細胞生物學/細胞衰老

細胞衰老的概念

細胞衰老(cellular aging或cell senescence)是指隨着時間的推移，細胞的增殖能力和生理功能逐漸發生衰退的變化過程。衰老的細胞呈現出一種不可逆的生長停滯狀態，其最終結果將導致細胞死亡。細胞衰老是生物個體衰老的細胞基礎，個體的自然衰老並不是疾病，但它與許多老年性疾病緊密關聯。

細胞衰老與機體的衰老既有區別又有聯繫

機體衰老是指絕大多數生物性成熟以後，機體形態結構和生理功能逐漸退化或老化的過程，是一個受發育程序、環境因子等多種因素控制的、不可逆的生物學現象。機體的衰老與其物種的壽命密切相關。對多細胞生物來說，細胞的衰老與機體的衰老是兩個不同的概念。個別細胞，甚至機體局部許多細胞的衰老與死亡並不影響機體的壽命；同樣，機體衰老並不代表所有細胞的衰老，如70歲老人的生精細胞仍可以活躍地發生。同時，機體衰老與細胞衰老之間又有着密切的聯繫。個體的衰老是建立在總體細胞衰老的基礎上的，各種衰老都有其細胞學基礎，如老年人運動功能衰退與其體內的運動神經元的衰老密切相關。細胞是組成生物有機體的基本結構和功能單位，也是機體衰老的基本單位。因此，機體衰老是以細胞總體的衰老為基礎的，細胞總體的衰老反映了機體的衰老。為此，闡明機體衰老機制必須從細胞衰老機制研究入手。

機體內各類細胞的壽命不同

在成年體內的組織器官中總有細胞不斷地衰老，不同類型細胞的壽命很不一致。除於細胞外，根據壽命情況將細胞分為三類：第一類細胞的壽命接近於動物的整體壽命，如神經元、脂肪細胞、肌細胞等；第二類是緩慢更新的細胞，其壽命比機體的壽命短，如肝細胞、胃壁細胞等；第三類是快速更新且壽命較短的細胞，如皮膚的表皮細胞、紅細胞和白細胞等。一般情況下，體內更新較快的細胞，其壽命較短。體內基本不更新的細胞，在分化成熟後可以保持與機體相同的壽命。細胞壽命除與細胞的種類有關外，也受到內、外環境條件的影響。

細胞在體外培養條件下的壽命

離體(in vitro )細胞與在體(in vivo )細胞一樣，也有一定的壽命。對於體外培養的細胞，其壽命長短取決於培養細胞的平均代數，並與所取培養細胞的組織年齡、種屬等特性密切相關。1961年，Hayflick首次報道了體外培養的人成纖維細胞(fibroblast)具有增殖分裂的極限，即Hayflcik界限(Hay-flick life span)。他利用來自胚胎和成體的成纖維細胞進行體外培養，發現胚胎的成纖維細胞分裂傳代50次後，進入生長停滯狀態；而來自成年組織的成纖維細胞只能培養15～30代就開始出現生長停滯。Hayflick等還發現，動物體細胞在體外可傳代的次數，與物種的壽命有關。同時，細胞分裂能力與個體的年齡有關。由於上述規律是Hayflick發現的，故稱為Hayflick界限。

細胞衰老的表現

細胞衰老的主要表現是對環境變化的適應能力，以及維待細胞內環境穩定的能力降低。這些都是以細胞的形態結構和生化方面的改變為基礎的。

細胞衰老伴隨着形態學改變

衰老細胞的形態變化主要表現在細胞皺縮、膜通透性和脆性增加、核膜內陷和細胞器數量減少，特別是線粒體數量減少，胞內出現脂褐素等異常物質沉積，最終出現細胞凋亡或壞死。通常衰老細胞的各種結構呈退行性變化。

細胞衰老過程中有生物大分子和代謝的改變

衰老細胞會出現脂類、蛋白質和DNA等細胞成分損傷，細胞代謝能力降低，主要表現在以下方面：

DNA：複製與轉錄受到抑制，但也有個別基因會異常激活，端粒DNA丟失，線粒體DNA特異性缺失，DNA氧化、斷裂、缺失和交聯，甲基化程度降低。
RNA：mRNA和tRNA含量降低。
蛋白質：含量下降，細胞內蛋白質發生糖基化、氨甲醯化、脫氨基等修飾反應，導致蛋白質的穩定性、抗原性和可降解性下降，自由基使蛋白質膚鍵斷裂，交聯而變性。胺基酸由左旋變為右旋。
酶分子：活性中心被氧化，金屬離子Ca²⁺, Zn²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺等丟失，酶分子的二級結構、溶解度和等電點發生改變，總的效應是酶失活；但β-半乳糖苷酶(senescence-associated β-galactosidase, SA-βgal)活性增強。
脂類：不飽和脂肪酸被氧化，引起膜脂之間或與脂蛋白之間交聯，膜的流動性降低。

細胞衰老的學說與機制

由於衰老是一個十分複雜的生命現象，又受到多種因素包括環境因素和體內因素的影響，任一角度的闡述都難以使衰老機製得到圓滿解釋，因而仍未形成較為一致的觀點。目前，關於細胞衰老的機制仍然是假說眾多，但有關衰老的分子研究還是取得了較多進展。

有許多學說詮釋細胞衰老過程

遺傳決定學說認為衰老是遺傳上的程序化過程

該學說認為衰老是遺傳上的程序化過程，其推動力和決定因素是遺傳的基因組；控制生長發育和衰老的基因都在特定時期有序地開啟和關閉。在人類，有兩個典型的例子：一個是患嬰幼兒早衰症(Hutchinson-Gilford syndrome)的兒童，患兒很早就出現明顯的衰老症狀，12～18歲即過早夭折。該病是由於編碼核膜蛋白的基因突變所引起的，為常染色體隱性遺傳疾病；另一個是成人早衰症(Werner syndrome), 病人平均39歲時出現衰老，47歲左右生命結束。體外培養的成人早衰症患者的成纖維細胞與正常人的成纖維細胞相比，只分裂了較少的次數就發生了衰老和死亡，人們發現引起該病的基因與DNA的解旋有關（患者的DNA不能夠正常修復）。這些都促使人們推測，衰老在一定程度上是由遺傳決定的。
迄今在人和動物體內已發現了多個與衰老有關的基因，根據其功能，可區分為衰老基因和抗衰老基因兩大類。
細胞衰老時，一些衰老相關基因(senescence associated gene)的表達水平顯著高於年輕細胞。在人的1、2、4、6、7、11、18及X號染色體上都存在有這類基因，它們可使永生化細胞逆轉而衰老，其丟失或激活可引起細胞永生化。例如：MORF4(mortality factor from chromosome 4)基因，它能表達一種與細胞衰老死亡有關的轉錄因子，該基因突變可導致細胞永生化，將MORF4基因片段導入到缺失MORF4基因的永生化細胞後，可使永生化細胞衰老；p16 基因，其基因產物是細胞周期依賴性激酶抑制因子，研究發現，細胞衰老時，pl6 基因mRNA的轉錄及蛋白質表達水平增高，p16 表達增強將使細胞壽命縮短，抑制p16 基因的表達，細胞的壽命則延長。由此，p16 被視為細胞壽命的關鍵調控基因，是人類細胞衰老遺傳控制程序中的關鍵效應物。
抗衰老基因也稱長壽基因(longevity gene)。研究人員將蛋白質生物合成延長因子－1α(EF-1α）基因轉入果蠅生殖細胞，結果發現子代果蠅的壽命延長了40%,說明EF-lα具有長壽作用。在酵母中發現了一種sgsl 基因突變體，其壽命明顯短於野生型酵母，sgsl 基因的編碼產物為DNA解旋酶。前述提到的Werner早衰症，其體內8號染色體上編碼DNA解旋酶的基因發生了突變，稱為WRN 基因，該基因與酵母中的sgsl 基因同源，均是保證DNA複製所必需的基因，它們突變將引起衰老提前和壽命縮短。此外，還發現了一些抗衰老相關基因，例如，Klotho 基因和SIRT1 基因。Klotho 基因缺陷的小鼠，在出生後4周左右即可出現一系列類似人類的早衰症狀，Klotho 基因的突變和低表達會引起衰老和相關性老年病；SIRT1 基因則與清除體內的膽固醇有關，被認為是能延長壽命的基因。

自由基學說認為活性氧基團導致細胞損傷和衰老

自由基是指那些在原子核外層軌道上具有不成對電子的分子或原子基團。所謂未成對電子，是指在原子或分子軌道中未與其他電子配對而獨佔一個軌道的電子。如A、B兩個原子各提供一個電子通過共價鍵形成一個分子A:B，這兩個電子是配對的。如果在化學反應中發生了均裂，A和B各帶走一個電子，它們就是未成對電子。A·和B·就稱為自由基。

A:B→A·+·B

在正常條件下，人體內自由基的產生有兩方面：一是環境中的高溫、輻射、光解、化學物質等引起的外源性自由基；二是體內各種代謝反應產生的內源性自由基。內源性自由基是人體自由基的主要來源，其產生的主要途徑有：①由線粒體呼吸鏈電子泄漏產生；②由經過氧化物酶體的多功能氧化酶(MFO)等催化底物脛化產生。此外，機體血紅蛋白、肌紅蛋白中還可通過非酶促反應產生自由基。自由基是一類高度活化的分子，當這種分子與其他物質反應時，力圖得到電子，而對細胞及組織產生十分有害的生物效應。由於自由基活性強，容易與細胞內的生物大分子發生反應，過多的自由基會對許多細胞組分造成損傷。它們能使質膜中的不飽和脂肪酸氧化，從而使膜內酶活性破壞、膜蛋白變性、膜脆性增加、膜結構發生改變，因而膜的運輸功能紊亂以致喪失；它們還能將蛋白質中的巰基氧化而造成蛋白質發生交聯、變性，使酶失活。另外，它們還能使DNA鏈斷裂、交聯、鹼基羥基化、鹼基切除等，從而對DNA造成損傷。有學者認為，在衰老的原因中，99%是由自由基造成的。老年人皮膚上的老年斑(age spots)就是自由基對細胞破壞的見證。

端粒鍾學說認為端粒隨細胞分裂不斷縮短為衰老的主要原因

端粒(telomere)是染色體末端的一種特殊結構，其DNA由簡單的串聯重複序列組成。人的染色體端粒由TTAGGG/CCCTAA重複序列組成。在細胞分裂過程中，由於端粒不能為DNA聚合酶完全複製而逐漸變短，除非有端粒酶的存在。端粒酶是一種由RNA和蛋白質組成的核糖核蛋白酶，常見於生殖細胞和腫瘤細胞等細胞中，而正常的體細胞中則缺乏端粒酶或端粒酶活性很低。
1990年，Harley等用人工合成的(TTAGGG)₃作為探針，測定了不同年齡段的人成纖維細胞中的端粒長度，結果發現端粒長度隨年齡增長而下降。在體外培養的成纖維細胞中，端粒長度也隨分裂次數的增加而下降。在這些研究的基礎上形成了細胞衰老的「有絲分裂鍾」學說，或稱「端粒鍾(telomere clock)學說」。該學說認為，正常情況下，隨着細胞的不斷分裂，染色體末端的特殊結構「端粒」會逐漸縮短當端粒縮短到一定程度時，細胞增殖停滯，發生細胞衰老。1998年，Wright等提供了更令人信服的證據，他們將人的端粒反轉錄酶亞基(hTRT)基因通過轉染，引入正常的人二倍體細胞（人視網膜色素上皮細胞和成纖維細胞），發現表達端粒酶的轉染細胞分裂旺盛，端粒長度明顯增加，作為細胞衰老標誌的[3-半乳糖節酶活性則明顯降低，這些與對照細胞存在鮮明的差異，而且表達端粒酶的細胞壽命比正常細胞至少長20代，且其核型正常。此外，對提前衰老的複製羊"Dolly"的研究發現，其細胞中端粒的長度較同齡羊縮短20%。這些研究表明，端粒長度的確與衰老有着密切的關係。目前將端粒縮短誘發的細胞衰老稱為複製性衰老(replicative senescence)。
當然也有一些不支持這一學說的報道，在二倍體的倉鼠胚細胞分裂的各個階段，細胞始終表達端粒酶，其端粒長度亦保持恆定，然而經過20～30代的分裂後，細胞仍然進入衰老；某些小鼠終生保持較長的端粒，但並未因此獲得較長的壽命。特別是剔除端粒酶基因的小鼠，在其前5代中，並未觀察到壽命縮短的現象。
儘管如此，目前人們根據端粒與端粒酶在細胞衰老上的研究成果，已將細胞衰老區分為兩大類：一類是與端粒、端粒酶直接相關的複製性衰老；另一類是氧化應激誘導的非端粒依賴性衰老，也被稱為早熟性衰老(premature senescence)。有研究者認為，某些終生保持較長端粒小鼠的衰老即屬於氧化應激誘導的非端粒依賴性衰老。

細胞代謝廢物累積可引起細胞衰老

代謝廢物累積(waste product accumulation)學說是指由於細胞功能下降，一方面細胞不能將代謝廢物及時排出胞外，另一方面又不能將其降解與消化，這樣代謝廢物越積越多，在細胞中佔據的空間越來越大，影響細胞代謝廢物的運輸，以致阻礙了細胞的正常生理功能，最終引起細胞的衰老。哺乳動物脂褐質的沉積是一個典型的例子。脂褐質是一些長壽命的蛋白質和DNA、脂類共價縮合形成的巨交聯物，次級溶酶體是形成脂褐質的場所，由於脂褐質結構緻密，不能被徹底水解，又不能排出細胞，結果在細胞內沉積增多，阻礙細胞的物質交流和信號傳遞，最後導致細胞衰老。在老年性痴呆患者腦組織中有大械B澱粉樣蛋白沉積，而β-澱粉樣蛋白可作為老年性痴呆的鑑定指標。

基因轉錄或翻譯差錯導致細胞衰老

隨着年齡的增長，機體的細胞內不但DNA複製效率下降，而且常會發生核酸、蛋白質、酶等大分子的合成差錯，這種逐漸累積的差錯最終引起細胞功能降低，並逐漸導致細胞衰老、死亡，這就是細胞衰老的基因轉錄或翻譯差錯學說。

其他學說

除了上述學說外，還有「神經免疫網絡論」、「鈣調蛋白學說」、「微量元素學說」等。

複製性細胞衰老和氧化應激誘導的非端粒依賴性細胞衰老的調控

細胞衰老的主要變化是細胞進入一種不可逆的生長停滯狀態。迄今對細胞衰老分子機制的認識，主要來源於對細胞衰老過程中細胞增殖周期停滯在G₁期和S期的銜接期機制的研究。G₁-S 期是真核細胞周期中重要的限制調控點，其中G₁期限制點是增殖細胞唯一能夠接受外界增殖和抑制信息的調控點。DNA複製發生在S期，在M期發生染色體的分離和胞質分裂，M期之後，細胞重返G₀期而撤離細胞周期。研究表明，未能通過G₁/S 檢查點的細胞也將退出細胞周期，並走向衰老。
目前認為，主要有兩條途徑調控細胞的衰老：一是複製性衰老的調控，它依賴於p53→p21、pRb→E2F信號通路的調控；二是氧化應激誘導的非端粒依賴性細胞衰老，它受ERK→p38MAPK→p16→pRb信號通路的調控。在複製性衰老中，當細胞染色質末端端粒顯著縮短時，p53被激活，促進p21^cipl/Wafl 基因轉錄，p2l^cipl/Wafl為一種CKI，它通過抑制Cdk的活性，使pRb蛋白磷酸化受阻，與S期相關的轉錄因子E2F不能被釋放，DNA複製不能進行，細胞無法從G₁期進入S期，導致細胞周期停滯；在氧化應激誘導的非端粒依賴性細胞衰老中，ERK的激活促使絲裂原啟動激酶(MKK3和MKK6)的積累，進而激活p38MAPK通過Cdk抑制因子p16影響Rb磷酸化而導致細胞周期停滯。
總之，細胞衰老的原因及其機制是非常複雜的，雖然關於衰老的研究已引起人們廣泛的關注，近年來對其分子機制的探討也取得了一些突出的、很有意義的成果，但要真正揭示衰老的機制，顯然還有很長的一段路要走。

細胞衰老與疾病

除前面提到的早老性疾病，如Hutchinson-Gilford和Werne1早衰症之外，一般認為，細胞衰老與老年性疾病如神經退行性疾病、動脈粥樣硬化性心血管疾病、糖尿病及腫瘤等密切相關。許多研究表明，組織幹細胞衰老是機體衰老的重要原因之一，也與某些老年性疾病的發生相關聯。例如，人間充質幹細胞(mesenchymal stem cell, MSC)隨着年齡的增加，其增殖和分化能力逐漸下降；隨着年齡的增長，神經幹細胞分化為神經元的能力也逐漸下降。可以相信，儘管衰老與死亡是不可避免的生命規律，但隨着衰老機制的闡明，延緩衰老特別是對闡述老年性疾病的發生機制和防治退行性疾病是能夠做到的。