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摘 要： 細胞衰老指細胞被阻滯于某一生長周期中，這種阻滯是不可逆轉的，同時出現(xiàn)細胞形態(tài)、代謝、相關基因和表觀遺傳調控的改變[1]，包括細胞周期抑制性調控蛋白表達升高，衰老相關-半乳糖苷酶活性增強以及衰老相關染色質聚集等[2]。細胞周期調控著細胞分化、增殖，
細胞衰老指細胞被阻滯于某一生長周期中，這種阻滯是不可逆轉的，同時出現(xiàn)細胞形態(tài)、代謝、相關基因和表觀遺傳調控的改變[1]，包括細胞周期抑制性調控蛋白表達升高，衰老相關β-半乳糖苷酶活性增強以及衰老相關染色質聚集等[2]。細胞周期調控著細胞分化、增殖，同時也調控細胞功能下降及細胞衰老。在其正常運轉中，細胞周期蛋白(cyclin)等調控分子在相關的分子信號通路中發(fā)揮著正性或負性作用，是生命活動的基礎[3-4]。任何一個調節(jié)細胞正常周期運轉機制被破壞都將導致細胞性衰老[5]。所以深入研究細胞周期如何調控衰老將為我們進行有效的藥物干預、減緩衰老的進程提供更多的依據(jù)。
1細胞周期蛋白依賴激酶抑制蛋白(cyclindependentinhibitor，CDI)通過對細胞周期的調節(jié)來影響細胞的衰老速度
根據(jù)分子構成的不同，通常CDI被劃分為兩大家族:其中一個為Ink4家族，是一類主要抑制細胞周期蛋白依賴激酶(cyclin-dependentkinase，CDK)中CDK4/CDK6激酶活性的蛋白，包括p15與p16等。另一個為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復合物的活性減低。
細胞周期的正常運轉、細胞分裂、增殖均依賴于調控系統(tǒng)有效的控制。細胞生長期調節(jié)的關鍵在于對G1-S與G2-M的交界處的調控。正常細胞周期中有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)，細胞停滯在G1期與Rb蛋白的低磷酸化密切相關，而高磷酸化的Rb蛋白的阻滯作用將大大減弱。磷酸化的pRb蛋白可使細胞從G1期進入S期，cyclinD-CDK復合物是Rb蛋白的磷酸激酶，主要調節(jié)pRb的磷酸化過程。研究發(fā)現(xiàn)，在G1期中，相對年輕的細胞中可檢測到磷酸化的pRb蛋白，但在衰老的細胞中Rb蛋白則表現(xiàn)為低磷酸化，這也導致衰老細胞停滯在G1期。
正常的細胞周期G1期中，Rb和E2F-DP1以二聚體的形式特異性結合。在G1中后期，Rb需在cyclinD-CDK結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，啟動靶基因轉錄，進而使細胞進入S期[6]。正常情況下，在G1期末存在一個負反饋機制，即Rb蛋白在cyclinD1合成和激活下被磷酸化，而Rb蛋白的磷酸化也將進一步關閉cyclinD1的表達。細胞如加速通過G1期則需要早期磷酸化Rb蛋白。研究人員發(fā)現(xiàn)cyclinE和CDK2同時于細胞周期G1期與S期相交處發(fā)揮著調節(jié)功能。當細胞脫離G1期進入S期時，cyclinE水平下降，隨著S期的進行，cyclinA和CDK2結合成激酶，加快了細胞周期的運轉。CDK2的活性如被抑制也可促進細胞進入S期。
2p16介導的cyclinD-CDK4-pRb信號通路調控細胞周期及細胞衰老
p16基因是調節(jié)細胞衰老的主要因子之一，在遺傳調控中發(fā)揮著重要作用。p16是CDK4和CDK6的抑制物。細胞停滯在G1期與cyclinD-CDK復合物的失活有關，進一步研究發(fā)現(xiàn)這與p16和CDK4、CDK6結合后使cyclinD-CDK復合物無法合成密切相關[7]。
p16和p21可同CDK競爭性結合，而CDK4被cyclin激活后對這種競爭性結合又起抑制作用。p16-CDK4、p21-CDK4結合物均喪失促進Rb磷酸化的作用，故p16、p21可阻滯細胞周期的正常運轉，進而影響細胞的增殖等。細胞進一步老化，p16含量隨之增多，CDK4活性進一步下降。在相對年輕的細胞中，p16有相對較低的表達。在衰老的細胞中，p16表達明顯增多，這與Ras-Raf-MEK信號傳導的下降、Et2蛋白的表達減低、Id1蛋白表達的減低及Etal聚集等因素有關[8]。
3p19ARF/p53/p21途徑介導的信號通路參與調控細胞周期及細胞衰老
p21是衰老的標記蛋白。由p53活化轉錄所致的p21表達增加可明顯導致細胞的衰老，p21是促使細胞衰老的重要信號分子之一。p21與CDK上的結合位點結合后與細胞核增殖因子(proliferatingcellnuclearantigen，PCNA)形成p21-cyclin-CDK-PCNA復合物，這種復合物形成后可阻滯CDK和PCNA與其他分子結合，從而使CDK、PCNA失去活性。PCNA和p21的結合可阻滯復合物的延展，復合物從模板上脫離下來后又抑制了依賴PCNA的DNA合成。p21在抑制細胞進入S期方面有雙重作用[9]。p53的野生型可激活p21轉錄。p53的突變型則無此作用。p21和p53在由DNA損傷所致的細胞阻滯中起關鍵作用。p53主要的負調控蛋白為鼠雙微因子(mousedoubleminute2，MDM2)，MDM2往返于細胞核-細胞質的作用可被p19阻抑。研究發(fā)現(xiàn)，在MDM2和p19的異核體中，細胞核中有p19表達和少量的MDM2的表達，MDM2表達于胞質中但是其可短暫地進入核仁，p19阻止MDM2的核仁輸出，所以被MDM2抑制的p53被p19恢復了轉錄[10]，故p19拖扯MDM2并增加p53的表達，而表達增加的p53又可進一步誘導p21轉錄增加。正常情況下p53含量較低，但一旦遇到生長刺激等，p53表達即可迅速增多。細胞生長周期中，正常Rb途徑中p21被p53誘導后可阻滯細胞于G1期的限制點處，但如果Rb途徑缺失，細胞則繞過G1期限制點，這可引起由p53介導的凋亡。p21通過減低cyclin-CDK對Rb蛋白的磷酸化作用，使Rb磷酸化受阻，Rb不能和E2F組成復合物，進一步阻礙了E2F的轉錄，對細胞周期有負性調節(jié)作用，從而使細胞無法分化、增殖。p21是p53下游效應物，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cyclinD1-CDK4/CDK6、cyclinE-CDK2、cyclinA-CDK2復合物形成，導致G1、G2期停滯[11]。p19ARF/p53/p21是調控細胞衰老的一個重要環(huán)節(jié)。
4PTEN/P27途徑介導的信號通路參與調控細胞周期及細胞衰老的過程
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復合物后，其功能明顯減弱，進而使細胞的正常周期停滯，細胞增長繁殖能力減弱，是一種廣譜的CDK抑制蛋白[13]。p27也對細胞生長周期起到負性調節(jié)的作用，其在細胞周期內表達水平及分布受多種機制調節(jié)。p27可抑制CE-CDK2復合物的活性，p27與p21及CD-CDK復合物結合可導致p27不能和CE-CDK2結合。細胞周期被p16誘導阻滯后，p27和CE-CDK2結合抑制了CE-CDK2D的活性，從而抑制細胞周期進程[14]。PTEN對細胞周期有負調控作用，可加速分化，阻滯增生。許多衰老細胞中PTEN被激活后AKT磷酸化作用減弱，p27表達上調，最終細胞被阻滯在G0/G1期。p27為轉化生長因子-β(transforminggrowthfactor-β，TGF-β)的靶分子，其可明顯減弱cyclinD-CDK的作用，包括cyclinD-CDK4等。過表達的p27將使細胞停滯于G1期[15]。
研究顯示p27/PTEN蛋白可調節(jié)鼠聽覺祖細胞的分裂和增殖[16]。現(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致細胞周期的變化。眾所周知，缺少生長因子或細胞的密度過高均可導致細胞生長受阻，p27集聚則是造成細胞周期阻滯的主要原因。靜止狀態(tài)下p27通過TGF-β作用，使其不能與細胞結合點相結合，從而使p27自身含量增加，進而使細胞不能進入S期;當沒有TGF-β作用下的細胞進入S期時，檢測p27的表達明顯較前減低，在G早期加入TGF-β抑制劑，p27活性同樣下降。
5與細胞周期及衰老相關的其他因素
TGF-β調控細胞周期，影響細胞衰老的作用來自三個方面。TGF-β1阻斷CDK4翻譯，CDK4含量減少，同時發(fā)現(xiàn)在一些細胞中TGF-β也通過負性調節(jié)作用下調CDK4表達;TGF-β可通過對CDK2-cyclinE的抑制可逆地誘導靶細胞阻滯在G1期;TGF-β也可通過p15、p16和p27等抑制蛋白來影響細胞周期。Lovisa等[17]發(fā)現(xiàn)腎組織損傷后TGF-β過表達，通過p21的調節(jié)，使腎組織細胞阻滯在G2/M期，腎組織纖維化加速。
年輕的細胞被神經酰胺這種脂類分子處理后，則可表現(xiàn)出衰老細胞特有的特征改變。神經酰胺酶可激活p21及其相關的磷酸化酶等，導致CDK2活性減低，Rb去磷酸化，這些都將使細胞的正常周期發(fā)生停滯，細胞阻滯于G1期，最終細胞發(fā)生衰老[18]。
綜上所述，細胞在衰老的過程中，有許多調控蛋白通過對細胞周期的調節(jié)，阻滯了正常的細胞增殖，加速了衰老的進程。如何能更合理的利用這些調控蛋白延緩正常細胞的衰老，同時加快腫瘤細胞的衰老，值得我們進一步思考和研究。
相關期刊推薦：《中國細胞生物學學報》由中國科學院上海生命科學研究院生物化學與細胞生物學研究所和中國細胞生物學學會共同主辦。主要報道細胞生物學和細胞生物技術及其相關領域的國內外最新研究動態(tài)和中國/省市細胞生物學學會會訊。
