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细胞衰老是指对不同应激因素的反应而发生的不可逆转的生长停滞。衰老细胞分泌多种因子，统称为衰老相关分泌表型（SASP），线粒体是SASP分泌的主要调节器。线粒体是细胞凋亡所必须的，细胞凋亡是一种不同于细胞衰老的细胞命运，在细胞凋亡过程中，广泛的线粒体外膜透化（MOMP）可介导细胞死亡。MOMP发生在线粒体的一个子集中，是细胞衰老的一个特征，这个过程称为少数MOMP（miMOMP），需要BAX和BAK通道将线粒体DNA（mtDNA）释放到胞浆中，胞浆mtDNA反过来激活cGAS-STING通路，这是SASP的主要调节因子，体内抑制MOMP可以减少炎症标志物并改善老年小鼠的健康寿命。发表在《Nature》上的题为“Apoptotic stress causes mtDNA release during senescence and drives the SASP”的最新研究探讨了衰老细胞和受损细胞导致炎症的原因，揭开了衰老过程背后的一些生物学秘密，并提供了一种潜在的新型治疗靶标。

1. miMOMP是细胞衰老的一个典型特征

首先通过3D结构光照明显微成像技术（SIM）分析MOMP是否存在于衰老细胞中，检测线粒体外膜蛋白TOM20和细胞色素c（Cyt c）在增殖和衰老的人成纤维细胞中的共定位关系，研究发现辐射诱导的衰老细胞（Sen IR）外周部分线粒体中TOM20和Cyt c的共定位关系减弱，同时发现，衰老细胞胞浆中Cyt c和cleaved caspase-3的含量增加且BAX被大量激活，这些数据都表明衰老期间部分线粒体会发生MOMP，研究团队将这一现象称为miMOMP。

                                                                                                                        图1. miMOMP发生在细胞衰老过程中

2. 衰老细胞中miMOMP导致胞浆mtDNA释放增加

研究团队推测衰老细胞中miMOMP可能释放mtDNA入胞浆。通过TOM20和DNA的免疫荧光双染色及透射电镜观察免疫胶体金标记的DNA水平，结果均显示衰老细胞中的胞浆DNA水平升高。接下来，则要明确这些升高的DNA是否来源于线粒体。通过qPCR检测mtDNA标志物（D-loop）的表达在衰老细胞胞浆中升高，并发现衰老细胞中大部分胞浆DNA与线粒体转录因子A（TFAM）共定位，TFAM是mtDNA类核的核心成分之一。这些数据说明衰老细胞中miMOMP胞浆mtDNA释放增加。

                                                                                                                               图2. 衰老细胞中miMOMP释放mtDNA入胞浆

3. BAX和BAK体内外促进SASP的分泌

运用CRISPR-Cas9基因编辑技术构建了同时敲除BAX和BAK的人成纤维细胞，发现BAX和BAK的敲除显著抑制了衰老细胞中mtDNA的释放。进一步研究BAX和BAK是否会影响SASP，进行了RNA-seq分析及细胞因子阵列分析，发现BAX和BAK的敲除抑制了SASP相关基因的表达，并降低了促炎细胞因子水平。研究人员又探究BAX和BAK的敲除是否影响衰老相关细胞周期阻滞途径，发现BAX和BAK敲除对细胞周期依赖性蛋白激酶抑制因子p21和p16的基因和蛋白表达高低无影响，也不影响衰老相关标志物（SA-β-Gal和γH2A.X foci）、衰老相关的Lamin B1和HMGB1的表达、增殖标志物等的表达。这些结果表明，miMOMP通过BAX和BAK促进mtDNA释放到胞浆并调控SASP，而不调控衰老相关细胞周期阻滞途径。该结论进一步在体内被证实，借助于条件性敲除BAX鼠（Bax^fl/flBak^-/-）和BAX和BAK双敲鼠（Bax^-/-Bak^-/-），Bax^-/-Bak^-/-鼠显著抑制了小鼠肝脏促炎细胞因子表达，且肝脏中CD68⁺免疫细胞以及CD45⁺CD68⁺免疫细胞数量显著下降，且不影响p16和p21基因表达，表明BAX和BAK可调控衰老小鼠肝脏SASP分泌，但不影响衰老相关细胞细胞周期变化。

                                                                                                               图3. miMOMP通过BAX和BAK促进mtDNA释放到胞浆并调控SASP

4. mtDNA通过cGAS–STING调控SASP 

在细胞凋亡和其他应激条件下，胞浆mtDNA激活cGAS-STING信号通路，且cGAS-STING信号调控SASP，然而关于胞浆mtDNA释放、cGAS-STING与SASP调控三者之间的联系的研究仍然缺乏。为了探究这一问题，构建了无线粒体细胞，即人成纤维细胞稳转YFP-Parkin，并通过X射线辐照诱导细胞衰老。稳转YFP-Parkin人成纤维衰老细胞，用线粒体解偶联剂（CCCP）处理，引起衰老细胞中的线粒体自噬从而耗尽细胞中的线粒体，然后用分离纯化的mtDNA转染无线粒体的衰老细胞，ELISA结果显示胞浆mtDNA水平的增加显著促进了无线粒体衰老细胞分泌的主要SASP因子IL-6和IL-8的增加。

                                                                                                                            图4. mtDNA促进衰老细胞分泌SASP

接下来探讨mtDNA促进SASP的机制，发现在衰老成纤维细胞中，GFP-cGAS融合蛋白与胞浆TFAM的共定位水平增加，利用CRISPR-Cas9技术敲除细胞中cGAS或STING，发现cGAS或STING的敲除显著降低了衰老细胞SASP中IL-6和IL-8的分泌，而在野生型人成纤维细胞中转染mtDNA后，显著促进了衰老细胞SASP中IL-6和IL-8的分泌，这些数据表明mtDNA通过cGAS-STING调控SASP分泌。

                                                                                                                                  图5. mtDNA通过cGAS–STING调控SASP的分泌

5. 抑制MOMP可改善健康寿命

接下来研究通过抑制MOMP是否能抑制mtDNA释放和SASP分泌。研究团队使用BAX小分子抑制剂BAI1抑制BAX活性，结果显示，经BAI1处理的衰老人成纤维细胞胞浆mtDNA和SASP相关基因表达被显著抑制。那么，抑制MOMP是否可以改善衰老相关的肌肉力量的下降呢？通过转棒实验发现BAI1治疗可改善与年龄相关的神经肌肉协调能力下降，通过前肢握力实验发现BAI1治疗可增强衰老小鼠的前肢握力，显著改善与衰老相关的肌肉力量下降。鉴于BAI1处理的老年小鼠中观察到的肌肉骨骼表现的改善，进一步通过微计算机断层扫描（µCT）分析来发现BAI1处理有效改善脊柱和股骨骨小梁微结构，股骨体积分数显著升高。

                                                                                                                                        图6. 抑制MOMP可改善健康寿命

以上研究结果说明，细胞衰老和凋亡受到类似线粒体依赖性机制的调节，miMOMP可促进mtDNA调控SASP分泌，抑制miMOMP诱导的炎症可能是改善健康寿命的一种治疗途径。

云克隆开发了上述研究中涉及到的相关靶标的蛋白、抗体以及试剂盒产品。靶标及核心货号如下，供参考：