第五节　细胞老化

人类的衰老在很大程度上受其遗传因素、饮食、社会条件和与年龄相关的疾病，如动脉粥样硬化、糖尿病和关节炎等的影响。此外，有充分的证据表明，细胞老化是机体衰老的一个重要组成部分。自20世纪60年代初发现细胞老化以来，关于细胞老化的研究有了长足的发展。“Hayflick极限（Hayflick limit）”概念的确立不仅在细胞水平揭示了细胞寿命的重要分子机制，而且拓展了人们对于衰老的认识。

细胞老化（cell aging）（也称“细胞衰老”）是细胞随生物体年龄增长而发生的退行性变化，是生物个体老化的基础。生物个体及其细胞均需经历生长、发育、老化及死亡等阶段，老化是生命发展的必然。应该说，任何细胞从诞生之时起，老化过程就已开始。机体成熟后，随着年龄的增长，几乎所有的器官系统均发生生理功能和组织结构的退行性改变。

一、细胞老化的特征和形态学改变

细胞老化具有以下四个特征：①普遍性：所有的细胞、组织、脏器和机体都会在不同程度上出现老化改变；②进行性或不可逆性：随着时间的推移，老化不断进行性地发展；③内因性：不是由于外伤、事故等外因的直接作用，而是细胞内在基因决定性的衰退；④有害性：细胞老化时，细胞代谢、适应、代偿等多种功能低下，且缺乏恢复能力，进而会引起组织器官老化，导致老年病的产生，机体的疾病患病率和死亡率也逐渐增加。

细胞老化在代谢和功能方面表现为线粒体氧化磷酸化的功能降低，核酸、转录因子、结构蛋白、酶蛋白和受体蛋白合成减少，摄取营养和修复染色体损伤的能力下降等。老化的细胞在形态学上表现为细胞体积缩小，水分减少，细胞及其核变形，胞核不规则、异常分叶，内质网减少，线粒体、高尔基复合体数量减少并扭曲或呈囊泡状，胞质色素（如脂褐素）沉着。此外，可伴有胞质中脂质体、异常折叠蛋白和糖基化终末产物沉积。由此导致器官重量减轻，间质增生硬化，功能代谢降低，储备功能不足。

二、细胞老化的机制

细胞老化的机制尚不十分清楚，其主要包括细胞老化的分子基础以及外部环境的损伤效应，涉及细胞增生、分化和防御功能的丧失等诸多环节。细胞老化可由多种诱导因素触发，如染色体端粒长度过短、外界刺激（如缺氧等）、DNA损伤和癌基因、抑癌基因的活性异常等。目前较重要的两个学说，一是遗传程序学说，二是错误积累学说。

（一）遗传程序学说

遗传程序学说认为，细胞的老化是由机体的遗传因素决定的，即细胞的生长、发育、成熟和老化都是细胞基因库中既定基因按既定程序，依次表达完成，最终的老化死亡是遗传信息耗竭的结果。实验证明，正常组织细胞在体外培养的条件下，其分裂能力是有限的，经过一定次数的传代培养后便会死亡，而培养的恶性肿瘤细胞是永生的；体外培养的人成纤维细胞经40～60次分裂后便自行停止分裂；同卵双胞胎寿命具有显著相关性（即“同生共死”现象），上述现象均支持遗传程序学说，并提示细胞的增殖次数是由基因组中的计时器（即“老化时钟”）所控制。有研究显示，控制细胞分裂次数的机制与细胞内染色体末端的端粒结构以及端粒酶密切相关。

端粒（telomere）为真核细胞染色体末端的特殊结构，由非转录短片段DNA（在人类为TTAGGG）的多次重复序列及一些结合蛋白组成。端粒除了具有通过本身的不断缩短来保护或缓冲复制的功能基因免受影响的功能外，还具有使染色体末端免于融合和退化的功能。因此，其在染色体的稳定、复制、保护和控制细胞生长及寿命等诸多方面均具有重要作用，并与细胞凋亡和细胞永生化密切相关。体细胞染色体末端的端粒会随着每次的细胞分裂而逐渐缩短，这是由于复制DNA的DNA聚合酶不能将线性染色体末端的DNA完全复制，也就是说线性染色体DNA复制时，DNA聚合酶留下染色体末端一段DNA（一段端粒）不被复制（端粒片段丢失）。通常体细胞每分裂一次，染色体的端粒将缩短约50～200个核苷酸，构成端粒的一部分基因序列中的遗传信息也因之丢失，直至细胞衰老不再分裂。因此，明显缩短的端粒是细胞老化的信号。也可以说，端粒的长短与细胞的“年龄”呈负相关，细胞越老，端粒越短，反之亦然。

端粒酶（telomerase）是一种能使已缩短的端粒再延长的RNA依赖的DNA聚合酶，是由RNA和蛋白质组成的核糖核蛋白复合物（RNP），具有反转录酶活性。它可以以自身RNA为模板合成端粒片段，并将其连接于染色体的端粒末端，恢复和稳定染色体末端的端粒长度。绝大多数分化成熟的体细胞，不表现有端粒酶活性。而在某些需要长期循环复制的细胞（如生殖细胞和干细胞）中，细胞分裂后缩短的端粒可被细胞内有活性的端粒酶所恢复并维持在一定长度，从而保证端粒长度的稳定。更有意义的发现是在永生化的恶性肿瘤细胞中，端粒酶也表现出明显的活性。恶性肿瘤发生的主要机制，正是由于其细胞端粒酶活性较强，使得其可以无休止的分裂繁殖，而这一发现就给以控制端粒酶活性为靶点的肿瘤治疗学研究带来新的希望。

端粒和端粒酶学说可以解释大多数分化成熟体细胞的老化过程，但对于那些分裂增殖能力低下的神经细胞和心肌细胞等，则可能还有其他的老化机制。此外在低等生物，退化基因clk-1和机械传感基因daf-2能改变细胞发育过程的生长速率和时间，也起着遗传控制老化的作用，但它们在哺乳类动物中的作用还有待证实。

（二）错误积累学说

除了细胞遗传的程序性机制外，细胞寿命的长短也取决于代谢作用损伤及损伤后分子反应间的平衡，即一个物种寿命的长短也受到其一生总的代谢消耗所限，影响细胞老化的速率与程度。细胞老化也可归因于蛋白质和DNA交联、体细胞基因突变、线粒体损伤、氧和营养物质利用障碍，特别是能量缺陷等所造成DNA和蛋白质损害的长期积累。

细胞分裂时，由于自由基等有害物质直接或间接地发挥强氧化剂作用，可诱导脂质过氧化反应，使线粒体等的细胞器膜流动性、通透性和完整性受损，过氧化损伤引起的蛋白质、脂质、核酸的共价修饰加快端粒缩短的速率，从而导致老化。如老化细胞中脂褐素增多正是因为自由基强氧化作用造成生物大分子和多种细胞成分损伤的结果。其分子机制为，DNA断裂突变，其修复和复制过程因之发生错误，具有细胞周期G1期检测纠错功能的p53基因被激活，其蛋白产物诱导细胞周期依赖性蛋白激酶抑制物（cyclin dependent kinase inhibitor，CDKI）p21和p16等蛋白转录增强。p21和p16等蛋白与相应的细胞周期依赖性蛋白激酶（cyclin dependent kinase，CDK）和细胞周期素（cyclin）复合物结合，可抑制CDK的活性，p16增多还使成视网膜瘤细胞基因（Rb基因）去磷酸化而被激活，从多个环节进一步阻碍细胞进入分裂状态。虽然大多数DNA损伤都可以被内源性DNA修复酶修复，但有证据表明，随着年龄增长，干细胞中p16等基因蛋白表达增加，干细胞自身逐渐丧失自我更新能力，同时，随着错误的积累，生成异常蛋白质，原有蛋白多肽和酶的功能丧尽，机体DNA修复能力下降，最终导致细胞老化。

此外，随个体年龄增长，T、B淋巴细胞减少，NK细胞活性下降，细胞因子活性减低，免疫识别功能紊乱，一方面导致不能清除外来病原体，另一方面导致自身免疫病发生。非酶促糖基化作用产生的终产物AGES、DNA甲基化调节物5-MC丢失、组织代谢率下降等，也都参与了细胞和组织的老化与寿命的调节。神经内分泌失调也是衰老的重要特征之一，下丘脑-垂体-肾上腺系统在衰老时起重要作用，衰老时神经元也不同程度丧失，儿茶酚胺等神经递质释放减少，性激素等产生减低，激素受体功能下降。

综上所述，细胞老化的机制既包括基因程序性因素的决定，也包括细胞内外环境中有害因素积累的影响。当机体细胞的老化能按照遗传规定的速度依序进行，便可达到应有的自然寿限（自然老化）。如果有害因素妨碍了细胞的代谢功能，则老化进程加快（早老）。因此可以说，在遗传安排的决定性背景下，细胞代谢障碍是细胞产生老化的促发因素。

细胞老化的发现，为从细胞水平上探讨“生物寿命”展现了广阔天地。由此，人们不仅发现了控制寿命的“分子钟”——端粒和端粒酶（端粒的程度决定了细胞的分裂潜能以及物种的理论寿命）；发现了拮抗肿瘤的“卫士”——细胞老化与细胞凋亡（它们共同构成了正常细胞抵抗自身发生恶性转变的两种主要屏障）；而且，还不断挖掘和诠释了“衰老”与“肿瘤”——这两个人类宿敌之间的分子联系。也正是由于这些发现的不断推动，使得细胞老化在近十年来成为生命科学研究领域的热点之一。

毋庸置疑，细胞老化领域的另一重要研究方向是：继续在细胞老化与恶性肿瘤发生的相互关系方面探幽解密。长久以来，普遍认为恶性肿瘤是一种典型的老年性疾病。然而，直至发现细胞老化，人们才真正开始从细胞和分子水平近距离审视肿瘤与衰老之间的关系。细胞老化犹如一把双刃剑，它既可以监视细胞内的DNA损伤和癌基因激活、有效阻遏正常细胞恶变从而阻止癌症发生；同时，又可以加速机体的衰老。例如，在p53活化的小鼠模型中，肿瘤发生比例明显下降，但是，他们出现衰老加速和整体寿命缩短现象。更有趣的是，老化细胞虽然可以防止自身恶变，但是，对它们的细胞邻居却未必如此。如发生老化的成纤维细胞可以通过分泌多种细胞因子诱导相邻的上皮细胞发生癌变。令人振奋不已的还有，最近有报道，应用雷帕霉素饲养小鼠，既可以延长寿命，又可以减少自发肿瘤的发生。

半个多世纪以来，细胞老化研究自单纯的自发性老化模型拓展至多种应激诱发细胞老化模型，细胞老化、衰老和肿瘤三者之间的奥秘正等待着我们继续深入的探索。

理论与实践

端粒和端粒酶与细胞老化

2009年度诺贝尔生理学或医学奖授予因发现端粒和端粒酶如何保护染色体的三位美国科学家：三位伊丽莎白·布莱克本（Elizabeth H.Blackburn）、卡罗尔·格雷德（Carol W.Greider）和杰克·绍斯塔克（Jack W.Szostak），他们的研究主题是“染色体如何受到端粒和端粒酶的保护”。那么什么是端粒和端粒酶呢？

端粒是真核生物染色体线性DNA分子末端的结构，主要功能有：①保护染色体不被核酸酶降解；②防止染色体相互融合；③为端粒酶提供底物，解决DNA复制的末端隐缩，保证染色体的完全复制。可见端粒在维持染色体和DNA复制的完整性有重要作用。端粒也被科学家称作“生命时钟”，在新细胞中，细胞每分裂一次，端粒就缩短一次，当端粒不能再缩短时，细胞就无法继续分裂而死亡。因此，端粒与细胞老化及人体衰老有关。研究发现，细胞中存在一种特殊的反转录酶——端粒酶，它可以合成端粒。端粒酶（或端粒体酶）是一种能延长端粒末端的核糖蛋白酶，主要成分是RNA和蛋白质，其含有引物特异识别位点，能以自身RNA为模板，合成端粒DNA并加到染色体末端，使端粒延长，从而延长细胞的寿命甚至使其永生化。科学家认为至少细胞水平上的老化与端粒酶的活性下降有关。因此，有人希望能把端粒酶注入衰老细胞中，延长端粒长度，使细胞年轻化，或者是给老人注射类似端粒酶的制剂，延长老者的端粒长度，达到返老还童的目的。但生物整体的老化，是一个非常复杂的问题，端粒的长度只是决定衰老的一个因素，因此端粒酶抗衰老，目前只具理论价值，连动物实验都很少，尚没有应用于人。

（柳雅玲）