第一节 衰老的定义及特征
一、衰老的定义及定量
衰老（aging或ageing）难以简单定义，因为它在群体、个体、组织器官以及细胞水平可具有不同的表现。衰老是一个生理过程，包含着随着年龄增加的“老”和功能下降的“衰”。对群体或个体而言，生殖期后随着年龄继续增长，机体功能逐渐降低或丧失、罹患疾病和死亡风险增加的现象即为衰老。
在器官水平，衰老可定义为随着年龄增长，器官功能逐渐降低或丧失的现象。不过即使在同一个体中，不同组织器官的功能随增龄变化的速度也不完全相同。例如胸腺已经开始退化时，骨骼却依然处在生长阶段。而在细胞水平，衰老可以定义为“逐渐丧失复制能力的过程”。这个定义主要基于“Hayflick上限”或者“细胞复制的有限性”——1961年Leonard Hayflick等发现人成纤维细胞在体外培养时，传代到有限代数就不再分裂，这个现象后来在多种细胞中得到验证。
衰老是一个复杂的生物学过程。尽管已有大规模的流行病学调查和各种组学技术的研究，但对衰老程度的判断或定量研究仍非易事。在群体层面，可用年龄来测量人群衰老的程度（如80岁的人群比50岁的人群更老）。但在其他层面（个体、组织器官和细胞）很难用单一的指标来判断其衰老程度，而需多个指标综合判断。衡量一个人衰老的参数中可包括功能、心理和社会因素等，涵盖这些参数的“衰弱指数”（Rockwood frailty index）似乎可以很好地用于个体（人）衰老的判断。而事实上，衰弱指数也存在一定不足：首先就功能而言，机体包括不同系统，而非单纯的躯体功能；其次，衰老也受疾病的影响，众多疾病参数在衰弱指数中的选取和权重很难确定，导致临床使用困难。
在器官组织水平，有不少学者通过检查该器官组织细胞的端粒长度、细胞凋亡和功能判断其衰老程度；在细胞层面，衰老可以由形态学改变（细胞变大和扁平）、功能异常（不再增殖）和一些分子标志物如衰老相关β-半乳糖苷酶（senescenceassociated beta-galactosidase，SA-β-gal或 SABG）活性、p16、p21表达量等来判断。这些不同层面上衰老程度的判断，为衰老研究奠定了基础。
二、衰老的基本特征
Lopez-Otin等认为衰老特征应该具有三个标准：①在自然衰老中出现；②对这些特征的实验性增强可以加速衰老；③对这些特征实验性削弱能够延缓自然衰老并增加健康寿命。根据这三条标准，他在文中提出了衰老的九个特征：基因组不稳定性增加（genomic instability）、端粒损耗（telomere attrition）、表观遗传学改变（epigenetic alterations）、蛋白质稳态丧失（loss of proteostasis）、营养素感应失调（deregulated nutrient-sensing）、线粒体功能障碍（mitochondrial dysfunction）、细胞衰老（cellular senescence）、干细胞耗竭（stem cell exhaustion）和胞间通讯改变（altered intercellular communication）。进一步将这九个特征分为三类：原发性特征、拮抗性特征和整合性特征。基因组不稳定性增加、端粒损耗、表观遗传学改变和蛋白质稳态丧失为原发性特征，这些特征均促进衰老。营养素感应失调、线粒体功能障碍和细胞衰老归类为拮抗性特征，拮抗性特征则具有两面性，且取决于其强度。在较低水平可介导良性效应，而在较高水平则产生恶性效应。干细胞耗竭、胞间通讯改变归类为整合性特征，直接影响组织器官稳态和功能，导致个体衰老。原发性特征是衰老的触发因素，且会随着增龄逐渐累积。拮抗性特征在原则上是良性的，但在某个过程中（部分可因原发性特征而促进或加速）则具有负面性。最后，当原发性特征和拮抗性特征无法通过组织稳态机制实现代偿时，便呈现整合性特征——个体衰老。针对这些特征详述如下：
（一）基因组不稳定性增加
基因组的不稳定包括细胞核DNA损伤、线粒体DNA损伤和细胞核结构的改变。衰老过程中伴随着基因组损伤的累积，老年人和衰老的老年生物模式，均会表现出体细胞突变的累积。人类的多种早老性疾病如Werner综合征和Bloom综合征都伴随着DNA损伤的过度积累。DNA复制等内源性因素和物理、化学、生物来源的外源性刺激均可破坏DNA的完整性和稳定性。因此，机体有一套完整的DNA修复机制以对抗细胞核DNA损伤，损伤的增多和修复机制的缺乏均可促进衰老。除上述人类早衰疾病Werner综合征、Bloom综合征外，另外还有着色性干皮病（xeroderma pigmentosum）、毛发硫营养不良（trichothiodystrophy）、科凯恩综合征（Cockayne syndrome）、塞克尔综合征（Seckel syndrome）的发病原因均为细胞核DNA修复机制的缺乏。
与细胞核DNA相比，线粒体DNA处于氧化微环境中，缺乏保护性组蛋白，也缺乏有效的修复机制，因此被认为是衰老相关体细胞突变的主要靶点。衰老线粒体DNA出现突变和删除会促进衰老，但是线粒体DNA具有异质性，同一细胞中可并存突变基因组和野生型基因组，在衰老过程中，随着损伤线粒体DNA增多，突变的比例会增多。我们在临床实践中有些病例也提示线粒体DNA的损伤可以促进衰老，如HIV感染者经抗逆转录病毒药物（可干扰mtDNA复制）治疗后，会出现衰老加速，可能就是因为这些药物干扰了线粒体DNA的复制。但是降低线粒体DNA突变负荷能否延长寿命尚不清楚。
细胞核结构的缺陷会导致基因组在染色体水平的失稳。如Hutchinson-Gilford早老综合征（Hutchinson-Gilford progeria syndrome，HGPS）患者的核纤层蛋白（nuclear lamins）突变，而核纤层蛋白是核纤层的主要成分，可充当脚手架以束缚染色质和蛋白复合物，维持基因组的稳定性。这种病理性的早衰可能不足以说明人自然衰老的情况，但在人类自然衰老过程中，也发现核纤层改变和早老蛋白（progerin，核纤层蛋白前体A变异亚型）的生成。而降低HGPS模型小鼠核纤层蛋白前体A或早老蛋白水平，可延缓早老症状的出现并延长寿命，说明核纤层异常与早衰之间存在因果关系。
总之，在自然衰老和早老症等快速衰老模型中，都发现衰老过程伴随着基因组损伤。通过诱导基因组损伤可以加速衰老，而加强稳定基因组的机制会延长健康寿命。
（二）端粒缩短
端粒（telomere）是存在于真核细胞线性染色体末端的一小段DNA-蛋白质复合体，它与端粒结合蛋白一起构成了特殊的“帽子”结构，作用是保持染色体的完整性和控制细胞分裂周期。端粒、着丝粒和复制原点是染色体保持完整和稳定的三大要素。包括哺乳动物在内的大多数高等动物体细胞不表达端粒酶，因此端粒会随着细胞增殖呈进行性和累积性的丧失。所以，端粒长度可以反映细胞复制史及复制潜能，被称作细胞寿命的“有丝分裂时钟”。在前文提到过，Hayflick在1961年提到了细胞分裂的Hayflick极限就是由于细胞端粒长度有限且随着分裂不断损耗，而通过表达端粒酶就可以使得细胞永生化。在人类和小鼠的组织器官和个体水平，端粒的缩短在自然衰老过程中也会出现。端粒缩短和延长的小鼠会分别表现为寿命的缩短或延长。
哺乳动物体细胞不表达端粒酶，但是生殖细胞和干细胞表达端粒酶。端粒酶的缺乏与肺纤维化、先天性角化不良和再生障碍性贫血等疾病相关，往往是因为端粒酶的缺乏导致相应组织再生能力缺陷或丧失。端粒酶缺乏可导致小鼠的早老症，在其老年阶段采用基因手段重新激活其端粒酶，则该小鼠的早老症状能够被逆转。
（三）表观遗传学改变
表观遗传学（epigenetics）改变是指基因组相关功能改变而不涉及核苷酸序列的改变。自然衰老过程伴随的表观遗传学改变包括DNA甲基化模式改变、组蛋白修饰以及染色质重塑（chromatin remodeling）。
增龄伴随着组蛋白H4K16乙酰化、H4K20三甲基化和H3K4三甲基化程度增加，但H3K9甲基化、H3K27三甲基化程度降低，这构成了组蛋白的增龄性标志。衰老伴随着总体低甲基化，但在某些位点会发生增龄性高甲基化，这些甲基化位点的组合有可能用于预测功能年龄，通常将这些位点的甲基化称为“甲基化时钟（epigenetic clock）”。
酿酒酵母Sir2可以对组蛋白去乙酰化，过表达Sir2可以延长酵母的复制性寿命，其在哺乳动物的直系同源基因为SIRT1，虽然不能延长寿命，但可以改善各方面健康水平。SIRT基因家族在人类拥有7个同源基因，目前已经证明至少有SIRT1、SIRT3和SIRT6可以促进老年健康，其机制涉及能量代谢的调控。表观遗传学改变是可逆的，因此可能成为干预衰老的重要靶点。
（四）蛋白质稳态丧失
蛋白质稳态是指的特定时间细胞内蛋白质合成与降解、折叠与去折叠、修饰与去修饰等过程达到的一种平衡状态。蛋白质的正确折叠依赖于包括热休克蛋白在内的分子伴侣帮助，而降解则依赖自噬-溶酶体系统和泛素化-蛋白酶体系统这两种途径。衰老和增龄性疾病与蛋白质稳态丧失有关，衰老伴随着未折叠蛋白、错误折叠蛋白或蛋白聚合体的积累，导致某些增龄性病变如阿尔茨海默病、帕金森病、白内障等的发生。衰老也伴随着应激诱导的胞质特异性和细胞器特异性伴侣蛋白合成的显著减少。在衰老过程中，上述蛋白质降解的两大途径的活性也随着增龄而降低。
分子伴侣蛋白（molecular chaperone protein）和衰老及长寿存在明确因果关系。热休克蛋白家族某种辅伴侣蛋白（co-chaperone）发生突变的小鼠，其衰老表型会加速，长寿品系小鼠则表现会为某些热休克蛋白的显著上调。转基因过表达分子伴侣蛋白，可延长线虫和果蝇寿命。激活线虫热激反应的主要转录因子HSF-1可延长其寿命并增强耐热性。
蛋白质稳态失调和衰老及某些增龄性病变的因果关系可使其成为延缓衰老、促进健康长寿的重要靶点，其中很多靶点都可以用小分子药物进行干预（如西罗莫司、亚精胺等），使其具有非常好的开发前景。
（五）营养感知失调
营养感知失调可能是所有物种在衰老中最为保守的特征。本文所讲的营养素感知主要包括胰岛素/胰岛素样生长因子（IGF-1）信号（IIS）通路、mTOR、AMPK和sirtuins等。
IIS通路是进化过程中最为保守的衰老调控通路，主要用以感知葡萄糖。IGF-1信号通路与胰岛素诱发的反应类似，均可使细胞感应到葡萄糖的水平。IGF-1和生长激素（growth hormone，GH）共同组成哺乳动物促生长轴。GH、IGF-1受体、胰岛素及其下游胞内效应因子（如AKT、mTOR、FOXO）的基因多态性或突变在人类和模式生物中均被发现与长寿有关。基因操作减轻IIS通路的信号强度，均可延长线虫、果蝇和小鼠的寿命。IIS下游效应因子中，与线虫和果蝇寿命最为相关的是转录因子FOXO。自然衰老过程以及小鼠早老模型中，GH和IGF-1水平降低。
除了IIS外，另外三种营养感知系统包括：感应高浓度氨基酸的mTOR、通过测取高水平AMP以感应低能量状态的AMPK、通过测取高水平NAD +以感应低能量状态的sirtuins。mTOR（包括mTORC1和mTORC2）可调节合成代谢的各个方面。下调酵母、线虫和果蝇mTORC1均可延长寿命。而下调mTORC1可削弱饮食限制引起的延长寿命效应，说明抑制了mTOR参与饮食限制延长寿命的作用。西罗莫司作为mTOR的抑制剂，可以延长小鼠寿命，被认为是延长哺乳动物寿命的最强效化学干预手段之一。
AMPK和sirtuins与IIS和mTOR的作用方向相反，它们分别感知的是AMP和NAD +，代表了营养匮乏的状态，两者上调有益于健康衰老。AMPK的激活可以关闭mTORC1。二甲双胍可在线虫和小鼠通过激活AMPK延长寿命。sirtuins调节寿命的作用主要通过调节其底物的去乙酰化来实现。现有证据证明，合成代谢增强会加速衰老，而适度降低营养则可延长寿命（如饮食限制），通过这些营养感知通路可以模拟降低营养的状态来延长寿命。但是也存在一些值得质疑的地方，人在老年期肌肉的分解多于其合成，似乎不能用合成代谢加速衰老的理论来解释。
（六）线粒体功能障碍
线粒体是真核细胞的“能量工厂”，也是产生大量活性氧（reactive oxygen species，ROS）的场所。细胞和个体的衰老都伴随着呼吸链效率降低和电子漏（electron leak）增加，而导致ATP生成效率降低。线粒体功能和衰老的关系主要涉及三个层次的问题：一是ROS的形成，二是线粒体的完整性和生物合成，三是在很多物种都观测到的“线粒体毒物兴奋效应”。
前文提到的衰老的自由基理论认为，衰老过程中发生线粒体功能障碍，会增加ROS生成，这会进一步导致线粒体功能损伤。按照该理论，增加ROS应该可以促进衰老，而降低ROS应该可以延缓衰老，但是在酵母和线虫中ROS增加反可延长其寿命；通过基因操作使小鼠增加线粒体ROS生成和氧化损伤，并不会加速衰老；增强小鼠的抗氧化能力也没有延长其寿命，但仅损伤线粒体而不增加ROS生成反而可以加速衰老。
线粒体的损伤（如DNA聚合酶γ缺陷）、生物合成减少以及能量生成效率降低都和衰老直接相关。通过增强端粒酶的功能和激活sirtuins可促进线粒体功能，从而发挥对抗增龄性疾病的作用，线粒体功能障碍往往和基因组损伤以及营养感知联系起来。严重的线粒体损伤可促进衰老，但轻微的线粒体呼吸缺陷则可延长寿命，这可能是源于毒物兴奋效应。少量毒物处理后会诱发线粒体的代偿反应，促进细胞的适应性反应。二甲双胍和白藜芦醇都具有轻微的线粒体毒性，可能上述机制也参与了二者所具有的抗衰老作用。（详见第四节衰老与干预）
线粒体功能对衰老进程的影响比较复杂。线粒体功能障碍可加速哺乳动物衰老，但尚不明确是否可通过改善线粒体功能（如通过线粒体毒物兴奋效应）延长哺乳动物寿命。
（七）细胞衰老
细胞衰老可定义为细胞周期的彻底终止，细胞不再分裂，并伴随表型的固定化。该现象最早由Hayflick对人成纤维细胞进行连续传代培养时发现的。这种细胞衰老现象是由于端粒缩短而导致的，这类细胞衰老过程被称为复制型细胞衰老（replicative senescence）。然而，其他很多刺激可以诱导细胞衰老，如血管紧张素Ⅱ就可以诱导内皮细胞衰老，DNA损伤（如阿霉素和丝裂霉素）和原癌基因（如Ras）也可以诱导细胞衰老，这类细胞衰老被称为诱导型细胞衰老。某些研究直接采用检测SABG等来测定组织中的细胞衰老程度。细胞衰老的研究更多是在体外培养的细胞中进行的，在老年动物个体中，用SABG活性测定发现年轻小鼠肝脏中衰老细胞所占比例约为8%，而在老年小鼠约为17%。在小鼠的皮肤、肺脏和脾脏亦有类似结果，但在其心脏、骨骼肌和肾脏中则未见类似改变。在18月龄的正常衰老的小鼠血管内皮中几乎未发现有衰老细胞（Tian & Li，2014）。
细胞随着损伤的增加，其癌变可能性也增加，在增龄过程中发生的细胞衰老可能会降低癌变的可能性。诱导细胞衰老的p16和p53同时也具有肿瘤抑制作用。但是随着衰老细胞的增多，组织再生能力因此减弱甚至丧失，则细胞衰老编程可能朝向有害的方向进行，进一步加速衰老。细胞衰老、组织器官衰老以及个体衰老需要严格区分。细胞衰老对个体衰老的影响除了影响组织再生，也可能通过分泌炎性细胞因子或者基质金属蛋白酶来影响附近细胞的衰老，在实验性早老模型中，衰老细胞的清除可延缓增龄性病变的发生。对衰老细胞的靶向清除近年来正在成为可能延缓衰老的研究热点，但是其特异性和有效性（特别是在衰老后期）还有待进一步的验证。
（八）干细胞耗竭
干细胞（stem cell）是原始且未特化的细胞，它是未充分分化、具有再生为各种组织器官潜在功能的一类细胞。对哺乳动物来说，干细胞分为两大类：胚胎干细胞与成体干细胞，许多组织中存在成体干细胞。如造血干细胞具有血细胞生成的功能，很多组织中的干细胞起到组织再生修复的功能（如肠干细胞）。
组织再生潜力降低是衰老的一个重要特征。衰老过程中造血干细胞减少，导致适应性免疫细胞生成减少，贫血和骨髓异常增生的发病率增加。细胞周期抑制蛋白如p16INK4a过表达和端粒缩短是衰老过程中干细胞减少的重要原因，这说明干细胞耗竭是多重初级损伤整合的结果。干细胞耗竭，一方面可能来自于干细胞增殖能力下降，另一方面，干细胞过度增殖会加速干细胞巢的耗竭，也会促进个体衰老。
干细胞功能的降低伴随细胞周期抑制蛋白表达及端粒缩短，这是来自干细胞自身的原因。而有的干细胞移植实验则支持干细胞功能降低源于其微环境的改变。将年轻小鼠的肌源性干细胞移植入早老小鼠后，可延长早老小鼠寿命，并改善衰老相关的退行性改变，即便在未检测到供体细胞的组织中亦是如此，提示上述治疗获益或源于干细胞分泌因子的系统性效应。通过连体共生实验（parabiosis）证明，年轻小鼠的血液因子，可逆转老年小鼠神经干细胞和肌肉干细胞的功能降低。
综上，干细胞耗竭是多种衰老相关损害相互整合的结果，也可能是组织和机体衰老的终极元凶。干细胞移植已经被证明可以逆转机体的多种衰老表型，但其对人的长期有效性和安全性还有待进一步确认。
（九）胞间通讯改变
细胞间的通讯是指细胞通过相互接触或通过分泌因子或激素对周围细胞进行调控。在个体衰老的过程中，细胞间的通讯改变首先包括内分泌、神经内分泌或神经方面的改变等，例如哺乳动物在衰老过程中肾素-血管紧张素、肾上腺素、胰岛素/IGF-1信号通路失调，会导致炎症反应增强，对抗病原体和癌前细胞的免疫监视功能降低，以及胞周、胞外环境组分的改变等；具体包括促炎症表型的累积（称为炎性衰老，inflamaging），胰岛素靶细胞对胰岛素的敏感性下降（胰岛素抵抗，insulin resistance）和免疫衰老（immunosenescence）。
除了细胞因子和激素水平的细胞通讯改变，细胞之间也可以通过直接接触的方式来修饰对方的功能。衰老细胞通过间隙连接介导的细胞联系以及ROS相关过程，亦可导致邻近细胞衰老。细胞通讯的改变是一个系统层面的改变，原因复杂，能否通过血源性的系统因子进行干预有待进一步验证。
上述九个特征，相互关联，进一步明确相互关联的内在机制，将有助于设计延长人类健康寿命的干预手段。
（向阳 田小利；张立群 齐海梅 审阅）