳糖苷酶 (senescence-associated β-galactosidase，SA-β-gal）陽性率的升高，核纖層蛋白lamin B1 (LMNB1) 的表達(dá)降低，以及核蛋白HMGB1的分泌和重新定位，也可能只適應(yīng)于絕大多數(shù)而不是全部的衰老細(xì)胞。因此，評(píng)估特定刺激誘導(dǎo)衰老反應(yīng)的能力以及評(píng)估體內(nèi)組織中衰老細(xì)胞的比例需要使用多種標(biāo)記物。
衰老細(xì)胞的適應(yīng)性與不適應(yīng)性效應(yīng)根據(jù)生理環(huán)境的不同，衰老可能是有益的，也可能是有害的。這種二元性與拮抗基因多效性的進(jìn)化理論是一致的。如果一個(gè)基因具有多個(gè)功能，其中一些功能有利于生命體生長(zhǎng)繁殖，而另一些功能不利于生命體的生長(zhǎng)繁殖，那么這一現(xiàn)象被稱為拮抗基因多效性。當(dāng)生物處在惡劣的自然環(huán)境且壽命較短時(shí)，拮抗基因多效性會(huì)促進(jìn)年輕個(gè)體的存活，而在現(xiàn)代受保護(hù)的環(huán)境中，個(gè)體壽命得以延長(zhǎng)，原本有益的基因在個(gè)體年老時(shí)可能是有害的。因此衰老表型及衰老相關(guān)疾病可能是拮抗基因有害的一面造成的。
關(guān)于細(xì)胞衰老的有益作用，如前文所述，細(xì)胞生長(zhǎng)停滯有利于降低癌癥的發(fā)生率。此外，衰老細(xì)胞分泌的SASP因子還有利于胚胎中某些結(jié)構(gòu)的形態(tài)發(fā)生，并有助于胎盤中分娩活動(dòng)的起始。而且，衰老細(xì)胞在某些組織損傷部位的短暫積聚，有助于傷口愈合、組織修復(fù)和再生，這可能也歸功于特定的SASP因子。
相比之下，衰老細(xì)胞在大多數(shù)哺乳動(dòng)物組織中隨著年齡的增長(zhǎng)而逐漸增加，并且似乎可以一直存留。尚不清楚這種增加是由于產(chǎn)量增加還是清除率降低。更重要的是，在人類細(xì)胞、組織以及轉(zhuǎn)基因小鼠模型上開展的實(shí)驗(yàn)以及對(duì)細(xì)胞和小鼠的藥理干預(yù)都強(qiáng)烈暗示衰老細(xì)胞與許多衰老相關(guān)的疾病 (如神經(jīng)退變和衰老相關(guān)癌癥) 的病理學(xué)有關(guān)。而衰老細(xì)胞的這些不利影響大部分可能歸因于其分泌的包含大量促炎因子的SASP。
是什么引發(fā)了衰老反應(yīng)？人們對(duì)體內(nèi)尤其是在衰老過程中衰老細(xì)胞是如何被誘導(dǎo)的知之甚少。已知的衰老反應(yīng)誘導(dǎo)因素 (至少在培養(yǎng)細(xì)胞和小鼠模型中) 包括DNA損傷、癌基因活化和線粒體功能障礙。因?yàn)榧词乖谒ダ虾筒∽兘M織中衰老細(xì)胞的比例也比較低，所以很難確定在體內(nèi)它們是如何被誘導(dǎo)衰老的。令人興奮的是，單細(xì)胞層次的轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)分析有望幫助確定自然衰老和與衰老相關(guān)疾病中的主要驅(qū)動(dòng)因素。在所有情況下，衰老細(xì)胞都必須進(jìn)行代謝的重編程，以維持其生長(zhǎng)停滯狀態(tài)，并表達(dá)維持高度復(fù)雜、動(dòng)態(tài)和異質(zhì)性的SASP所需的基因和蛋白質(zhì)。這些代謝變化的原因和后果將在后文展開討論。
衰老的代謝驅(qū)動(dòng)因素
幾種形式的代謝應(yīng)激既可以導(dǎo)致衰老，也可以影響SASP（圖1）。本文將針對(duì)這些應(yīng)激因素開展描述及探討。
左圖：衰老的代謝驅(qū)動(dòng)因子。①線粒體功能障礙，通過打破細(xì)胞質(zhì)中的NAD+/NADH比率、產(chǎn)生活性氧和其他潛在機(jī)制來驅(qū)動(dòng)衰老。②過量金屬 (尤其是過渡金屬) 的積累會(huì)促進(jìn)衰老。③sirtuin表達(dá)減少、PARP活性的喪失以及細(xì)胞氧化還原狀態(tài)的改變導(dǎo)致的NAD+的喪失也會(huì)導(dǎo)致衰老。④高血糖也會(huì)導(dǎo)致衰老。⑤自噬功能障礙在某些情況下會(huì)導(dǎo)致衰老，但在其他情況下也會(huì)阻止衰老。⑥高濃度的非生理氧促進(jìn)衰老。
右圖：衰老細(xì)胞是代謝疾病的驅(qū)動(dòng)因素。①衰老細(xì)胞和/或SASP可以加劇動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的形成以及斑塊不穩(wěn)定性。②在肝臟中，衰老細(xì)胞可以促進(jìn)脂肪變性。③SASP還會(huì)激活巨噬細(xì)胞，提高CD38水平并降低NAD+水平。④在胰腺中，衰老的β細(xì)胞會(huì)促進(jìn)高胰島素血癥，但隨著β細(xì)胞受到免疫系統(tǒng)的攻擊，可能會(huì)變成低胰島素血癥。⑤在外周組織 (例如脂肪) 中，衰老細(xì)胞可以促進(jìn)胰島素抵抗，因此衰老細(xì)胞可以通過多種方式引發(fā)糖尿病和代謝疾病。⑥最后，衰老細(xì)胞會(huì)加劇肌少癥，進(jìn)而影響基礎(chǔ)代謝、活動(dòng)水平，最終導(dǎo)致個(gè)體的虛弱。
線粒體功能障礙 線粒體是衰老相關(guān)病理學(xué)的主要調(diào)節(jié)細(xì)胞器。突變的線粒體DNA (mtDNA) 的快速積累會(huì)導(dǎo)致小鼠的過早衰老，而保護(hù)線粒體功能的過氧化氫酶 (mCAT) 的過度表達(dá)則會(huì)延長(zhǎng)小鼠壽命。因此，線粒體功能對(duì)細(xì)胞衰老和SASP可能具有類似的影響。
線粒體功能障礙的許多驅(qū)動(dòng)因素也會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞衰老。這些驅(qū)動(dòng)因素包括線粒體DNA的缺失和突變、電子傳遞鏈抑制劑、線粒體伴侶蛋白HSPA9的缺失、線粒體蛋白脫乙?；窼IRT3和SIRT5的缺失以及復(fù)合物I的非正常組裝。這種線粒體功能障礙相關(guān)衰老 (mitochondrial dysfunction-associated senescence, MiDAS) 表型缺乏SASP的幾個(gè)促炎癥因子，但卻包含其自身獨(dú)特的SASP因子。MiDAS主要由胞漿NADH的積累驅(qū)動(dòng) (圖2)，隨著NAD+/NADH比率的降低，關(guān)鍵的糖酵解酶GAPDH的表達(dá)也會(huì)降低，最終導(dǎo)致ATP耗竭、AMPK激活和細(xì)胞周期阻滯。
此外，線粒體是活性氧 (ROS) 的來源。小鼠線粒體超氧化物歧化酶 (SOD2) 的缺失會(huì)加速細(xì)胞衰老。通過線粒體自噬消除線粒體的轉(zhuǎn)基因細(xì)胞培養(yǎng)模型可延緩衰老并減少促炎SASP因子的表達(dá)，而這種保護(hù)作用與活性氧和核DNA尤其是端粒相關(guān)損傷的減少有關(guān)。此外，線粒體ROS還可以激活JUN氨基端激酶，該激酶則反過來促進(jìn)細(xì)胞溶質(zhì)染色質(zhì)片段的釋放和SASP促炎成分的激活。此外還有很多研究都表明線粒體來源的活性氧可能是細(xì)胞衰老的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。
值得注意的是，盡管有證據(jù)表明衰老細(xì)胞會(huì)加速衰老并限制健康壽命和中位值壽命，但很少有措施能通過拮抗ROS來延長(zhǎng)壽命，并且這些干預(yù)措施均不能減少衰老細(xì)胞的積聚。相反，通過靶向線粒體來預(yù)防衰老和SASP激活的干預(yù)方法也會(huì)對(duì)線粒體生物學(xué)的其他方面起作用。因此，線粒體活性氧是否是衰老細(xì)胞隨年齡累積的原因仍是一個(gè)懸而未決的問題。例如，PGC-1B耗竭會(huì)降低線粒體生物發(fā)生，而雷帕霉素會(huì)增加線粒體自噬。雖然這兩種操作都減少了活性氧，但它們也改變了線粒體代謝和其他方面的功能。此外，活性氧是一些過程中必不可少的信號(hào)分子，如細(xì)胞增殖、先天免疫、干細(xì)胞更新、分化和存活。因此，活性氧、衰老和體內(nèi)衰老之間的關(guān)系可能比目前培養(yǎng)模型所表現(xiàn)的更為復(fù)雜。
最近的研究還表明，通過阻斷小鼠體內(nèi)的Itpr2鈣通道來降低內(nèi)質(zhì)網(wǎng) (endoplasmic reticulum, ER) 與線粒體接觸，可減少衰老細(xì)胞的數(shù)量和幾種SASP因子的水平，進(jìn)而延長(zhǎng)健康壽命和最大壽命。但目前尚不清楚這些影響是否是由于線粒體鈣超載減少、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)線粒體接觸減少或兩者的某種組合所致。這些策略證明了在衰老細(xì)胞不斷累積的過程中線粒體所發(fā)揮的決定性作用，但沒有明確說明活性氧本身是否起主要作用。
許多細(xì)胞培養(yǎng)研究，特別是使用小鼠細(xì)胞的研究，需要注意的一個(gè)重要問題是，雖然包括線粒體ROS在內(nèi)的ROS肯定會(huì)在培養(yǎng)中誘導(dǎo)衰老，但這些研究中的大多數(shù)是在大是在空氣氧濃度條件下進(jìn)行的，而非生理氧濃度，這會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。因此，許多觀察到的現(xiàn)象可能是高氧狀態(tài)的潛在表型。
氧化細(xì)胞衰老的表型很大程度上取決于細(xì)胞可獲得的氧濃度，二者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，更多的氧往往會(huì)加速衰老。哺乳動(dòng)物基因組中有60多種耗氧酶，因此氧濃度是許多生物過程 (包括衰老) 的關(guān)鍵調(diào)控因素也就不足為奇了。大氣氧濃度下培養(yǎng)的鼠成纖維細(xì)胞會(huì)經(jīng)歷更為快速的衰老，因此鼠細(xì)胞對(duì)氧濃度更敏感，但如果氧濃度降低至3% (更接近在體內(nèi)基質(zhì)中觀察到的水平則) 會(huì)增加小鼠細(xì)胞的增殖能力，同時(shí)也會(huì)增加人細(xì)胞系 (例如人羊水干細(xì)胞) 復(fù)制性壽命并增強(qiáng)其干性。此外，使用誘導(dǎo)細(xì)胞周期停滯的藥物 (如nutlin-3a) 處理細(xì)胞會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞衰老，而這種衰老表型的存續(xù)也依賴于O2的存在。培養(yǎng)條件下的小鼠成纖維細(xì)胞分泌的與人相似的SASP需要較低的O2水平，并且這種SASP更接近隨年齡增長(zhǎng)所觀察到的情況。盡管有以上這些發(fā)現(xiàn)，亞生理水平的氧（即缺氧）也可以激活A(yù)MPK，AMPK可以通過mTOR抑制SASP。更廣泛地說，這些數(shù)據(jù)表明在使用大氣而不是生理氧濃度研究衰老 (以及可能的許多其他條件) 時(shí)可能出現(xiàn)假象。氧濃度因組織和物種而異，因此在研究衰老時(shí)，相關(guān)細(xì)胞類型的生理氧濃度是一個(gè)重要的考慮因素。
但不幸的是，在某些情況下高氧是必須的。例如，肺尚未發(fā)育的早產(chǎn)兒通常需要補(bǔ)充氧，但會(huì)增加兒童早期患呼吸道疾病 (如哮喘) 的風(fēng)險(xiǎn)。同樣，出現(xiàn)COVID-19嚴(yán)重癥狀的病人需要補(bǔ)充氧。用中度高氧 (40% O2) 處理胎兒氣道平滑肌細(xì)胞和肺成纖維細(xì)胞可在短短7天內(nèi)增加衰老標(biāo)志物，表明衰老細(xì)胞可能在這些疾病中發(fā)揮作用。相反，最近發(fā)現(xiàn)100%高壓氧可降低特定外周血單核細(xì)胞群的衰老標(biāo)志物，因此不同細(xì)胞類型的衰老細(xì)胞對(duì)氧的反應(yīng)可能截然不同。此外，小鼠心臟缺血-灌注模型中會(huì)積累衰老細(xì)胞，消除這些衰老細(xì)胞可明顯提高小鼠的缺血恢復(fù)效果，這表明氧的波動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致衰老和病理變化。因此，氧濃度是細(xì)胞培養(yǎng)環(huán)境中的重要考慮因素，并且可能在動(dòng)物模型和人體的特定環(huán)境下促成衰老。
NAD+代謝紊亂在衰老的過程中，NAD+在調(diào)節(jié)細(xì)胞周期停滯和SASP中起主要作用 (圖 2)。NAD+是聚ADP核糖聚合酶 (PARP) 和沉默調(diào)節(jié)蛋白家族蛋白 (SIRTs) 的主要輔因子。PARP通過防止基因毒性應(yīng)激來對(duì)抗衰老，但也會(huì)促進(jìn)衰老細(xì)胞中NF-kB的激活和分泌。事實(shí)上，上皮細(xì)胞衰老過程中PARP1的丟失與未修復(fù)的單鏈斷裂水平增加有關(guān)，這反過來又通過p38MAPK激活加強(qiáng)細(xì)胞周期停滯。同樣的，抑制煙酰胺磷酸核糖基轉(zhuǎn)移酶 (NAMPT)——可阻止NAD回補(bǔ)并降低總NAD+水平——兩者都能夠促進(jìn)衰老停滯并抑制SASP的促炎功能；這種效應(yīng)類似于MiDAS的表型。重要的是，許多組織中的NAD+水平隨著年齡的增長(zhǎng)而下降，這種下降與多種退行性疾病有關(guān)，包括與衰老相關(guān)的肌肉損失和糖尿病。
NAD+水平和NAD+/NADH 比率在衰老過程中受多種途徑控制。NAD+/NADH 的比例是通過丙酮酸在細(xì)胞質(zhì)中轉(zhuǎn)化為乳酸，或者通過蘋果酸-天冬氨酸穿梭途徑將還原性的NADH轉(zhuǎn)移到線粒體中來維持的。通過電子傳遞鏈 (eTC) 復(fù)合物 I的活性，NADH在線粒體中進(jìn)一步被氧化回NAD+。任何這些過程的中斷都會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)中NADH增加、AMPK活化以及誘導(dǎo)衰老。NAD+通過PARPs和Sirtuins發(fā)揮作用，以防止基因毒性應(yīng)激和p53激活，這會(huì)促進(jìn)衰老，但會(huì)拮抗SASP。SASP因子被衰老細(xì)胞釋放后可以與巨噬細(xì)胞上的同源受體結(jié)合，然后提高CD38的水平。而CD38作為環(huán)狀A(yù)DP核糖 (cADPR) 合成的一部分，能夠降低周圍組織中NAD+的水平。
幾種Sirtuins家族的蛋白在衰老反應(yīng)和SASP中起關(guān)鍵作用。除了拮抗MiDAS43的SIRT3和SIRT5，SIRT1、2和6在衰老中也重要作用。SIRT2使有絲分裂檢查點(diǎn)激酶BUBR1去乙酰化并穩(wěn)定其存在，BUBR1在衰老過程中會(huì)下降導(dǎo)致非整倍體的出現(xiàn) (衰老的有效驅(qū)動(dòng)力)。值得注意的是，補(bǔ)充NAD+前體煙酰胺單核苷酸 (NMN) 延長(zhǎng)了早衰BUBR1+/-小鼠的壽命。SIRT6基因敲除小鼠表現(xiàn)早衰和炎癥激活狀態(tài)，這種表型至少部分是由逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的去抑制驅(qū)動(dòng)的 (衰老也會(huì)發(fā)生這種情況)。此外，SIRT6的過表達(dá)能夠防止衰老過程中發(fā)生的同源重組丟失。最后，SIRT1在衰老過程中被自噬降解。SIRT1活性的喪失與衰老的多方面有關(guān)，包括SASP激活，細(xì)胞周期停滯，以及幾種衰老相關(guān)的退行性疾病，包括神經(jīng)變性、惡液質(zhì)、脂肪肝和動(dòng)脈粥樣硬化等。Sirtuins和PARP一起證明了NAD+消耗酶在衰老中的重要性，并幫助解釋了為什么NAD+水平隨著年齡的增長(zhǎng)而減少，會(huì)對(duì)組織造成明顯傷害。
另外值得注意的是，在衰老的過程中NAD+并不總是有益的。我們假設(shè)，由于NAD+的損失會(huì)拮抗SASP，增加的NAD+可能會(huì)產(chǎn)生相反的效果并促進(jìn)SASP。已有研究證明在衰老細(xì)胞中NAMPT和NAD+水平升高，這種上升與AMPK和p53活化減少有關(guān)，會(huì)導(dǎo)致p38MAPK和NF-kB活性增加以及促炎SASP因子的分泌。因此，NAD+可能會(huì)對(duì)抗衰老，但一旦進(jìn)入衰老階段，NAD+增加可能反而通過SASP促進(jìn)退行性病變。細(xì)胞衰老也在組織水平的NAD+代謝中起作用。SASP促進(jìn)巨噬細(xì)胞中的CD38活化。CD38在合成環(huán)狀A(yù)DP核糖 (cADPR) 期間消耗NAD+，并且是NAD+隨年齡增長(zhǎng)而消耗的主要驅(qū)動(dòng)因素。因此，衰老細(xì)胞可能會(huì)導(dǎo)致NAD+損失，從而導(dǎo)致更多衰老細(xì)胞的產(chǎn)生 (圖 1)。這種負(fù)反饋可能會(huì)導(dǎo)致多種NAD+和衰老相關(guān)的衰老相關(guān)疾病 (例如，糖尿病)。相比之下，消除衰老細(xì)胞或抑制SASP可能會(huì)保護(hù)NAD+穩(wěn)態(tài)，而抑制CD38反過來可能具有保護(hù)作用并防止隨著年齡增長(zhǎng)而衰老加劇。
如上所述，MiDAS是由細(xì)胞質(zhì)NAD+/NADH比值降低引起的，但NAD+/NADH比值降低也可在沒有線粒體功能障礙的情況下發(fā)生。例如，通過氨氧乙酸 (AOA) 抑制蘋果酸-天冬氨酸穿梭，將還原性的NADH從細(xì)胞質(zhì)運(yùn)輸?shù)骄€粒體，從而誘發(fā)衰老。穿梭酶蘋果酸脫氫酶1 (MDH1) 的缺失具有相似的表型。當(dāng)在細(xì)胞質(zhì) (ME1) 和線粒體 (ME2) 中催化NAD+依賴性蘋果酸轉(zhuǎn)化為丙酮酸的蘋果酸酶被抑制時(shí)，會(huì)發(fā)生類似的結(jié)果。這些酶與p53的相互調(diào)節(jié)，兩者的消耗都會(huì)驅(qū)動(dòng)p53依賴性衰老，但p53反過來抑制蘋果酸酶。這些研究表明，NAD+/NADH比率與p53之間的相互作用是代謝應(yīng)激條件下衰老的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。
高血糖癥大量研究表明，在高葡萄糖水平的條件下培養(yǎng)細(xì)胞會(huì)加速細(xì)胞衰老。但是因?yàn)橐寻l(fā)現(xiàn)高血糖會(huì)通過多種途徑加速衰老，所以目前還沒有統(tǒng)一的模型可以解釋所有類型的高血糖相關(guān)衰老。大多數(shù)研究集中于內(nèi)皮細(xì)胞，包括視網(wǎng)膜內(nèi)皮細(xì)胞；此外，成纖維細(xì)胞和腎上皮細(xì)胞也得到了廣泛研究。盡管如此，似乎不存在多種細(xì)胞系普適的高血糖相關(guān)衰老機(jī)制。例如，在高葡萄糖培養(yǎng)的視網(wǎng)膜內(nèi)皮細(xì)胞中誘導(dǎo)精氨酸酶1 (ARG1) 表達(dá)和激活，導(dǎo)致一氧化氮 (NO) 減少和氧化應(yīng)激升高。鏈脲佐菌素 (STZ) 誘導(dǎo)的糖尿病視網(wǎng)膜病變小鼠模型中的視網(wǎng)膜內(nèi)皮細(xì)胞以ARG1依賴性方式發(fā)生衰老，抑制ARG1活性可防止視網(wǎng)膜上皮細(xì)胞中高糖誘導(dǎo)的衰老和糖尿病誘導(dǎo)的視網(wǎng)膜衰老。但恰恰相反的是，人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞 (HUVEC) 中的報(bào)告表明，在高糖誘導(dǎo)的衰老過程中，精氨酸酶活性下降，而這種下降與NO合成減少有關(guān)。在高糖處理的HUVEC中補(bǔ)充精氨酸可以防止這些影響并拮抗衰老。通常，NO拮抗內(nèi)皮細(xì)胞衰老，因此這些細(xì)胞中葡萄糖誘導(dǎo)衰老的關(guān)鍵效應(yīng)物可能與細(xì)胞NO產(chǎn)生水平有關(guān)。這種機(jī)制不太可能是普遍存在的，因?yàn)锳RG1僅在少數(shù)細(xì)胞類型中表達(dá)，并且只有少數(shù)細(xì)胞能夠產(chǎn)生NO。
高葡萄糖也會(huì)促使成纖維細(xì)胞衰老，葡萄糖限制可以延長(zhǎng)壽命。盡管成纖維細(xì)胞產(chǎn)生NO，但它們不表達(dá)ARG1，因此尚不清楚用內(nèi)皮細(xì)胞觀察到的規(guī)律是否適用于這種細(xì)胞類型。例如，用N(G)-硝基-L-精氨酸甲酯 (L-NAME) 抑制一氧化氮合酶 (NOS) 會(huì)導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞衰老，但當(dāng)成纖維細(xì)胞與巨噬細(xì)胞共培養(yǎng)時(shí)可以對(duì)抗衰老。因此，NO在不同細(xì)胞類型的衰老反應(yīng)中的作用需要進(jìn)一步研究。
在另一項(xiàng)研究中，高糖通過降低SIRT3的水平促進(jìn)成纖維細(xì)胞的衰老，而SIRT3的過表達(dá)阻止了這種高糖誘導(dǎo)的衰老。SIRT3的丟失可以驅(qū)動(dòng)MiDAS，因此過量葡萄糖降低SIRT3是高糖誘導(dǎo)衰老的最有可能的機(jī)制。此外，高葡萄糖會(huì)加速內(nèi)皮細(xì)胞中SIRT家族的喪失，這種喪失也與衰老發(fā)生有關(guān)。由于SIRT3使線粒體蛋白脫乙酰，而高糖飲食可以增加線粒體蛋白乙?；⒔档蚇AD+/NADH比率，因此高血糖可能通過MiDAS或MiDAS類似表型驅(qū)動(dòng)衰老。
高血糖還會(huì)導(dǎo)致糖基化終產(chǎn)物 (AGEs) 的形成，這會(huì)在某些模型中導(dǎo)致衰老。例如，用外源性AGEs (例如糖化白蛋白) 處理腎近端小管上皮細(xì)胞，會(huì)以晚期糖基化終末產(chǎn)物受體 (RAGE) 依賴性方式存在引發(fā)p21或p16表達(dá)增加，同時(shí)SA-β-gal的激活相應(yīng)增加。值得注意的是，這些研究?jī)H包含治療后48小時(shí)的短期觀察結(jié)果，因此沒有考慮慢性暴露和AGE去除的影響。而且這些影響很有可能是細(xì)胞類型特異的。與之相反的是，RAGE的激活通過與p53結(jié)合并拮抗p21表達(dá)來延長(zhǎng)小鼠脂肪前體細(xì)胞的壽命。因此需要更多的研究來充分闡明AGEs與細(xì)胞衰老之間的關(guān)系。此外，將高血糖與衰老聯(lián)系起來的研究并沒有解釋SASP，因此這種衰老形式的后果仍然有些不清楚。糖尿病和衰老之間的聯(lián)系正在增加，糖尿病并發(fā)癥部位衰老細(xì)胞的增加表明這是未來研究的一個(gè)重要領(lǐng)域。
衰老細(xì)胞的代謝
衰老細(xì)胞的代謝狀態(tài)會(huì)發(fā)生一些變化 (圖3)。在這里，我們回顧了其中的一些變化，以及這些變化在衰老表型發(fā)展中的意義。
衰老細(xì)胞中游離在胞質(zhì)中的多不飽和脂肪酸增加，這些多不飽和脂肪酸可以被轉(zhuǎn)化為脂類氧化物，作為以脂質(zhì)為基礎(chǔ)的SASP的一部分。在衰老過程中，脂肪酸也會(huì)在脂滴中積累。甾醇優(yōu)先以p53依賴性方式在某些衰老細(xì)胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中積累，從而抑制甾醇反應(yīng)元件結(jié)合蛋白2 (sterol response element-binding protein 2，SReBP2) 的激活，并導(dǎo)致細(xì)胞中的甾醇合成的減少。衰老細(xì)胞中，線粒體質(zhì)量及mtDNA通常會(huì)增加，這與線粒體膜電位和ROS生成的改變有關(guān)。衰老細(xì)胞的溶酶體會(huì)變得通透，從而導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)酸化，并抑制一些自噬途徑，進(jìn)而導(dǎo)致衰老細(xì)胞中過渡金屬的累積。最后，由于衰老細(xì)胞中核糖核苷酸還原酶2的缺失，其中dNTP的水平可能較低。需要注意，衰老是一種復(fù)雜多變的現(xiàn)象，不同的衰老細(xì)胞中可能只會(huì)出現(xiàn)部分上述的代謝變化。
脂質(zhì)代謝 越來越多的證據(jù)表明衰老細(xì)胞中脂質(zhì)代謝會(huì)改變。在上述證據(jù)中的第一個(gè)發(fā)現(xiàn)是衰老細(xì)胞中鞘磷脂神經(jīng)酰胺途徑會(huì)更加活躍，尤其是該途徑中的鞘磷脂酶。另外，用衰老細(xì)胞中相似濃度的神經(jīng)酰胺處理細(xì)胞，會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞中增殖標(biāo)志物降低，并導(dǎo)致成纖維細(xì)胞及內(nèi)皮細(xì)胞中衰老標(biāo)志物的增加?？偟膩碚f，神經(jīng)酰胺和鞘氨醇促進(jìn)細(xì)胞衰老，而1-磷酸鞘氨醇 (sphingosine-1-phosphate，S1P) 則通過其同源受體促進(jìn)細(xì)胞增殖。神經(jīng)酰胺激活的蛋白磷酸酶 (PP1和PP2A) 通過使CDK2去磷酸化和特異性上調(diào)p21來促進(jìn)衰老。鞘氨醇具有類似的作用，但其機(jī)制尚不清楚。最近已有綜述文章總結(jié)了神經(jīng)酰胺、鞘脂和細(xì)胞衰老之間的關(guān)系 (https://www.jci.org/articles/view/97949)。
其他研究表明，在致癌基因誘導(dǎo)的細(xì)胞衰老中，β-氧化 (脂質(zhì)的代謝分解) 的上調(diào)對(duì)于SASP中許多促炎因子的分泌是十分重要的。此外，脂肪酸合酶 (fatty acid synthase，F(xiàn)ASN) 在衰老細(xì)胞中的增加，對(duì)于細(xì)胞周期停滯和部分SASP的分泌是必需的。衰老細(xì)胞中，與脂肪酸合成 (例如FASN)及氧化 (例如ACADS、ACADL、ACADSB、ACADVL) 相關(guān)的幾種酶表達(dá)增加，而硬脂酰輔酶A去飽和酶 (將飽和脂肪酸轉(zhuǎn)化為單不飽和脂肪酸 [monounsaturated fatty acids，MUFAs]) 則減少。這些數(shù)據(jù)表明，飽和脂肪酸可能是衰老細(xì)胞產(chǎn)生能量的重要底物。
除了提供和儲(chǔ)存能量，脂肪酸在衰老中還發(fā)揮著額外的作用。值得注意的是，在某些衰老細(xì)胞中，脂滴會(huì)隨著細(xì)胞衰老而累積。外源性脂質(zhì)優(yōu)先結(jié)合到甘油三酯中，從而在衰老細(xì)胞中形成脂滴。此外，衰老細(xì)胞中游離多不飽和脂肪酸 (free polyunsaturated fatty acid，PUFA) 水平增加，這可能是由于p38依賴性激活磷脂酶A2裂解細(xì)胞膜產(chǎn)生PUFAs。衰老細(xì)胞里更高濃度的PUFAs與甘油三酯結(jié)合，最終積聚在脂滴中。值得注意的是，在肥胖動(dòng)物模型的大腦中衰老細(xì)胞數(shù)量增加的同時(shí)，這些衰老細(xì)胞中脂滴的數(shù)量也有所增加。重要的是，清除衰老細(xì)胞也降低了這些脂滴的積累。并且，降低細(xì)胞培養(yǎng)基中的外源性脂質(zhì)的水平，可減少脂滴的積累和許多SASP因子的分泌。這些數(shù)據(jù)表明，脂滴 (或至少是脂質(zhì)) 在細(xì)胞衰老和SASP的分泌中發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。
從質(zhì)膜釋放的游離PUFAs與多種形式的細(xì)胞衰老有關(guān)。此外，在MiDAS中，二十碳五烯酸 (eicosapentanoic acid，EPA)、花生四烯酸 (arachidonic acid，AA) 、二高-γ-亞麻酸 (dihomo-γ-linolenic acid，DGLA) 和二十二碳六烯酸 (docosohexanoic acid，DHA) 等多種PUFAs的水平，高于其他形式的細(xì)胞衰老。這種升高反映了細(xì)胞可能試圖通過利用PUFAs將NADH轉(zhuǎn)化為NAD+，來維持NAD氧化還原平衡。除了在脂滴中以甘油三酯的形式積累外，游離PUFAs還會(huì)轉(zhuǎn)化為含氧信號(hào)分子，統(tǒng)稱為氧化脂類。白三烯、前列腺素和二高前列腺素等氧化脂類與細(xì)胞衰老息息相關(guān)。衰老相關(guān)的白三烯促進(jìn)肺纖維化，而清除衰老細(xì)胞則可改善這種影響。前列腺素的合成對(duì)于促進(jìn)衰老相關(guān)的細(xì)胞周期停滯至關(guān)重要，而誘導(dǎo)型前列腺素合酶2 (PTGS2或COX-2) 抑制劑處理則增加了培養(yǎng)細(xì)胞的傳代次數(shù)，并且增加了響應(yīng)基因毒性應(yīng)激誘導(dǎo)和癌基因誘導(dǎo)衰老的分裂細(xì)胞數(shù)量。
令人驚訝的是，前列腺素似乎并不是通過與前列腺素受體的相互作用來促進(jìn)衰老。相反，衰老細(xì)胞中前列腺素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 (PGT/SLCO2A1) 的表達(dá)上調(diào)，但前列腺素脫氫酶 (prostaglandin dehydrogenase，PGDH) (通過將前列腺素轉(zhuǎn)化為15-酮衍生物來使前列腺素失活) 的表達(dá)沒有相應(yīng)升高。這些代謝變化導(dǎo)致15-脫氧前列腺素的細(xì)胞內(nèi)積累，尤其是15d-PGJ2以及衰老相關(guān)的dihomo-15d-PGJ2。這些親電性的前列腺素在細(xì)胞內(nèi)具有多種活性。首先，它們通過邁克爾加成反應(yīng)與暴露的半胱氨酸反應(yīng)，來改變蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)——將碳負(fù)離子或其他親核反應(yīng)物，加成到含有吸電子基團(tuán)的α，β的不飽和羰基化合物上。Dihomo-15d-PGJ2在衰老細(xì)胞中的積累促進(jìn)了內(nèi)源性HRAS的激活，從而以類似于癌基因激活的方式促進(jìn)了細(xì)胞衰老。值得注意的是，衰老細(xì)胞的這種特性使得研究人員能夠檢測(cè)衰老細(xì)胞的清除，因?yàn)閐ihomo-15d-PGJ2的大小僅為~343 kDa，因此在細(xì)胞凋亡過程中會(huì)從細(xì)胞質(zhì)中釋放。因此，研究人員可以在在培養(yǎng)基或生物體液中檢測(cè)到dihomo-15d-PGJ2?？傊?，這些研究表明衰老和脂質(zhì)代謝間有著錯(cuò)綜復(fù)雜的聯(lián)系 (圖4)，但也強(qiáng)調(diào)了未來工作的重要性，因?yàn)樵谒ダ涎芯康谋尘跋?，脂質(zhì)代謝的許多領(lǐng)域仍未得到充分探索。
磷脂酶A2 (phospholipase A2，PLA2) 的激活導(dǎo)致PUFAs從質(zhì)膜中釋放出來，然后以甘油三酯的形式在脂滴中積累，但也作為花生四烯酸5-脂肪氧化酶 (arachidonate 5-lipoxygenase，ALOX5) 和環(huán)氧化酶2 (cyclooxygenase 2，COX-2) 等氧化脂合酶的底物，導(dǎo)致氧化脂類SASP的釋放。前列腺素轉(zhuǎn)運(yùn)體將前列腺素運(yùn)入細(xì)胞質(zhì)，其中環(huán)戊烯酮前列腺素激活RAS進(jìn)而導(dǎo)致p53激活，致使細(xì)胞周期停滯，p21和COX-2升高，增強(qiáng)氧化脂類的生物合成。
溶酶體與自噬 自噬是細(xì)胞分解其細(xì)胞器和大分子的過程，自噬過程在衰老細(xì)胞中會(huì)發(fā)生失調(diào)。衰老細(xì)胞中，特異性因子表現(xiàn)出選擇性的微自噬降解，而巨自噬過程則不太活躍。細(xì)胞中的ATG7、ATG12或LAMP2能夠抑制自噬誘導(dǎo)的衰老。這意味著衰老期間的自噬穩(wěn)態(tài)失衡可能會(huì)促進(jìn)細(xì)胞衰老并維持細(xì)胞衰老狀態(tài)。然而，自噬的激活與癌基因誘導(dǎo)的衰老有關(guān)，過表達(dá)ULK3也會(huì)促進(jìn)細(xì)胞衰老。衰老和自噬之間關(guān)系的復(fù)雜性是最近許多綜述文章討論的主題。
值得注意的是，許多衰老細(xì)胞出現(xiàn)溶酶體功能失調(diào)。SA-β-gal在衰老細(xì)胞中的上調(diào)可能是由于溶酶體功能障礙。最近的研究結(jié)果表明，衰老細(xì)胞中溶酶體的通透性增加，這種增加導(dǎo)致溶酶體酸度喪失，同時(shí)促進(jìn)了細(xì)胞質(zhì)酸化。為了抵抗溶酶體通透性的增加，衰老細(xì)胞往往會(huì)通過增加谷氨酰胺酶1 (glutaminase 1，GLS1) 的表達(dá)來上調(diào)谷氨酰胺分解，增加氨的產(chǎn)生并中和細(xì)胞質(zhì)酸度。抑制GLS1可清除體外培養(yǎng)的或體內(nèi)的衰老細(xì)胞，并改善與衰老相關(guān)的器官功能障礙指標(biāo)。因此，衰老細(xì)胞中溶酶體功能障礙雖然有害，但卻是衰老細(xì)胞可以被靶向清除的一個(gè)靶標(biāo)。
過渡金屬穩(wěn)態(tài)失衡 過渡金屬——占據(jù)元素周期表中心的二價(jià)陽離子——在細(xì)胞的生物學(xué)過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。但是，研究人員才剛剛開始探究這些金屬離子在細(xì)胞衰老中的作用。令人驚訝的是，研究人員發(fā)現(xiàn)衰老細(xì)胞中過渡金屬的水平比非衰老細(xì)胞或永生化細(xì)胞中要高的多。這些過渡金屬包括鐵、錳和鋅，其部分研究也發(fā)現(xiàn)了銅等過渡金屬在衰老細(xì)胞中的累積。
鐵 大多數(shù)細(xì)胞中的鐵的濃度受到嚴(yán)格調(diào)控。鐵離子是氧運(yùn)輸、呼吸和氧化磷酸化過程所必需的離子。然而，過多的未結(jié)合或“不穩(wěn)定”的鐵離子會(huì)催化ROS和過氧化脂質(zhì)的產(chǎn)生，從而驅(qū)動(dòng)細(xì)胞中有毒性的生物學(xué)過程，包括鐵依賴性細(xì)胞死亡形式——鐵死亡。過多的鐵離子被鐵蛋白拮抗，鐵蛋白以非活性形式螯合鐵離子。衰老細(xì)胞通過增加轉(zhuǎn)鐵蛋白受體來攝入更高水平的鐵離子，然后將結(jié)合了鐵離子的轉(zhuǎn)鐵蛋白內(nèi)吞。衰老細(xì)胞中鐵蛋白的水平增加，將大部分?jǐn)z入的鐵離子結(jié)合為非活性狀態(tài)。由于鐵通過靶向自噬（鐵蛋白自噬小體）從鐵蛋白中釋放出來，而衰老細(xì)胞往往存在自噬受損和溶酶體功能障礙，因此衰老細(xì)胞中鐵的積累至少部分是由于鐵蛋白降解失敗導(dǎo)致的。雖然鐵代謝蛋白水平表明，在衰老過程中，不穩(wěn)定的鐵離子可能會(huì)減少，但是迄今為止還沒有直接測(cè)量衰老細(xì)胞中不穩(wěn)定鐵離子的報(bào)道。如果在衰老期間不穩(wěn)定鐵離子減少，那么這可能解釋了衰老細(xì)胞對(duì)鐵死亡的抗性。因?yàn)槿狈Σ环€(wěn)定的鐵離子會(huì)抑制鐵催化的脂質(zhì)過氧化。然而，雷帕霉素對(duì)衰老細(xì)胞的鐵死亡抗性沒有影響，該領(lǐng)域還需要進(jìn)行更多研究。
銅 銅是多種酶 (包括超氧化物歧化酶、神經(jīng)遞質(zhì)合成酶、胺氧化酶、銅藍(lán)蛋白和賴氨酰氧化酶) 活性所需的必需微量元素。過量的銅可以通過下調(diào)Bmi-1蛋白來促進(jìn)人成纖維細(xì)胞和人膠質(zhì)母細(xì)胞瘤細(xì)胞衰老 (這些研究中銅離子和氧濃度的水平都是超過正常生理水平的)。與鐵相似，銅也會(huì)在衰老細(xì)胞中積累。這種積累是由于溶酶體對(duì)銅伴侶蛋白自噬降解缺陷所致，這一點(diǎn)與鐵離子非常相似。然而，由于銅依賴性抗氧化酶 (例如，超氧化物歧化酶和谷胱甘肽還原酶)在細(xì)胞衰老過程中增加，并且可以延緩細(xì)胞衰老。這種增加可能是抵抗衰老細(xì)胞中更高氧化水平環(huán)境的補(bǔ)償機(jī)制。與鐵離子非常相似，雷帕霉素消除了衰老細(xì)胞中部分銅離子的積累，表明該過程受自噬調(diào)節(jié)，但這種干預(yù)的后果尚不清楚。
鋅 鋅離子因其在生物體內(nèi)有許多關(guān)鍵用途而著稱。與鐵和銅不同，鋅不會(huì)催化脂質(zhì)過氧化物形成自由基。因此，與鐵和銅相比，鋅的毒性更小，氧化還原活性更強(qiáng)。盡管如此，秀麗隱桿線蟲中鋅離子的濃度與其壽命成反比。衰老細(xì)胞中鋅的含量也會(huì)增加，并且通常高于鐵或銅的含量。并且，過量的鋅會(huì)促進(jìn)培養(yǎng)的血管平滑肌細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和成纖維細(xì)胞的衰老。盡管這些研究表明衰老過程中過渡金屬水平會(huì)升高，但尚未將衰老細(xì)胞功能的改變歸因于鐵、銅或鋅的積累。根據(jù)這些金屬的過載會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞衰老的現(xiàn)象，我們可以進(jìn)一步推測(cè)，這些金屬離子的積累可能會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞周期的停滯，從而將衰老細(xì)胞維持在不可逆的生長(zhǎng)停滯狀態(tài)。
衰老和dNTP合成由于衰老細(xì)胞不分裂，它們的脫氧核苷三磷酸 (deoxynucleoside triphosphates, dNTPs) 主要用于DNA修復(fù)和線粒體DNA合成。核糖相關(guān)的ATP、GTP和CTP通過核糖核酸還原酶 (ribonucleotide reductase，RRM2) 轉(zhuǎn)化為dNTPs。在衰老過程中，RRM2水平下降。當(dāng)致癌RAS誘發(fā)衰老時(shí)，會(huì)出現(xiàn)RRM2耗盡的情況，這一過程先于生長(zhǎng)阻滯，發(fā)生在細(xì)胞周期阻滯之前的高增殖期。在缺乏dNTPs的情況下，細(xì)胞增殖會(huì)導(dǎo)致復(fù)制叉崩潰、DNA雙鏈斷裂和細(xì)胞周期阻滯。如果加入外源性dNTPs，可使該模型繼續(xù)增殖。消除p53或p16使細(xì)胞通過磷酸戊糖途徑處理代謝物，可以增加核苷酸合成，從而繞過致癌RAS誘導(dǎo)的細(xì)胞衰老。值得注意的是，RAS激活會(huì)拮抗hippo通路的轉(zhuǎn)錄因子YAP/TAZ。激活hippo通路可恢復(fù)RRM2的表達(dá)，進(jìn)一步使細(xì)胞逃逸RAS誘導(dǎo)的衰老。這些發(fā)現(xiàn)表明，衰老細(xì)胞的DNA代謝受多種外部因素影響。
靶向衰老和代謝的干預(yù)
如上所述，衰老與新陳代謝有著錯(cuò)綜復(fù)雜的聯(lián)系。因此，針對(duì)代謝的干預(yù)可能會(huì)降低衰老細(xì)胞的積累或減弱衰老細(xì)胞的表型，如SASP。相對(duì)的，以衰老細(xì)胞為靶點(diǎn)進(jìn)行干預(yù)將會(huì)延緩代謝紊亂的發(fā)生發(fā)展，例如使用senolytic（圖1右圖）。在本節(jié)中，我們將探索其中的一些關(guān)聯(lián)。
作為代謝調(diào)節(jié)劑的Senolytics對(duì)轉(zhuǎn)基因小鼠使用選擇性殺傷衰老細(xì)胞的藥物 (senolysis/senolytic藥物) 的研究表明，衰老細(xì)胞促進(jìn)了許多與衰老相關(guān)的疾病，從而限制壽命和健康壽命。Senolysis可預(yù)防幾種疾病，包括慢性腎臟疾病、骨質(zhì)減少和骨關(guān)節(jié)炎。衰老細(xì)胞也促進(jìn)腫瘤發(fā)生，包括癌癥復(fù)發(fā)和抗癌化療的幾種副作用。因此，衰老細(xì)胞在某些方面促進(jìn)代謝性疾病也就不足為奇了。
衰老細(xì)胞促進(jìn)糖尿病和糖尿病的退行性并發(fā)癥。糖尿病可由胰腺細(xì)胞衰老驅(qū)動(dòng)，促進(jìn)胰島炎和I型糖尿病。肥胖小鼠體內(nèi)的外周衰老細(xì)胞也可能導(dǎo)致胰島素抵抗和2型糖尿病。令人驚訝的是，在小鼠胰腺β細(xì)胞中通過轉(zhuǎn)基因過表達(dá)p16INK4a會(huì)增加衰老細(xì)胞的數(shù)量，同時(shí)使胰島素分泌的增加，所以衰老過程可能反映了高血糖水平的代謝補(bǔ)償。同樣，胰島素抵抗可以導(dǎo)致高胰島素血癥，促進(jìn)β細(xì)胞衰老，這提示了外周血衰老細(xì)胞與胰腺衰老相互促進(jìn)。就血糖水平或糖尿病引起的并發(fā)癥而言，senolytic治療均可改善健康狀況。總之，這些研究表明，抑制衰老細(xì)胞產(chǎn)生是干預(yù)糖尿病及其相關(guān)疾病的重點(diǎn)。
飲食干預(yù)與衰老多種飲食干預(yù)可以限制衰老細(xì)胞的積累。熱量限制 (Calorie restriction，CR) 是最早被確定的延長(zhǎng)壽命的干預(yù)措施之一。因此，當(dāng)發(fā)現(xiàn)衰老細(xì)胞可以限制壽命時(shí)，CR和細(xì)胞衰老似乎被聯(lián)系在一起。在小鼠和人類中，CR會(huì)降低結(jié)腸和腹股溝白色脂肪組織中的衰老標(biāo)志物。CR可防止老年動(dòng)物腎臟的衰老，而高熱量飲食則可加速衰老。
其他飲食干預(yù)措施同樣可以延長(zhǎng)健康壽命，或者延長(zhǎng)壽命中位數(shù)和最大壽命。這些干預(yù)措施包括蛋氨酸限制和生酮飲食。蛋氨酸限制可降低衰老標(biāo)志物和SASP，而給小鼠注射β-羥基丁酸鹽 (生酮飲食產(chǎn)生的主要酮體) 可降低血管平滑肌和內(nèi)皮細(xì)胞的衰老標(biāo)志物。這些結(jié)果表明，飲食干預(yù)可以創(chuàng)造一個(gè)有利的代謝狀態(tài)，這種狀態(tài)可以限制衰老細(xì)胞的積累。
影響衰老細(xì)胞的代謝干預(yù)如上所述，高血糖會(huì)導(dǎo)致衰老。因此，糖尿病可能是衰老的前兆，通過降低血糖的干預(yù)方式可以拮抗衰老細(xì)胞的形成。事實(shí)上，在小鼠誘發(fā)糖尿病后的4周內(nèi)，腎臟近端小管細(xì)胞就會(huì)衰老，而通過胰島素降低葡萄糖水平或通過抑制鈉-葡萄糖共轉(zhuǎn)運(yùn)體SGLT2的活性抑制葡萄糖進(jìn)入細(xì)胞，能阻止衰老細(xì)胞數(shù)量的增加。與此類似，阿卡波糖能通過拮抗腸道碳水化合物吸收降低血糖，從而延長(zhǎng)小鼠壽命，還可以在家兔模型上防止飲食引起的動(dòng)脈粥樣硬化。另一種抗糖尿病藥物二甲雙胍 (metformin) 可以延長(zhǎng)小鼠的壽命和健康期，這種藥物正在進(jìn)行首次臨床試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)衰老普遍特征的變化。二甲雙胍可拮抗小鼠永生成肌細(xì)胞中神經(jīng)酰胺引起的衰老，也可延長(zhǎng)人成纖維細(xì)胞和間充質(zhì)干細(xì)胞的復(fù)制壽命。此外，二甲雙胍通過干擾NF-kB的激活，降低了多種SASP因子的水平 (包括許多促炎細(xì)胞因子)。在椎間盤退行性病變和慢性腎臟疾病的小鼠模型上，二甲雙胍對(duì)細(xì)胞衰老具有保護(hù)作用。因此，二甲雙胍可以在多個(gè)水平上干擾衰老，它可能是在衰老和SASP上最典型的代謝干預(yù)分子。
動(dòng)脈粥樣硬化，他汀類藥物和衰老他汀類藥物，如辛伐他汀，在老年人中被廣泛用于預(yù)防膽固醇水平升高和動(dòng)脈粥樣硬化相關(guān)并發(fā)癥，如中風(fēng)和心臟病。這些藥物通過抑制β-羥基β-甲基戊二酰輔酶A (β-hydroxy β-methylglutaryl-coenzyme A，HMG-CoA) 還原酶來阻止膽固醇的合成，HMG-CoA還原酶是甲羥戊酸途徑中膽固醇生物合成的限速酶。他汀類藥物通過降低內(nèi)皮祖細(xì)胞中的衰老標(biāo)志物來防止細(xì)胞衰老過程中的生長(zhǎng)停滯，這一過程依賴于法尼基焦磷酸鹽和香葉基焦磷酸鹽水平的降低。他汀類藥物還能在衰老的成纖維細(xì)胞中，抑制促炎SASP在許多方面的影響，但與內(nèi)皮祖細(xì)胞一樣，這種作用與藥物的降膽固醇特性無關(guān)。相反，抑制HMG-CoA還原酶會(huì)降低法尼基輔酶A和香葉酰輔酶A的水平。這兩種輔酶A又是rho型GTP酶（包括SASP所需的RAS和RAC）在膜定位和激活過程中所必須的。由于p16陽性 (細(xì)胞衰老標(biāo)志基因) 的泡沫樣內(nèi)膜細(xì)胞可以加重動(dòng)脈粥樣硬化的有害表型，因此他汀類藥物可能具有除調(diào)節(jié)膽固醇外的抗動(dòng)脈粥樣硬化特性。然而，他汀類藥物也可以作為輻射增敏劑，增加癌細(xì)胞在輻射下的衰老。因此，他汀類藥物的效果很可能具有環(huán)境特異性。令人驚訝的是，在衰老過程中p53的激活限制了甲羥戊酸和膽固醇的合成途徑，這一過程可能是p53激活抑制SASP的機(jī)制。因此，衰老、膽固醇和動(dòng)脈粥樣硬化之間的關(guān)系可能比以前認(rèn)為的更加復(fù)雜。
衰老的運(yùn)動(dòng)干預(yù)盡管許多研究都強(qiáng)調(diào)運(yùn)動(dòng)對(duì)健康的益處，以及隨著年齡的增長(zhǎng)，運(yùn)動(dòng)可以改善健康壽命，但迄今為止，很少有研究證明運(yùn)動(dòng)可以延長(zhǎng)壽命 (小鼠模型)；只有一項(xiàng)老年運(yùn)動(dòng)研究表明可以延長(zhǎng)壽命。有證據(jù)表明，運(yùn)動(dòng)可以防止衰老以及老年小鼠血清和心臟中的部分促炎SASP因子的積累。更值得注意的是，運(yùn)動(dòng)可以抵消飲食引起的衰老和小鼠脂肪和肝臟組織中的SASP，這表明運(yùn)動(dòng)最有益的方面可能并不適用于健康的動(dòng)物，而是那些可能發(fā)生代謝性疾病的動(dòng)物。在人類中，運(yùn)動(dòng)和活動(dòng)與內(nèi)皮細(xì)胞和白細(xì)胞衰老標(biāo)志物減少有關(guān)。這些數(shù)據(jù)表明，運(yùn)動(dòng)可以抵消不良飲食和久坐等生活方式帶來的衰老相關(guān)的有害影響。
衰老的脂肪細(xì)胞會(huì)導(dǎo)致胰島素抵抗，從而導(dǎo)致高血糖，而高血糖反過來又會(huì)促進(jìn)更多的脂肪組織衰老。高血糖還會(huì)迫使胰腺β細(xì)胞過度分泌胰島素。這種壓力導(dǎo)致β細(xì)胞衰老、胰島素血癥以及進(jìn)一步的高血糖。高血糖還會(huì)導(dǎo)致視網(wǎng)膜和腎臟等周圍組織的衰老，加重糖尿病并發(fā)癥。
結(jié) 論
正如這篇文章所指出的，衰老細(xì)胞和全身代謝之間的相互作用是動(dòng)態(tài)的。衰老細(xì)胞會(huì)破壞多種組織的代謝穩(wěn)態(tài)，而這些變化反過來又會(huì)促進(jìn)衰老，形成惡性循環(huán)，從而導(dǎo)致各種代謝疾病的發(fā)生。這個(gè)循環(huán)發(fā)生在NAD+的環(huán)境中，其中SASP促進(jìn)CD38依賴的NAD+被免疫細(xì)胞分解，而降低的NAD+水平反過來可以促進(jìn)衰老 (圖2)。同樣，外周細(xì)胞衰老會(huì)導(dǎo)致胰島素抵抗，而胰島素抵抗反過來又會(huì)導(dǎo)致胰腺β細(xì)胞的應(yīng)激和衰老。這種惡性循環(huán)導(dǎo)致血糖升高，眼睛和腎臟衰老，最終導(dǎo)致糖尿病并發(fā)癥 (圖5)。這些反饋的惡性循環(huán)需要能打破循環(huán)的干預(yù)才能改善。
針對(duì)衰老細(xì)胞及其退行性疾病有三種類型的干預(yù)。首先，我們可以減緩衰老細(xì)胞的形成，就像在飲食限制和類似干預(yù)中觀察到的那樣。其次，我們可以允許衰老細(xì)胞積累，但防止它們?cè)斐蓚Γ缭诙纂p胍介導(dǎo)的SASP抑制或CD38抑制后所觀察到的。最后，我們可以用senolysis去除衰老細(xì)胞。與前兩種干預(yù)方法不同，senolysis可以間歇使用。采用一種“打了就跑”的使用方式，使senolysis更容易在人身上使用，而飲食和抑制藥物療法需要定期堅(jiān)持，以保持療效。
在衰老細(xì)胞中觀察到的代謝變化也暗示了衰老相關(guān)疾病可能是由衰老細(xì)胞驅(qū)動(dòng)的。例如，最近的研究表明，哺乳動(dòng)物在出生前衰老細(xì)胞就存在于絨毛膜上，這些細(xì)胞發(fā)出信號(hào)促進(jìn)分娩?？紤]到前列腺素E2 (prostaglandins E2，PGE2) 和F2α (prostaglandins F2α，PGF2α) 會(huì)促進(jìn)分娩，衰老相關(guān)的前列腺素可能是人類正常分娩 (或早產(chǎn)) 所需要的一部分。前列腺素也有其他作用，如PGD2在睡眠啟動(dòng)中的重要作用。考慮到許多人隨著年齡的增長(zhǎng)而經(jīng)歷睡眠中斷，很容易推測(cè)衰老細(xì)胞可能產(chǎn)生額外的PGD2，從而導(dǎo)致與衰老相關(guān)的睡眠中斷。
最后，衰老是人類營(yíng)養(yǎng)攝入的一個(gè)主要后果，而營(yíng)養(yǎng)干預(yù)可以預(yù)防許多與衰老相關(guān)的疾病。在長(zhǎng)壽和衰老中常量營(yíng)養(yǎng)元素的作用已經(jīng)比較清楚，但對(duì)關(guān)鍵微量營(yíng)養(yǎng)元素的營(yíng)養(yǎng)不良如何誘導(dǎo)衰老過程卻知之甚少。例如，膽堿缺乏常見于美國(guó)老年人中，是肝脂肪變性的一個(gè)驅(qū)動(dòng)因素。然而這種情況也會(huì)在衰老過程中由衰老細(xì)胞引起。因此，營(yíng)養(yǎng)與衰老之間的關(guān)系是未來探索的沃土，這無疑將是需要進(jìn)一步研究的主題。
誠(chéng)然，新陳代謝和細(xì)胞衰老之間相互作用的許多方面還需要進(jìn)一步的研究。然而，令人鼓舞的是，現(xiàn)代生物學(xué)的新興工具，包括單細(xì)胞技術(shù)，系統(tǒng)生物學(xué)和人工智能，使人們更容易深入了解這種復(fù)雜的相互作用，這無疑將在未來促進(jìn)人們更有效地干預(yù)衰老相關(guān)的代謝疾病。
責(zé)編：季乾昭
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