干细胞衰老分子机制的研究进展

许艳 刘如明 王诺鑫 肖建辉

遵义医科大学附属医院医药生物技术研究所，遵义市医药生物技术重点实验室（贵州遵义563003）

衰老是生命发展过程中的一个自然规律。衰老及衰老相关慢性疾病给国家和社会发展带来沉重的负担。研究表明，干细胞的衰老是机体衰老的根本原因；此外，衰老导致干细胞的增殖与分化能力降低，阻碍其在临床治疗中的应用。因此，探究干细胞衰老的分子机制对于延缓机体衰老及促进干细胞临床应用十分重要。现将近年来对干细胞衰老相关信号及分子机制的研究综述如下。

1 干细胞的衰老

干细胞具有自我更新与多向分化的潜能，是再生医学的核心组成部分，已被应用于造血系统疾病、中枢神经系统疾病及免疫系统疾病等多种疾病的治疗［1］。但是，如同体细胞一样，干细胞也会衰老，并影响其增殖、分化及组织修复功能［2］。一方面，干细胞的衰老是机体衰老和功能障碍的重要驱动因素，与多种疾病的发生密切相关［3］，譬如在特发性肺纤维化患者中可观察到间充质干细胞的衰老，线粒体功能下降及DNA 损伤等；此外，间充质干细胞的衰老还可能是导致骨髓增生异常综合征转化为白血病的重要原因［4-5］。另一方面，干细胞的衰老阻碍了其作为种子细胞在临床治疗中的应用。TURINETTO 等［6］报道，在细胞治疗过程中，需要体外扩增大量的干细胞进行体内移植，然而，体外长期培养易导致间充质干细胞的衰老，丧失其修复功能。因此，研究干细胞衰老的分子机制对于解开机体衰老之谜以及促进干细胞的临床研究有重要的意义。

干细胞衰老具有以下特征：与体细胞衰老相同的是，细胞形态变得大而扁平，衰老相关标志物β-半乳糖苷酶活性升高，细胞出现不可逆的增殖阻滞，细胞周期抑制基因表达上调［7］；而与体细胞不同的是，衰老还会影响干细胞的分化潜能，表现为成骨分化潜能下降，成脂分化潜能增强［8-9］。细胞衰老主要有两种类型：复制性衰老和病理性衰老。复制性衰老指细胞随着分裂次数的增加，会逐渐呈现出衰老状态，属于正常衰老；而病理性衰老指外界因素诱发的细胞衰老，其中外界因素主要包括活性氧（reactive oxygen species，ROS）和辐射等［10-11］。对于干细胞的衰老机制，传统的研究包括端粒酶活性及端粒缩短、氧化损伤、DNA 损伤、蛋白质稳态失衡以及线粒体功能障碍等［12］，多为细胞水平上的机制。随着干细胞衰老研究的深入，近年来，干细胞衰老相关机制逐渐转为分子水平，如Nrf2 转录因子、Sirtuin 家族、Wnt/β-catenin 信号通路和p53/p21 信号通路等（表1）。本文主要综述了近年来发现的与干细胞衰老相关的信号及分子机制，以期为建立新型抗干细胞衰老的策略及促进干细胞的临床应用提供思路。

2 干细胞衰老的分子机制

2.1 核因子E2 相关因子2（nuclear factor-erythroid 2-related factor，Nrf2）与干细胞衰老 Nrf2 是一种可以激活抗氧化基因的诱导型转录因子，其活性主要由Keap1 蛋白负性调节［13］。Nrf2 具有调节细胞氧化应激的作用，并以此来调控细胞内各种生理过程，包括细胞的增殖、分化以及干性维持等［14-16］。

表1 干细胞衰老相关分子及信号调节途径Tab.1 Stem cell senescence-related molecules and signal regulation pathways

研究［17］表明，Nrf2 可以延缓氧化应激诱发的干细胞衰老，其作用主要是通过与抗氧化反应原件（在转录水平上调节细胞保护酶的顺式作用原件）结合，上调抗氧化酶的表达水平，从而降低细胞内的ROS 含量。此外，Nrf2 还可以通过调节p53/p21 信号通路来发挥其抗氧化作用。SHIN等［18］发现，Nrf2 蛋白表达的上调可通过降低细胞周期抑制因子p53 和p21 蛋白的表达，缓解细胞增殖阻滞，从而逆转氧化应激诱发的间充质干细胞的衰老。另有研究报道，Nrf2 可与衰老相关sirtuin 家族成员Sirt6 蛋白及RNA 聚合酶Ⅱ形成转录复合物，共同调节血红素单加氧酶HO-1 的表达，延缓氧化应激诱发的骨髓间充质干细胞的衰老［19］。这些研究表明，Nrf2 在调控干细胞的衰老过程中，除了通过调节p53/p21 信号通路之外，还可与Sirt6 相互作用。目前，Nrf2 抗衰老作用的相关研究主要针对氧化应激诱发的干细胞衰老，而在复制性衰老及外界其他影响因素诱发的干细胞衰老中的作用，尚未见报道。

2.2 Sirtuin 家族与干细胞衰老 Sirtuin 家族最早在酵母中被发现，可调节细胞内多种生理过程，包括细胞凋亡、分化、糖原异生等。Sirtuin 家族成员在p53/p21、NF-κB、FoxO、PGC-1、mTOR 等衰老相关分子机制中均扮演了重要角色，其中Sirt1、Sirt2、Sirt3、Sirt6 等家族成员与细胞衰老密切相关。

Sirt1 是一种NAD 依赖性的组蛋白去乙酰化酶，可通过对组蛋白及其他细胞因子进行去乙酰化来调节细胞衰老、代谢等生理过程。研究表明，Sirt1 具有维持干细胞功能，延缓细胞衰老的作用［20］。ZHOU 等［21］报道，在H2O2诱发的人脐带间充质干细胞的早衰过程中，抑制Sirt1 的表达会上调p16 及p21 的表达水平，导致人脐带间充质干细胞的早衰。此外，LIU 等［22］发现，Sirt1 可通过促进p53 蛋白的泛素化降解来增强细胞自噬能力，从而逆转氧化应激诱发的人脂肪间充质干细胞的衰老。表明Sirt1 在不同来源的间充质干细胞的衰老中均发挥着重要作用。

Sirt2 主要参与细胞周期的调控。马珊珊等［23］发现，Sirt2 的表达随人脐带间充质干细胞的衰老而下调，且过表达Sirt2 可有效抑制人脐带间充质干细胞的衰老，促进其增殖，但具体分子机制尚不明确。

Sirt3 是第一个被发现于哺乳动物线粒体中，并与哺乳动物寿命相关的sirtuin 家族成员，具有延缓干细胞衰老的作用［24］。JUNG 等［25］报道，Sirt3 通过下调细胞线粒体内的ROS 水平来延缓间充质干细胞的衰老，且Sirt3 的表达受EphB2/c-Src 信号通路与Nrf2 基因的正向调节。

Sirt6 在DNA 修复、端粒酶功能、基因组稳定性和细胞衰老中起重要作用［26］。研究表明，Sirt6 随骨髓间充质干细胞的衰老，表达显著降低［27］；此外，ZHAI 等［28］研究发现，敲减Sirt6 基因可导致人骨髓间充质干细胞的衰老，使其增殖、迁移及氧化应激抵抗能力受损。这表明Sirt6 可调节干细胞的衰老过程，有助于恢复衰老干细胞的活力。

2.3 Wnt/β-catenin 信号通路与干细胞衰老 Wnt/βcatenin 信号通路是Wnt 信号通路中的经典通路，参与干细胞的增殖、凋亡等生命过程［29］。在干细胞的衰老过程中，Wnt/β-catenin 信号通路可通过调节p53/p21 信号通路、促炎因子的表达、mTOR 信号通路以及c-Myc 基因发挥作用。研究表明，在氯化锂诱发的造血干细胞的衰老过程中，Wnt/β-catenin 信号通路的抑制可降低p53 及p21 的蛋白表达，减少ROS 的产生及DNA 损伤，从而缓解细胞衰老［30］。马蓉洁等［31］报道，Wnt/β-catenin信号通路通过增加促炎因子的分泌来调控神经干细胞的衰老。可见，Wnt/β-catenin信号通路在不同干细胞的衰老中均起到重要调节作用。此外，另有研究表明，Wnt/β-catenin信号通路的下游靶基因c-Myc，是调控细胞周期与衰老的重要转录因子，其过度表达会导致肿瘤细胞的衰老［32］。因此，c-Myc 也可能在干细胞的衰老过程中起到一定的调节作用。这些研究表明，调节Wnt/β-catenin信号通路可以作为延缓干细胞衰老的潜在手段。

2.4 腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activatedprotein kinase，AMPK）与干细胞衰老 AMPK 即AMP 依赖的蛋白激酶，是生物能量代谢调节的关键分子。研究表明，AMPK的破坏会导致干细胞的衰老枯竭，而激活AMPK可促进衰老间充质干细胞分化为成纤维细胞，使其疤痕修复能力增强［33］。这表明了AMPK是恢复衰老干细胞年轻活力的重要靶标。

AMPK 是细胞自噬，凋亡及增殖的潜在调节因子，在干细胞的衰老过程中，AMPK 主要通过调节细胞自噬来发挥其调控作用。WHITE 等［34］报道，AMPK 通过对其下游靶标蛋白p27kip1进行磷酸化，保持细胞自噬与凋亡的平衡，从而减轻骨骼肌干细胞的衰老。BORODKINA 等［35］发现，AMPK 的活性受细胞内Ca2+离子的负调控，Ca2+离子水平降低会引起线粒体内能量失衡，从而激活AMPK，使其磷酸化，促进细胞自噬来防止人子宫内膜来源干细胞的早衰。此外，AMPK 还被细胞内Alpl 基因调控，Alpl 基因的缺失会导致AMPK 失活，进而上调骨髓间充质干细胞p16 以及p53 的表达水平，导致细胞衰老及衰老相关疾病的发生［36］。可见，AMPK 在细胞内受多种因素的调控，且在不同干细胞的衰老过程中，激活AMPK 均能起到延缓细胞衰老的作用。

2.5 p53/p21 信号通路与干细胞衰老 p53/p21 信号通路也参与了细胞衰老过程的调节。研究表明，敲减肿瘤抑制因子p53 后，可下调p21 的表达，抑制细胞自噬，减轻间充质基质细胞的衰老［37］。但p21 基因不是p53 诱发细胞衰老的唯一途径，KIM 等［38］发现在成纤维细胞中，p53 可以同时调节p21 蛋白和蛋白激酶B，而P21 和蛋白激酶B 分别调控细胞周期及ROS 水平，从而诱发细胞衰老。

调控p53/p21 信号通路是延缓干细胞衰老的有效方法。研究表明，胆固醇及氢气均通过减少细胞内ROS 的积累，下调p53 和p21 蛋白的表达，从而逆转细胞增殖阻滞，延缓骨髓间充质干细胞的衰老［39-40］。在干细胞的衰老过程中，p53/p21 信号通路也受多种信号通路调节。上文已提到Nrf2、Sirt1、AMPK 及Wnt/β-catanin 信号通路皆可通过调节p53/p21 信号通路来调控干细胞的衰老。此外，NFκB 信号的激活也会上调p53 和p21 蛋白的表达水平，导致人牙髓干细胞的衰老［41］。因此，在干细胞衰老的信号分子调控过程中，p53/p21 信号通路是各调节途径潜在交互作用的重要节点。

2.6 其他信号分子与干细胞衰老 Nanog 蛋白因具有调节细胞周期、DNA 复制与DNA 损伤修复的作用，也在细胞衰老过程中扮演了重要角色。研究表明，Nanog 蛋白通过下调p27 蛋白（控制细胞从G1 期进入S 期的细胞周期依赖性蛋白酶抑制因子）的表达，抑制小鼠成纤维细胞的衰老［42］。SHAHINI 等［43］发现，Nanog 可逆转间充质干细胞的衰老，恢复其肌源性分化潜能。

MicroRNAs 是一种小的非编码RNA 片段，其可通过调节p53/p21 或pRB/p16 信号途径来调控细胞衰老过程，因此，microRNAs 被认为是衰老的关键调节剂［44］。目前已报道多个microRNA 具有调节干细胞衰老的作用，如miR-27b、miR-195 及miR-495，但它们在干细胞中调控衰老的方式均有不同。miR-27b 通过上调衰老间充质干细胞内p16及MAPK3 的表达，促进间充质干细胞的衰老［44］。miR-195则通过抑制端粒酶的活性，导致间充质干细胞的衰老，使其增殖与分化潜能丧失［45］。miR-495 被报道也参与了间充质干细胞衰老的调节，其主要通过抑制细胞周期及促进细胞凋亡来诱发间充质干细胞的衰老［46］。这些研究表明了microRNAs 在干细胞的衰老中主要起促进作用。

此外，Notch 信号通路的激活可降低p16 及p21 蛋白的表达，促进细胞的增殖与分化，防止间充质干细胞在长期培养过程中出现老化［47］。JIN 等［48］报道，在缺氧培养环境中，多梳抑制复合物BMI1 可通过下调MKP-1 表达，激活p38 MAP 激酶，使环氧合酶-2 的表达上调，并刺激前列腺素PGE2 的生成，从而增强人脐带间充质干细胞的增殖能力，缓解衰老状态。YANG 等［49］发现在D-半乳糖诱导的间充质干细胞的衰老中，激活AKT/mTOR 通路可减少细胞内ROS 的积累，抑制间充质干细胞的衰老。

3 结语与展望

现代社会，人口老龄化日益加重，由衰老引发的相关疾病极大的降低了人们的生存质量，造成了社会经济负担急剧增长，已成为影响社会发展的严重问题。因此，延缓衰老成为人们关注的热点问题。机体干细胞能够维持体细胞的不断更新，其衰老枯竭可能是生命体衰老的根本原因。因此，延缓干细胞的衰老是抗衰老研究的重要突破口。尽管目前对干细胞衰老的认识已取得一定进展，发现并阐明多个信号分子及多条信号途径与干细胞的衰老密切相关（表1），但仍然存在以下一些问题亟待解决：（1）是否存在新的衰老信号分子或信号通路？（2）干细胞衰老往往涉及多种信号通路，如何阐明各信号通路间的交互作用？（3）干细胞衰老和机体衰老间的精密作用机制到底如何？（4）不同干细胞衰老的机制不尽相同，造成这种差异的根本原因是什么？但笔者相信，随着干细胞衰老研究的不断深入和抗衰老策略的持续开发，加快干细胞的临床应用以及实现延缓人类衰老的目标正渐行渐近。