端粒酶与慢性炎症：衰老的核心分子联系
摘要
揭示端粒生物学的复杂机制是理解衰老与炎症之间密切联系的核心。端粒是真核生物染色体末端的重复异染色质DNA结构，其长度被普遍接受为生物衰老的标志。端粒随着每次细胞分裂而逐渐缩短，直至最终触发细胞衰老和凋亡。慢性炎症和氧化应激也会加速端粒缩短。慢性炎症和氧化应激已被证明是神经退行性疾病、心血管疾病和癌症等年龄相关疾病的关键驱动因素。端粒酶是基因组稳定性、线粒体功能、表观遗传完整性和蛋白质稳态交叉点的核心调节因子。通过其直接和间接作用，端粒酶调节驱动衰老和年龄相关疾病的炎症通路，突显其作为减轻炎症衰老和延长健康寿命的治疗靶点的潜力。
要点
- 端粒酶整合了端粒稳定性、炎症和衰老机制。
- 慢性炎症加速端粒磨损和细胞衰老。
- 端粒功能障碍激活NF-κB、cGAS–STING和炎症小体信号通路。
- 逆转录转座子重新激活将端粒侵蚀与炎症衰老联系起来。
- 靶向端粒酶通路为衰老疾病提供治疗潜力。
关键词
端粒；衰老；炎症；细胞衰老
1. 引言
衰老是由于在分子和细胞水平上随时间积累的有害变化，最终导致组织和器官功能下降。尽管衰老本身不是一种疾病[1]，但年龄相关疾病如动脉粥样硬化、痴呆和癌症，以及发病率和死亡率的风险升高[2]。虽然衰老的确切原因尚不清楚，但可能涉及多种细胞和分子特征。其中，端粒磨损和慢性低度炎症被认为是两个主要潜在机制[3]。
随着年龄增长，端粒缩短是正常衰老过程的一部分。但氧化应激、炎症和其他基因毒性应激也会加速端粒磨损，导致由端粒功能障碍介导的细胞衰老，并加速衰老过程[4]。永久和持续的增殖能力丧失称为“细胞衰老”，但衰老细胞仍保持代谢活性，并表现出改变的分泌表型（衰老相关分泌表型，SASP）。SASP与衰老过程中炎症细胞因子产生增加有关，这可能导致了与衰老相关的慢性炎症[5]。慢性炎症过程是衰老和年龄相关疾病的重要风险因素[6]。在正常衰老过程中，促炎介质如TNF-α、IL-1β、COX-2和iNOS持续上调[7]。慢性炎症还与多种年龄相关疾病有关，如痴呆、心脏病、关节炎和癌症[8]。在本综述中，我们旨在描述炎症与端粒/端粒酶在衰老过程和衰老相关疾病中的相互作用，重点关注炎症如何导致端粒功能障碍，进而加速衰老过程。我们还将讨论靶向端粒酶的药物抗衰老药物如何有助于促进健康衰老。
2. 端粒生物学
2.1. 端粒
端粒是保护真核生物染色体末端的非编码核蛋白结构，通过区分自然末端和常规的偶然DNA断裂[9]。人类端粒的长度通常在10到15千碱基对（kbp）之间，由数千个5′-TTAGGG-3′序列的串联重复组成[10]。人类端粒长度的分布范围很广，但上下限是有限的。一个动态平衡包括端粒延长和端粒缩短过程（如末端加工事件和后随链DNA合成不足）维持着端粒长度。通过激活“端粒维持机制（TMM）”，只有少数细胞类型——肿瘤细胞、生殖细胞和干细胞——能够阻止进行性端粒缩短。目前公认的TMM只有两种：端粒酶介导的端粒维持（被认为是主要TMM）和端粒的替代延长（ALT）[11]。每个细胞周期，端粒缩短50–200 bp，与维持过程无关。重复序列的丢失最终导致异常短且有缺陷的端粒，无法正确密封染色体末端，从而损害细胞衰老、凋亡和增殖[12]。端粒缩短导致染色体末端失去保护的速度因细胞和组织类型而异。因此，最短的端粒对染色体稳定性和细胞活力至关重要[13]。由于自然的复制性衰老过程，造血系统的细胞也通过端粒DNA的丢失表现出端粒长度的进行性缩短[14]。
2.2. 端粒酶
通过从头延长染色体末端，逆转录酶端粒酶维持临界短的端粒[15]。端粒染色体末端补充TTAGGG序列以增加端粒长度。需要指出的是，端粒酶并不能完全阻止端粒磨损，尽管它减缓了这一过程[16]。端粒酶的组分包括RNA组分（TERC）、端粒酶逆转录酶（hTERT）催化组分以及多种物种特异性辅助蛋白，这些蛋白作为模板和引物用于扩展端粒核苷酸重复[17]。hTERT蛋白具有保守的催化结构域，作为一种特定的逆转录酶。通过TERC（端粒形成的基本非编码RNA）延长端粒G-rich链的3′突出端[18]。人类中的辅助蛋白包括Dyskerin（DKC1）、Nuclear Protein Family A member 2（NHP2）、Nuclear Protein Family A member 3（NOP10）、Pontin/Reptin、TCAB1和Nuclear Protein Family A member 1（GAR1）。这些蛋白被认为有助于端粒组装、运输、招募和稳定性[19]。在整个生命周期中，端粒酶活性（TA）是波动的。在胚胎发生的最初几周，TA表达在大多数人类组织中达到峰值[20]。尽管在新生儿期开始，这种酶的活性在很大程度上被抑制，但在分裂的淋巴细胞、卵巢和睾丸，以及一些高度增殖的组织如皮肤、肠道和骨髓中并未观察到这种抑制，这些组织被认为含有干细胞样亚群[21]。TA在哺乳动物体细胞和增殖能力有限的细胞中完全缺失。大多数恶性细胞也表现出端粒酶升高，表明端粒维持对增殖潜力的重要性[22]。
2.3. 端粒复合体
与端粒相关的蛋白质复合物称为Shelterin，它有助于稳定染色体末端，并抑制DNA损伤反应（DDR）系统因DNA断裂而激活[23]。Shelterin的结构独特，因为它结合哺乳动物的端粒序列和结构。人类Shelterin由六种不同的蛋白质因子组成：端粒重复结合因子1（TRF1）、TRF2、阻遏物/激活蛋白1（RAP1）、相互作用核因子2（TIN2）、端粒保护蛋白1（POT1）和POT1-TIN2组织蛋白（TPP1）[24]。通过与TERT相互作用，Shelterin复合物特异性结合端粒DNA，并促进端粒酶复合物招募到染色体末端[23]。另一个相关复合物是CST。它由三个组分组成：端粒途径与STN1（TEN1）、cdc十三抑制因子1（STN1）和保守端粒保护组分1（CTC1）。CST复合物部分参与端粒后随链的合成[25]。RNA聚合酶II从染色体间端粒重复序列转录TERRA，一种长链非编码端粒重复RNA。TERRA是最近发现的端粒复合物组分。尽管其确切作用尚不清楚，但很可能与端粒酶调节、端粒异染色质组织、基因表达调控以及缺陷端粒引起的DDR有关[26]。
3. 端粒酶活性与衰老
端粒酶负责端粒区域染色体DNA的复制。众所周知，体细胞染色体不稳定和复制性衰老可由危险短的端粒DNA片段发出信号[27]。端粒酶活性和端粒长度（TEL）的组合指示细胞的增殖能力[28]。尽管端粒酶活性主要在干细胞、性细胞和肿瘤细胞中观察到，但在肠道粘液细胞、外周血（PB）淋巴细胞和胸腺中也检测到可检测的活性[29]。此外，这些细胞也表现出相对适度但可检测的端粒酶催化亚基（hTERT）表达水平，以及该组分的mRNA，hTERT是一种合成端粒重复的RNA依赖性DNA聚合酶[30]。
随着PB淋巴细胞在体内衰老，其端粒因细胞分裂而逐渐缩短[31]。已证明在多种疾病中，包括免疫相关疾病如类风湿关节炎、特应性皮炎和支气管哮喘，PB细胞的端粒更短，增殖更多。对软骨细胞和PB细胞的端粒长度评估可能是评估骨关节炎和骨质疏松症进展的合适标志物，因为多项研究表明端粒缩短可能是这些疾病的表观遗传机制[32]。此外，慢性应激和药物使用是影响淋巴细胞端粒缩短速率的其他因素[33]。已证明端粒酶在淋巴细胞中的表达在发育、分化和激活阶段受到严格调控。刺激使“成熟”细胞能够以相对较高的水平产生端粒酶。再刺激后端粒酶表达可能增加，但不会上升到初次刺激反应的水平[34]。这些动力学可能反映了免疫反应克隆扩增的调节机制和淋巴细胞的增殖控制[35]。
端粒酶活性通常不存在于体细胞中。推测核内关键组分的转移可以调控人类细胞中的端粒酶活性。在HeLa宫颈癌细胞中，已证明hTR和hTERT在S期特别招募到端粒，但在细胞周期的大部分时间中，它们在核内位置独立于端粒积累。因此，端粒酶在端粒的招募是动态的，并在S期中期达到峰值。此外，hTR和hTERT都参与S期的端粒酶转移，并与核仁和Cajal体相关[36]。有趣的是，尽管具有活性端粒酶，人类腹膜间皮细胞（HPMC）似乎具有异常短的端粒（3.5 kbp）。这些端粒因端粒酶活性下降而缩短，而非衰老[37]。
在端粒酶缺陷小鼠中，端粒缩短是逐渐发生的，衰老相关表型通常只在几代杂交后才出现，此时端粒严重受损。晚期Tert⁻/⁻或Terc⁻/⁻小鼠最终出现造血功能受损、不育、器官萎缩、伤口愈合能力下降和组织再生能力降低[38]。在小鼠中实验性激活端粒酶，如转基因TERT过表达，通常导致组织再生能力改善、代谢适应性和寿命延长。综合来看，这些物种特异性差异显示了使用小鼠模型研究人类端粒酶调节和衰老的重大局限性[39]。尽管小鼠模型对于机制研究仍然至关重要，但将结果外推到人类衰老和疾病时需要谨慎考虑。考虑这些差异对于合理开发旨在促进健康衰老同时降低癌症风险的端粒酶靶向干预措施是必要的[40]。缺乏端粒酶的小鼠表现出加速衰老的迹象，如早期骨质疏松、伤口愈合能力下降和毛发变灰。这些小鼠显示出改善的组织功能、减少的衰老迹象和延迟的年龄相关疾病发生[41]。在小鼠中，增加的端粒酶活性与更高的代谢性能、增加的神经发生和改善的心血管健康相关。这些增强表明端粒酶可能有助于维持不同器官系统在衰老过程中的整体健康。人类中端粒酶活性与衰老之间的联系更为微妙。适当的端粒酶活性与更长的端粒和更健康的衰老相关，而过度或不受控制的激活会增加癌症风险。这是因为不受控制的继续翻译剩余部分：
细胞增殖（癌症的标志）是由于端粒酶活性增加导致细胞逃脱正常生长限制所致[42]。
4. 慢性炎症连接衰老的分子标志
炎症与端粒酶活性之间的复杂联系对细胞衰老有重大影响。慢性炎症是一种持续存在的炎症反应，其特征是免疫系统持续激活以及促炎细胞因子和其他介质的持续存在[43]。慢性炎症和氧化应激是紧密相连的衰老标志，驱动基因组不稳定性和进行性细胞功能障碍。持续炎症过程中产生的活性氧导致DNA单链和双链断裂[44]。身体通过PARP1检测这些损伤，但该酶的激活导致细胞内NAD⁺完全耗竭，从而阻断控制线粒体健康和细胞存活的去乙酰化酶激活。线粒体去乙酰化酶Sirt3和Sirt5的缺失导致线粒体DNA损伤和代谢崩溃，从而导致促炎性衰老相关分泌表型（SASP）的发展[45]。除Sirt2外的其他去乙酰化酶的功能障碍也会产生加速衰老的负面影响，因为它们触发NLRP3炎症小体激活，导致更快的炎症衰老[46]。
当DNA损伤发生时，身体会产生强烈的炎症反应。基因组稳定性的破坏使核DNA逃逸到细胞质中，因为微核发生破裂，导致cGAS–STING通路激活[47]。该过程激活TBK1和IRF3，产生I型干扰素反应，并激活NF-κB以产生促炎基因转录。使用ATM和ATR激酶的DNA损伤反应系统通过两条途径激活NF-κB，包括GATA4稳定化和直接激活TRAF6和STING。这些通路形成了一个自我强化的循环，将DNA损伤与染色质破坏、转座子激活和细胞衰老结合起来，以维持持续性炎症并加速衰老过程[48]。
炎症激活了主动损伤细胞基因组信息的机制。随着年龄增长，肿瘤坏死因子α等促炎细胞因子增加，这激活NADPH氧化酶产生活性氧，从而损伤DNA碱基并造成DNA链断裂[49]。细胞失去修复DNA的能力，因为慢性炎症触发它们减少错配修复蛋白（包括MLH1）的产生，导致微卫星不稳定性，并创造一个环境，使DNA复制错误在整个基因组中积累[50]。免疫反应产生激活诱导的胞苷脱氨酶（AID），这是一种强大的DNA突变酶，通过炎症驱动癌症发展以及各种非癌性炎症疾病。在炎症期间激活的诱导型一氧化氮合酶（NOS2）通过降低DNMT1水平产生表观遗传不稳定性，导致LINE-1逆转录转座子变得活跃，这一过程加剧了DNA损伤[51]。
端粒磨损代表了连接基因组不稳定性、炎症和衰老的关键节点。端粒酶的作用超越了其保护端粒的主要功能，它还控制线粒体工作方式并维持炎症的正常水平。通过端粒损伤激活p53蛋白，导致PGC-1α和线粒体去乙酰化酶抑制，从而阻断线粒体发育并导致细胞产生更多ROS[52]。端粒-线粒体系统形成了一个反馈回路，增加细胞内的氧化损伤，同时激活巨噬细胞和其他免疫细胞中的NLRP3炎症小体，产生更多炎症细胞因子。在这些模型中，端粒酶活性的缺乏导致端粒缩短，进而导致caspase-1激活和IL-18加工，从而使炎症通路更强，同时造成身体组织损伤[53]。
在衰老过程中，调节端粒酶活性的表观遗传变化塑造了炎症过程。整个基因组的DNA甲基化模式和组蛋白修饰在衰老过程中发生重大转变，同时特定启动子区域经历甲基化减少和增加，这触发了炎症基因网络的激活，包括NF-κB、干扰素信号和巨噬细胞激活通路[54]。组蛋白修饰自身决定染色质可及性，因为细胞积累更多的H3K27me3抑制标记，科学家现在认为这是普遍的衰老表观遗传标志。衰老过程中的染色质重塑导致端粒、着丝粒和逆转录转座子富集区域失去异染色质结构，导致基因组不稳定性和炎症基因的持续激活[55]。
蛋白质维持系统的崩溃是一个主要原因，它连接到基于端粒酶的衰老系统以产生炎症衰老。当错误折叠蛋白质积累时，身体通过IRE1α、ATF6和PERK激活其未折叠蛋白反应系统，导致基于NF-κB的炎症反应[56]。身体通过保护自身免受蛋白毒性聚集物的损害，因为这些有害物质作为损伤相关分子模式（DAMP）激活模式识别受体，导致NLRP3炎症小体形成，产生IL-1β和IL-18，并引起细胞焦亡[57]。这些过程对神经元和心肌细胞等有丝分裂后细胞造成重大损害，因为这些细胞无法通过细胞分裂减少受损蛋白水平。身体的蛋白酶体和自噬系统经历与年龄相关的退化，这创造了进一步激活炎症过程的条件，并破坏正常免疫系统的运作[58]。
衰老通常与胰岛素清除率下降有关，导致外周代谢组织中高胰岛素血症和胰岛素抵抗（IR）[59]。IR还导致血脂异常，表现为血浆甘油三酯和游离脂肪酸（FFA）水平升高。甘油三酯和FFA可以通过诱导NF-κB触发巨噬细胞的炎症反应，导致加重IR的促炎环境。慢性高胰岛素血症和升高的FFA水平也支持mTOR的慢性激活，这是免疫细胞糖酵解的关键因子。先天免疫细胞中增加的糖酵解可能通过炎症相关细胞因子如TNF、IL-1和IL-6促进M1样巨噬细胞极化[60]。胰岛素抑制蛋白O1（FoxO1）的活性，FoxO1缺乏损害衰老T细胞中的蛋白质稳态，导致衰老样促炎表型。胰岛素本身也可以直接影响免疫系统并引起炎症[61]。
已证明胰岛素受体信号通过促进营养摄取和糖酵解能力显著刺激小鼠的免疫细胞功能，包括T细胞效应反应，这些是炎症的重要代谢需求[62]。此外，调节性T（Treg）细胞上缺乏胰岛素受体的小鼠免受年龄相关的葡萄糖耐受不良和脂肪组织炎症的影响，突出了胰岛素在改变Treg反应中的炎症作用。有趣的是，与年龄相关的B细胞（ABC）是T-bet+记忆样B细胞的一个亚群，与小鼠自身免疫疾病增加和衰老相关，可以通过增加糖酵解来刺激炎症性T细胞，但尚不清楚胰岛素/IGF是否是必要的输入因子[63]。因此，由适当的IIS信号维持的免疫稳态可能在老年人中特别重要，他们更容易感染，并且产生针对病原体（如SARS-CoV-2和疫苗接种）的适应性免疫反应的能力较低[64]。
最近的数据表明，逆转录转座子如长散布核元件（LINE-1）的重新激活是衰老过程中慢性炎症和组织衰老的主要原因[65]。端粒酶缺陷细胞中的端粒缩短导致染色体不稳定性、染色质结构改变和异染色质丢失，因此通常被沉默的逆转录转座子元件被去抑制。一旦逆转录转座子被激活，它们在细胞质中产生DNA和RNA中间体，这些被先天免疫通路如cGAS–STING、NF-κB和I型干扰素信号检测到，从而开启促炎细胞因子的产生[66]。这最终导致细胞衰老、衰老相关分泌表型（SASP）和“炎症衰老”，即衰老典型的持续性低度炎症。一项实验系统研究证明，端粒酶功能障碍和端粒缩短显著增加逆转录转座子活性，而赋予细胞端粒维持能力或施用抑制逆转录转座子的药物可减少炎症信号和组织退化[67]（图1）。
[图1：连接慢性炎症和细胞衰老的整合分子通路：该图显示端粒酶是连接端粒健康、线粒体工作方式和炎症信号的关键控制器。当端粒酶不能正常工作时，端粒磨损更快，氧化应激上升，NF-κB和炎症小体通路被激活，细胞衰老更快。所有这些都导致长期炎症和衰老。]
5. 端粒和端粒酶调节作为衰老相关疾病的治疗策略
针对端粒酶与炎症之间相互作用的治疗策略有望治疗一系列年龄相关疾病[68]。通过增加端粒酶活性，可能减轻衰老相关疾病（包括糖尿病、心血管疾病和神经退行性疾病）的症状和进展，也可能维持端粒长度、减少细胞衰老并促进组织再生[41]。另一方面，在癌症中，端粒酶抑制剂可用于限制肿瘤生长并提高现有治疗的效果，因为癌症中端粒酶通常升高以支持不受控制的细胞增殖[69]。另一个治疗选择是改变影响端粒酶活性的炎症通路。例如，在慢性炎症情况下，降低氧化应激和细胞因子产生的抗炎药物可能减轻端粒磨损并改善细胞健康[70]。端粒酶激活剂与抗氧化剂或抗炎药物可能协同作用，以改善细胞修复过程并减少有害炎症[70]。未来，考虑个体在端粒酶活性和炎症反应方面差异的个性化医疗技术可能会改进这些治疗方法，为年龄相关疾病患者提供更精确和有效的治疗。这些治疗方法的开发可能导致慢性疾病管理的重大改善，延长预期寿命并提高生活质量[71]。
临床前和临床研究已显示出令人鼓舞的结果，当通过不同物质和遗传改变调节端粒酶活性时[72]。已证明通过TERT启动子突变增强端粒酶表达的遗传改变可延长寿命[73]。黄芪甲苷提取物具有端粒酶激活特性。在老年小鼠中，已证明它能减少氧化应激并增加端粒长度[74]。对传统医学中使用的植物提取物的筛选揭示了环黄芪醇的存在，这是一种小分子端粒酶激活剂。环黄芪醇改善了培养的CD8+ T细胞的免疫活性，减少了端粒长度缩短，并提高了增殖潜力。环黄芪醇引起的hTERT表达的短期、可逆增加可能是由MAPK通路介导的。通过激活CREB信号通路，环黄芪醇也被发现能促进PC12和原代神经元中的端粒酶[75,76]。
AGS-499，一种新的三芳基化合物，被皮下注射到CD-1小鼠的颈部，暂时增加了前脑中的端粒酶表达和活性。AGS-499预处理减少了暴露于N-甲基-D-天冬氨酸引起的兴奋性毒性的CD-1小鼠的神经异常并延长了寿命[77]。在发生端粒酶依赖性肌萎缩侧索硬化症的SOD1转基因小鼠中，它也减少了神经元死亡，并推迟了运动障碍的开始、发展和进展。此外，GV1001，一种源自TERT基因的疫苗肽，显示出令人鼓舞的结果。通过磷酸肌醇-3-激酶通路，GV1001以剂量依赖方式保护神经干细胞免受淀粉样蛋白β毒性。同时，与炎症相关的蛋白表达下降，而存活蛋白的表达增加[78]。AGS-499和GV1001对TERT的激活具有神经保护作用，使其成为神经退行性疾病的有希望的治疗方法。也有人提出使用含咪唑的肽来减缓端粒缩短的速度[79]（表1）。
[表1：衰老中的端粒酶靶向策略：来自动物模型和人类试验的比较见解]
6. 结论与展望
本综述强调端粒酶是一个核心分子整合器，连接端粒磨损、慢性炎症和衰老的标志。氧化应激和持续性炎症信号导致累积的DNA损伤、基因组不稳定性和线粒体功能障碍，从而通过细胞衰老和炎症衰老创建自我延续的反馈回路。除了其端粒相关功能外，端粒酶已被揭示为线粒体功能、氧化还原状态和炎症控制的关键调节因子，从而有助于解释端粒酶表达在整个生命周期中维持细胞和组织稳态中的作用。端粒酶活性改变导致DNA损伤反应增加、炎症小体激活、表观遗传漂移和逆转录转座子重新激活，所有这些都导致衰老过程中更快的功能下降和更高的疾病易感性。关于这些发现的适用性，针对端粒酶相关通路的治疗为应对衰老和年龄相关疾病提供了有价值的途径。在恢复端粒长度、改善线粒体功能、抑制过度炎症信号或限制逆转录转座子活性等不同角度的治疗方法，都有可能打破连接基因组不稳定性和炎症衰老的恶性循环。然而，由于已知端粒酶激活与癌症风险相关，未来的策略需要在衰老的有益效果和致癌安全性之间取得微妙的平衡。展望未来，整合端粒生物学、免疫代谢、表观遗传学和系统层面分析的综合研究将是识别端粒酶在不同环境中特定作用的先决条件，从而开发安全、靶向的治疗方法，不仅延长寿命，更重要的是延长健康寿命。
CRediT 作者贡献声明
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