端粒_线粒体和干细胞衰老_黄黎亚

上 海 交 通 大 学 学 报 医 学 版 Vol 32 No 5 May 2012Journal of Shanghai Jiaotong University Medical Science 作者简介 黄黎亚 1979 女 硕士生 电子信箱 liya 66 hotmail com 通信作者 陈书艳 电子信箱 shuyanchencn yahoo com cn 文章编号 1674 8115 2012 05 0679 05 综述 端粒 线粒体和干细胞衰老 黄黎亚 陈书艳 上海交通大学 医学院附属新华医院老年医学科 上海 200092 摘要 干细胞是一类在所有生命周期中具有关键性作用的特殊细胞 保持干细胞活力 延缓干细胞衰老及延长干细胞寿命具 有重要意义 该文从基因组维护和端粒 细胞周期抑制因子 线粒体等几个方面对干细胞衰老的分子机制作一整体性综述 侧 重于端粒 p53 通路和线粒体 活性氧自由基途径间的关系及其对干细胞衰老的影响 关键词 干细胞 衰老 端粒 p53 线粒体 活性氧自由基 DOI 10 3969 j issn 1674 8115 2012 05 033 中图分类号 R329 1 文献标志码 A Telomeres mitochondria and stem cell aging HUANG Li ya CHEN Shu yan Department of Geriatrics Xinhua Hospital Shanghai Jiaotong University School of Medicine Shanghai 200092 China Abstract Stem cells are the special cells which play a key role in the whole life cycle It is very important to maintain the activity of stem cells slow down stem cell aging and prolong the life of stem cells In this paper the molecular mechanism of stem cell aging is reviewed from the aspects including genome maintenance telomeres cell cycle inhibitors and mitochondria The relationship between telomere p53 pathway and mitochondria reactive oxygen species pathway is focused and the impacts of the two pathways on stem cell aging are introduced Key words stem cell aging telomere p53 mitochondria reactive oxygen species 干细胞具有自我更新和分化潜能 是个体发育 和组织再生的基础 它参与机体构建 同时修复衰老 和受损的组织器官 因此 保持干细胞活力 延缓干 细胞衰老以及延长干细胞寿命具有重要意义 近年 来多项研究 1 发现 基因组维护 DNA 损伤信号通路 和线粒体代谢调控共同促进了干细胞衰老进程 衰 老相关的端粒损伤功能和端粒 帽 功能衰退伴随 p53 激活是导致干细胞功能下降和线粒体功能障碍 的主要核心因素 而干细胞功能下降和线粒体功能 障碍又反过来影响各种不同组织的更新和能量支 持 由此推测可能存在一种统一的分子机制将端粒 损伤和 p53 激活与干细胞和线粒体功能障碍联系起 来 基于上述观点和推测 我们认为端粒功能障碍 线粒体功能障碍与 p53 通路以及它们之间的分子调 控和相互作用对干细胞衰老的影响十分重要 文章 拟从基因组维护和端粒 细胞周期抑制因子及线粒 体等几个方面对干细胞衰老的分子机制作一整体性 综述 并侧重于端粒 p53 通路和线粒体 活性氧自 由基 reactive oxygen species ROS 途径间的关系及 其对干细胞衰老的影响 1干细胞及其生物特性 干细胞具有自我更新和通过不对称分裂产生多 向分化子代细胞的潜能 但其自我更新能力并非无 限 应激状态下衰老组织特征性地呈现出维持体内 自我平衡的能力下降 提示衰老过程中干细胞出现 衰退 有研究 2 显示 老年小鼠细胞自主发生功能 性造血干细胞 haematopoietic stem cells HSCs 数量 减少且分化方向改变 向髓系而不是淋巴系分化 导 致其淋巴细胞明显减少 免疫功能下降 对人类来 说 这种衰老但仍具更新和分化能力的干细胞对老 年人群的健康有害 因为它提供了一个更适合恶性 肿瘤发生的细胞环境 因此 随着年龄增长 保存足 够的具有健全更新分化能力的干细胞对维持组织器 官的正常功能极其重要 2基因组维护与干细胞衰老 生物体内外环境都存在着使 DNA 损伤的因素 为了维护基因组的完整性 生物体内发展了一套有 976 上 海 交 通 大 学 学 报 医 学 版 Vol 32 效纠正 DNA 损伤的机制即 DNA 修复 DNA 修复体 系并不完美 一些损伤能逃避修复并随年龄增长在 体内积累 对人类早老综合征的研究 3 4 证实 基因 组维护缺陷可致衰老 这些综合征包括沃纳综合征 与毛细血管扩张性共济失调 先天性毛细血管扩张 性红斑等 这些疾病为基因突变所致 突变基因的产 物直接影响 DNA 修复系统或间接介导 DNA 损伤反 应发生 DNA 损伤和基因组不稳定对干细胞的正常 功能也造成很大影响 Ito 等 5 6 研究发现 ROS 能 限制毛细血管扩张性共济失调突变 ataxia telangiec tasia mutant ATM 基因缺陷小鼠的 HSCs 功能 并通 过 p38 丝裂原活化蛋白激酶 mitogen activated protein kinase MAPK 途径限制 HSCs 的寿命 KU80 缺陷 老年小鼠 HSCs 出现 DNA 损伤积累 且在移植环境 中复育能力明显受损 7 KU80 ATM 和 WRN 等蛋 白都是与 DNA 修复有关的蛋白 当 DNA 修复体系出 现缺陷而不能维护基因组完整性 DNA 损伤积累达 到无法修复的程度时 干细胞就会发生功能障碍 衰 老 凋亡并可能最终引起机体衰老 3端粒与干细胞衰老 端粒是真核细胞染色体末端的一段线性 DNA 重复非编码序列 主要作用是维持染色体结构完 整 DNA 聚合酶不能复制线性 DNA 末端 因此端 粒会随细胞周期性复制而缩短 当缩短到一定限度 不能维持染色体稳定时 细胞进入增殖衰竭期 细胞继续存活但不能增殖分裂 8 9 端粒长度维持 主要依赖端粒酶活性 端粒酶主要是由端粒酶 RNA 组分 telomerase RNA component TERC 含有端粒的 TTAGGG 模板序列与蛋白质组分 telomerase reverse transcriptase TERT 含有反转录酶活性 以及端粒酶 相关蛋白组成 10 在人成纤维细胞研究 11 12 中发 现 TERT 强制表达可稳定端粒长度 并使细胞具有 无限复制潜能且不引起恶性转化 先天性角化不良为端粒酶 TERT 或 TERC 突变 所致的常染色体显性遗传病 该病表现端粒缩短 寿 命减少 在威胁生命的感染风险增加的情况下出现 衰老加速和骨髓功能衰竭 13 此外 端粒也与后天 获得性退行性疾病 如肝硬化 有关 有研究 14 证 明 端粒缩短可促进慢性肝炎患者发生明显肝硬化 端粒酶敲除小鼠是研究端粒缩短在衰老及衰老 相关疾病中作用的较好模式生物 研究 15 发现 第 一代端粒酶敲除小鼠 G1 Terc 表型正常 而第 三代 G3 Terc 及之后小鼠则出现明显端粒缩短 和染色体端端融合 引起寿命缩短 生殖力下降 组 织萎缩及器官功能损害 高度增殖性器官主要依赖自 身组织干细胞保持组织更新和平衡 而 G3 Terc 小 鼠各组织干细胞均发生耗竭和 或 自我更新及分化 潜能受损 最终引起早衰 16 值得注意的是 Sarin 等 17 发现增强 TERT 表达可激活静止毛囊干细胞并 刺激毛发生长 而这种 TERT 诱导干细胞增殖不依赖 端粒长度 它可发生在 Terc 小鼠或酶活性低的 TERT 转基因小鼠模型中 更有研究 18 指出 TERT 可与 RNase MRP RNA mitochondrial RNA procession RNA 属于 snoRNA 结合形成 RNA 依赖的 RNA 聚合 酶 RNase MRP 与线粒体的功能有关 RNase MRP RNA 突变患者会发生软骨 毛发发育不全综合征 故 TERT 不依赖端粒作用更引人注目 因其可能与改 善线粒体及干细胞功能有关 但对 TERT 不依赖端粒 作用的生化基础目前还不清楚 端粒功能障碍其实是一种特殊形式的 DNA 损 伤 导致干细胞耗竭的主要原因是端粒受损激活 p53 介导的 DNA 损伤信号通路而引起干细胞增殖抑制 衰老或凋亡 19 干细胞 p53 基因缺失虽能恢复许多 端粒功能障碍小鼠的表型改变 改善其干细胞功能 但由于癌症发病率升高 故并不能增加总体寿命 19 然而 G3 Terc 小鼠 p21CIP 细胞周期抑制因子 p21CIP是 p53 的靶点蛋白 缺失可恢复其肠道 骨髓 中多种增殖障碍表型且不增加癌症风险 20 以上结 果表明 在端粒受损情况下可能通过激活 p53 p21 轴 来破坏干细胞增殖和干细胞功能 从而促进衰老 4细胞周期抑制因子与干细胞衰老 多种应激包括端粒缩短 ROS 缺氧 癌基因激 活 紫外线以及化学诱变剂等都可诱导衰老 而与衰 老相关的细胞周期抑制因子在其中具有重要作用 包括 p53 p21 p16INK4A和 p19ARF等的表达 这些蛋白 在肿瘤抑制中起重要作用 也称肿瘤抑制因子 p53 基因是典型的 看门基因 在受到如端粒 缩短 ROS 和癌基因活化等应激时被激活 激活的 p53 具有强大诱导 DNA 损伤细胞发生细胞周期阻 滞 衰老或凋亡的功能 21 当细胞出现适度 DNA 损 伤时 通过细胞周期检查点激活 ATM ATR CHK2 激 酶级联反应使 p53 激活并介导细胞周期阻滞 激活 的 p53 作为转录因子诱导 p21 基因转录 p21 是周 期素依赖性激酶 cyclin dependence kinase CDK 抑 制剂 可防止细胞从 G1期进入 S 期 细胞周期停止 进行 DNA 损伤修复 在某些情况下 p53 引起细胞 086 No 5黄黎亚 等 端粒 线粒体和干细胞衰老 周期阻滞是暂时的 而其他情况下又是长久的 并可 致细胞衰老 21 当 DNA 过度损伤无法修复时 激活 的 p53 上调促进凋亡蛋白 如 Bax 和 Puma 等 表达 和线粒体细胞色素 c 释放 导致细胞凋亡 上述 p53 介导的 DNA 损伤信号通路可防止 DNA 损伤在细胞 内积累 阻止新生癌细胞出现 癌症也属衰老相关 性疾病 从该角度讲 p53 的肿瘤抑制作用是保证长 寿的关键因素 然而 某些情况下 p53 又具促衰老作 用 如高表达 p53 基因小鼠出现组织干细胞功能下降 及各种早衰表型 22 此外 p53 剂量改变对老年动物 HSCs 增殖和再生能力有明显影响 p53 降低可改善衰 老 HSCs 功能 而 p53 活性超过正常水平则引起 HSCs 功能下降 23 由此推测 p53 诱导的凋亡和衰老可能 通过损耗干细胞数目和功能影响老化进程 Ink4a Arf 位点编码两个肿瘤抑制因子 p19ARF 和 p16INK4A p19ARF为 p53 蛋白正调控因子 许多癌 基因产物 如 Ras Myc E2F 等 可促进 p19ARF表达 p19ARF与 Mdm2 E3 泛素连接酶 Mdm2 是 p53 蛋白负 调控因子 结合 提高 p53 活性水平 24 p16INK4A是 CDK 抑制剂 进而维持视网膜母细胞瘤蛋白活性 阻 滞细胞于 G1 期 研究 25 证实 衰老组织中 p16INK4A 表达大量增加且相对容易定量 故建议将其表达水 平作为生理性生物标记物 与实际年龄相对应 用 p16INK4A缺陷和过表达小鼠来研究 HSCs 神经干细胞 neural stem cells NSCs 和胰岛 细胞功能 结果显 示 p16INK4A过表达可部分导致衰老组织中这些干细 胞功能下降 而 p16INK4A缺陷则可部分增强这些衰老 相关干细胞的增殖能力和功能 26 这些均表明 p16INK4A与衰老关系密切 是一种老化促进因子 此 外 端粒功能障碍在 p53 非依赖途径中可能也诱导 p16INK4A表达 虽然与 p53 相比它的反应动力学明显 延迟 27 近年来 聚硫蛋白家族 polycomb group PcG 复合物与 Ink4a Arf 调节在衰老过程中的作用 引人关注 PcG 复合物可通过抑制 Ink4a Arf 活化而 调控干细胞功能 BMI1 是一种 PcG 蛋白 为 Ink4a Arf 位点抑制因子 BMI1 基因缺陷小鼠出现 HSCs 和 NSCs 损耗 而在此基础 上 使 Ink4a 靶 向 突 变 致 p16INK4A缺失则能增强衰老 HSCs NSCs 及胰岛 B 细 胞等的更新潜能 26 有研究 28 指出 BMI1 基因缺 陷小鼠出现线粒体功能障碍导致 ROS 增加 并随之 激活 DNA 损伤反应 抗氧化剂治疗或 CHK2 缺失致 DNA 损伤反应通路阻断可部分改善上述情况 还有 研究 29 证明 BMI1 通过下调 p53 介导的凋亡使癌细 胞具有辐射抵抗能力 目前 对于应激时 Ink4a Arf 位点激活的分子途径仍了解不多 有关 PcG 复合物 功能与衰老间的相关性研究仍在进展中 5线粒体与干细胞衰老 哺乳动物的细胞线粒体在产生能量 维持钙离 子动态平衡 调控生物合成和介导细胞凋亡等方面 发挥极其重要的作用 30 鉴于其在生物代谢中的重 要作用 健全的线粒体功能对于维持干细胞增殖 更 新和分化潜能必定也是关键因素 近期有文献 31 报 道 在比较人类胚胎干细胞 human embryonic stem cell hESC 和诱导多能干细胞 induced pluripotent stem cells iPS 自发分化过程的异同发现 线粒体和 代谢重构可能与多能干细胞自我更新状态的获得 维持和丧失密切相关 提出线粒体和代谢重构可能 在细胞再次程序化后获得多能性的过程中起关键作 用 也可能在细胞分化后丧失多能性的过程中起关 键作用 线粒体主要功能是通过氧化磷酸化 oxidative phosphorylation OXPHOS 产能以维持机体新陈代 谢 而 ROS 作为 OXPHOS 毒副产物产生 氧化损伤 致衰老理论认为机体衰老是由 ROS 引起的 ROS 主 要包括超氧阴离子 O 2 羟自由基 OH 及过氧 化氢 H2O2 等 正常情况下 ROS 的产生和清除保 持动态平衡 而各种应激使线粒体 DNA mtDNA 和 核 DNA nDNA 等线粒体基因发生突变 从而抑制 OXPHOS 并导致 ROS 增加 过多的 ROS 可氧化破 坏细胞脂质 蛋白质和核酸 引起组织损伤 线粒体 产能过程中 ROS 增加又致 mtDNA 突变累积 进一步 损害线粒体功能直至线粒体通透性转运孔 mtPTP 激活 细胞发生凋亡而死亡 当死亡细胞达到一定数 量则器官功能开始衰退 出现衰老表征 32 有研究 33 显示 mtDNA 突变累积可促进衰老 构建 POLG mtDNA 聚合酶 基因突变小鼠 该 POLG 外切核酸酶校正功能失活 小鼠出现脱毛 骨 质疏松 贫血 生殖力下降 心脏扩大等早衰表型且 寿命缩短 也有研究 34 证实 mtDNA 含量下降可致 干细胞损耗 拓扑 基因缺陷 M1L 系果蝇仅用短 型拓扑异构酶 治疗可恢复生存能力但细胞 mtDNA含量下降 ATP 水平也降低 致 M1L 系雄性果 蝇生殖系干细胞进行性损耗并引起不育 而用长型 拓扑异构酶 治疗则表型无明显异常 此外 严重 mtDNA 突变可促进肿瘤形成 对前列腺癌的研 究 35 发现 mtDNA COI 基因差异升高 260 个 COI 基 因序列的蛋白质组研究显示 11 包含突变 而前列 186 上 海 交 通 大 学 学 报 医 学 版 Vol 32 腺癌阴性对照组无 COI 突变 表明这些 mtDNA 突变 对前列腺癌有致病作用 可见 mtDNA 异常致线粒 体功能障碍可进一步损害干细胞功能 并与衰老及 衰老相关性疾病有密切联系 从能量代谢的分子调控机制上来说 几个重要 衰老相关因子也与线粒体功能有关 如 SIRT1 FoxO PGC 1 和 BMI1 哺乳动物叉头转录因子 FoxO 是 磷脂酰肌醇 3 OH 激酶 PI3K 通路下游的重要组 分 PI3K 激活蛋白激酶 B PKB 或 Akt 使 FoxO 磷酸 化失活 FoxO 是线粒体生物合成和代谢的调控因 子 FoxO 去磷酸化活化 转移至细胞核内激活 PGC 1 和抗氧化酶转录 上调线粒体 OXPHOS 和抗氧化 水平 故在 ROS 增加时 FoxO 水平上调有助于改善 线粒体功能 提高抗氧化能力 防止细胞衰老 有研 究 36 显示 FoxO 缺陷成年小鼠大脑神经干细胞增殖 和分化潜能 抗氧化能力明显下降 出现 ROS 诱导的 干细胞损耗 此外 FoxO 与 p53 在细胞核内相互作 用 二者具有相似靶基因如 p21 等 提示二者在肿瘤 抑制中可能起协同作用 37 PPAR 辅助激活因子 1 PGC 1 是转录共激活因子 为线粒体生理及代谢的 重要调控因子 PGC 1 或 PGC 1 缺陷小鼠可出现 线粒体功能障碍 抗氧化能力下降及早衰表型 38 39 NAD 依赖去乙酰化酶 SIRT1 是 Sir2 的哺乳动物同 源蛋白 可使 p53 去乙酰化失活 40 氧化应激时 SIRT1 与 FoxO3 结合 使其去乙酰化活化 进而上调 抗氧化水平和应激反应基因的表达 41 白藜芦醇是 SIRT1 激活剂 激活的 SIRT1 还可使 PGC 1 去乙酰 化活化 并通过 PGC 1 显著诱导线粒体功能 42 因此 上述蛋白中任何一个失活都将导致线粒体生 物合成及能量代谢障碍 ROS 产生增加 线粒体功能 进一步受损 抗氧化能力下降 最终加速组织衰老 6总结和展望 从上述分析可知 DNA 修复体系缺陷 端粒功能 障碍 细胞周期抑制因子特别是 p53 介导的 DNA 损 伤信号通路 线粒体功能障碍致 ROS 增加 均可引起 干细胞增殖能力下降 自我更新及分化潜能受损 促 进干细胞衰老 首先 各种有害刺激如 ROS 缺氧 紫外线 化学毒物以及 DNA 修复缺陷等都可引起 DNA 损伤 特别是端粒功能障碍 端粒损伤并激活 p53 介导 DNA 损伤信号通路 诱导 p21 表达致细胞 增殖阻滞 衰老 或诱导促凋亡蛋白表达致细胞凋 亡 其次 各种应激也可致 mtDNA 突变引起线粒体 功能障碍 抑制 OXPHOS 使 ROS 产生增加 反过来 又加重 DNA 损伤 然后 线粒体功能障碍引起 ROS 增加进一步加速端粒缩短并激活 p53 介导 DNA 损伤 信号通路 该途径可促进组织干细胞衰老和相关组 织退行性改变 43 最后 有文献 44 提出了以线粒体 功能障碍为基础构成的基因毒性损伤恶性循环模 型 DNA 损伤 p53 激活 线粒体功能障碍 ROS 增加 DNA 进一步损伤 尽管 p53 激活是如何介导 线粒体功能障碍的分子机制还不完全清楚 但最近 有一篇相关报道非常鼓舞人心 该研究 45 论证了端 粒功能障碍激活 p53 p53 结合并抑制 PGC 1 和 PGC 1 启动子 从而将端粒和线粒体直接联系起 来 提出在端粒功能障碍条件下端粒 p53 PGC 轴 促进器官功能下降和代谢衰竭 并导致机体适应性 减退 鉴于端粒酶缺陷小鼠 p53 高表达小鼠 过度 mtDNA 突变小鼠 PGC 1 或 PGC 1 缺陷小鼠等均 出现早衰表型 而一些衰老相关分子如 SIRT1 FoxO PGC 1 和 BMI1 等既在线粒体代谢调控中发挥重要作 用 也在 p53 通路中参与相关调控 我们推测线粒体可 能通过这些分子间的网络联系也加入到了端粒 p53 轴介导的干细胞衰老过程中 尽管这种端粒 p53 线粒体轴统一的确切分子机制还有待进一步阐明 参考文献 1 Sahin E Depinho RA Linking functional decline of telomeres mitochondria and stem cells during ageing J Nature 2010 464 7288 520 528 2 Rossi DJ Jamieson CH Weissman IL Stems cells and the path ways to aging and cancer J Cell 2008 132 4 681 696 3 Martin GM Oshima J Lessons from human progeroid syndromes J Nature 2000 408 6809 263 266 4 Bohr VA 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