综述 | Nature子刊：衰老的代谢根源

内容

1. 引言

1.1 细胞衰老的历史视角

细胞衰老，即许多脊椎动物细胞在受到压力时进入的非分裂改变状态，最早由Hayflick和Moorhead在20世纪60年代早期正式提出。他们发现正常细胞(在培养中)最终会停止分裂，这一发现挑战了Alexis Carrel在20世纪初提出的长期观点，即正常细胞(在培养中)本质上是“不朽的”。并且，虽然 Carrel 认为生物体死亡可能是多细胞性的结果，但 Hayflick 和 Moorhead 认为细胞分裂的最终停止（后来称为细胞衰老）反映了生物体衰老。他们还指出，源自恶性肿瘤的细胞没有经历这种形式的衰老，这表明衰老状态的存在是为了抑制癌症的发展。许多年后，Sager 及其同事表明细胞衰老是对潜在的肿瘤诱导刺激的反应，因此正式假设衰老反应是一种有效的抗癌机制。自 1960 年代以来，对细胞衰老（包括其生理和病理作用）的研究激增。此外，衰老细胞会经历并导致代谢重编程的许多方面，作者将在下面讨论其中的一些方面。

1.2 衰老细胞的细胞自主和非自主效应

细胞衰老反应的核心是细胞增殖(生长)本质上不可逆的停止。现在，从多个方面的证据可以清楚地看出，这种抑制在体内构成了一种有效的、细胞自主的抗癌机制。因此，大多数具有阻止或抑制衰老生长停滞的突变(例如p53或pRB失活或显性负突变)的人类和小鼠都有癌症倾向，通常因恶性肿瘤而早亡。

此外，某些衰老细胞对细胞死亡具有一定的抵抗力。在一些衰老细胞中，这种细胞自主抗性是由于抗凋亡蛋白的表达增加，而非促凋亡蛋白，这是几种癌细胞的共同特征。这一特性导致某些抗癌药物(大部分都失败了)被重新使用，这些药物最初设计的目的是杀死肿瘤细胞，但现在正在作为抗衰老药物进行测试，即可以选择性地杀死衰老细胞，但不能杀死非衰老细胞的药物。然而，目前还不清楚在不同的衰老细胞类型中，细胞死亡抗性是如何普遍存在的。例如，衰老的内皮细胞通常比衰老的成纤维细胞更容易自发凋亡，尽管当面对某些类型的DNA损伤(例如转录阻断病变)时，即使成纤维细胞也会在衰老后发生凋亡。衰老细胞抵抗死亡的机制仍然不完全清楚。

最后，到目前为止，所有的衰老细胞都发展出一种复杂的、多组分的衰老相关分泌表型(SASP)。SASP非自主地作用细胞，改变邻近细胞和组织微环境的行为。SASP的变化和可塑性取决于细胞类型和衰老诱导物(下文讨论)，并且是动态的，随时间变化的。SASP的一个显著但并非唯一的特征是其具有大量的促炎分子，包括细胞因子、趋化因子、生物活性脂质和损伤相关分子模式(DAMPs;也称为Alarmins)。当然，慢性炎症是许多与年龄有关的疾病的主要风险因素，包括晚年癌症。因此，炎症一词被用来描述慢性炎症，这是衰老组织的共同特征，可能至少部分是由于衰老组织中衰老细胞的积累。

近年来，除了SASP外，衰老细胞的表型也具有显著的变异性、异质性和可塑性。例如，对于许多（但不是所有的）衰老细胞中，生长停滞是由周期蛋白依赖的激酶和细胞周期抑制剂p16INK4a和p21CIP1(由CDKN2A和CDKN1A基因编码)启动的。同样，其他广泛使用的衰老标记如衰老相关的β-半乳糖苷酶(SA-βgal)，核纤层蛋白B1(LMNB1)及核蛋白HMGB1并不是衰老的特异性标记。因此，评估特定刺激诱导衰老反应的能力和评估体内组织中衰老细胞的负担需要使用多种标志物。

1.3 衰老细胞的适应与不适应效应

衰老反应可能是有益的，也可能是有害的，这取决于生理环境。这种二元论与对抗性多效的进化理论是一致的。拮抗多效性假设:为确保年轻生物体在寿命较短的自然环境中存活而选择的特征，在寿命明显较长的受保护的现代环境中可能变得有害。因此，衰老很可能是自然选择力量随年龄下降的结果。

关于细胞衰老的有益作用，如上所述，衰老生长阻滞可以保护年轻的有机体免受癌症的发展。此外，SASP因子可以优化胚胎中某些结构的形态发生，并启动胎盘分娩。最后，衰老细胞短暂地出现在组织损伤部位，在那里它们有助于伤口愈合、组织修复和再生，很可能是通过特定的SASP因子。

相反，在大多数哺乳动物组织中，衰老细胞会随着年龄的增长而增加，而且似乎会持续存在。这种增加是由于产量增加还是清除减少，例如免疫系统的清除，尚不清楚。更重要的是，从神经退化到与年龄有关的癌症，研究使用人类细胞和组织、转基因小鼠模型和对细胞和小鼠进行药理学干预的实验发现衰老细胞与大量与年龄有关的疾病密切相关。衰老细胞的大多数有害影响可归因于SASP，如前所述，它富含促炎分子。

是什么引发了衰老反应?关于衰老细胞是如何在体内诱导的（尤其是在衰老过程中），我们知之甚少。至少在培养细胞和小鼠模型中，已知的衰老反应诱因包括DNA损伤、激活的致癌基因和线粒体功能障碍(下文讨论)。因为衰老细胞是罕见的，即使在衰老和病变组织中，很难确定它们是如何在体内诱导衰老的。然而，单细胞分析，在转录组和蛋白质组水平，有望帮助识别自然衰老和与年龄相关的病理衰老的主要驱动因素。在所有情况下，衰老细胞都必须经历代谢重编程，以维持其可存活的生长受阻状态，并表达维持高度复杂、动态和异质性SASP所需的基因和蛋白。这些代谢变化的原因和后果将在下面讨论。

2.  衰老的代谢驱动因素

几种形式的代谢应激既可以驱动衰老，也可以影响SASP(图1)。在这里，作者描述其中一些，并在衰老和疾病的背景下讨论它们。

图1 代谢与细胞衰老的关系

左:衰老的代谢驱动因素。线粒体功能障碍可通过破坏胞质NAD+/NADH比值、活性氧的产生以及其他可能的机制来驱动衰老。过量金属(特别是过渡金属)的积累也促进衰老。NAD+的缺失通过sirtuin或PARP活性的丧失和细胞氧化还原状态的改变导致衰老。高血糖可导致衰老，虽然还需要详细的机制研究。自噬的中断在某些情况下会导致衰老，但在其他情况下也会阻止衰老。非生理氧水平影响衰老细胞的发育，高氧通常有利于衰老。右图:衰老细胞是代谢疾病的驱动因素。衰老细胞和/或SASP可以促进动脉粥样硬化斑块的形成和斑块不稳定性。在肝脏中，衰老细胞可促进脂肪变性。SASP还能激活巨噬细胞，提高CD38和降低组织NAD+水平。在胰腺中，衰老的β细胞促进高胰岛素血症，但当β细胞受到免疫系统的攻击时，就会变成低胰岛素血症。在外周组织(如脂肪)中，衰老细胞可以促进胰岛素抵抗，因此衰老细胞可以以多种方式驱动糖尿病和代谢性疾病。最后，衰老细胞促进肌肉组织中的肌少症，从而影响基础代谢、活动水平和衰弱。

 2.1 线粒体功能障碍

线粒体是年龄相关病理的主要调节因子。在小鼠中，线粒体DNA (mtDNA)突变不断累积，而线粒体靶向过氧化氢酶(mCAT)的过表达保留了线粒体功能并延长了寿命。因此，衰老和SASP对细胞内线粒体的功能有类似的响应。

线粒体功能障碍的许多驱动因素也会导致细胞衰老。这些驱动因素包括mtDNA耗尽和突变、电子传递链的抑制剂、线粒体伴侣蛋白HSPA9的丢失、线粒体蛋白去乙酰化酶SIRT3和去乙酰化酶SIRT5的丢失以及复合物I组装的中断。这种线粒体功能障碍相关的衰老(MiDAS)表型缺乏SASP的几个促炎部分，但却包含独特的一套SASP因子。MiDAS主要由胞质NADH的积累驱动，而NADH通常被线粒体氧化为NAD⁺(图2)。降低NAD+/NADH比值会抑制关键的糖酵解酶GAPDH，导致ATP耗尽，AMPK激活和细胞周期阻滞。

此外，线粒体也是活性氧(ROS)的来源。小鼠线粒体超氧化物歧化酶(SOD2)的丢失导致细胞衰老。线粒体自噬敲除转基因细胞培养模型保护衰老和许多SASP促炎因子的表达，这种保护与ROS和核DNA损伤灶的减少有关，特别是端粒相关灶。同样，线粒体ROS可以激活JUN N端激酶，进而促进胞质染色质片段的释放和SASP促炎成分的激活。这些研究和许多其他研究表明，线粒体来源的ROS可能是细胞衰老的关键驱动因素。

尽管有证据表明衰老细胞推动衰老并限制健康寿命和中位寿命，但很少有直接拮抗ROS的干预措施能延长寿命。此外，这些干预都没有显示出减少与年龄相关的衰老细胞积累，而针对线粒体和防止衰老或体内SASP的研究也针对线粒体生物学的其他方面。因此，线粒体ROS是否真的与衰老细胞的累积有关是一个悬而未决的问题。例如，PGC-1B缺失降低了线粒体生物发生，而雷帕霉素增加了线粒体吞噬。虽然这两种操作都减少了ROS，但它们也改变了线粒体代谢和功能的许多其他方面。此外，ROS是一些过程的重要信号分子，如细胞增殖、先天免疫、干细胞更新、分化和存活。因此，体内ROS、衰老和衰老之间的关系可能比目前培养模型所表明的更为复杂。

最近的研究还表明，通过切断小鼠的Itpr2钙通道，降低内质网(ER)线粒体接触，可以降低与年龄相关的衰老细胞的数量和几种SASP因子的水平，从而延长健康寿命。然而，尚不清楚这些影响是由于线粒体钙超载减少，ER线粒体接触减少，还是两者的某种结合。这些策略证明了线粒体在与年龄相关的衰老细胞积累中的决定性作用，但并不能具体说明是否ROS本身是主要原因。线粒体功能在细胞衰老及其相关表型中的作用也是最近几篇综述的主题。

对于许多细胞培养研究，特别是那些使用小鼠细胞的研究，一个重要的问题是，虽然ROS(包括线粒体ROS)在培养中肯定会诱导衰老，但这些研究中的大多数是在大气中进行的，而不是在生理氧浓度下进行的，这改变了衰老反应。因此，许多观察到的现象都是高氧状态的潜在假象。接下来，作者将讨论氧气水平在衰老发展中的作用。

2.2 氧水平

细胞衰老的表型高度依赖于细胞可获得的氧水平。这种依赖性通常是负相关的，因为更多的氧含量倾向于加速衰老。哺乳动物基因组中有60多种耗氧酶，因此，氧水平是包括衰老在内的许多生物过程的关键调节器。小鼠细胞对氧气水平更敏感，因为在大气氧气水平培养的小鼠成纤维细胞会迅速衰老，但由于内源性端粒酶活性，如果体内的氧气水平降低到更接近间质水平的3%，则会广泛增殖。在人类细胞系中也观察到寿命的延长，如人类羊水干细胞。此外，在使用激活细胞周期阻滞的药物(如nutlin-3a)治疗后，大气中的氧气水平是加强衰老的必要条件。此外，在培养的小鼠成纤维细胞中，人样SASP需要较低的O₂水平，而这种SASP与年龄所观察到的接近。尽管有这些发现，亚生理水平的氧气(即缺氧)也可以激活AMPK, AMPK可以通过mTOR抑制SASP 。更广泛地说，这些数据表明，在利用大气氧气水平而不是生理氧气水平研究衰老(可能还有许多其他情况)时，可能存在人为因素。氧浓度因组织和物种的不同而有很大的不同，因此，在研究衰老时，相关细胞类型的生理水平是一个重要的考虑因素。最近的几篇文章综述了氧在各种生物现象中的作用，包括衰老。

在某些条件下，高氧是医学上的必要条件。例如，肺尚未发育的早产儿通常需要补充氧气，但随后儿童在早期患上呼吸系统疾病(如哮喘)的风险增加。同样，出现COVID-19严重症状的人往往需要补充氧气。用中度高氧(40% O₂)治疗胎儿，人气道平滑肌细胞和肺成纤维细胞在短短天内增加了衰老标志物，表明衰老细胞可能在这些疾病中发挥作用。相反，最近发现高压100%氧气可降低特定人群外周血单核细胞的衰老标志物，因此细胞类型可能在衰老细胞对氧的反应中发挥重要作用。此外，在小鼠心脏缺血再灌注模型中表明氧气的波动也可以驱动衰老和病理。因此，在细胞培养环境中，氧气水平是一个重要的考虑因素，在动物模型和人类的特定环境中，氧气水平也可能是衰老形成的潜在因素。

2.3 NAD⁺代谢异常

NAD⁺在细胞周期阻滞和衰老过程中SASP的调控中起主要作用(图2)。NAD⁺是多聚ADP -核糖聚合酶(PARP)和sirtuin家族蛋白(SIRTs)的主要辅助因子。PARP通过保护基因毒性胁迫拮抗衰老，但也促进NF-kB激活和衰老细胞的分泌表型。事实上，在上皮细胞衰老过程中PARP1的丢失与未修复单链断裂水平的增加有关，这反过来通过p38MAPK激活加强细胞周期阻滞。同样，抑制烟酰胺磷酸核苷转移酶(NAMPT)可以防止NAD的挽救，降低NAD+的总水平，这两者都促进了衰老的停止，并抑制了SASP43的促炎方面，这种效应类似于MiDAS的表型。重要的是，在许多组织中，NAD⁺水平随着年龄的增长而下降，这种下降与多种退行性疾病有关，包括与年龄相关的肌肉萎缩和糖尿病。

图2 NAD代谢与细胞衰老

衰老过程中，NAD⁺水平和NAD⁺/NADH比值受多种途径控制。NAD⁺/NADH的比值是通过胞质中丙酮酸转化为乳酸盐，或通过苹果酸-天冬氨酸穿梭将还原性的NADH转移到线粒体来维持的。然后，NADH在线粒体中通过电子传递链(ETC)复合物I的活性被氧化回NAD⁺。任何这些过程的破坏都会导致细胞质NADH的增加，AMPK的激活和衰老。NAD⁺通过PARPs和sirtuins作用，防止基因毒性应激和p53的激活。一旦被衰老细胞释放，SASP因子可以结合巨噬细胞上的同源受体，从而提高CD38。而后CD38降低周围组织中NAD⁺的水平。

一些sirtuins在衰老反应和SASP中起着关键作用。除了可拮抗MiDAS43的SIRT3和SIRT5外，SIRTs 1、2和6在衰老中也有作用。SIRT2去乙酰化并稳定有丝分裂检查点激酶BUBR1，该激酶在衰老过程中下降，并防止非整倍体，这是衰老的有力驱动因素。补充NAD⁺前体烟酰胺单核苷酸(NMN)可以延长BUBR1畸形小鼠的中位寿命。SIRT6敲除小鼠表现出过早衰老和高炎症状态，这至少部分是由反转录转座子的去抑制驱动的，而反转录转座子的去抑制也会发生在衰老中。此外，SIRT6的过表达防止了衰老过程中观察到的同源重组的丢失。最后，在衰老过程中，SIRT1通过自噬降解。SIRT1活性的丧失与衰老的多个方面有关，包括SASP激活和细胞周期阻滞，以及一些与衰老相关的退行性疾病，包括神经退行性变、恶病质、脂肪肝和动脉粥样硬化。sirtuins和PARP共同证明了NAD⁺消耗酶在衰老过程中的重要性，并有助于解释为什么随着年龄增长NAD⁺水平的丧失会对组织产生如此有害的影响。

NAD⁺在衰老过程中并不总是有益的。由于NAD⁺的缺失可以拮抗SASP，而NAD⁺的增加可能会起到相反的作用。NAMPT和NAD⁺在衰老细胞中升高，这种升高与AMPK和p53活化减少有关，导致p38MAPK和NF-kB活性增加，以及SASP促炎因子的分泌。因此，NAD⁺可能拮抗衰老，但一旦衰老确立，NAD⁺的增加可能反而通过SASP促进退行性病理。

细胞衰老也在组织水平的NAD⁺代谢中发挥作用。SASP促进巨噬细胞中CD38的活化。CD38在环ADP核糖(cADPR)的合成过程中消耗NAD⁺，是衰老时NAD⁺耗竭的主要驱动因素。因此，衰老细胞可能会导致NAD⁺丢失，而NAD⁺丢失又会导致更多的衰老细胞(图1)。因此，这种退化反馈回路可能会导致多种NAD⁺和衰老依赖的年龄相关疾病(例如，糖尿病)。相反，消除衰老细胞或抑制SASP可能会保护NAD⁺稳态，而抑制CD38可能会保护和防止其随着年龄增长的衰老。

如上所述，MiDAS是由细胞内NAD⁺/NADH比值降低引起的，但NAD⁺/NADH比值降低可以在线粒体功能不全的情况下发生。例如，通过氨基氧乙酸(AOA)，苹果酸-天冬氨酸穿梭(将还原性等量的NADH从细胞质运输到线粒体)受到抑制，就会导致衰老。穿梭酶苹果酸脱氢酶1 (MDH1)的缺失具有类似的表型。在细胞质(ME1)和线粒体(ME2) 中苹果酸酶催化NAD⁺依赖的苹果酸转化为丙酮酸。这些酶由p53相互调节，两者的缺失都会导致p53依赖的衰老，而p53反过来会抑制苹果酶。这些研究表明，NAD⁺/NADH比值与p53之间的相互作用是代谢应激条件下衰老的关键调控因子。

2.4 高血糖症

大量的研究表明，在高水平的葡萄糖中培养细胞会加速细胞衰老。然而，由于这种加速发生的多种途径已经被确定，目前还没有统一的模型来解释所有形式的高血糖相关衰老。大多数研究集中在内皮细胞，包括视网膜内皮细胞，但研究者在纤维母细胞和肾上皮细胞也进行了研究。例如，在高糖培养的视网膜内皮细胞中，arginase 1 (ARG1)的表达和活性被诱导，导致一氧化氮(NO)减少，氧化应激升高。链脲佐菌素(STZ)诱导的糖尿病视网膜病变小鼠模型中的视网膜内皮细胞以ARG1依赖的方式衰老，而抑制ARG1活性可防止高糖诱导的视网膜上皮细胞衰老和糖尿病诱导的小鼠视网膜衰老。先前关于人脐静脉内皮细胞(HUVECs)的报告显示，精氨酸酶活性在高糖诱导的衰老过程中下降，而这种下降与NO合成的减少有关。在高糖处理的HUVECs中，补充精氨酸可以防止这些作用并拮抗衰老。一般来说，NO可拮抗内皮细胞衰老，因此葡萄糖诱导内皮细胞衰老的关键效应可能与细胞NO产生水平有关。这一机制不太可能是普遍的，因为ARG1仅在少数细胞类型中表达，而不是在所有细胞中产生相当水平的NO。

高糖也会导致成纤维细胞衰老，葡萄糖限制可以延长寿命。虽然成纤维细胞产生NO，但它们不表达ARG1，因此尚不清楚内皮细胞中观察到的表型是否转化为该细胞类型。例如，N(G)-硝基- l -精氨酸甲酯(L-NAME)抑制一氧化氮合酶(NOS)可促进内皮细胞衰老，但当成纤维细胞与巨噬细胞共培养时可拮抗衰老。因此，NO在不同类型细胞衰老反应中的作用有待进一步研究。

在另一项研究中，高糖通过降低SIRT3水平促进了成纤维细胞的衰老，而SIRT3转基因过表达阻止了这种高糖诱导的衰老。SIRT3的缺失可以驱动MiDAS，因此通过过量葡萄糖降低SIRT3是这些过程之间一个重要的环节。此外，高糖会加速内皮细胞中sirtuin表达的缺失，这种缺失也与衰老的增加有关。由于SIRT3能使线粒体蛋白去乙酰化，而高糖饮食可增加线粒体蛋白乙酰化，降低NAD⁺/NADH比值，高血糖可能通过MiDAS或MiDAS样表型促进衰老。

高血糖还可导致晚期糖基化终末产物(AGEs)的形成，这在某些模型中可导致衰老。例如，用外源性AGEs(例如糖基化白蛋白)治疗肾近端小管上皮细胞，可触发p21或p16的表达增加，并与SA-βgal的激活相结合，这是一种晚期糖基化终末产物受体(RAGE)依赖的方式。这些研究只关注治疗后48小时观察到的影响，所以慢性暴露和去除AGE的影响没有被考虑。此外，这些影响可能不会扩展到其他细胞类型。相反，RAGE的激活通过结合p53和拮抗p21的表达来延长小鼠前脂肪细胞的寿命。因此，需要更多的研究来充分阐明AGEs与细胞衰老之间的关系。此外，将高糖与衰老联系起来的研究尚未涉及SASP，因此这种形式的衰老后果仍有些不清楚。尽管有这些需要，糖尿病和衰老之间的联系正在增加，并且糖尿病并发症部位的衰老细胞的增加表明这是未来研究的一个重要领域。

3. 衰老细胞的代谢

衰老细胞在其代谢状态中显示出几种变化(图3)。在这里，作者综述了其中一些变化及其在衰老表型发展中的意义。

图3 衰老细胞代谢状态的改变

衰老细胞增加了游离胞浆PUFAs，这些PUFAs反过来可以转化为羟脂素，作为脂基SASP的一部分。脂肪酸在衰老过程中也会在脂滴中积累。甾醇优先以p53依赖的方式在某些衰老细胞的内质层中积累，抑制甾醇反应元件结合蛋白2 (SREBP2)的激活，并降低整个细胞中甾醇的合成。衰老细胞通常会增加线粒体质量或mtDNA，但这与膜电位和ROS的产生有关。衰老细胞的溶酶体可以变得通透，酸化细胞质并破坏某些形式的自噬。这可能导致过渡金属在衰老细胞内的积累。最后，由于核糖核酸还原酶2的缺失，衰老细胞的dNTP水平较低。衰老是一个复杂而多样的现象，个别的代谢改变可能不会存在于所有的衰老形式中。

3.1 脂质代谢

越来越多的证据表明，衰老细胞改变脂质代谢。沿着这些路线的第一个观察结果是鞘磷脂神经酰胺途径，特别是鞘磷脂酶，在衰老细胞中明显更活跃。在纤维母细胞和内皮细胞中加入浓度接近于衰老细胞的神经酰胺，可降低细胞增殖的标志物，增加衰老的标志物。总的来说，神经酰胺和鞘氨醇促进衰老，而鞘氨醇-1-磷酸(S1P)通过同源受体促进细胞增殖。神经酰胺活化的蛋白磷酸酶(PP1和PP2A)可以通过去磷酸化CDK2和特异性上调p21来促进衰老抑制。鞘氨醇也有类似的作用，但其机制尚不清楚。本文就近年来神经酰胺、鞘脂类与细胞衰老的关系作一综述。

另外的研究表明，衰老细胞上调β-氧化(脂质的代谢分解)，这一活性对于癌基因诱导衰老中SASP的许多促炎成分的分泌是必要的。此外，脂肪酸合酶(FASN)在衰老细胞中升高，这是细胞周期阻滞和部分SASP所必需的。在衰老细胞中，与脂肪酸合成(如FASN)和氧化(如ACADS, ACADL, ACADSB, ACADVL)相关的几种酶的表达增加，而将饱和脂肪酸转化为单不饱和脂肪酸(MUFAs)的硬脂酰辅酶a去饱和酶(stearyl - coa desaturase)下降。这些数据表明，饱和脂肪酸可能是衰老细胞产生能量的重要底物。

除了能量的使用和储存，脂肪酸在衰老反应中还发挥着额外的作用。脂滴的增加和积累至少与某种形式的细胞衰老相关。外源性脂质优先与三酰甘油结合，在衰老细胞中形成脂滴。此外，衰老细胞中的游离多不饱和脂肪酸(PUFA)水平增加，可能是通过p38依赖的磷脂酶A2的激活。衰老细胞吸收更多的不饱和脂肪酸进入甘油三酯，最终在脂滴中积累。肥胖动物模型显示大脑中衰老细胞数量增加，这些细胞显示脂滴数量增加。衰老细胞的清除降低了这些液滴的积累。降低细胞培养基中的外源性脂质水平可以防止脂滴积聚和许多SASP因子的上调。这些数据表明，脂滴，或至少脂质的存在，是细胞衰老和SASP的一些关键方面所必需的。

从质膜释放游离 PUFA 与多种形式的衰老有关。此外，在 MiDAS 期间，多种 PUFA 的水平，例如二十碳五烯酸 (EPA)、花生四烯酸 (AA)、二高-γ-亚麻酸 (DGLA) 和二十二碳六烯酸 (DHA)，其水平高于其他形式的衰老。这种升高可能反映了细胞试图通过使用 PUFA 去饱和将 NADH 转化为 NAD⁺ 来保持 NAD氧化还原平衡。除了在脂滴中以甘油三酯的形式积累外，游离 PUFA 还会转化为含氧信号分子。衰老相关的白三烯释放驱动肺纤维化的促纤维化特征，消除衰老细胞可改善这些影响。前列腺素的合成对于加强与衰老相关的细胞周期停滞至关重要，因为诱导型前列腺素合酶 2（PTGS2 或 COX-2）的抑制剂延长了培养细胞的寿命，并允许增加分裂细胞的数量以响应基因毒性应激-诱导和癌基因诱导的衰老。

前列腺素合成似乎并没有通过与前列腺素受体的相互作用来促进衰老。相反，衰老细胞上调前列腺素转运蛋白(PGT/SLCO2A1)的表达，但前列腺素脱氢酶(PGDH)的表达没有相应的升高，而PGDH通过将前列腺素转化为15-酮衍生物而灭活前列腺素。这些代谢变化导致15-脱氧前列腺素在细胞内积累，尤其是15d-PGJ2和衰老相关的二同型15d-PGJ2。这些亲电性前列腺素在细胞内具有多种活性。

Dihomo-15d-PGJ2在衰老细胞中的积累促进了内源性HRAS的激活，从而以类似于癌基因激活的方式加强了衰老。因为 dihomo-15d-PGJ2的大小只有~343 Da，因此，它可以在衰老过程中在培养基或生物体液中检测到。总之，这些研究表明衰老和脂质代谢有着错综复杂的联系（图 4），但也强调了未来工作的重要性，因为在衰老的背景下，脂质代谢的许多领域仍未得到充分探索。

图4 衰老细胞的脂质代谢

磷脂酶A2 (PLA2)的激活将PUFAs从质膜中释放出来，这些PUFAs随后以甘油三酯的形式积聚在脂滴中，但也被用作羟脂合成酶的底物，如花生四酸酯5-脂加氧酶(ALOX5)和环加氧酶2 (COX-2)，导致羟脂合成酶SASP的释放。环戊烯酮前列腺素激活RAS，导致p53激活，导致细胞周期阻滞p21和COX-2升高，加强脂氧化物生物合成。

3.2 溶酶体与自噬

自噬是细胞分解细胞器和大分子的过程，在衰老细胞中是失调的。特异性因子在衰老细胞中显示选择性的微自噬降解，而巨自噬在衰老细胞中似乎不那么活跃。通过敲除ATG7、ATG12或LAMP2抑制自噬可诱导衰老，这意味着衰老过程中自噬稳态的丧失可能会加强衰老阻滞并维持衰老状态。然而，自噬的激活与癌基因诱导的衰老相关，ULK3的过表达也促进衰老。

许多衰老细胞有功能失调的溶酶体。事实上，SA-gal是一种溶酶体β-半乳糖酶，在衰老细胞中显著上调，SA-βgal可能反映了溶酶体功能障碍。最近的研究表明，在衰老细胞中溶酶体渗透性增加。这种增加导致先前观察到的溶酶体酸度的损失，但也提高了胞质酸化。为了对抗这种增加，衰老细胞通过增加谷氨酰胺酶1 (GLS1)的表达来上调谷氨酰胺水解，这增加了氨的产生并中和了胞质酸性。抑制GLS1可以杀死培养和体内的衰老细胞，并改善与年龄相关的器官功能障碍的一些指标。因此，溶酶体功能障碍，虽然有潜在的危害，但却是一个可利用的弱点，以靶向消除衰老细胞。

3.3 过渡金属稳态的破坏

过渡金属二价阳离子在元素周期表中占据中心位置，在若干细胞过程中发挥关键作用，但这些金属在衰老中的作用才刚刚开始被研究。衰老细胞比非衰老细胞或永生细胞积聚过渡金属的水平高得多。这些过渡金属包括铁、锰和锌。后来，其他过渡金属，如铜，被发现在衰老细胞中积累。

3.3.1 铁

铁的含量在大多数细胞中受到严格控制。铁是氧气运输、呼吸和氧化磷酸化所必需的。然而，过多未结合或不稳定的铁可以催化ROS和过氧化物脂质的产生，这可以驱动有毒的细胞过程，包括一种依赖铁的细胞死亡形式，称为铁死亡。铁蛋白可以拮抗铁超载，它以非活性的形式结合并隔离铁。衰老细胞通过提高转铁蛋白受体输入增加的铁水平，然后内吞铁结合的转铁蛋白。衰老细胞中的铁蛋白水平升高，使大量的铁处于不活跃状态。由于铁蛋白是通过自噬(铁蛋白自噬体)释放出来的，而衰老细胞表现出受损的自噬和溶酶体功能障碍，衰老细胞积累铁蛋白可能至少部分是由于铁蛋白降解失败。雷帕霉素激活自噬可部分恢复细胞铁水平。虽然铁代谢蛋白水平表明，在衰老过程中不稳定的铁实际上可能减少，但迄今为止，没有直接测量衰老细胞中不稳定的铁的报告。如果不稳定的铁在衰老过程中确实减少，这一发现可能解释衰老细胞对铁下垂有抵抗力的研究，因为不稳定铁的缺乏可以防止铁催化的脂质过氧化。然而，雷帕霉素对衰老细胞抗铁下垂没有影响，因此需要在这一领域进行更多的研究。

3.3.2 铜

铜是多种酶活性所必需的微量元素，包括超氧化物歧化酶、神经递质合酶、胺氧化酶、铜蓝蛋白和赖氨酸氧化酶。过量的铜可以通过下调Bmi-1而促进人成纤维细胞和人成胶质细胞瘤细胞的衰老。与铁类似，铜在衰老细胞中积累，而且，这种积累是由于溶酶体对铜伴侣的自噬降解缺陷造成的。然而，由于铜依赖的抗氧化酶(例如，超氧化物歧化酶和谷胱甘肽还原酶)在衰老过程中升高，并防止衰老，这种升高可能是一种补偿机制。雷帕霉素部分地消除了衰老细胞中铜的积累，提示自噬参与调控铜代谢。

3.3.3 锌

锌因其对许多生物体的基本用途而引人注目。使用这种方法的一个原因是，与铁和铜不同，锌不能催化脂质过氧化物生成自由基。因此，锌比铁和铜的毒性小，氧化还原活性强。然而，在秀丽隐杆线虫中，锌水平与寿命呈负相关。在衰老细胞中，锌的含量也会增加，通常高于铁或铜的含量。过量的锌可促进培养的血管平滑肌细胞、内皮细胞和成纤维细胞的衰老。尽管这些研究表明，在衰老过程中过渡金属含量升高，但尚不清楚衰老细胞中铁、铜或锌的积累具有什么功能意义。由于过量的这些金属会导致衰老，这种积累可能会强制细胞周期阻滞程序，使衰老细胞处于本质上不可逆的生长阻滞状态。

3.4 衰老和dNTP合成

由于衰老细胞不分裂，它们主要用脱氧核苷三磷酸(dNTPs)用于DNA修复和线粒体DNA合成。研究者通过核糖核酸还原酶(RRM2)将核糖连接的ATP、GTP和CTP转化为dNTP。RRM2在衰老过程中下降，然而，当致癌RAS诱导衰老时，RRM2衰竭实际上先于生长停滞，并发生在细胞周期停滞之前的过度增殖期。在缺乏dNTPs的情况下，增殖增加会导致复制叉崩溃、DNA双链断裂和细胞周期阻滞。添加外源性dNTPs可使该模型继续增殖。消除p53或p16使细胞通过分流戊糖磷酸途径的代谢物，增加核苷酸合成，从而绕过RAS诱导的致癌衰老。RAS激活可拮抗hippo通路转导子YAP/TAZ，激活该通路可恢复RRM2的表达。这些发现表明，衰老细胞整合外部信号来控制DNA代谢。

4. 针对衰老和代谢的干预措施

如上所述，衰老与新陈代谢有着错综复杂的联系。因此，针对代谢的干预可能会影响衰老细胞的积累或衰老细胞的特性，如SASP。相反地，以衰老细胞为靶点，药物应该会影响代谢紊乱的发展，如图1(右)所示。在本节中，作者将探索其中的一些联系。

4.1 抗衰老药物调节代谢

转基因小鼠和允许选择性杀伤衰老细胞的药物研究揭示，衰老细胞促进许多与年龄相关的疾病，从而限制寿命和健康寿命。抗衰老药物可预防多种疾病，包括慢性肾病、骨质减少和骨关节炎。衰老细胞也促进肿瘤发生，包括癌症复发和抗癌化疗的几种副作用。因此，衰老细胞也促进代谢性疾病的某些方面。

衰老细胞促进糖尿病和糖尿病的退行性并发症。糖尿病可由胰腺细胞衰老驱动，促进胰岛素和I型糖尿病。糖尿病也可以由肥胖小鼠的外周衰老细胞驱动，这些细胞驱动胰岛素抵抗和2型糖尿病。通过转基因过表达p16INK4a在小鼠胰腺β细胞中增加衰老细胞的存在，实际上增加了胰岛素分泌，所以衰老的发展可能反映了高血糖水平的代谢补偿。同样，胰岛素抵抗可以驱动高胰岛素血症和促进β细胞衰老，表明外周血衰老细胞是胰腺衰老的反馈驱动因素。此外，如上所述，糖尿病的并发症，包括糖尿病肾病和糖尿病视网膜病，可能是由血糖水平升高导致的衰老细胞所致。在每一种情况下，抗衰老药物在血糖水平或发展糖尿病引起的并发症中可以改善健康。总之，这些研究表明，衰老细胞是干预糖尿病及其相关疾病的主要联系。

4.2 饮食干预与衰老

多种饮食干预可以限制衰老细胞的积累。卡路里限制(CR)是被确认的最早延长寿命的干预措施之一。因此，当发现衰老细胞可以限制寿命时，CR和衰老之间的联系似乎是可能的。CR降低小鼠和人类结肠和腹股沟白色脂肪组织中的衰老标志物。CR可以防止老年动物肾脏的衰老，而高热量饮食则会加速衰老。

其他饮食干预措施同样可以延长健康寿命，或者延长中值寿命和最大寿命。这些干预措施包括蛋氨酸限制和生酮饮食。蛋氨酸限制可降低衰老标志物和SASP，而给小鼠注射β-羟基丁酸盐(生酮饮食产生的主要酮体)可降低血管平滑肌和内皮细胞的衰老标志物。这些结果表明，饮食干预可以创造一个有利的代谢状态，可以限制衰老细胞的积累。

4.3 影响衰老细胞的代谢干预

如上所述，高血糖会导致衰老。因此，糖尿病可能是衰老的前兆，降低血糖的干预应该拮抗衰老细胞的形成。事实上，小鼠糖尿病诱导后的4周内，肾脏近端小管细胞就会衰老，通过胰岛素降低葡萄糖水平或通过抑制钠-葡萄糖共转运体SGLT2102的活性抑制葡萄糖进入细胞，可以阻止衰老细胞的这种增长。同样，阿卡波糖通过拮抗肠道碳水化合物吸收降低血糖，延长小鼠寿命，并在兔子模型中能够防止动脉粥样硬化相关衰老。

另一种抗糖尿病药物二甲双胍(metformin)可以延长小鼠的寿命，这种药物正在进行首次临床试验，以监测衰老。二甲双胍可拮抗小鼠成肌细胞神经酰胺引起的衰老，并延长人成纤维细胞和间充质干细胞的寿命。此外，二甲双胍通过干扰NF-kB的激活降低了几种SASP因子的水平，包括许多促炎细胞因子。二甲双胍可以防止椎间盘退变和慢性肾脏疾病小鼠模型的衰老发展。因此，二甲双胍在多个水平上干扰衰老，可能是对抗衰老和SASP最典型的代谢干预。

4.4 动脉粥样硬化，他汀类药物和衰老

他汀类药物，如辛伐他汀，在老年人中被广泛用于预防胆固醇水平升高和动脉粥样硬化相关并发症，如中风和心脏病发作。它们通过抑制β-羟基-β-甲戊二酸单酰辅酶A (HMG-CoA)还原酶来阻止胆固醇的合成。HMG-CoA还原酶是甲戊酸途径中导致胆固醇生物合成的限速酶。他汀类药物通过降低内皮祖细胞中的衰老标志物来阻止衰老生长阻滞。他汀类药物还能抑制衰老成纤维细胞的促炎SASP的许多方面，但与内皮祖细胞衰老一样，这种作用与药物的降胆固醇特性无关。由于p16阳性（可能是衰老的）泡沫状内膜细胞会促进动脉粥样硬化的有害特征，因此他汀类药物可能具有除调节胆固醇之外的抗动脉粥样硬化特性。然而，他汀类药物也可以作为放射增敏剂，增加癌细胞对辐射的反应。因此，他汀类药物的作用可能因环境而异。衰老期间p53的激活限制了甲羟戊酸和胆固醇合成途径，因此可能是p53激活限制SASP方面的一种机制。衰老、胆固醇和动脉粥样硬化之间的关系可能比以前研究发现的更复杂。

4.5 运动可以干预衰老

虽然许多研究都强调运动对健康的好处，以及运动可以随着年龄的增长而延长健康寿命，但迄今为止，很少有研究证明运动可以延长小鼠的寿命，只有一项晚年运动研究表明了寿命的延长。有证据表明，运动可以防止衰老和衰老小鼠血清和心脏中的促炎SASP片段。运动可以抵消饮食引起的衰老和小鼠脂肪和肝脏组织中的SASP，这表明运动最有益的方面可能并不适用于已经健康的动物，而是那些可能发展为代谢性疾病的动物。在人类中，运动和活动与内皮细胞和白细胞衰老标志物减少有关。这些数据表明，运动可以抵消不良饮食和久坐的生活方式带来的衰老的有害影响。

结论

正如这篇文章所指出的，衰老细胞和全身代谢之间的相互作用是动态的。衰老细胞会破坏多种组织的代谢稳态，而这些变化反过来又会促进衰老，形成一个反馈循环。这个循环发生在 NAD⁺的背景下，其中SASP促进免疫细胞CD38 依赖性NAD⁺ 的分解，而降低的NAD⁺水平反过来又会促进衰老（图 2）。同样，外周衰老可导致胰岛素抵抗，而胰岛素抵抗反过来又会导致胰腺β细胞的压力和衰老。这种退化循环导致血糖升高和眼睛和肾脏衰老，最终导致糖尿病并发症（图 5）。

图5 衰老在糖尿病及其并发症中的多种作用

衰老的脂肪细胞会导致胰岛素抵抗，从而导致高血糖，而高血糖反过来又会促进更多的脂肪组织衰老。高血糖还会迫使胰腺β细胞过度分泌胰岛素。这种压力导致β细胞衰老，从而导致胰岛素血症，和进一步的高血糖。高血糖还会导致视网膜和肾脏等周围组织的衰老，加重糖尿病并发症。

针对衰老细胞及其退行性疾病有三种类型的干预。首先，可以减缓衰老细胞的形成，就像在饮食限制和类似干预中观察到的那样。其次，可以允许衰老细胞积累，但防止它们造成伤害，正如在二甲双胍介导的SASP抑制或CD38抑制后所观察到的。最后，可以用抗衰老药物来去除衰老细胞。与前两种干预方法不同，裂解可以间歇使用，可能更容易在人类中实施，而饮食和抑制药物方案需要定期坚持，以保持益处。

在衰老细胞中观察到的代谢变化也意味着其他疾病可能是由衰老细胞驱动的。例如，最近的研究表明，哺乳动物出生前的绒毛膜羊膜中存在衰老细胞，这些细胞会发送信号以促进分娩。鉴于前列腺素 E2 (PGE2) 和 F2α (PGF2α) 促进分娩，衰老相关的前列腺素可能是人类正常（可能是早产）分娩的一部分。前列腺素还具有其他作用，例如 PGD2 在睡眠开始中的重要作用。鉴于许多人随着年龄的增长而经历更多的睡眠中断，因此推测衰老细胞可能会产生额外的 PGD2，从而导致与年龄相关的睡眠中断。

最后，营养干预可以预防许多与年龄有关的疾病。研究者对大量营养素胁迫在长寿和衰老中的作用已经知道得很多，但对关键微量营养素营养不良如何控制衰老的发展却知之甚少。例如，胆碱缺乏在美国老年人中很常见，是肝脏脂肪变性的一个驱动因素，而肝脏脂肪变性也是由衰老细胞促进的。因此，营养与衰老之间的关系需要未来进一步探索。

显然，代谢和细胞衰老之间相互作用的许多方面还需要进一步的研究。然而，现代生物学的新兴工具，包括单细胞和系统生物学和人工智能，使人们更容易深入了解这种复杂的相互作用，以便在未来更有效地干预与年龄相关的代谢疾病。

原文链接：  

https://www.nature.com/articles/s42255-021-00483-8

 来源：代谢组metabolome