衰老导致的染色质与基因组调控的紊乱，如同古琴上的断弦，难以弹奏和谐的“乐章”。这些变化不仅影响细胞的生命周期，也与衰老及相关疾病紧密相关，那些隐藏在基因组深处的奥秘，仍旧等待着我们进一步解读。2024年10月3日，来自中国衰老标志物研究联合体（ABC）的研究团队在Nature Reviews Molecular Cell Biology发表了题为“Roles of chromatin and genome instability in cellular senescence and their relevance to ageing and related diseases”的综述文章，系统而全面地总结了细胞衰老中染色质和基因组不稳定性的复杂调控机制，并探索潜在的干预措施，以期延缓衰老过程和探讨相关的健康问题。
摘要
衰老是一个复杂的生物学过程，伴随着机体生理机能的逐渐衰退以及罹患神经退行性疾病和癌症等疾病的风险增加。细胞衰老是一种不可逆的细胞生长停滞状态，已被认为是推动机体衰老的关键因素。在这篇综述中，作者讨论了异染色质丢失、端粒缩短和DNA损伤是如何通过引发基因组不稳定、天然免疫及炎症来促进细胞衰老、机体衰老和衰老相关疾病。作者还探讨了新兴的治疗策略如何通过恢复异染色质稳定性、维持端粒完整性并增强DNA修复能力，进而延缓细胞衰老和衰老相关病理的发生。最后，作者概述了当前研究中的挑战以及未来的研究方向，以期更好地理解衰老和延缓衰老。
引言
衰老是一个缓慢的渐进过程，涉及组织和器官功能的丧失，最终导致死亡，这一现象自古以来便引起了人类的极大关注。随着年龄的增长，罹患神经退行性疾病、代谢综合征、心血管疾病和癌症等年龄相关疾病的风险不断增加，对人类健康构成了重大威胁。
细胞衰老是一种不可逆的细胞生长停滞状态，通常被称为Hayflick极限或复制性衰老。该极限是指一个完成分化的正常细胞分裂直到停止所能够分裂的次数。细胞衰老受特定程序调控，这些程序防止潜在有害细胞（如癌前细胞或体内受损细胞）的增殖。例如，正常细胞通过永久退出细胞周期的方式应对癌基因的激活，这一过程称为癌基因诱导的衰老。这种衰老反过来可以激活强大的抗癌机制。值得注意的是，诱导癌细胞衰老的化学物质已被用作癌症治疗的化疗药物。研究人员将这种类型的衰老称为化学诱导性或治疗诱导性衰老，这也可被视为一种应激诱导的衰老（由多种应激因素而非Hayflick极限引发的一类衰老）。此外，胚胎和胎盘发育过程中以及伤口愈合过程中发生的细胞衰老被定义为发育性或生理性衰老，这对组织重塑至关重要。随着人们对衰老过程中细胞和分子过程的理解不断加深，细胞衰老的定义也变得更加精确。越来越多的证据表明，细胞衰老既是机体衰老的指标，也是其推动因素：衰老细胞释放促炎性细胞因子及其他被称为衰老相关分泌表型（Senescence-associated secretory phenotype, SASP）的因子，导致了慢性炎症、组织再生障碍、机体衰老和衰老相关疾病的进展。理解细胞衰老的决定因素及其与机体衰老的相关性，对于解析机体衰老及其相关疾病的机制并探索潜在的治疗途径具有重要意义。
细胞衰老可以由多种相互依赖的机制引发，包括表观遗传失稳、端粒缩短、DNA损伤、代谢失衡以及蛋白质稳态失衡（框1）。值得注意的是，近年来，前三种机制在细胞衰老与机体或系统衰老研究中引起了广泛关注。表观遗传失稳表现为组蛋白和DNA修饰的丢失或改变，尤其是导致异染色质的破坏。异染色质是一种致密的染色质形式，它对于基因的沉默至关重要，异染色质的失调会导致基因表达模式的改变，并最终引发细胞功能障碍和衰老。端粒缩短是指染色体末端保护帽的逐渐减少，随着每次细胞分裂，端粒逐步缩短，最终达到临界阈值，促使细胞进入衰老状态。最后，内源性或外源性刺激引起的DNA损伤可通过激活DNA损伤反应（DNA damage response, DDR）通路，例如经典的肿瘤抑制因子p53和p21CIP1通路，从而诱导细胞衰老。这三种细胞衰老的决定因素彼此相互关联，并与衰老过程中失调的其他细胞机制如代谢（见框2）相互作用，因此明确描述它们对衰老的独立影响是一项挑战。
尽管存在诸多挑战，近年来关于衰老调控的研究依然揭示了许多新的机制和特异性的治疗靶点。例如，衰老细胞中的异染色质丢失会导致内源性逆转录病毒（Endogenous retroviruses, ERVs）反转录转座子的去抑制，这类逆转座子能够整合进入宿主基因组。一旦去抑制，ERVs会通过激活天然免疫系统进一步加剧细胞衰老。此外，阻断端粒酶逆转录酶（Telomerase reverse transcriptase, TERT）基因的沉默可促进其表达，并通过维持端粒长度和减轻DNA损伤来缓解细胞衰老，从而增强细胞增殖并减少SASP。通过靶向这些机制，可以设计治疗性的药物来使得衰老的细胞年轻化或者被清除，从而有可能恢复组织功能并减轻与衰老相关的病理。因此，对这三种细胞衰老的分子机制进行及时且全面的综述是非常必要的。
在本综述中，作者讨论了异染色质丢失、端粒缩短和DNA损伤如何导致细胞衰老以及如何与机体衰老及衰老相关疾病相关联的最新发现。此外，作者还讨论了现有针对机体衰老及衰老相关疾病的治疗策略，并重点阐述了这些策略与上述机制的联系。
框1：细胞衰老的特征及诱导因子
下面列出了细胞衰老的代表性特征、诱导因素和生物标志物。
l 细胞周期阻滞是细胞衰老的关键特征。细胞周期阻滞是由p53-p21CIP1和p16INK4a-RB（Retinoblastoma tumour suppressor, 视网膜母细胞瘤肿瘤抑制因子）通路介导的，它们可以被DNA损伤激活。细胞周期阻滞可以通过免疫染色检测到Ki67和PCNA等增殖标志物的缺失。
l 衰老细胞通常表现为形态改变，包括扁平、形状不规则、细胞核增大、核仁增大以及线粒体和内质网等细胞器的异常。
l 衰老相关β-半乳糖苷酶（Senescence-associated β-galactosidase, SA-β-gal）指示衰老过程中β-半乳糖苷酶（一种溶酶体酶）活性的增加。在pH为6.0条件下，通过X-Gal染色可以很容易鉴定出衰老细胞中的SA-β-gal。
l 衰老相关分泌表型（SASP）涉及衰老细胞释放各种促炎细胞因子、趋化因子、生长因子和基质金属蛋白酶。SASP创造了促进慢性炎症并影响邻近细胞衰老进程的微环境。
l 除了形态改变外，衰老细胞还表现出线粒体功能损伤，导致ATP产生减少，膜电位改变，活性氧（Reactive oxygen species, ROS）产生增加，线粒体DNA损伤和突变加剧，从而促进细胞衰老的进程。
l 线粒体功能发生障碍的同时，代谢途径在衰老过程中发生失调。葡萄糖代谢、脂质代谢等代谢过程的变化破坏了细胞内的能量平衡和代谢物丰度，导致细胞进入衰老状态。
l 细胞内ROS的积累主要由线粒体产生，既是细胞衰老的特征，也是细胞衰老的触发因素。ROS可以诱导蛋白质、脂质和DNA的氧化损伤。
l 衰老细胞表现出蛋白质稳态的丧失，导致错误折叠或受损蛋白质的积累和聚集，从而引发细胞应激反应并破坏细胞功能。
l 在衰老细胞中表观遗传变化十分显著，包括DNA、RNA和组蛋白修饰的改变以及非编码RNA和染色质结构的失调。值得注意的是，明显的异染色质丢失，其特征是表观遗传标记的丢失，如组蛋白H3K9me3以及由此导致的基因沉默被打破，从而推动了细胞衰老进程。异染色质丢失通常对应于异染色质蛋白1 （Heterochromatin protein 1, HP1）和核纤层蛋白B1（Lamin B1）的表达减少，以及某些反转录转座子的激活。相比之下，在特定的情况下，如癌基因引发的衰老，不规则的异染色质簇被称为衰老相关的异染色质灶（SAHF）出现在衰老细胞的细胞核中。
l 端粒缩短会引发DNA损伤反应，最终导致细胞衰老。由于DNA损伤的积累，基因组不稳定在衰老细胞中很常见，其特征是染色体重排和其他基因组异常。DNA损伤导致DNA损伤反应的激活，这可以通过磷酸化组蛋白H2AX （γH2AX）或p53结合蛋白1 （p53-binding protein 1, 53BP1）灶的形成以及ATM（Kinases ataxia–telangiectasia mutated, ATM）和p53等蛋白的激活进行证实。
框2：细胞代谢与衰老调控
细胞代谢涉及到将营养物质转化为细胞活动所必需的能量和组成部分。衰老细胞易受代谢失调的影响并触发多方面的代谢重编程。相反，代谢变化亦可以深刻地影响细胞衰老的发生和进展，并有助于机体衰老和衰老相关疾病的发展。与衰老调控有关的细胞代谢包括S -腺苷甲硫氨酸（SAM）、NAD+和乙酰辅酶A （CoA）等关键代谢物的动态相互作用以及胰岛素-胰岛素样生长因子1 （IGF1）、mTOR和Sirtuin等信号通路。通过这些分子和途径，细胞代谢可以单独或与其他衰老诱因（包括异染色质丢失、端粒缩短和DNA损伤）一起影响细胞衰老和机体衰老。接下来，作者将提供几个代谢变化的例子，通过与文中提到的三种衰老触发因素相互作用来影响细胞衰老。
SAM是DNA和组蛋白甲基化的主要甲基供体，因此在基因表达和染色质重塑的调控中具有重要作用。它由蛋氨酸腺苷转移酶2A （MAT2A）催化产生。蛋氨酸剥夺或MAT2A抑制诱导衰老，导致细胞增殖受损，衰老相关β-半乳糖苷酶（SA-β-gal）水平增加，p16INK4a和p21CIP1表达上调，53BP1灶点的形成表明DNA损伤的积累。SAM的缺失导致老年小鼠衰老肌肉干细胞的异染色质丢失。相反，SAM的恢复可以通过增加三甲基化组蛋白H3Lys9 （H3K9me3）和异染色质蛋白1 （HP1）的水平来促进异染色质的稳定性，通过减少长散布核元件-1（Long interspersed nuclear element-1, LINE-1）反转录转座子的表达和DNA损伤反应因子磷酸化组蛋白H2AX （γH2AX）的积累来缓解衰老表型。在人体肌肉干细胞中补充SAM也获得了类似的结果。
NAD+是一种对糖酵解、三羧酸循环和氧化磷酸化至关重要的辅酶。基因调控、DNA修复和细胞衰老涉及NADase CD38、聚腺苷二磷酸核糖聚合酶（poly ADP-ribose polymerase, PARPs）和Sirtuins（一种蛋白质去乙酰化酶）对NAD+的消耗。NAD+代谢失调与CD38升高、PARP和Sirtuin活性抑制有关。先天性角化异常是一种以端粒极短为特征的骨髓疾病（表1）。NAD+补充或CD38抑制可显著缓解先天性角化异常成纤维细胞的细胞衰老，表现为端粒损伤减轻、线粒体功能障碍减轻和增殖能力提高。在阿尔茨海默病小鼠模型中，补充NAD+还可以防止DNA损伤、细胞质DNA和炎症的积累，从而延缓细胞衰老。
乙酰辅酶A作为组蛋白乙酰化的底物，从而将细胞代谢与基因调控联系起来，并影响衰老相关的基因表达模式和细胞反应。乙酰辅酶A合成酶（ACSS2）可催化醋酸生成乙酰辅酶A。在人类内皮细胞中，这种酶是增加H4K16乙酰化水平、降低端粒稳定性和加速细胞衰老所必需的。ACSS2缺失可缓解端粒缩短和细胞衰老。值得注意的是，丙酮酸代谢和脂肪酸氧化也有助于乙酰辅酶A的合成，这涉及PARP介导的DNA损伤修复，以维持基因组稳定性。
细胞衰老的分子机制
细胞衰老的特征包括细胞周期阻滞、细胞形态变化、衰老相关β-半乳糖苷酶（Senescence-associated β-galactosidase, SA-β-gal）的激活、活性氧（ROS）的积累、衰老相关分泌表型（SASP）、线粒体功能障碍、代谢失调、表观遗传改变（例如异染色质丢失）、端粒缩短、基因组不稳定性（例如DNA损伤）等（框1）。在本节中，作者将探讨与异染色质丢失、端粒缩短和DNA损伤相关的过程，并将其置于细胞衰老的框架内进行讨论。作者旨在系统理解这些过程在细胞衰老中的机制性作用。
异染色质丢失
异染色质是高度保守且结构独特的真核染色质形式。与常染色质不同，异染色质紧密包装，确保了基因沉默和基因组稳定性。异染色质含有低乙酰化组蛋白、DNA甲基化修饰以及特定的组蛋白修饰，如二甲基化和三甲基化的组蛋白H3Lys9（H3K9me2和H3K9me3）或Polycomb介导的H3K27me3。在哺乳动物细胞中，异染色质区域也存在H4K20me3和H3K56me3。组蛋白甲基化由组蛋白甲基转移酶催化，并被诸如HP1等蛋白识别，这些蛋白结合甲基化位点，促进异染色质的形成和稳定。基于引起基因沉默的修饰种类和功能的差异，异染色质通常被分为组成型异染色质和兼性异染色质。组成型异染色质通常富含H3K9me3和H4K20me3，通常位于着丝粒或端粒区域，这些区域含有卫星DNA序列和可转座元件。在细胞衰老过程中，组成型异染色质的丢失通常与端粒、着丝粒及其邻近区域的不稳定性、转座子去抑制和发育抑制基因的去抑制有关。相反，兼性异染色质通常由H3K27me3标记，其分布因细胞类型和发育状态而异，执行特定的调控功能。在衰老过程中，细胞核内异常形成的兼性异染色质被称为衰老相关异染色质灶（Senescence-associated heterochromatin foci, SAHF），与刺激细胞分裂的基因沉默有关。
不同物种和多种细胞模型的衰老过程中伴随着异染色质的全局性丢失，特别是组成型异染色质的丢失。例如，在酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）中，异染色质丢失与转录基因沉默的破坏及复制性衰老有关（通过对比晚代与早代细胞）。此外，H3K9me3丢失所指示的异染色质丢失现象已在衰老的果蝇肠上皮细胞和早衰小鼠的衰老成纤维细胞中报道。在早衰综合征（如Hutchinson-Gilford早衰综合征和Werner综合征）的人类间充质干细胞模型中，H3K9me3和HP1的水平下降，这些模型由于基因突变引发的应激导致早衰。类似的异染色质丢失现象也在老年个体来源的原代人类间充质干细胞、博来霉素诱导的衰老成纤维细胞、Hutchinson–Gilford早衰综合征和Cockayne综合征个体来源的间充质干细胞，以及长期培养的衰老人类神经元中有所记录。衰老相关的异染色质丢失通常伴随着组蛋白甲基转移酶的异常表达，如组蛋白赖氨酸甲基转移酶SUV39H1（Suppressor of variegation 3-9 homologue 1）和SET结构域分叉的组蛋白赖氨酸甲基转移酶1（SET domain bifurcated histone lysine methyltransferase1, SETDB1）的下调，以及组蛋白赖氨酸去甲基酶4A（Histone lysine demethylase 4A, KDM4A）或KDM4B的上调。此外，干预这些酶的表达或活性可以逆转或加速衰老过程。同样，HP1的下调加剧了异染色质的丢失并加速衰老，而回补其表达则恢复了异染色质的稳定性并减轻了过早衰老的发生，进一步支持了异染色质丢失是细胞衰老的驱动力。
除了众所周知的调控因子外，也有一系列非经典的被确定为异染色质稳定剂或去稳定剂的因子可以显著影响细胞衰老（图1）。这些新型调控因子包括昼夜节律调节因子，如昼夜节律转录因子（Circadian locomotor output cycles kaput, CLOCK）和脑与肌肉ARNT样蛋白1（Brain and muscle ARNT-like protein 1, BMAL1），长寿蛋白家族成员如SIRT1、SIRT3、SIRT6和SIRT7，以及RNA N6-甲基腺苷（m6A）修饰的调控因子，如METTL3（m6A写入酶）、FTO（m6A擦除酶）和YTHDC1（m6A识别蛋白）。此外，经典的microRNA加工因子DGCR8、自噬的转录抑制主控因子ZKSCAN3、长链非编码RNA KCNQ1OT1、E3连接酶底物适配子DCAF11和载脂蛋白E（APOE）也参与其中。例如，CLOCK通过与Lamin B1、核纤层受体（Lamin B receptor, LBR）和转录抑制因子KRAB相关蛋白1（KAP1，也称为TRIM28或TIF1β）相互作用，稳定核膜及异染色质。因此，CLOCK的缺失促进了组成型异染色质的丢失，加速了人间质干细胞的衰老。KCNQ1OT1与HP1结合，并在异染色质中引导DNA甲基化和H3K9me3的形成，抑制KCNQ1OT1会导致异染色质的解聚、从核膜上脱离，并激活衰老相关分泌表型（SASP）。相反，APOE与LBR、emerin和KAP1相互作用，通过自噬-溶酶体途径促进其降解并在人类间充质干细胞中触发衰老，而APOE的缺失可恢复组成型异染色质并延缓细胞衰老。重要的是，APOE诱导异染色质丢失的机制同样适用于经历复制性衰老、致癌基因诱导的衰老以及由氧化应激或紫外线（UV）辐射诱导衰老的人类成纤维细胞，表明这些衰老类型共享同一通路。异染色质调控因子的发现加深了人们对表观基因组稳定性维持机制的理解，并提示了潜在的治疗靶点。
组成型异染色质丢失的一个后果是转座元件的去抑制，这会导致cGAS–STING通路和I型干扰素反应的激活，以及SASP因子的上调。例如，SIRT7缺乏与长散布核元件1（Long interspersed element 1, LINE-1）逆转座子的H3K9me3水平降低有关，导致人类间充质干细胞中染色质可及性增加和LINE-1的激活。随后，TANK结合激酶1（TANK-binding kinase 1 , TBK1）和干扰素调节因子3（ Interferon regulatory factor 3, IRF3）的磷酸化增加，以及核因子κB（Nuclear factor κB, NF-κB）信号通路的激活，促使干扰素的产生、SASP的上调和细胞的过早衰老。在另一项相关研究中，SIRT7缺失破坏了其与Lamin A/C（负责稳定核周异染色质）的相互作用，导致小鼠成纤维细胞和人类肿瘤细胞中LINE-1的去抑制。与这些发现相一致，LINE-1激活和I型干扰素反应的诱导也出现在SIRT6缺乏的小鼠成纤维细胞以及由致癌基因或应激诱导的衰老人类成纤维细胞中。在小鼠基质细胞中，Hippo信号通路共同激活因子Yap和Taz的敲除同样通过下调Lamin B1并破坏核膜，刺激了cGAS–STING通路并加速了衰老进程。在H3K9me3和DNA甲基化缺失的情况下，ERV的表达也会增加cGAS-STING活性，进而导致人间充质干细胞、成纤维细胞和神经元的炎症和衰老。在增殖细胞中，CRISPR介导的ERVs基因激活可诱导衰老特征，如SA-β-gal活性增加，克隆扩增能力受损，细胞周期抑制因子如p16INK4a上调，Lamin B1下调，磷酸化TBK1、IRF3和NF-κB水平升高，以及SASP增加。此外，活化的ERVs可以产生逆转录病毒样颗粒，这些颗粒与SASP因子的旁分泌作用一起加速邻近细胞的衰老 （图1）。这些衰老表型可以通过抑制ERVs来逆转，表明ERVs的激活推动了无论是复制性还是应激诱导加速的细胞衰老。有趣的是，已有证据表明异染色质、逆转座子和cGAS之间存在反馈调节：LINE-1 RNA的积累会导致异染色质丢失，表现为H3K9me3和H3K27me3水平的降低；而cGAS通过诱导其内切酶ORF2p的降解来抑制LINE-1的逆转座。这些发现提示了一个双向调节的异染色质-转座子-cGAS轴的存在，尽管这一模型还需进一步实验验证。
在某些情况下，细胞衰老也与异染色质水平的升高有关。例如，在致癌基因诱导的人类成纤维细胞衰老过程中，形成了SAHF，这代表着兼性异染色质的全新建立。在此过程中，DNA甲基化由DNA甲基转移酶1（DNA methyltransferase 1, DNMT1）介导，并重新分布，进而导致HMGA2的去抑制，而HMGA2是SAHF形成的关键因子，这使得致癌基因诱导的衰老和复制性衰老在染色质重塑动态方面有所不同。SAHF的形成与视网膜母细胞瘤（Retinoblastoma, RB）肿瘤抑制因子的募集同时发生，RB通过转录抑制E2F靶基因来阻止细胞周期，从而抑制增殖并导致衰老。此外，在缺乏KDM4B的衰老小鼠间充质干细胞中，H3K9me3水平升高，并伴随SAHF的形成和干细胞特征基因的表达抑制。衰老细胞中异染色质的不同变化表明，异染色质结构域的空间重排或异染色质修饰的重新定位可能由特定环境下的机制调控，而不仅仅是异染色质水平的普遍增加或减少。例如，在衰老小鼠造血干/祖细胞中，TET2介导的DNA去甲基化有助于H3K9me3标记的异染色质的空间重分布，ERVs的激活和平扰素反应；DNMT1或DNMT3A功能的破坏也产生类似的结果。一项多组学研究还将干细胞衰老与染色质熵增和表观基因组不稳定性联系起来，这种不稳定性表现为边界的丧失，以及异染色质和常染色质区域之间、组成型异染色质和兼性异染色质之间的隔离或区分减弱。这种区域模糊导致原本活跃的基因（如与细胞周期和DNA修复相关的基因）受到抑制，而原本被抑制的基因（包括逆转录座子和胎盘特异性基因）则被激活。有趣的是，由于异染色质沉默的破坏而导致胎盘特异基因异常表达的现象，不仅在复制性衰老和应激诱导的衰老模型中发生，还与妊娠期间合体滋养层细胞中生理性衰老表型相关，这可能有助于母体组织（包括胎盘）的重塑，以及促进分娩的复杂生物过程。这些发现突显了在衰老过程中基因组所经历的复杂空间变化，以及在维持表观基因组稳态过程中涉及的机制。
在非衰老细胞中，异染色质得到很好的维持，并高度富集DNA甲基化和抑制性组蛋白修饰如H3K9me3等，从而介导了逆转录转座子如LINE-1和内源性逆转录病毒（Endogenous retroviruses, ERVs）的转录抑制。在衰老细胞中，异染色质大量丢失，导致反转录转座子的去抑制。随后，由LINE-1或ERV mRNA逆转录的cDNA可触发干扰素基因环GMP-AMP合成酶刺激因子（cGAS-STING）通路，激活I型干扰素（IFN）应答和衰老相关分泌表型（SASP）。被激活的ERVs可以产生逆转录病毒样颗粒（Retrovirus-like particles, RVLPs），进一步放大衰老信号。在某些情况下（例如，癌基因引发的衰老），包含新产生的兼性异染色质结构域的衰老相关异染色质灶（SAHF）可能在衰老细胞的细胞核中形成，细胞核和细胞质内的虚线箭头表示反馈调节。
端粒缩短
端粒是染色体末端的帽状结构，由重复的DNA序列（例如哺乳动物中的TTAGGG）和端粒保护蛋白复合体组成。端粒保护蛋白由6种蛋白组成——端粒重复结合因子1（ Telomeric repeat binding factor 1, TRF1）、TRF2、TRF1相互作用核蛋白2（TRF1-interacting nuclear protein 2, TIN2）、端粒保护蛋白1（Protection of telomeres 1, POT1）、抑制/激活蛋白1（Repressor/activator protein 1, RAP1）和POT1与TIN2相互作用蛋白（TPP1；也被称为ACD），并在细胞分裂期间保护端粒免受损伤。然而，由于DNA末端复制不完全，端粒随着每次分裂而缩短，最终变得非常短并引发细胞生长阻滞（复制性衰老）。为了弥补染色质端粒的缩短，由TERT和端粒酶RNA复合物（Telomerase RNA component, TERC）组成的端粒酶在染色体末端添加DNA。非编码RNA TERC的表达在正常人类细胞中很常见，而TERT主要在癌细胞、生殖细胞、干细胞和祖细胞中以高水平表达，在成纤维细胞和角质细胞等终末分化细胞中表现出极低或无法检测到的水平。为了防止端粒过度延伸，CTC1-STN1-TEN1（CST）复合体终止端粒酶活性。此外，含有长链非编码端粒重复体的RNA （Long non-coding telomeric repeat-containing RNA, TERRA）通过端粒酶依赖性和非依赖性机制参与端粒维持。总的来说，端粒稳定性是由RNA和蛋白质分子共同调控的。
在复制性衰老之前，端粒的逐渐磨损作为细胞生命周期计时器，跟踪细胞分裂的累积次数（图2a）。当端粒达到极短的长度时，它们被认为是受损的DNA，随后激活DDR，导致细胞衰老。值得注意的是，从酵母到人类细胞，最短端粒的存在，或者仅仅是几个极短端粒的存在，就足以触发细胞衰老。端粒缩短与某些端粒调节因子（如TRF1、TRF2和TPP1）的下调同时发生，并与各种细胞类型（包括人成纤维细胞和内皮细胞）的衰老同时发生，这表明在极短的端粒中端粒保护蛋白复合体的不足。TRF1、TRF2或TPP1的缺陷可在各种细胞中诱导细胞过早衰老，如人成纤维细胞、血管平滑肌细胞和小鼠骨髓细胞，而在某些情况下，这些因子的过表达足以延长端粒长度和/或延缓衰老，正如在人内皮细胞（TRF1），干细胞来源的心肌细胞（TRF2）和成纤维细胞（TPP1）中观察到的那样。同样，TERT的下调加速了人类黑色素瘤细胞和小鼠成纤维细胞的衰老。有趣的是，最近的一项研究表明，在正常的人类成纤维细胞中，可以使用巢式PCR检测到TERT的表达，尽管表达水平非常低，TERT的抑制会诱导这些细胞的衰老特征。这些发现表明，与小鼠成纤维细胞类似，人类成纤维细胞需要TERT功能来调控衰老。相比之下，上调TERT可促进端粒延长，减轻正常人类细胞（包括成纤维细胞）的衰老表型。然而，一些研究结果与这些发现并不一致，例如，肿瘤细胞中TRF1和TRF2的过表达与端粒缩短有关，这似乎与它们对细胞衰老的拮抗作用相反。此外，尽管有证据表明TRF1过表达可以延缓人类内皮细胞的衰老，但在其他细胞中，TRF1水平升高实际上可能通过诱导重组介导的亚端粒区DNA损伤而加速衰老，特别是在人类WI-38成纤维细胞和U2OS癌细胞中。这些现象可以解释为过量的TRF1或TRF2限制了细胞延长或稳定端粒的能力，这可能是通过TRF1抑制端粒酶或TRF2激活端粒降解，或通过其他尚未完全了解的机制完成的。此外，RAP1在端粒维持和细胞衰老中的作用在不同的研究中是不一致的：RAP1的缺乏延长了人类干细胞的端粒并延缓了衰老，但不影响成纤维细胞的端粒长度和衰老程度。这些差异可能源于生物学背景、实验条件和研究方法的不同。
除了复制性衰老和典型端粒调节因子突变引起的细胞衰老外，端粒损耗还发生在其他细胞衰老背景下。例如，在人类成纤维细胞中，氧化应激会导致端粒加速缩短，导致增殖受损和细胞衰老；相反，降低ROS水平可逆转端粒缩短并增强其增殖。除了通过激活DDR危害细胞增殖外，临界短端粒还可以激活反转录转座子及随后的天然免疫反应，如cGAS-STING信号，从而可能以炎症依赖的方式进一步加剧衰老。此外，在缺乏WRN（一种在Werner综合征中突变的RecQ样解旋酶）的早衰的人间质干细胞中，端粒缩短，但可以被没食子酸挽救，没食子酸是一种天然抗氧化剂，被证明可以缓解细胞衰老。没食子酸挽救端粒缩短的机制尚未完全阐明，但它被认为具有减少氧化应激、DNA损伤和炎症以及增加异染色质稳性的能力。类似的端粒缩短发生在缺乏FTO或ZKSCAN3的干细胞中，这表明端粒缩短是细胞衰老的共同特征，因此靶向端粒缩短可能是一种潜在的延缓衰老的策略，尽管这种方法存在恶性转化的风险，特别是通过端粒酶激活的方式延长端粒时。令人兴奋的是，最近的一项研究表明，T淋巴细胞可以通过融合来自抗原呈递细胞的囊泡中携带的端粒，使得自身的端粒得以延长，从而在不需要端粒酶活性的情况下延缓细胞衰老，这揭示了延缓细胞衰老的新机制。
值得注意的是，异染色质化对端粒的稳定性是必不可少的，包括DNA甲基化、组蛋白修饰H3K9me3和H4K20me3以及端粒和亚端粒区域组蛋白H3和H4的低乙酰化水平。相反，这种沉默机制的破坏会导致与衰老相关的端粒失稳。例如，在端粒酶缺失的短端粒细胞中，生长停滞和DNA损伤诱导蛋白45α （GADD45α）驱动亚端粒DNA去甲基化和基因沉默的丧失，这伴随着H3K9me3和HP1水平的降低和H3K9ac水平的升高（图2b）。GADD45α缺失恢复了这些细胞中的端粒/亚端粒异染色质标记，并延缓了正常人类成纤维细胞中衰老的发生。醋酸也能够通过提高H4K16ac的水平破坏端粒区域染色质的沉默状态，导致酵母细胞和人静脉内皮细胞端粒变短、细胞衰老进程加快。值得注意的是，异染色质不仅可以阻止端粒缩短，还可以阻碍端粒的延长，这一过程涉及H3K9me3和KAP1水平的变化：小鼠干细胞中DCAF11的过表达导致KAP1降解和H3K9me3丢失，从而启动端粒延长，增强增殖和延缓衰老。同样，最近的一项研究提出了一种称为TERT激活剂化合物（TAC）的化合物，它通过增加激活性组蛋白修饰H3K27ac的水平同时降低抑制性组蛋白修饰H3K9me3的水平来激活TERT基因的转录。由此产生的TERT驱动的端粒延长有助于早衰的Werner综合征成纤维细胞的年轻化，表现为端粒相关DNA损伤灶的减少和增殖能力的增加。
尽管端粒缩短和细胞衰老之间存在显而易见的联系，但端粒功能障碍亦可以不依赖端粒长度变化的方式而独立发生，并驱动细胞衰老。例如，癌基因激活可以诱导广泛的复制叉停滞，从而诱导强烈的DDR，进而导致正常人类成纤维细胞的生长停滞和衰老，而不涉及端粒损耗。在基因毒性应激引发的细胞衰老中也观察到类似的结果。在这个过程中，X射线辐射或基因毒性物质引起的急性应激导致与端粒相关的持续性DNA损伤灶的形成，从而引发人类成纤维细胞加速衰老。这一过程表明，端粒DNA损伤独立发生，或在达到分裂极限之前发生，足以引发细胞衰老（图2a）。相对于基因组的其他部分，端粒区域随着时间的推移会累积损伤，这可能是由于它们被保护蛋白包裹，从而阻止了DNA修复。例如，端粒中氧化碱基8-氧鸟嘌呤（8-氧鸟嘌呤）的积累引发了持续的DDR，提高了细胞质的DNA水平，导致cGAS-STING通路激活，SASP因子上调，人类成纤维细胞和上皮细胞快速衰老，而端粒不缩短（图2c）。此外，在衰老的终末分化细胞（如神经元和心肌细胞）中，可以经常观察到持续的端粒DNA损伤，这种损伤与端粒缩短无关（图2a）。这些发现支持了这样一种观点，即调节细胞衰老的端粒相关通路并不仅仅受到端粒缩短的影响。
a.端粒功能障碍通过不同的机制诱导增殖的细胞和终末分化细胞衰老。在增殖细胞中，端粒会随着每次细胞分裂而逐渐缩短，但也会受到各种内部或外部应激而发生DNA损伤。在终末分化细胞中，端粒功能障碍通常是应激诱导的端粒DNA的损伤，与端粒长度的改变无关。因此，端粒严重缩短或受损会激活DNA损伤反应（DDR），导致p21CIP1和p16INK4a上调，最终导致细胞衰老。
b.生长停滞和DNA损伤诱导蛋白45α（GADD45α）诱导的亚端粒和端粒区域异染色质损失通过驱动端粒损耗和DNA损伤而导致细胞衰老。异染色质损失表现为DNA去甲基化增强，三甲基化组蛋白H3Lys9 （H3K9me3）和HP1的水平减少和乙酰化H3K9 （H3K9ac）沉积增加。这些变化导致异染色质丢失，端粒缩短和持续的DNA损伤，从而促进细胞进入衰老状态。GADD45α的失活则有助于恢复端粒/亚端粒区域的异染色质。“x”代表基因表达的关闭。
c.长度非依赖性端粒失调可加速细胞衰老。在氧化应激下，端粒DNA可以积累氧化碱基8-氧鸟嘌呤（8-oxoG），从而引发持续的DDR并增加细胞质DNA的水平。胞质DNA被环状GMP-AMP合成酶（cGAS）识别，进一步激活I型干扰素基因和衰老相关分泌表型（SASP），最终引发细胞衰老。
DNA损伤
随着时间的推移，积累的DNA损伤，如特定的碱基修饰（氧化修饰）、DNA单链断裂（DNA single-strand breaks, SSBs）或DNA双链断裂（DNA double-strand breaks, DSBs），会破坏基因组的稳定性。为了检测和抵抗这种损伤，细胞使用了一种串联的感知和修复机制，其中包括一系列众所周知的DDR蛋白。其中，失调性毛细血管扩张突变激酶（Kinases ataxia–telangiectasia mutated, ATM）和失调性毛细血管扩张和RAD3相关激酶（Ataxia–telangiectasia and RAD3-related, ATR）是DSBs或SSBs发生时被激活的主要DDR应答因子。激活后，ATM和ATR磷酸化多种底物，包括肿瘤抑制蛋白p53，这是一种转录因子，协调参与细胞周期阻滞、DNA修复或凋亡的基因的表达，其中以编码p21CIP1的基因CDKN1A为主。主要的DNA修复通路包括核苷酸切除修复（Nucleotide excision repair, NER）、碱基切除修复（Base excision repair, BER）、错配修复（Mismatch repair, MMR）、同源重组（Homologous recombination, HR）、非同源末端连接（Non-homologous end joining, NHEJ）和微同源介导的末端连接（Microhomology-mediated end joining, MMEJ）（图3a）。这些通路涉及一系列的关键因子。例如，重组酶RAD51是HR的核心组成部分，在S和G2细胞周期阶段对DSB修复至关重要。DNA依赖性蛋白激酶（DNA-dependent protein kinase, DNA-PK）是NHEJ通路的关键因子，在整个细胞周期中活跃，是有丝分裂后细胞DSB修复所必需的。除了这些已报道的通路之外，最近还发现了新的DNA修复机制，例如NPAS4-NuA4偶联神经元DSB修复途径。
无论是由内源性还是外源性因素引起的，未修复的DNA损伤都会导致基因组不稳定并引发细胞衰老（图3a）。例如，炎症或代谢不平衡导致的ROS水平过高会触发8-氧鸟嘌呤的形成，加速人类成纤维细胞的衰老。在来自老年人的脂肪来源干细胞中，X射线修复交叉互补蛋白1 （X-ray repair cross-complementing protein 1, XRCC1）水平的下降会损害BER，导致DNA损伤积累和衰老相关表型。衰老诱导的着丝粒周围TRF2的缺失诱发DNA断裂和ATM激活，进而通过释放KAP1和Lamin B1使得着丝粒周围的异染色质受到破坏，导致着丝粒周围卫星DNA被释放到细胞质中并激活cGAS-STING通路，作为促炎信号诱发衰老（图3b）。有趣的是，除了感知细胞质DNA外，cGAS还进入细胞核并抑制聚腺苷二磷酸-核糖（ADP-核糖）聚合酶1介导的HR反应，从而加剧基因组的不稳定性。此外，细胞核中的特定核酸结构，如G -四联体（G-quadruplex, 富含鸟嘌呤的四链DNA结构）和R环（R-loop, 由DNA-RNA杂合和单链DNA组成）容易受到损伤，并协同增加基因组不稳定和细胞衰老的风险。
衰老相关的DNA损伤通常发生在DNA修复突变细胞中。例如，小鼠肝细胞中的Rad51缺失触发了持续的DDR，这可以通过两个典型的DSB标记：磷酸化组蛋白H2AX（γH2AX；一种H2A变体）和53BP1的水平和分布的增加来证明。这种DDR水平的升高伴随着增殖能力受损、p21CIP1上调、SASP激活和早衰表型。在DNA修复中起作用的FANCA基因缺陷与人类间充质干细胞的加速衰老有关。这种衰老表型可以通过靶向基因校正来挽救。含有ERCC6（也称为CSB）突变的人间充质干细胞也表现出γH2AX灶点的异常积累，表明DDR激活。同时，这些细胞在相对早代就出现了衰老表型，表现为增殖阻滞，SA-β-gal活性增强，Lamin B1水平降低，p16INK4a和SASP因子IL-6的上调。ERCC6也被认为是异染色质稳定因子，因为它的缺乏会导致H3K9me3的丢失和加速人类成纤维中由应激介导的细胞衰老。因此，ERCC6可能通过协调异染色质稳定和DNA修复来调控细胞衰老。同样，异染色质稳定因子SIRT6也通过感知DNA损伤、组蛋白去乙酰化和协调其他修复活性蛋白在DNA修复中发挥多种功能。SIRT6缺陷通过触发端粒区域H3的超乙酰化和增强53BP1的结合诱导人血管平滑肌细胞衰老，表明基因沉默的丧失和DDR的激活。这一过程也伴随着SASP的增加。相反，SIRT6过表达或内源激活可恢复基因组完整性并减轻细胞衰老，这是衰老相关疾病的一个有希望的治疗靶点。这些发现强调了异染色质丢失、DNA损伤和基因组不稳定性之间的交叉关系。
与衰老相关的DNA损伤也可能由外源因素引起，如化学物质、辐射和病毒感染。例如，用羟基脲、阿霉素或依托泊苷处理可驱动人类癌细胞和小鼠成纤维细胞DNA损伤诱导的衰老，表现为γH2AX、SA-β-gal和p16INK4a水平升高。这些衰老细胞也表现出胞质DNA灶点cGAS的积累和SASP的升高，这表明天然免疫和炎症的激活（图3a）。CGAS、STING1或TBK1的缺失可减轻DNA损伤后的衰老。在依托泊苷引发的DDR中，p53介导的p21CIP1转录激活传统上被认为是促进细胞衰老而不是凋亡的保护机制。p21CIP1的上调也可以在转录后由RNA结合基序蛋白42（RNA-binding motif protein 42, RBM42）触发，而不依赖于p53激活，这为衰老相关DNA损伤的机制提供了新的见解。UV辐射还通过诱导G-四联体的形成和增加DNA损伤将DNA损伤与细胞衰老联系起来。G-四联体的形成受到ZRF1（也称为DNAJC2）的抑制，ZRF1的缺失导致紫外线损伤修复因子DNA损伤结合蛋白2（ DNA damage-binding protein 2, DDB2）的上调，从而驱动细胞衰老。此外，SARS-CoV-2感染通过降解ATR效应检查点激酶1（ ATR effector checkpoint kinase 1, CHK1）引起DNA损伤，导致dNTPs短缺，阻碍细胞周期，激活炎症，并最终加速衰老。
与核DNA相比，线粒体DNA（mtDNA）更容易受损，并且受损的持续时间更长。这种脆弱性可能是由于mtDNA接近ROS的主要来源并且缺乏高效的修复机制造成的。因此，线粒体ROS通过诱导DNA氧化修饰的产生损伤mtDNA，进而导致细胞质DNA片段的水平增加，这反过来激活NLRP3炎症小体和cGAS-STING通路，并启动衰老相关的炎症反应（图3a）。同样，由线粒体转录因子A （Mitochondrial transcription factor A, TFAM）耗竭引起的复制应激会增加mtDNA损伤，激活cGAS-STING和促炎反应。在此过程中，内溶酶体可能参与对细胞质mtDNA的处置，并促进cGAS-STING对mtDNA的感知。核酸酶诱导的mtDNA断裂也可以引发线粒体的结构和功能缺陷，导致代谢失调和炎症反应。此外，凋亡应激使受损的mtDNA从线粒体中逃逸，从而驱动天然免疫通路和SASP。然而，了解mtDNA损伤调控及其对细胞衰老的影响需要进一步探索。
a. 内源性或外源性应激引起的损伤增加和/或DNA修复不足会导致基因组的持续不稳定和DNA损伤反应（DDR）的激活。在DDR激活过程中，DNA双链断裂（DSBs）触发一系列事件，包括磷酸化组蛋白H2AX（γH2AX）灶点的形成和53BP1的募集。γH2AX和53BP1在DSB位点的募集导致失调性毛细血管扩张突变激酶（ATM）和失调性毛细血管扩张与RAD3相关激酶（ATR）的激活。激活的ATM和ATR能够通过进一步的磷酸化反应分别激活检查点激酶2（CHK2）和CHK1。这些激酶会激活包括肿瘤抑制蛋白p53在内的效应因子。p53的激活启动了一系列旨在维持基因组完整性的反应，如细胞周期阻滞和细胞衰老特征的诱导，其中包括p21CIP1和p16INK4a的上调以及SA-β-gal的激活。同时，基因组不稳定促进核DNA和线粒体DNA（mtDNA）释放到细胞质中，进而激活周期性干扰素基因GMP-AMP合成酶刺激因子（cGAS-STING）通路并启动NOD-、LRR-和吡喃结构域蛋白3 （NLRP3）炎症小体介导的反应，导致炎症水平升高。
细胞衰老与机体衰老及衰老相关疾病的相关性
综上所述，SASP放大了细胞衰老对邻近细胞的影响，从而促进了功能失调组织的再生、慢性衰老相关疾病和机体衰老。在本节中，作者将讨论异染色质丢失、端粒缩短和DNA损伤介导的细胞衰老与机体衰老及衰老相关疾病的相关性（表1、图4）。
异染色质丢失
异染色质的丢失，特别是组成型异染色质的丢失，以及由此导致的反转录转座子的抑制，已被广泛地认为与机体衰老相关过程有关。例如，在黑腹果蝇中，组成型异染色质水平随着年龄的增长而下降（从3天到35天），这种下降与SA-β-gal上调有关。在衰老食蟹猴（18-21岁对比4-6岁）的肝脏中，异染色质丢失与各种细胞衰老标志物水平升高相关，包括SA-β-gal、p21CIP1和SASP因子，这些因子可以放大衰老信号并最终导致组织衰老。在食蟹猴衰老的骨骼肌和心脏中也观察到类似的结果。
衰老相关的异染色质去致密化通常伴随着LINE-1或ERVs的激活，这促进炎症和细胞衰老，从而促进小鼠、非人灵长类动物或人类的各种组织（如大脑、皮肤、滑膜和关节软骨）的衰老过程。此外，生殖和造血系统衰老表现为卵母细胞和造血干细胞中H3K9me2和H3K9me3修饰不足的导致的异染色质丢失。相比之下，稳定的异染色质通常与长寿有关。例如，裸鼹鼠是一种以其极其长寿和抗癌症而闻名的啮齿动物，它显示出更高水平的H3K27me3和降低的染色质可及性。这些特征表明了其拥有一种更稳定的异染色质，可能部分解释了该物种对细胞衰老和机体衰老的强抵抗能力的原因。在人类中，异染色质的稳定与长寿个体的健康衰老有关。这种健康寿命的延长涉及DNA甲基化的调控和异常基因表达的抑制，可能抵消了与细胞衰老和机体衰老过程相关的基因表达模式。
异染色质紊乱还与早衰症、神经退行性疾病和癌症等与年龄相关的疾病有关（表1）。例如，在之前提到的模拟HGPS、Werner综合征和Cockayne综合征等早衰症的细胞中，已经记录了一系列衰老表型，以及异常的核结构和减少的组成型异染色质标记，为理解这些早衰疾病的发病机制提供了支持。H3K9me3和HP1的减少与非人灵长类动物生理性衰老大脑中的LINE-1激活和β-淀粉样蛋白沉积有关，异染色质的丢失在人类tau转基因果蝇和小鼠模型以及阿尔茨海默病个体的大脑中普遍存在。在这些情况下，异染色质丢失是神经元衰老的原因，这可能进一步启动或促进脑衰老和神经退行性疾病的发展。在癌症中，不稳定的异染色质会导致复制应激、基因组不稳定和基因表达泄漏，从而导致促癌作用。
端粒缩短
端粒缩短显著影响组织和生物体的衰老过程（图4）。在大鼠中，肺、肝、胰腺和肾脏的端粒长度随着年龄的增长而减少（从21天到15个月）。同样，端粒缩短发生在人类的肝脏、肾脏和白细胞衰老过程中，白细胞端粒长度甚至被用作预测人类生物年龄的时钟。端粒长度在不同的人体组织中有所不同，大多数组织中的端粒在20岁到70岁之间缩短。研究人员有理由推测，端粒缩短通过激活DDR触发细胞衰老，进而驱动组织甚至生物体衰老，但这一假说在生理条件下仍缺乏直接证据。在小鼠中，端粒缩短不太明显，因为它们的端粒更长，端粒酶表达广泛，尽管它们的寿命比人类短。同样，在各种物种中，端粒的长度本身并不一定反映生物体的寿命。相反，端粒随时间缩短的速率可以作为预测寿命的更准确参数，因为它解释了端粒长度的动态变化与端粒酶活性及DNA末端复制修复之间的平衡机制。值得注意的是，通过敲除TERT或TERC而失活端粒酶，会导致小鼠和斑马鱼端粒缩短和过早衰老。此外，有证据表明，在这些动物中，端粒缩短可以促进衰老，至少部分是通过激活p53和p21CIP1细胞衰老通路实现的。此外，在多种组织和物种中，从小鼠到非人灵长类动物和人类，与细胞衰老相关的、不依赖于长度变化的端粒DNA损伤随着年龄的增长而不断加剧。例如，随着年龄的增长，p16INK4a阳性的衰老黑色素细胞在人类皮肤中积累；黑素细胞增加端粒相关的DNA损伤灶，并以旁分泌方式诱导周围细胞衰老，从而推动皮肤衰老。
端粒缩短除了引起各种端粒生物学紊乱，如先天性角化不良外，也是各种衰老相关疾病的共同特征，如阿尔茨海默病、肺纤维化、杜氏肌营养不良症、代谢性疾病、骨关节炎和癌症（表1）。端粒长度缩短会增加患阿尔茨海默病的风险，而在人类神经元和小鼠模型中，重新激活TERT表达可以减轻与阿尔茨海默病相关的神经退行性变。端粒缩短可能通过激活细胞周期抑制因子和炎症基因在阿尔茨海默病神经元中诱导衰老，从而部分促进神经退行性病变，这可以通过TERT回补或激活来挽救。在肺纤维化中，E3连接酶FBW7通过TPP1降解引起端粒脱帽和缩短，介导小鼠肺上皮干细胞衰老和纤维化。这一发现为治疗与年龄相关的肺部疾病提供了潜在靶点。有趣的是，SARS-CoV-2感染与细胞衰老和机体衰老有关，而在新冠患者中，较短的端粒与疾病严重程度的增加有关。
DNA损伤
DNA损伤在衰老过程中也起着举足轻重的作用，影响着组织、器官和机体的健康（图4）。例如，与年轻小鼠（12月龄）相比，年老小鼠（42月龄）肺、肝、脾、真皮和肠上皮等多种组织中DNA损伤标志物γH2AX的水平较高。年老小鼠（36月龄）组织中γH2AX阳性细胞与SA-β-gal阳性细胞存在相关性，提示DDR驱动的衰老可能是机体衰老的原因之一。有趣的是，持续性DNA损伤和细胞衰老也在小鼠和人类的胎盘中被检测到，这表明这些过程在与胚胎发育相关的组织重塑中发挥作用。通过限制性核酸酶的可控表达诱导DNA断裂加速小鼠细胞衰老和组织衰老。这些非突变性或非致突变性断裂通过增加DNA甲基化年龄、降低Lamin B1水平和促进LINE-1和SASP因子的表达来促进细胞衰老和机体衰老。然而，通过将表观遗传状态重编程为更年轻的水平，这些表型得到恢复，这提示细胞衰老或机体衰老是由表观遗传信息的丢失而不是DNA损伤或突变本身引起的。该模型也支持染色质修饰因子的重新定位参与DNA损伤和修复的假说。重新定位假说是“衰老信息理论”的早期形式，它假设在DNA损伤反应中，染色质相关因子从它们的基因组位置移向DNA损伤的位置。这种易位有时可能无法缓解DNA损伤，导致年轻表观遗传环境的持续恶化和年轻基因表达谱的逐渐失调，尤其是发育相关基因和转座子等热点区域的基因表达谱，这些最终导致细胞衰老和机体衰老。此外，内切酶ERCC1或转录因子NPAS4缺失导致的DNA修复受损加速了多个组织的衰老，并缩短了小鼠的寿命。8-10月龄的ERCC1缺陷小鼠表现出DDR增加和免疫细胞早衰的表型，相当于24月龄的野生型小鼠。持续的Npas4缺失诱导的DDR可能通过加速神经元衰老来触发小鼠的早衰。尽管在人类和小鼠中，组织特异性DNA突变均随着年龄的增长而增加，这表明DNA修复不足，而确保高效DNA修复的机制则有助于延长人类和啮齿类动物的寿命。例如，在小鼠肠道衰老过程中，mtDNA突变负荷的增加与衰老标记物p21CIP1的表达增加和端粒长度的减少相关。在不同寿命的啮齿类动物中，SIRT6有助于长寿物种（如海狸）的有效DSB修复，可能是通过延缓细胞衰老实现的，这使SIRT6成为延长短寿命小鼠健康寿命的一个有希望的靶点。裸鼹鼠还表现出了比小鼠更高的DNA修复效率，这一特性以及其稳定的表观基因组，可以支撑其对应激诱导的细胞和机体衰老的显著抵抗。
衰老相关疾病还与DNA损伤和/或DNA修复缺陷的累积相关（表1）。例如，阿尔茨海默病的小鼠模型显示DNA氧化损伤升高和与年龄相关的脑功能损伤，这与阿尔茨海默病患者的观察结果相似。因此，阿尔茨海默病的发病机制可能与持续的DDR诱导的神经元衰老有关。在早衰小鼠中，功能失调的NHEJ和随之而来的DSBs增加会导致心肌萎缩，这一过程可能涉及DDR持续激活导致的心肌细胞衰老。DNA损伤也会导致小鼠cGAS-STING信号通路的激活、衰老和肝纤维化。在人类中，与衰老相关的表型（如γH2AX水平增加和炎症加剧）已在不育症男性的体细胞睾丸中观察到，表明睾丸体细胞衰老。同样，在接受卵巢切除的老年女性的卵巢中，可以检测到DNA损伤升高和DNA修复减少，以及各种卵巢细胞类型的细胞衰老途径的激活。DNA损伤可上调老年细胞和衰老过程中SARS-CoV-2受体ACE2的表达，这可能增加老年人的COVID-19严重程度。此外，mtDNA损伤与衰老和相关疾病相关，可能依赖于cGAS-STING炎症触发的衰老，这凸显出维持核基因组和线粒体基因组稳定性对健康老龄化至关重要。
与细胞衰老相关的治疗干预
人们考虑了各种治疗方法或干预措施来减缓衰老，包括健康的生活方式、药物、遗传干预等（图4）。其中一些潜在疗法已经完成或正在进行临床试验。在本节中，作者将简要概述旨在缓解细胞衰老和衰老相关疾病的治疗干预措施，重点关注它们如何影响异染色质、端粒和DNA修复。
与恢复异染色质稳定性相关的疗法
生活方式干预疗法是一个快速发展的领域，旨在通过改变行为或生活习惯来对抗慢性疾病，实现健康老龄化。采取健康的生活方式，如特定的饮食方案和运动，是对抗衰老相关疾病的方便和有效的方法，这涉及到保持异染色质的稳定性（图4）。例如，卡路里限制是一种饮食方案，包括在没有营养不良的情况下减少食物摄入，可减轻果蝇的年龄相关异染色质损失；而运动则能增加老年大鼠海马组织的H3K9me3大鼠海马的H3K9me3异染色质水平。一系列药理化合物也显示出衰老保护作用，部分是通过恢复异染色质结构（图4），从而为预防衰老和相关疾病提供潜在的治疗见解。例如，抗坏血酸（维生素C）可提高H3K9me3水平并重塑核纤层稳态，从而减轻人MSCs和运动神经元的衰老，并使老年灵长类动物的脊髓恢复活力（图5a）。同样，在老年小鼠中，补充S-腺苷蛋氨酸（SAM）可将肌肉干细胞中的异染色质恢复到年轻时的水平，并促进肌肉再生。最近，牛磺酸被报道具备通过减轻多种物种（包括啮齿动物和灵长类动物）的细胞衰老促进机体年轻化的功效，并且它还有助于老年小鼠肌肉中异染色质水平的恢复和生理机能的改善。尿苷，一种嘧啶核苷，能够恢复异染色质水平和增强DNA修复能力，从而促进衰老人MSCs的年轻化；在小鼠模型中，研究人员已从概念上证明尿苷在改善多组织再生和治疗年龄相关疾病（如骨关节炎和肝纤维化）方面发挥作用。由异染色质缺失导致的逆转录转座子激活和炎症反应可以被核苷类逆转录酶抑制剂阻断，如阿巴卡韦（用于ERV抑制）和拉米夫定（用于LINE-1抑制），这两种药物已经在细胞和组织水平呈现出促年轻化的作用。最近，研究人员已经在靶向可转座元件以对抗年龄相关疾病（包括神经退行性疾病和癌症）方面取得了重大进展。
对染色质因子功能的调节可以延缓细胞衰老并缓解衰老相关的表现（图4）。例如，通过慢病毒载体递送DGCR8 cDNA的策略能够增加DGCR8的表达水平，促进其与KAP1、Lamin B1和HP1的相互作用，并增强组成型异染色质的稳定性，从而延缓人MSCs的衰老并改善年老小鼠的骨关节炎（图5b）。对核心昼夜节律调节基因CLOCK和多梳沉默复合体组分编码基因CBX4进行的遗传干预研究，也报告了类似的效应，从而为延缓衰老和防治相关疾病提供了可能的药物靶点和治疗方法。此外，在小鼠中，“山中因子”（多能性转录因子OCT4（也称为POU5F1）、SOX2、KLF4和MYC）的可控表达诱导的部分细胞重编程有助于增加H3K9me3水平和改善衰老表型。相反，在衰老的人MSCs中，组蛋白乙酰转移酶编码基因KAT7的失活能够通过上调HP1，Lamin B1和核纤层相关多肽2（Lamina-associated polypeptide 2, LAP2）来减轻异染色质丢失。在衰老小鼠模型中，通过Kat7功能丧失的靶向基因治疗减轻了肝细胞衰老和肝脏衰老，并延长了过早衰老和生理性衰老小鼠的寿命。如上所述，在人类和小鼠成纤维细胞中，GADD45A的耗竭或缺失可恢复端粒异染色质并缓解衰老。此外，Gadd45a敲除可增强端粒酶缺陷小鼠肠道干细胞的功能并延长其寿命，为开发端粒酶相关疾病的治疗提供了新的途径。
维持端粒完整性的治疗方法
卡路里限制通过维持端粒长度来延缓机体衰老。例如，它能减轻与衰老相关的端粒缩短，并与TERT过表达产生协同效应，延长小鼠寿命、改善健康。在人体中，运动可以保持端粒的完整性并延缓机体衰老，这可能是通过端粒酶或TERRA依赖机制实现。以上结果可能是通过抑制短端粒诱导的DDR激活和细胞衰老导致的。同样，高压氧疗法可以延长端粒，延缓老年人免疫细胞的衰老。通过基因或药物途径激活端粒酶也有治疗衰老相关疾病的潜力。例如，在Tert缺失的斑马鱼中，肠道特异性Tert表达可延缓细胞衰老，维持肠道微生态稳定，保持系统组织的完整性并延长个体寿命。在小鼠体内，递送Tert基因可以降低各组织中表达p16INK4a的衰老细胞的水平，并改善葡萄糖耐受量、体能和中位寿命。目前正在进行利用基因疗法激活端粒酶的临床试验，如通过腺病毒为人类递送TERT，以预防衰老和阿尔茨海默病，而小分子端粒酶激活剂TA-65已被应用于延缓心肌梗塞老人的免疫衰老、缓解炎症反应。据报道，在小鼠中，抑制Fbw7或过表达Tpp1可提高端粒的稳定性、维持端粒长度，改善肺功能以及应对细胞衰老和纤维化的修复能力，为治疗老年相关肺部疾病提供了潜在靶点。
更引人注意的是，有报道称药物干预也能像激活端粒酶一样增强再生能力。例如，牛磺酸治疗可延缓细胞衰老，并延长Tert缺陷的斑马鱼的存活时间。NAD+是氧化还原反应中的一种重要辅酶，可通过维持线粒体稳态和修复DNA损伤来延缓衰老。在先天性角化障碍患者的成纤维细胞中，通过膳食补充NAD+的前体烟酰胺核苷（Nicotinamide riboside, NR）可维持端粒的完整性、改善线粒体功能并延缓细胞衰老。短期服用另一种NAD+前体-烟酰胺单核苷酸（NMN）也能显著延长老年小鼠和年龄匹配的人类志愿者的端粒长度。同样，TAC治疗可诱导TERT表达，延长端粒，减少端粒相关DNA损伤，从而延缓成纤维细胞衰老，改善小鼠多种组织的衰老表型（图5c）。服用抗坏血酸或二甲双胍（一种抗糖尿病药物）也能预防人类端粒缩短。
减少DNA损伤的治疗方法
与卡路里限制在维持异染色质稳定和端粒稳态的作用相类似，卡路里限制还能增强衰老模型中的DNA损伤修复。例如，在缺乏ERCC1的早衰小鼠中，卡路里限制减少了γH2AX DNA损伤灶点的水平，延长了寿命、改善健康。这一过程涉及p53、p21CIP1、p16INK4a和SASP因子IL-6的抑制，表明细胞衰老表型得到改善。虽然运动对健康的积极影响已得到广泛认可，而且有研究表明有规律、适度的运动可减少DNA损伤，但剧烈运动会加剧DNA损伤。因此，有必要开展进一步研究，以更好地了解体育锻炼在延缓衰老方面的益处。
有许多延缓衰老的药物和基因干预措施是通过减少DNA损伤来维持基因组的稳定性。例如，二甲双胍可延长模式生物的寿命、改善健康状态，延缓慢性肾病患者间充质干细胞的细胞衰老、修复DNA损伤，并已在临床试验中用于延缓衰老。在阿尔茨海默病小鼠中，组蛋白去乙酰化酶1（HDAC1）激活剂依昔苯酮可以缓解衰老大脑中的DNA损伤，改善空间记忆力，这可能是通过延缓DDR相关的神经元衰老实现的。此外，α-酮戊二酸（一种内源性代谢物）可通过降低γH2AX和SASP水平来延缓细胞衰老，从而改善年龄相关的骨质疏松症并延长小鼠的寿命。其他具有衰老保护作用的化合物，如SAM、烟酰胺核苷、NMN、抗坏血酸、雷帕霉素、牛磺酸和尿石素A等，都表现出维持基因组稳定性和增强细胞及组织修复能力方面的功效。此外，用未衰老的间充质干细胞的胞外囊泡或抗生素鸡尾酒处理小鼠，能够减轻DNA损伤、缓解炎症反应，改善衰老表型。值得注意的是，来自增殖间充质干细胞的细胞外囊泡含有高水平的TFAM mRNA，可维持TFAM的蛋白水平，减轻mtDNA损伤，从而恢复衰老细胞或损伤组织的活力（图5d）。有趣的是，达沙替尼和槲皮素是最先被报道能诱导衰老细胞凋亡的一批药物，二者的结合似乎能有效提高小鼠的DNA损伤修复能力，延缓年龄依赖性椎间盘退化和人脑组织的衰老。增强SIRT6、TRF2、CLOCK、长寿因子叉头盒蛋白O3（Forkhead box protein O3, FOXO3）、转录因子SOX5和“山中因子”功能的干预手段也能延缓细胞衰老、修复衰老导致的DNA损伤，甚至在人体细胞和小鼠组织中实现年轻化的效果。这些发现为针对老年相关疾病的基因疗法的临床应用奠定了理论基础。
综上所述，本文总结了通过维持异染色质稳态、端粒长度和增强DNA损伤修复来延缓细胞衰老和个体衰老的多种干预策略。其他能够清除衰老细胞或使其恢复活力，从而缓解衰老相关疾病的干预措施还有很多，包括异体共生、注射年轻血液因子、粪便微生物群移植、免疫疗法（如衰老疫苗、抗体和嵌合抗原受体（CAR）-T细胞疗法，这些疗法可通过靶向衰老细胞上的特定抗原来清除衰老细胞）和和衰老分泌表型抑制剂（Senomorphics）——可抑制衰老细胞产生和分泌SASP因子，但不会清除衰老细胞本身。虽然这些策略的有效性已在模式动物（主要是小鼠）中得到了广泛证明，但要确定它们对上述三种衰老机制的直接影响，还需要进一步的研究。尽管如此，临床前研究的进展为预防和治疗衰老相关疾病提供了潜在药物靶点和治疗策略。
a. 抗坏血酸可维持异染色质稳态，延缓人类间充质干细胞（MSCs）和神经元的衰老和非人灵长类动物脊髓的衰老。
b. 基于慢病毒递送DGCR8、CLOCK或CBX4 cDNA的基因干预可使衰老的人类间充质干细胞和衰老小鼠的关节恢复活力（或缓解小鼠骨关节炎）。
c. 激活端粒酶反转录酶（TERT）的化合物（TAC）通过降低基因抑制性三甲基化组蛋白H3Lys9（H3K9me3）水平和增加基因激活性乙酰化H3K27（H3K27ac）水平来激活端粒酶反转录酶的转录，这有助于维持端粒长度和缓解DNA损伤，从而延缓人类成纤维细胞的细胞衰老，并改善小鼠多组织的衰老表型。
术语表
生理年龄 Biological age
一个生物体相对于其实际年龄的生理状态指标，反映了整个身体系统的健康状况和衰老程度。
染色质熵 Chromatin entropy
染色质结构内部的无序程度，随着细胞衰老可能增加，并影响基因表达。
科克因综合征 Cockayne syndrome
一种罕见的遗传性疾病，通常由ERCC6和ERCC8等基因的突变引起，特征是过早衰老和各种发育异常。
DNA甲基化年龄 DNA methylation age
根据个体DNA的甲基化模式估计的生物学年龄。
菌群失调 Dysbiosis
生物体微生物群落的不平衡，这可能会对健康产生负面影响，并与多种疾病有关。
基因表达泄露 Gene expression leakage
本应被抑制或不活跃的基因的非预期表达，导致细胞过程中的背景噪音。
异体共生 Heterochronic parabiosis
是一种实验系统，通过外科手术将不同年龄的两只动物（通常是年轻的和年老的）连接起来，以建立一个共享的循环系统。这种设置使得年轻动物体内的物质，包括血液因子，能够转移到年老的动物体内。这些年轻的因子可以恢复老年动物体内衰老细胞的活力，并使得衰老的组织再年轻化。
高压氧疗法 Hyperbaric oxygen therapy
一种医疗治疗方法，涉及在加压房间或舱室中呼吸纯氧，通过提高血液和组织中的氧水平来治疗各种疾病。
免疫衰老 Immunosenescence
与衰老相关的免疫系统逐渐恶化，导致对感染和疾病的易感性增加。
衰老信息论 Information theory of ageing
衰老信息论是一个理论，它提出衰老过程是由年轻表观遗传信息的逐渐丢失所驱动的，这种失调可以通过表观遗传重编程来恢复。这一理论认为，通过恢复这些年轻的表观遗传信息有助于促进衰老组织的年轻化。
NLRP3炎症小体 NLRP3 inflammasome
NLRP3炎症小体是一种多蛋白复合体，它在感知到病原体或其它危险信号（例如来自受损线粒体的细胞质DNA片段）时触发炎症反应。
早衰症 Progeroid
描述过早衰老的疾病，这些疾病通常是由于早衰相关基因突变所致。这个术语包括诸如哈钦森-吉尔福德早衰综合征（Hutchinson–Gilford progeria syndrome）和沃纳综合征（Werner syndrome）等早衰疾病。
活性氧 Reactive oxygen species
含有氧的化学反应性分子，如过氧化氢（H2O2）和超氧化物（O2−），在细胞信号传导和稳态维持中发挥重要作用。
逆转录病毒样颗粒 Retrovirus-like particles
由内源性逆转录病毒成分组装而成的结构，类似于具有感染性的逆转录病毒，但无法复制，因此是非感染性的。
衰老相关分泌表型 Senescence-associated secretory phenotype
由衰老细胞产生的一系列分泌因子，包括细胞因子、生长因子、金属蛋白酶等，这些因子可以促进炎症反应，并影响组织微环境。
衰老细胞凋亡诱导剂 Senolytics
能够选择性地针对并清除衰老细胞，通过诱导细胞凋亡来实现。
衰老分泌表型抑制剂 Senomorphics
针对衰老机制的药物，旨在促进细胞重焕活力，而不是直接消除衰老细胞。
结论与展望
近年来，人们对细胞衰老的决定因素及影响的认识更进一步。作者讨论的细胞衰老机制包括异染色质丢失、端粒缩短、DNA损伤，以及它们在衰老及其相关疾病中的作用。值得注意的是它们都有促炎症反应的作用，炎症可能通过旁分泌信号在细胞和组织间放大衰老信号，从而导致衰老和衰老相关疾病。此外，表观遗传的改变是这些分子过程的共同主题，突出了基因组和表观不稳定性之间的相互作用是如何诱导细胞衰老和个体衰老的。至少在一定程度上，表观遗传的作用与衰老信息论的某些方面类似，一定程度为衰老的根本原因提供了一种可能性的解释。通过讨论干预措施及其对特定分子和细胞通路的影响，促进人们深入了解细胞衰老和个体衰老的可监测性和可干预性。尽管如此，进一步在临床应用中评估这些治疗策略的安全性和有效性依然至关重要。
展望未来，细胞衰老和个体衰老研究面临着诸多挑战。例如，细胞衰老在不同细胞、组织、个体和人群或种族中的表现具有异质性，这增加了理解、量化和干预衰老的复杂性和挑战性。此外，衰老过程中的分子变化并非独立发生，简单的还原论不足以明确界定细胞衰老的各个方面。因此，要了解细胞衰老和机体衰老的动态变化，就必须理解多层次调控机制的相互作用。此外，由于缺乏通用、精确和有效的生物标志物和生物时间计量指标来量化不同情况下的细胞衰老和器官衰老，这给追踪衰老进程和相关疾病以及评估疗效带来了巨大挑战。基于DNA甲基化和其他分子过程的多模态老化时钟可能会为量化衰老提供一些新的可能。为了应对这些挑战，未来的研究必须整合基于高通量的功能基因组学筛选、单细胞和多组学方法、跨性别和种族的队列研究、可搜索的大数据存储库和人工智能辅助方法，以推进衰老相关研究。作者还认为，促进跨学科合作对于推动细胞衰老和衰老相关疾病的研究至关重要，并特别关注非人灵长类动物研究，以便快速便捷地将诊断和治疗方法转化为临床应用。通过在这一领域的不断努力，人们将更加精确且深入地理解衰老的本质，并希望在可预见的未来建立一个以人类健康和福祉为中心的全球交流平台。
