細(xì)胞衰老指細(xì)胞被阻滯于某一生長周期中,這種阻滯是不可逆轉(zhuǎn)的,同時(shí)出現(xiàn)細(xì)胞形態(tài)、代謝、相關(guān)基因和表觀遺傳調(diào)控的改變[1],包括細(xì)胞周期抑制性調(diào)控蛋白表達(dá)升高,衰老相關(guān)β-半乳糖苷酶活性增強(qiáng)以及衰老相關(guān)染色質(zhì)聚集等[2]。細(xì)胞周期調(diào)控著細(xì)胞分化、增殖,同時(shí)也調(diào)控細(xì)胞功能下降及細(xì)胞衰老。在其正常運(yùn)轉(zhuǎn)中，細(xì)胞周期蛋白(cyclin)等調(diào)控分子在相關(guān)的分子信號(hào)通路中發(fā)揮著正性或負(fù)性作用,是生命活動(dòng)的基礎(chǔ)[3-4]。任何一個(gè)調(diào)節(jié)細(xì)胞正常周期運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制被破壞都將導(dǎo)致細(xì)胞性衰老[5]。所以深入研究細(xì)胞周期如何調(diào)控衰老將為我們進(jìn)行有效的藥物干預(yù)、減緩衰老的進(jìn)程提供更多的依據(jù)。

1 細(xì)胞周期蛋白依賴激酶抑制蛋白(cyclin-dependent inhibitor, CDI)通過對(duì)細(xì)胞周期的調(diào)節(jié)來影響細(xì)胞的衰老速度

根據(jù)分子構(gòu)成的不同,通常CDI被劃分為兩大家族: 其中一個(gè)為Ink4家族,是一類主要抑制細(xì)胞周期蛋白依賴激酶(cyclin-dependent kinase, CDK)中CDK4/CDK6激酶活性的蛋白,包括p15與p16等。 另一個(gè)為KIP家族,p21、p27等都屬于該家族,其由部分相似的分子組成,它們可使cyclin-CDK復(fù)合物的活性減低。

細(xì)胞周期的正常運(yùn)轉(zhuǎn)、細(xì)胞分裂、增殖均依賴于調(diào)控系統(tǒng)有效的控制。細(xì)胞生長期調(diào)節(jié)的關(guān)鍵在于對(duì)G1-S與G2-M的交界處的調(diào)控。正常細(xì)胞周期中有2種Rb蛋白,即有生物活性的低磷酸化Rb蛋白和失活的高磷酸化Rb蛋白。研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞停滯在G1期與Rb蛋白的低磷酸化密切相關(guān),而高磷酸化的Rb蛋白的阻滯作用將大大減弱。磷酸化的 pRb蛋白可使細(xì)胞從G1期進(jìn)入S期,cyclin D-CDK復(fù)合物是 Rb蛋白的磷酸激酶,主要調(diào)節(jié)pRb的磷酸化過程。 研究發(fā)現(xiàn),在G1期中,相對(duì)年輕的細(xì)胞中可檢測(cè)到磷酸化的pRb蛋白,但在衰老的細(xì)胞中Rb蛋白則表現(xiàn)為低磷酸化,這也導(dǎo)致衰老細(xì)胞停滯在G1期。

正常的細(xì)胞周期G1期中,Rb和E2F-DP1以二聚體的形式特異性結(jié)合。在G1中后期,Rb需在 cyclin D-CDK結(jié)合物的參與下從二聚體脫離出來,這樣分離后 E2F就擺脫了Rb蛋白的抑制,啟動(dòng)靶基因轉(zhuǎn)錄,進(jìn)而使細(xì)胞進(jìn)入S期[6]。正常情況下,在G1期末存在一個(gè)負(fù)反饋機(jī)制,即 Rb蛋白在 cyclin D1合成和激活下被磷酸化,而 Rb蛋白的磷酸化也將進(jìn)一步關(guān)閉 cyclin D1的表達(dá)。細(xì)胞如加速通過G1期則需要早期磷酸化Rb蛋白。研究人員發(fā)現(xiàn)cyclin E和CDK2同時(shí)于細(xì)胞周期G1期與S期相交處發(fā)揮著調(diào)節(jié)功能。當(dāng)細(xì)胞脫離G1期進(jìn)入S期時(shí),cyclin E水平下降,隨著S期的進(jìn)行,cyclin A和CDK2結(jié)合成激酶,加快了細(xì)胞周期的運(yùn)轉(zhuǎn)。CDK2的活性如被抑制也可促進(jìn)細(xì)胞進(jìn)入S期。

2 p16介導(dǎo)的cyclin D-CDK4-pRb信號(hào)通路調(diào)控細(xì)胞周期及細(xì)胞衰老

p16基因是調(diào)節(jié)細(xì)胞衰老的主要因子之一,在遺傳調(diào)控中發(fā)揮著重要作用。p16是CDK4和CDK6的抑制物。細(xì)胞停滯在G1期與cyclin D-CDK復(fù)合物的失活有關(guān),進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)這與p16和CDK4、CDK6結(jié)合后使cyclin D-CDK復(fù)合物無法合成密切相關(guān)[7]。

p16和p21可同CDK競爭性結(jié)合,而CDK4被 cyclin激活后對(duì)這種競爭性結(jié)合又起抑制作用。p16-CDK4、p21-CDK4結(jié)合物均喪失促進(jìn)Rb磷酸化的作用,故 p16、p21可阻滯細(xì)胞周期的正常運(yùn)轉(zhuǎn),進(jìn)而影響細(xì)胞的增殖等。 細(xì)胞進(jìn)一步老化,p16含量隨之增多,CDK4活性進(jìn)一步下降。在相對(duì)年輕的細(xì)胞中,p16有相對(duì)較低的表達(dá)。在衰老的細(xì)胞中,p16表達(dá)明顯增多,這與Ras-Raf-MEK信號(hào)傳導(dǎo)的下降、Et2蛋白的表達(dá)減低、 Id1蛋白表達(dá)的減低及 Etal聚集等因素有關(guān)[8]。

3 p19ARF/p53/p21途徑介導(dǎo)的信號(hào)通路參與調(diào)控細(xì)胞周期及細(xì)胞衰老

p21是衰老的標(biāo)記蛋白。由p53活化轉(zhuǎn)錄所致的p21表達(dá)增加可明顯導(dǎo)致細(xì)胞的衰老,p21是促使細(xì)胞衰老的重要信號(hào)分子之一。p21與CDK上的結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合后與細(xì)胞核增殖因子(proliferating cell nuclear antigen, PCNA)形成 p21-cyclin-CDK-PCNA復(fù)合物,這種復(fù)合物形成后可阻滯CDK和 PCNA與其他分子結(jié)合,從而使CDK、PCNA失去活性。 PCNA和p21的結(jié)合可阻滯復(fù)合物的延展,復(fù)合物從模板上脫離下來后又抑制了依賴PCNA的DNA合成。p21在抑制細(xì)胞進(jìn)入S期方面有雙重作用[9]。p53的野生型可激活p21轉(zhuǎn)錄。 p53的突變型則無此作用。p21和p53在由DNA損傷所致的細(xì)胞阻滯中起關(guān)鍵作用。p53主要的負(fù)調(diào)控蛋白為鼠雙微因子(mouse double minute 2, MDM2)，MDM2往返于細(xì)胞核-細(xì)胞質(zhì)的作用可被p19阻抑。研究發(fā)現(xiàn),在 MDM2和 p19的異核體中,細(xì)胞核中有 p19表達(dá)和少量的 MDM2的表達(dá), MDM2表達(dá)于胞質(zhì)中但是其可短暫地進(jìn)入核仁, p19阻止 MDM2的核仁輸出,所以被MDM2抑制的p53被 p19恢復(fù)了轉(zhuǎn)錄[10],故 p19拖扯MDM2并增加 p53的表達(dá),而表達(dá)增加的p53又可進(jìn)一步誘導(dǎo) p21轉(zhuǎn)錄增加。 正常情況下p53含量較低,但一旦遇到生長刺激等,p53表達(dá)即可迅速增多。細(xì)胞生長周期中,正常 Rb途徑中 p21被 p53誘導(dǎo)后可阻滯細(xì)胞于G1期的限制點(diǎn)處,但如果 Rb途徑缺失,細(xì)胞則繞過 G1期限制點(diǎn),這可引起由p53介導(dǎo)的凋亡。p21通過減低 cyclin-CDK對(duì) Rb蛋白的磷酸化作用,使Rb磷酸化受阻,Rb不能和 E2F組成復(fù)合物,進(jìn)一步阻礙了 E2F的轉(zhuǎn)錄,對(duì)細(xì)胞周期有負(fù)性調(diào)節(jié)作用,從而使細(xì)胞無法分化、增殖。p21是p53下游效應(yīng)物,值得一提的是,p21是較 p16更普遍的抑制劑,其可抑制多種蛋白酶的活性,即特異性抑制cyclin D1-CDK4/CDK6、cyclin E-CDK2、cyclin A-CDK2復(fù)合物形成,導(dǎo)致G1、G2期停滯[11]。p19ARF/p53/p21是調(diào)控細(xì)胞衰老的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

4 PTEN/P27途徑介導(dǎo)的信號(hào)通路參與調(diào)控細(xì)胞周期及細(xì)胞衰老的過程

近年來發(fā)現(xiàn)p27是CDKI家族中的重要成員之一[12]。p27與CD形成K復(fù)合物后，其功能明顯減弱,進(jìn)而使細(xì)胞的正常周期停滯,細(xì)胞增長繁殖能力減弱,是一種廣譜的CDK抑制蛋白[13]。p27也對(duì)細(xì)胞生長周期起到負(fù)性調(diào)節(jié)的作用,其在細(xì)胞周期內(nèi)表達(dá)水平及分布受多種機(jī)制調(diào)節(jié)。p27可抑制CE-CDK2復(fù)合物的活性,p27與p21及CD-CDK復(fù)合物結(jié)合可導(dǎo)致 p27不能和 CE-CDK2結(jié)合。細(xì)胞周期被 p16誘導(dǎo)阻滯后,p27和CE-CDK2結(jié)合抑制了CE-CDK2 D的活性,從而抑制細(xì)胞周期進(jìn)程[14]。PTEN對(duì)細(xì)胞周期有負(fù)調(diào)控作用,可加速分化,阻滯增生。許多衰老細(xì)胞中PTEN被激活后AKT磷酸化作用減弱,p27表達(dá)上調(diào),最終細(xì)胞被阻滯在G0/G1期。p27為轉(zhuǎn)化生長因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)的靶分子,其可明顯減弱cyclin D-CDK的作用,包括cyclin D-CDK4等。過表達(dá)的p27將使細(xì)胞停滯于G1期[15]。

研究顯示p27/PTEN蛋白可調(diào)節(jié)鼠聽覺祖細(xì)胞的分裂和增殖[16]?，F(xiàn)發(fā)現(xiàn)在多種外源性刺激下,p27水平的升高及降低均導(dǎo)致細(xì)胞周期的變化。眾所周知,缺少生長因子或細(xì)胞的密度過高均可導(dǎo)致細(xì)胞生長受阻,p27集聚則是造成細(xì)胞周期阻滯的主要原因。靜止?fàn)顟B(tài)下 p27通過TGF-β作用,使其不能與細(xì)胞結(jié)合點(diǎn)相結(jié)合,從而使p27自身含量增加,進(jìn)而使細(xì)胞不能進(jìn)入S期;當(dāng)沒有TGF-β作用下的細(xì)胞進(jìn)入S期時(shí),檢測(cè)p27的表達(dá)明顯較前減低,在G早期加入TGF-β抑制劑,p27活性同樣下降。

5 與細(xì)胞周期及衰老相關(guān)的其他因素

TGF-β調(diào)控細(xì)胞周期,影響細(xì)胞衰老的作用來自三個(gè)方面。TGF-β1阻斷CDK4翻譯,CDK4含量減少,同時(shí)發(fā)現(xiàn)在一些細(xì)胞中TGF-β也通過負(fù)性調(diào)節(jié)作用下調(diào)CDK4表達(dá);TGF-β可通過對(duì)CDK2-cyclin E的抑制可逆地誘導(dǎo)靶細(xì)胞阻滯在G1期;TGF-β也可通過p15、p16和p27等抑制蛋白來影響細(xì)胞周期。Lovisa等[17]發(fā)現(xiàn)腎組織損傷后TGF-β過表達(dá),通過p21的調(diào)節(jié),使腎組織細(xì)胞阻滯在G2/M期,腎組織纖維化加速。

年輕的細(xì)胞被神經(jīng)酰胺這種脂類分子處理后,則可表現(xiàn)出衰老細(xì)胞特有的特征改變。神經(jīng)酰胺酶可激活p21及其相關(guān)的磷酸化酶等,導(dǎo)致CDK2活性減低,Rb去磷酸化,這些都將使細(xì)胞的正常周期發(fā)生停滯,細(xì)胞阻滯于G1期,最終細(xì)胞發(fā)生衰老[18]。

綜上所述,細(xì)胞在衰老的過程中,有許多調(diào)控蛋白通過對(duì)細(xì)胞周期的調(diào)節(jié),阻滯了正常的細(xì)胞增殖,加速了衰老的進(jìn)程。如何能更合理的利用這些調(diào)控蛋白延緩正常細(xì)胞的衰老,同時(shí)加快腫瘤細(xì)胞的衰老,值得我們進(jìn)一步思考和研究。