干细胞衰老机制及应对策略的研究进展

汪文婧，陈旭昕，韩志海

干细胞衰老机制及应对策略的研究进展

汪文婧，陈旭昕，韩志海

干细胞是理想的种子细胞，具有组织修复能力强、自我更新能力强及多向分化等特征，可对多种器官损伤进行组织修复及替代治疗。而干细胞同其他体细胞一样存在衰老与凋亡的问题，会影响疾病的治疗效果，因此解决其衰老与凋亡的问题是目前亟待研究的课题。作者主要从端粒酶系统、Wnt/β-链蛋白信号通路、氧化应激等方面对干细胞的衰老机制作一综述，并思考应对干细胞衰老的策略，以达到延缓干细胞衰老甚至逆转其衰老的目标。

干细胞；衰老；机制；延缓衰老

［Abstract］Self-renewal and multilineage differentiation of stem cell are thought to be the ideal seed cell，with strong repair capacity for injured tissues.However，such as any other somatic cells，stem cell is aging upon a long-term culture，then it will affect the treatment of disease.So，in order to ensure the best treatment of stem cell for disease，it is necessary to understand stem cell aging mechanisms.This review discuss the aging mechanisms of stem cell mainly from the telomerase system，Wnt/β-catenin signaling pathways，oxidative stress and so on，then we want to find the solution in order to achieve the goal of delaying stem cell senescence and even reversing the aging.

［Key words］Stem cell；Aging；Mechanisms；Anti-aging

干细胞具有自我更新、组织损伤修复及多向分化的能力，可分化成为中胚层的所有种类细胞，经诱导还可以向神经外胚层分化，因此可对多种器官损伤进行修复，是细胞移植中的理想种子细胞，干细胞移植已成为临床疾病治疗的重要手段［1-2］。但干细胞和其他体细胞一样，会衰老、凋亡，其损伤修复及更新、分化的功能会随着细胞的衰老而递减，甚至出现功能失调［3］。有研究表明，干细胞衰老会导致其再生能力降低，且会减少体细胞的数量，最终导致机体的衰老［4-5］。目前对于干细胞衰老的机制尚未完全明确，相关研究主要集中在端粒酶系统、Wnt/β-链蛋白（β-catenin）信号通路、氧化应激等方面。对抗干细胞衰老的方法可以从延缓干细胞衰老、提高衰老干细胞活性甚至逆转干细胞的衰老等方面着手，为保证离体干细胞的功能提供了新思路。作者就近年发表的有关干细胞衰老机制及应对干细胞衰老策略的相关文献作一综述。

1 干细胞衰老机制的分析

1.1端粒与干细胞衰老 端粒是线性染色体末端的DNA重复序列，作用是保护染色体不被核酸酶降解，使正常染色体端部间不发生融合，保证每条染色体的完整性。DNA的每次复制，端粒都会随之缩短，随细胞分裂次数的增多端粒会逐渐缩短，当其缩短到极限程度不再能维持染色体的稳定时就会触发细胞复制的衰亡，细胞分裂停滞丧失复制能力，最终凋亡［6-8］。

端粒长度主要依赖于端粒酶的活性来维持，端粒酶活性增强，可维持端粒的长度不缩短，端粒酶活性的缺失和端粒的缩短会抑制、影响干细胞的功能，从而导致生物体功能的异常［9-10］。端粒酶活性和机体的年龄有一定关系，有研究对来自不同人体的干细胞进行年龄分组实验，结果表明随年龄的增长，骨髓间充质干细胞内的端粒酶活性降低［11］。另外，黎佼等［12］证实微小RNA-486-5p可通过抑制小分子干扰RNA研究沉默信息调节因子-1，减少人骨髓间充质干细胞端粒酶的活性，导致干细胞衰老。

有研究表明，端粒的磨损可降低衰老干细胞的功能，而端粒的磨损可激活p53，并通过过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅助活化因子-1α/β来调节线粒体代谢，导致干细胞的线粒体功能失调［13］。线粒体功能的失调会使细胞内的活性氧自由基（reactive oxygen species，ROS）累积，过多的ROS可氧化破坏细胞核酸、蛋白质和脂质，引起组织损伤，从而促进干细胞的衰老。

1.2Wnt/β-catenin信号通路与干细胞衰老 Wnt/ β-catenin信号通路为Wnt信号通路中的经典通路，参与调节细胞的增殖、生长发育、凋亡及控制胚胎中细胞的定位等过程［14］。研究表明，Wnt/β-catenin信号通路的过度激活可以通过DNA损伤反应和p53/p21途径造成骨髓间充质干细胞的衰老，并且Wnt/β-catenin信号通路的激活在老年干细胞微环境所导致的骨髓间充质干细胞衰老和失功能化中发挥着重要的作用［15］。一项关于系统性红斑狼疮患者的骨髓间充质干细胞的研究结果显示，Wnt/βcatenin信号通路通过p53/p21途径促进干细胞的衰老［16］。

同时，也有研究表明Wnt/β-catenin信号通路通过促进细胞ROS的产生来诱导间充质干细胞的衰老［17］。Wnt/β-catenin信号通路是间充质干细胞中ROS生成的主要催化剂，清除ROS会使Wnt/β-catenin信号通路诱导间充质干细胞衰老的能力变弱，并且减少DNA的损伤反应及p16INK4A、p53、p21基因的表达。

另外，Florian等［18］研究表明，非经典的Wnt5a信号通路的激活在干细胞的衰老中发挥重要作用。Wnt5a信号通路会诱导造血干细胞中与衰老相关的成分，通过激活细胞分裂周期42蛋白激酶来降低造血干细胞的增殖和分化能力。相对地，Wnt5a表达不足可延缓干细胞衰老，而降低Wnt5a的表达可以恢复衰老干细胞的功能。

1.3p53与干细胞衰老 p53是肿瘤抑制因子，在防止肿瘤发生中有十分重要的作用，能选择性地调节靶基因及启动一系列的应激反应，可诱导细胞周期停滞、凋亡和衰老［19］。有相关研究总结，衰老的干细胞增殖分化能力下降，p53表达上调，干细胞凋亡增多［20］。Yang等［21］证明衰老的干细胞中 p53、p21、p16INK4A表达上调，p16INK4A可调节氧化应激诱导的细胞分裂，并且可清除衰老的干细胞，而p16INK4A分子的增加与p53的表达及端粒的缩短相关。贺泽斌等［22］则运用实时聚合酶链反应检测并比较了早、晚期人骨髓间充质干细胞中p53、p21、p15的表达水平，结果显示其晚期的水平均较早期升高，认为人骨髓间充质干细胞衰老和活力降低可能与p53及其相关基因p21、p15的激活有关，并且实验证实了应用p53抑制剂Pifithrin-α可以增强晚期人骨髓间充质干细胞抗氧化应激损伤的能力。

1.4ROS与干细胞衰老 需氧细胞在代谢过程中会产生一系列活性氧簇——ROS，中、高浓度的ROS可通过细胞氧化应激反应诱导细胞凋亡或坏死。研究表明，ROS的升高与造血干细胞的衰老密切相关，在ROS介导下多种信号分子如共济失调毛细血管扩张症突变（ataxia telangiectasia-mutated，ATM）蛋白、哺乳动物西罗莫司靶蛋白、结节性硬化症复合物、蛋白激酶B在造血干细胞衰老过程中扮演了重要角色，最终通过p53/p21、p16/Rb通路使造血系统应激能力下降导致干细胞衰老［23］。ROS作为细胞的代谢副产物，在衰老的干细胞中表达增加，高浓度的ROS有很强的细胞毒性作用及诱导细胞损伤的能力；而低浓度的ROS是细胞周期的必要条件，在细胞增殖、自我更新及分化中有重要作用，并且可作为细胞内的信号分子。

Yang等［21］研究表明，p38丝裂原活化蛋白激酶（p38 mitogen-activated protein kinase，p38MAPK）是细胞对抗包括氧化应激在内的一切外界刺激的重要媒介，在衰老的干细胞中，γ-干扰素、肿瘤坏死因子-α炎性刺激会促进p38MAPK的磷酸化，这种磷酸化与环氧酶2/前列腺素E2的下调相关，同时可降低干细胞的免疫功能，而p53被认为是p38MAPK细胞衰老分子机制中ROS相关信号转导的重要中介，p38会介导p53的磷酸化。Li等［24］的实验证明，粒细胞集落刺激因子会显著降低造血干细胞的移植成功率，而造血干细胞损伤的增加与胞内的ROS的增多有关，通过ROS-p38-p16通路促进造血干细胞的衰老。另外，Chen等［25］研究显示，ROS通过影响c-Maf基因频率来调控多能干细胞的生物过程，包括增殖分化、自我更新及复制衰老。

1.5年龄增长与干细胞衰老 干细胞具有保持长期自我更新的独特能力，但同时也伴随着内在风险:当干细胞是生物体中生存期最长的细胞时，其获取基因损伤的风险增加；干细胞中年龄相关性的DNA损伤的积累会降低干细胞功能，并可导致干细胞的衰老［26］。Wang等［11］依据年龄对来自不同人体的干细胞进行分组实验，结果表明年轻组的骨髓间充质干细胞的增殖能力、分化潜能都强于中年组及老年组，碱性磷酸酶、Runt相关转录因子-2、锌指结构转录因子Osterix和骨钙素的信使RNA表达水平均高于中年组及老年组，而骨髓间充质干细胞的倍增时间与年龄成正相关。Beerman等［27］发现与年龄因素相关的造血干细胞的衰退、复制限制和DNA甲基化，在很大程度上与造血干细胞的增殖相关，似乎与端粒长度并无关联。Kowalczyk等［28］研究结果表明，年龄影响造血干细胞的细胞周期及自我更新，可能导致衰老的造血干细胞功能的减退。此外，有研究对人骨髓间充质干细胞进行体外培养，结果表明人骨髓间充质干细胞的数量和增殖随年龄的增长而降低；体外培养的早代龄老年人骨髓间充质干细胞出现衰老征象，伴随氧化应激而增高，提示供体年龄可影响人骨髓间充质干细胞的衰老［29］。

1.6其他因素与干细胞衰老 除上所述干细胞衰老的机制以外，尚有基本定论的机制，改变成体干细胞的表观遗传会导致造血干细胞的衰老，衰老的造血干细胞表观遗传的改变包括增殖能力的变化、DNA的损伤与监管表观遗传关键酶及其复合物的能力减弱［30］。表观遗传调控可导致细胞表型的改变，在干细胞的衰老中有重要作用［31］。DNA的损伤及线粒体的功能障碍也会引起干细胞的衰老［7］。另外，环境毒物的重要靶标即为干细胞，环境毒物可以通过细胞间的作用及分子机制对干细胞产生不利影响，改变干细胞的分化方向、减弱干细胞自我更新的能力和诱导干细胞的衰老［32］。电离辐射会增加胞内的ROS的产生，从而诱导造血干细胞的衰老［24，33］。一些药物也会影响干细胞的衰老，如当归多糖在体外能诱导人急性髓系白血病患者骨髓白血病干细胞的衰老，其机制可能与当归多糖调控p16/Rb信号通路有关［34］。

2 应对干细胞衰老的策略及研究

干细胞的衰老在其整个细胞周期中是不可避免的，为了保证干细胞的移植治疗在临床工作中的疗效，需要在此基础上进一步探讨抗干细胞衰老的方法，在减缓干细胞衰老速度的同时寻求提高衰老干细胞活性的方法。

通过查阅文献，对目前应对干细胞衰老的策略及研究进行相关分析发现，抗干细胞衰老可以从延缓干细胞衰老、提高衰老干细胞的活性甚至逆转干细胞的衰老这些方面着手。

2.1减缓干细胞的衰老速度 Hormoz［35］研究表明，干细胞通过异质性分裂形成不对称的干细胞群可以减缓干细胞复制衰老的速度，可潜在性地降低体细胞突变的发生率、减少增殖性疾病的发生，如癌症。Botelho和Cavadas［36］研究表明，神经肽Y通过激活Y1受体和Y5受体，维持人类胚胎干细胞自我更新和潜能的多样性；神经肽Y可刺激干细胞自我更新和增殖，减少干细胞疲惫，从而延缓干细胞的衰老。而体外干细胞的培养方式的改变也可以减缓其衰老速度。有研究表明，与传统的贴壁细胞培养方式相比，三维的球面培养方式更适合间充质干细胞的生物特性，能减缓其复制衰老的速度［37］。

另外，研究表明药物可以延缓干细胞的衰老，如蛇床子素具有延缓神经干细胞衰老的作用，其作用机制可能与调控p16/Rb信号通路有关［38］；人参皂苷可延缓造血干细胞衰老［39］；西罗莫司能够减缓人脐带间充质干细胞的衰老［40］。

2.2恢复衰老干细胞的活性 目前有一些干细胞的体外培养研究表明，可以恢复或增强衰老干细胞的活性。Wang等［41］的实验表明，组蛋白去乙酰酶抑制剂可以对抗人脐带间充质干细胞的衰老，低浓度的组蛋白去乙酰酶抑制剂可以改善人脐带间充质干细胞的增殖能力。Bickford等［42］则通过给实验大鼠喂食不同的食物，然后取实验大鼠的血清培养间充质干细胞来观察干细胞的活性，实验结果显示年老大鼠的血清相比年轻的大鼠的血清会减少间充质干细胞的增殖，而喂食NT-020（一种膳食补充剂，含有蓝莓、绿茶、维生素D3）的老年大鼠相比未喂食NT-020的老年对照组大鼠可增加血清间充质干细胞的增殖。另有研究表明，维生素C能够增强衰老个体来源的骨髓间充质干细胞的增殖能力，可能与升高端粒酶活性有关［43］。

2.3逆转干细胞的衰老 干细胞的衰老一直被认为是不可逆转的，然而目前的一些研究似乎使逆转干细胞的衰老成为可能。Geiger等［44］研究表明，可以针对一些分子途径复原造血干细胞，从而逆转免疫衰老的某些方面，但具体机制有待研究。Okada等［45］研究显示，在衰老的干细胞中，微小RNA-195分子的高度表达会通过抑制端粒酶反转录酶的活性诱导干细胞衰老及使其再生能力退化，而清除微小RNA-195可显著提高端粒酶反转录酶的活性，使得端粒重新延长，从而逆转干细胞的衰老。

干细胞衰老的机制并不单一，因为这些机制的研究使得减缓干细胞衰老速度、恢复衰老干细胞的活性甚至是逆转干细胞的衰老成为可能，当然这些抗干细胞衰老的研究尚属初级阶段，需要进一步的证明与实践。且所有这些抗干细胞衰老的方法都是直接检测干细胞的活性，并没有研究移植治疗的干细胞是否可以适用这些方法。而这些方法是否会影响移植前、后干细胞的活性及疗效均需要进一步研究才能有结论。此外，干细胞的衰老与机体的衰老密切相关，干细胞的衰老会加速机体的衰老，而机体的衰老也会影响干细胞的活性，促使干细胞的凋亡［46-47］。对干细胞衰老的研究，在一定意义上可以为机体衰老的研究提供资料，成功抗干细胞衰老后能否延缓机体的衰老也是一个值得探究的问题，不同组织内的干细胞其衰老的影响因素可能并不一样，有研究表明机体的老化并不促使人类肌肉干细胞的衰老［48］，也有相关研究表明人子宫内膜干细胞会因为ATM/p53/p21/Rb通道的激活发生氧化应答而过早衰老［49］。这表示不同组织内干细胞衰老的影响因素也各有差别，有待进一步总结。

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The research progress of stem cell aging mechanisms and the solution

WANG Wenjing1，CHEN Xuxin2，HAN Zhihai2
（1.Anhui Medical University，Hefei Anhui 230001，China；2.Department of Respiratory Medicine，Navy General Hospital，Beijing 100048，China）

Q255；R329

A

2095-3097（2016）04-0253-05

10.3969/j.issn.2095-3097.2016.04.019

国家自然科学基金资助项目（81300050），海军总医院创新培育基金（CXPY201417）

230001安徽合肥，安徽医科大学（汪文婧）；100048北京，海军总医院呼吸内科（陈旭昕，韩志海）

韩志海，E-mail:hanzhihai@hotmail.com

［注明］汪文婧，陈旭昕:并列第一作者

（2016-05-19 本文编辑:冯 博）