2019Nov12细胞衰老分子机理研究进展
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4
100
功能百分比（％）
神经传导速度
80 人为什么会衰0.4%老？
心脏输出指数 0.8%
60
肾小球滤过速度 1.0%
最大呼吸容量
40
1.1%
40
60年龄（年8岁0 ）
100
各组织器官功能随年龄增加呈线型进行性下降 5
统计资料表明：子女的寿命常与双亲的寿命有关； 各种动物的最高寿限相当恒定。
衰老进程由环境（外因）与遗传（内因） 两大因素决定
为国际所承认的
细胞衰老生物学指征。
我室在国外刊物的部分相关来自百度文库文：
Duan JM, Int J Biochem Cell Biol, 2005, 37:1407-1420 Zheng WJ, et al. J Biol Chem 2004,279:31524-31532 Guo SZ, et al. Exp Cell Res 2004,298:465-472 Huang Y, et al. J Cell Physiol, 2004, 201: 483-491. Zhang XW, et al. Oncogene 2003, 22 : 2405-2416 Wang PC, et al. Mech Age Dev 2003,124: 1025-1034 Duan JM, et al. J Biol Chem 2001 276: 48325-48331. Li JH, et al. Mech Age Dev 1995,80:25-34. Tang ZQ , et al. Mech Age Dev 1994,73:57-67.
蛋白质糖基化与大分子交联，逐渐脱水， 形成的一种具有黄棕色荧光的产物。
Fluorescence/mg protein
8
7
6Determination of AGE
5 (Advanced Glycation End product)
4
3
2
1
0
0
20
40
60
80
ú´ äÁ ¨£ PDL©£
21
从分子水平组建一套
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
20
40
60
80
PDL
钾离子通道（TPKC1）
0.8 0.6 0.4 0.2
0 0
20
40
60
80
PDL
26
Arbitary unit (Diubiquitin/B-
actin)
衰老时表达增强的5种基因
Arbitary unit (Laminin a4/b-
actin)
12
细胞衰老 （Cell Senescence）
生物衰老的基本单位 老年病发病的共同基础
细胞衰老→老年退行性变→功能衰退
增殖能力下降→细胞数减少→脏器萎缩
细胞衰老是造成个体衰老的主要原因之一。
13
体外培养人类细胞衰老模型在研究人类衰老方面，具 有不可取代的优点：
１．无模式动物存在种族差异的缺点 ２．无人体实验取材难，操作难，周期长等缺点
老
杂交信号强度散点图
在4096条人类基 因的cDNA微阵列表 达谱中发现年轻和 衰老细胞中表达变 化在5倍以上的基因 有6种。
α-2-巨球蛋白
其中α -2-巨球蛋 白基因不仅在衰老 的成纤维细胞表达 明显增高，在年轻 细胞中的表达水平 亦较其它5种基因 高，易检出，易定 量。
24
青
衰老过程中基因表达谱的变化
人类对衰老的探究几乎从封建社会建立以来，就有所记载，然而， 真正进入科学研究衰老的范畴，还是近20年的事。
现在，国内外科学家对衰老的研究主要集中在哪些方面？从哪些 角度进行研究？科学家都取得了怎样的成就？
《生命世界》衰老的科学研究策划案 03 \30, 2006
《生命世界》中国科学院主管，中国科学院植物研究所、中国植物学会和高等教育出版社联合主办
A. M. Herskind et al., Hum Genet 97, 319 , 1996
7
平均寿命主要与环境相关；物种最高寿限与遗传相关。
不良环境可作用于遗传物质或其产物 影响衰老进程。
段建明等 （Duan JM, et al.） Intl J Biochem Cell Biol 37 (2005) 1407–1420
（基因对寿命的影响）
•线虫(C. elegans )研究首次严格证明：单基因突变即可影响寿命 。
•clk 基因与daf-2基因双突变，线虫寿命延长5倍。
基因对衰老进程的主导性 8
人类“长寿基因的探索
Puca, AA （ Childrens Hosp ）与Perls, Thomas（ Boston Univ ）等 报道： （Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2001） 分析137组 (308人)长寿同胞，百岁老人血样 发现：四号染色体 D4S1564 (D代表DNA, D后的数字表示染色体号,s代 表节段segment,s后的数字表示微卫星在染色体上的编号) 位点与众不同， 可能含有“长寿基因”。
4096种中表达变化幅度>2.5倍的基因46种。
下调的基因：参与细胞周期的基因等。 上调的基因：细胞外基质有关基因等。
挑选表达变化大的基因，以RT-PCR技术对其再 检测。
25
衰老时表达下降的4种基因
Arbitary unit (PPE/bactin)
前脑啡肽原（Preproenkaphalin）
②细胞的体外增殖能力 广泛应用于衰老研究。
A490nm E-03 /hour
20
15
10
Growth curves
5
MTT assay
0
0 10 20 30 40 50 60 70 ´ú Áä £¨PDL£©
人胚成纤维细胞体外培养代龄与细胞增殖速度的关系
18
③衰老相关β半乳糖苷酶活性
年轻细胞
衰老细胞
Arbitary unit (VCAM1/B-actin)
层粘连蛋白Laminin α 4亚基
1 0.8 0.6 0.4 0.2
0
0
20
40
60
80
PDL
Arbitary unit (GOS8/b-actin)
HLH碱性磷蛋白G0S8
1.2 1
0.8 0.6 0.4 0.2
0
0
20
40
60
80
PDL
血管细胞粘附分子1 （VCAM1）
1 0.8 0.6 0.4 0.2
0 0
20
40
60
80
PDL
Arbitary unit (Selenoprotei n P/B-actin)
硒蛋白P（Selenoprotein P）
1.5 1
0.5 0 0
20
40
60
80
PDL
Arbitary unit (A-2M/B-actin)
1
（美国人口局，U.S. Census Bureau预测）
老年病种类繁多（老年性痴呆,帕金森病等神经退行性疾病,老年
糖尿病、骨质疏松、心、脑血管、呼吸等系统疾患,以及肿瘤……）
表现有别 发病各异
↓因老而衰：
预防老年病 造福个人与家庭 节约社会财富 解放生产力 弄清衰老机理，可有的放矢,提出因应举措，
SA--βgal staining
人胚肺二倍体成纤维细胞(绿色者为衰老细胞)
19
④ DNA损伤修复能力
损伤前
损伤
随增龄而下降
修复
年
轻
comet assay
细 胞
彗星试验
（单细胞凝胶电泳）
损伤前 衰 老 细 胞
损伤
修复
20
尾长(μm) ；尾面积/总面积(%) 尾越长，%越高，损伤越重
⑤晚期糖基化终末产物
生命科学永恒的主题————
健康、长寿
“衰老”—老年病 百病之源。
老年病 发病率
老年性痴呆（AD） 65岁老人>1/20 85岁以上老人 ½
人一生中医疗费
2/3用于晚年 ？
2000年（第五次）我国人口普查 > 65岁 老人=总人口10% 约1.2亿
65岁以上人口： 7％14％
法国需114年 中国需 27年
分类模型。
该模型用于另一组（百岁老人及其对照）：正确率 77% 。
芯片分析显示： 按差异SNP（或遗传特征 ）不同组合，可将90%的百岁老人分成19个群 体。一种组合可能与某一老年病(e.g., dementia, hypertension, and cardiovascular disease)易感性 有关，或可由此将健康老人的表型分成不同亚型。
6
1992年世界卫生组织
人的寿命决定因素
遗传因素
15%
社会经济因素
10%
医疗服务技术
8%
气候因素
7%
生活习惯、卫生行为、精神面貌、保健意识等 60%
？？The results of human twin studies suggest that only 20-30% of the
variation in survival to an age of about 85 years is determined by genetics
14
细胞衰老程度如何评估？
衰老机制复杂，单一的衰老相关指标难以准 确、特异地评估衰老程度。
组建一套定量的细胞衰老生物学年龄指征 准确定量细胞衰老程度，可
1、研究各种因素对衰老进程的影响 2、检验药物抗衰作用，为中药现代化提供技术
支撑。
15
分子水平 细胞衰老指征
①端粒长度 ②细胞体外增殖能力 ③晚期糖基化终末产物 ④衰老相关ß-半乳糖苷酶活性 ⑤ DNA损伤修复能力 ⑥DNA甲基化程度 ⑦线粒体DNA片段缺失
11
细胞
生物的基本构成单位
细胞衰老
老年病发病的共同基础
人成纤维细胞（人胚细胞可传60-70代，50岁成人细胞只能传10~20代） 在体外培养可传代数，与供体年龄有关。
供体年龄越大，传代越少。
细胞衰老是个体衰老的微观模型，可部分体现个体衰老。
理想状态：人类细胞衰老模型与动物实验相辅相成
细胞衰老模型有非整体性与非生理性的局限性。 如与动物整体实验相配合，可取长补短，相辅相成。
10
新英格兰百岁老人研究中心(New England Centenarian Study)
衰老的实验性研究——成果累累
老年医学基础是人口老龄化需求的前沿学科
进行人类的衰老实验性研究,耗时费力,困难重重。
用动物实验研究衰老，由于人与动物差别大，实验结果，只能借鉴，不能 照搬。与细胞模型相互配合，可补动物实验之不足。
16
①我国端粒与人类细胞衰老相关性的研究 Southern blots
Telomere lengths
+
端粒长度： 人类体细胞的计 时器。每增加1代龄，端粒 长度减少约49 bp。
细胞越老，端粒越短，
电泳时跑得越快
中国人外周血淋巴细胞的端粒长 度每年平均缩短35 bp。
(张宗玉等，生物化学杂志,117995)
提高延衰效能。
2
发达国家近年意识到衰老与老年病的研究可望收益和 回报，纷纷改变理念，从福利观点，转到经济视角，既看 到社会需求，也看到无限商机，加强研究投入。 仅仅美国国会批准2005年度美国立衰老研究所（老年医 学基础研究为主），一个所的预算，达10亿5千万美元。
3
如今，全球生命科学研究最热的三个领域是： 衰老、肥胖和癌症，衰老在其中独占鳌头。
0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
0
0
20
40
60
80
PDL
双泛素（Diubiquitin）
1 0.8 0.6 0.4 0.2
0 0
20
40
60
80
PDL
Arbitary unit (TPKC1/B-actin)
Arbitary unit (Mad2/B-actin)
有丝分裂检控点蛋白（Mad2）
M. Kuro-o (Texas大学) “Cell senescence has been suggested to be directly related to senescence of living organism, including humans.” Cellular & Molecular Life Sciences 57(2000):695-697
Perls： 一年以后见分晓 ？？？
9
Sebastiani P, et al.
Genetic Signatures of Exceptional Longevity in Humans.
老寿星的遗传特征 Science 2010 Jul 21. [Epub]
1055（ centenarians）：1267 （controls） 分析结果：建立了以150 SNPs (single-nucleotide polymorphisms)为基础的
基因水平 细胞衰老指征？？
22
1.5%
用cDNA芯片检测人二倍体成纤维细胞 衰老基因表达谱的变化
1.0%
HGEC-40S: 含4096条人类基因，衰老表
达差异较大的基因有117种。
0.5%
-0.5% -1.0% -1.5%
>2.0倍
>2.5倍
>3.0倍 23
细胞衰老的基因表达谱研究
衰老细胞与年轻细胞基因（4096条）芯片
100
功能百分比（％）
神经传导速度
80 人为什么会衰0.4%老？
心脏输出指数 0.8%
60
肾小球滤过速度 1.0%
最大呼吸容量
40
1.1%
40
60年龄（年8岁0 ）
100
各组织器官功能随年龄增加呈线型进行性下降 5
统计资料表明：子女的寿命常与双亲的寿命有关； 各种动物的最高寿限相当恒定。
衰老进程由环境（外因）与遗传（内因） 两大因素决定
为国际所承认的
细胞衰老生物学指征。
我室在国外刊物的部分相关来自百度文库文：
Duan JM, Int J Biochem Cell Biol, 2005, 37:1407-1420 Zheng WJ, et al. J Biol Chem 2004,279:31524-31532 Guo SZ, et al. Exp Cell Res 2004,298:465-472 Huang Y, et al. J Cell Physiol, 2004, 201: 483-491. Zhang XW, et al. Oncogene 2003, 22 : 2405-2416 Wang PC, et al. Mech Age Dev 2003,124: 1025-1034 Duan JM, et al. J Biol Chem 2001 276: 48325-48331. Li JH, et al. Mech Age Dev 1995,80:25-34. Tang ZQ , et al. Mech Age Dev 1994,73:57-67.
蛋白质糖基化与大分子交联，逐渐脱水， 形成的一种具有黄棕色荧光的产物。
Fluorescence/mg protein
8
7
6Determination of AGE
5 (Advanced Glycation End product)
4
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2
1
0
0
20
40
60
80
ú´ äÁ ¨£ PDL©£
21
从分子水平组建一套
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
20
40
60
80
PDL
钾离子通道（TPKC1）
0.8 0.6 0.4 0.2
0 0
20
40
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80
PDL
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Arbitary unit (Diubiquitin/B-
actin)
衰老时表达增强的5种基因
Arbitary unit (Laminin a4/b-
actin)
12
细胞衰老 （Cell Senescence）
生物衰老的基本单位 老年病发病的共同基础
细胞衰老→老年退行性变→功能衰退
增殖能力下降→细胞数减少→脏器萎缩
细胞衰老是造成个体衰老的主要原因之一。
13
体外培养人类细胞衰老模型在研究人类衰老方面，具 有不可取代的优点：
１．无模式动物存在种族差异的缺点 ２．无人体实验取材难，操作难，周期长等缺点
老
杂交信号强度散点图
在4096条人类基 因的cDNA微阵列表 达谱中发现年轻和 衰老细胞中表达变 化在5倍以上的基因 有6种。
α-2-巨球蛋白
其中α -2-巨球蛋 白基因不仅在衰老 的成纤维细胞表达 明显增高，在年轻 细胞中的表达水平 亦较其它5种基因 高，易检出，易定 量。
24
青
衰老过程中基因表达谱的变化
人类对衰老的探究几乎从封建社会建立以来，就有所记载，然而， 真正进入科学研究衰老的范畴，还是近20年的事。
现在，国内外科学家对衰老的研究主要集中在哪些方面？从哪些 角度进行研究？科学家都取得了怎样的成就？
《生命世界》衰老的科学研究策划案 03 \30, 2006
《生命世界》中国科学院主管，中国科学院植物研究所、中国植物学会和高等教育出版社联合主办
A. M. Herskind et al., Hum Genet 97, 319 , 1996
7
平均寿命主要与环境相关；物种最高寿限与遗传相关。
不良环境可作用于遗传物质或其产物 影响衰老进程。
段建明等 （Duan JM, et al.） Intl J Biochem Cell Biol 37 (2005) 1407–1420
（基因对寿命的影响）
•线虫(C. elegans )研究首次严格证明：单基因突变即可影响寿命 。
•clk 基因与daf-2基因双突变，线虫寿命延长5倍。
基因对衰老进程的主导性 8
人类“长寿基因的探索
Puca, AA （ Childrens Hosp ）与Perls, Thomas（ Boston Univ ）等 报道： （Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2001） 分析137组 (308人)长寿同胞，百岁老人血样 发现：四号染色体 D4S1564 (D代表DNA, D后的数字表示染色体号,s代 表节段segment,s后的数字表示微卫星在染色体上的编号) 位点与众不同， 可能含有“长寿基因”。
4096种中表达变化幅度>2.5倍的基因46种。
下调的基因：参与细胞周期的基因等。 上调的基因：细胞外基质有关基因等。
挑选表达变化大的基因，以RT-PCR技术对其再 检测。
25
衰老时表达下降的4种基因
Arbitary unit (PPE/bactin)
前脑啡肽原（Preproenkaphalin）
②细胞的体外增殖能力 广泛应用于衰老研究。
A490nm E-03 /hour
20
15
10
Growth curves
5
MTT assay
0
0 10 20 30 40 50 60 70 ´ú Áä £¨PDL£©
人胚成纤维细胞体外培养代龄与细胞增殖速度的关系
18
③衰老相关β半乳糖苷酶活性
年轻细胞
衰老细胞
Arbitary unit (VCAM1/B-actin)
层粘连蛋白Laminin α 4亚基
1 0.8 0.6 0.4 0.2
0
0
20
40
60
80
PDL
Arbitary unit (GOS8/b-actin)
HLH碱性磷蛋白G0S8
1.2 1
0.8 0.6 0.4 0.2
0
0
20
40
60
80
PDL
血管细胞粘附分子1 （VCAM1）
1 0.8 0.6 0.4 0.2
0 0
20
40
60
80
PDL
Arbitary unit (Selenoprotei n P/B-actin)
硒蛋白P（Selenoprotein P）
1.5 1
0.5 0 0
20
40
60
80
PDL
Arbitary unit (A-2M/B-actin)
1
（美国人口局，U.S. Census Bureau预测）
老年病种类繁多（老年性痴呆,帕金森病等神经退行性疾病,老年
糖尿病、骨质疏松、心、脑血管、呼吸等系统疾患,以及肿瘤……）
表现有别 发病各异
↓因老而衰：
预防老年病 造福个人与家庭 节约社会财富 解放生产力 弄清衰老机理，可有的放矢,提出因应举措，
SA--βgal staining
人胚肺二倍体成纤维细胞(绿色者为衰老细胞)
19
④ DNA损伤修复能力
损伤前
损伤
随增龄而下降
修复
年
轻
comet assay
细 胞
彗星试验
（单细胞凝胶电泳）
损伤前 衰 老 细 胞
损伤
修复
20
尾长(μm) ；尾面积/总面积(%) 尾越长，%越高，损伤越重
⑤晚期糖基化终末产物
生命科学永恒的主题————
健康、长寿
“衰老”—老年病 百病之源。
老年病 发病率
老年性痴呆（AD） 65岁老人>1/20 85岁以上老人 ½
人一生中医疗费
2/3用于晚年 ？
2000年（第五次）我国人口普查 > 65岁 老人=总人口10% 约1.2亿
65岁以上人口： 7％14％
法国需114年 中国需 27年
分类模型。
该模型用于另一组（百岁老人及其对照）：正确率 77% 。
芯片分析显示： 按差异SNP（或遗传特征 ）不同组合，可将90%的百岁老人分成19个群 体。一种组合可能与某一老年病(e.g., dementia, hypertension, and cardiovascular disease)易感性 有关，或可由此将健康老人的表型分成不同亚型。
6
1992年世界卫生组织
人的寿命决定因素
遗传因素
15%
社会经济因素
10%
医疗服务技术
8%
气候因素
7%
生活习惯、卫生行为、精神面貌、保健意识等 60%
？？The results of human twin studies suggest that only 20-30% of the
variation in survival to an age of about 85 years is determined by genetics
14
细胞衰老程度如何评估？
衰老机制复杂，单一的衰老相关指标难以准 确、特异地评估衰老程度。
组建一套定量的细胞衰老生物学年龄指征 准确定量细胞衰老程度，可
1、研究各种因素对衰老进程的影响 2、检验药物抗衰作用，为中药现代化提供技术
支撑。
15
分子水平 细胞衰老指征
①端粒长度 ②细胞体外增殖能力 ③晚期糖基化终末产物 ④衰老相关ß-半乳糖苷酶活性 ⑤ DNA损伤修复能力 ⑥DNA甲基化程度 ⑦线粒体DNA片段缺失
11
细胞
生物的基本构成单位
细胞衰老
老年病发病的共同基础
人成纤维细胞（人胚细胞可传60-70代，50岁成人细胞只能传10~20代） 在体外培养可传代数，与供体年龄有关。
供体年龄越大，传代越少。
细胞衰老是个体衰老的微观模型，可部分体现个体衰老。
理想状态：人类细胞衰老模型与动物实验相辅相成
细胞衰老模型有非整体性与非生理性的局限性。 如与动物整体实验相配合，可取长补短，相辅相成。
10
新英格兰百岁老人研究中心(New England Centenarian Study)
衰老的实验性研究——成果累累
老年医学基础是人口老龄化需求的前沿学科
进行人类的衰老实验性研究,耗时费力,困难重重。
用动物实验研究衰老，由于人与动物差别大，实验结果，只能借鉴，不能 照搬。与细胞模型相互配合，可补动物实验之不足。
16
①我国端粒与人类细胞衰老相关性的研究 Southern blots
Telomere lengths
+
端粒长度： 人类体细胞的计 时器。每增加1代龄，端粒 长度减少约49 bp。
细胞越老，端粒越短，
电泳时跑得越快
中国人外周血淋巴细胞的端粒长 度每年平均缩短35 bp。
(张宗玉等，生物化学杂志,117995)
提高延衰效能。
2
发达国家近年意识到衰老与老年病的研究可望收益和 回报，纷纷改变理念，从福利观点，转到经济视角，既看 到社会需求，也看到无限商机，加强研究投入。 仅仅美国国会批准2005年度美国立衰老研究所（老年医 学基础研究为主），一个所的预算，达10亿5千万美元。
3
如今，全球生命科学研究最热的三个领域是： 衰老、肥胖和癌症，衰老在其中独占鳌头。
0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
0
0
20
40
60
80
PDL
双泛素（Diubiquitin）
1 0.8 0.6 0.4 0.2
0 0
20
40
60
80
PDL
Arbitary unit (TPKC1/B-actin)
Arbitary unit (Mad2/B-actin)
有丝分裂检控点蛋白（Mad2）
M. Kuro-o (Texas大学) “Cell senescence has been suggested to be directly related to senescence of living organism, including humans.” Cellular & Molecular Life Sciences 57(2000):695-697
Perls： 一年以后见分晓 ？？？
9
Sebastiani P, et al.
Genetic Signatures of Exceptional Longevity in Humans.
老寿星的遗传特征 Science 2010 Jul 21. [Epub]
1055（ centenarians）：1267 （controls） 分析结果：建立了以150 SNPs (single-nucleotide polymorphisms)为基础的
基因水平 细胞衰老指征？？
22
1.5%
用cDNA芯片检测人二倍体成纤维细胞 衰老基因表达谱的变化
1.0%
HGEC-40S: 含4096条人类基因，衰老表
达差异较大的基因有117种。
0.5%
-0.5% -1.0% -1.5%
>2.0倍
>2.5倍
>3.0倍 23
细胞衰老的基因表达谱研究
衰老细胞与年轻细胞基因（4096条）芯片