衰老生物标志物（端粒长度、端粒酶、去乙酰化酶Sirtuins、线粒体DNA拷贝数及线粒体DNA甲基化水平）之间的相互作用与串扰及其在结直肠癌风险中的潜在作用：一项综述

《Cells》：Proposed Interactions and Crosstalk Among Biological Aging Biomarkers (Telomere Length, Telomerase, Sirtuins, mtDNA Copy Number and mtDNA Methylation Levels) and Their Potential Role in Colorectal Cancer Risk: A Review

　　

全球范围内早发性结直肠癌（CRC）的发病率正在迅速上升。这一发病率深受结肠生物衰老的影响，但其潜在机制尚未完全阐明。本综述批判性地评估了支持端粒动力学、去乙酰化酶（Sirtuins）及线粒体生物标志物在结肠衰老过程中及作为CRC风险预测因子之间所提出的相互作用的证据，同时指出了机制验证仍然有限的领域。这一见解为开发新型早期检测生物标志物、个性化预防策略以及旨在直接干预衰老机制与CRC风险的治疗方法铺平了道路。

主体内容总结

1. 引言

生物衰老是包括结直肠癌（CRC）在内的多种年龄相关疾病的主要驱动因素。CRC是全球第三大常见癌症及第二大致死癌症，其高负担日益受到不良饮食习惯、环境致癌物暴露及不良生活方式的推动。生物衰老通过免疫功能紊乱、细胞损伤及分子不稳定性等渐进性功能衰退提升CRC风险。衰老与癌症共享多种潜在生物学机制，如基因组不稳定、DNA损伤反应、细胞衰老、慢性炎症、线粒体功能障碍及免疫衰老。在结肠中，衰老相关改变涉及肠上皮稳态受损、肠道干细胞（ISC）功能障碍、基因组不稳定、表观遗传失调、线粒体功能障碍、肠道微生物群失调及慢性低度炎症。年龄相关的微环境信号变化可能干扰ISC生态位平衡，促进CRC发展。不同年龄组的CRC发病机制可能不同，老年人多与ISC生态位衰退及免疫应答改变相关，而年轻人则可能与肠道微生物群变化引发的过度炎症反应相关。端粒长度、端粒酶活性、去乙酰化酶（Sirtuins）、线粒体DNA（mtDNA）拷贝数及mtDNA甲基化提供了与CRC相关的生物衰老和细胞功能障碍的互补性、机制上不同的读数。

2. 结肠中的生物衰老（局部结肠衰老）

结肠衰老过程中，ISC稳态因Wnt信号悖论而受损，导致衰老干细胞对Wnt过度反应，形成发育异常的囊性生长，类似癌前组织。ISC功能受损可扰乱隐窝稳态并削弱上皮屏障完整性，促进微生物失衡、慢性炎症及CRC发展。腺瘤性息肉病蛋白（APC）在控制ISC平衡和Wnt信号中起关键作用，衰老因素如炎症、细胞衰老、氧化应激及表观遗传漂变可干扰APC正常调控。年龄相关的结肠上皮功能障碍主要由EGF和Wnt等关键信号通路失调驱动，而非高突变负荷。生物衰老虽非CRC直接病因，但创造了允许体细胞突变积累和功能影响的生物学环境。CRC中常见体细胞突变包括APC、肿瘤蛋白53（TP53）、RAS及SMAD4。此外，ISC受损与微生物群失调存在双向关系，失调菌群引起慢性低度炎症，微生物副产物可触发表观遗传改变，丁酸盐产生菌的丧失削弱肠道屏障。细胞衰老在结肠衰老中发挥核心作用，表现为上皮细胞增殖能力丧失、DNA损伤增加及衰老相关分泌表型（SASP）促炎信号产生。结肠衰老进程中，DNA损伤积累、端粒磨损、DNA修复受损及氧化应激导致染色体不稳定增加，最终导致基因组不稳定、干细胞功能障碍及CRC风险升高。衰老结肠还经历广泛免疫重塑，包括黏膜免疫下降和免疫抑制细胞浸润增加，形成允许肿瘤逃避免疫监视的环境。

3. 个体生物标志物：机制及CRC相关性

3.1 端粒长度

在结直肠上皮细胞中，端粒长度精确调控对肠道稳态至关重要。端粒是保护染色体末端的核蛋白结构，随细胞分裂而缩短，侵蚀至临界点会触发DNA损伤反应（DDR），导致复制性衰老或细胞凋亡。端粒维持功能障碍可导致基因组不稳定，促进癌基因（如KRAS）和肿瘤抑制基因（如APC和TP53）突变，驱动CRC起始。外周血细胞端粒长度与CRC风险呈U型关联，端粒过短或过长均与CRC风险升高相关。现有证据存在矛盾，部分研究报道较短端粒与CRC风险相关，另一些则报道较长端粒与CRC风险相关。

3.2 端粒酶活性

端粒酶是一种RNA依赖性DNA聚合酶，利用自身RNA作为模板向染色体末端添加端粒重复序列。其基本功能核心包含催化蛋白端粒酶逆转录酶（TERT）和RNA组分（TERC）。端粒酶在大多数体细胞中通常失活，但在约85-90%的人类癌症中被重新激活，包括70-80%的结直肠癌。微卫星稳定CRC中TERT启动子突变的存在凸显了端粒酶再激活作为关键肿瘤发生事件的作用。高端粒酶活性与晚期CRC和不良生存相关，而实验性TERT抑制可抑制CRC生长。端粒酶还通过保护线粒体和激活Wnt/β-catenin通路促进肿瘤生长。液体活检研究显示循环端粒酶RNA（hTR）可作为早期CRC检测标志物，靶向端粒酶肽的免疫疗法在临床试验中显示出前景。

3.3 去乙酰化酶（SIRT1–SIRT7）

去乙酰化酶（SIRTs）是一类烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD?）依赖性酶，在代谢、炎症、DNA修复及线粒体稳态等关键过程中发挥重要作用。结肠中Sirtuin功能障碍是驱动炎症性肠病（IBD）和结直肠肿瘤发生的共同通路。

3.3.1 核守护者：SIRT1、SIRT6和SIRT7

SIRT1在CRC中表现出复杂的、情境依赖的双重性。通过去乙酰化NF-κB、STAT3和p53等关键转录因子，调控凋亡、炎症和DNA修复。小鼠研究显示SIRT1缺失触发结肠炎症和肠道菌群改变，揭示SIRT1缺失通过诱导微生物群失调加剧年龄相关肠道炎症。SIRT1过表达通过激活Wnt/β-catenin通路、调节miRNA表达及增强Snail蛋白稳定性发挥促肿瘤作用。

SIRT6在CRC中主要作为肿瘤抑制因子。它通过去乙酰化组蛋白H3赖氨酸9和56影响基因表达和DNA稳定性。SIRT6通过抑制糖酵解和NF-κB触发的炎症发挥保护作用。SIRT6缺失导致R-spondin 1（Rspo1）抑制，影响肠上皮细胞生长和更新。系统性SIRT6敲除导致严重结肠炎和结肠黏膜糜烂。

与SIRT6相反，SIRT7在CRC中作为强效癌基因。CRC肿瘤中SIRT7表达升高，通过增强细胞增殖、迁移和转移等致癌过程驱动疾病进展。其在内质网（ER）应激中促进细胞存活进一步凸显其促肿瘤功能。

3.3.2 线粒体哨兵：SIRT3、SIRT4和SIRT5

SIRT3是主要的线粒体NAD?依赖性去乙酰化酶，在CRC中作为关键肿瘤抑制因子。它通过限制氧化性基因组不稳定和激活程序性细胞死亡通路发挥肿瘤抑制活性。SIRT3随年龄自然下降瓦解了这一保护系统，导致线粒体功能障碍和炎症。SIRT3缺失驱动IL-1β产生并通过犬尿喹啉酸依赖性机制调节NAD?代谢，影响CRC和结肠炎中的T细胞分化。

SIRT4也主要作为肿瘤抑制因子。它通过调节E-钙黏蛋白和抑制谷氨酰胺代谢抑制CRC侵袭性。低SIRT4水平与晚期CRC和较高复发可能性相关。SIRT4失调导致细胞外基质（ECM）过度产生和肠道纤维化。

SIRT5在CRC中表现出明确的致癌作用。该线粒体酶催化赖氨酸残基去琥珀酰化，调节多种代谢通路。SIRT5过表达通过增强糖酵解、谷氨酰胺代谢和氧化应激抵抗驱动生长。结肠中SIRT5活性受损通过升高的PKM2琥珀酰化促进结肠炎，导致IL-1β过度产生。

3.3.3 胞质调节因子：SIRT2

SIRT2在CRC中表现出情境依赖的双重性。其p53稳定功能可促进肿瘤抑制，但其代谢可塑性（尤其通过Warburg效应）和细胞骨架重塑能力可矛盾地支持肿瘤进展。SIRT2缺失通过促进促炎巨噬细胞分化、触发NF-κB过度激活及降低紧密连接蛋白表达增加结肠炎易感性。

3.4 线粒体DNA拷贝数（mtDNA-CN）和线粒体甲基化水平

线粒体功能障碍可能导致肠上皮细胞紧密连接和细胞骨架结构破坏及上皮层再生潜力降低。线粒体通过氧化磷酸化（OXPHOS）产生ATP，同时产生活性氧（ROS）。ROS过量产生导致氧化应激，损伤细胞成分和mtDNA，与衰老和癌症发展相关。在CRC中，线粒体功能障碍是发病机制的核心驱动因素，主要机制包括代谢重编程、mtDNA突变积累、ROS过度产生及表观遗传重塑，特别是mtDNA甲基化。外周血mtDNA-CN与CRC风险呈非线性U型关系，降低和升高水平均与疾病易感性增加相关。部分研究报道高线粒体含量与CRC风险增加相关，而另一些研究表明白细胞中mtDNA-CN降低与15年内CRC诊断可能性升高相关。

4. 生物标志物之间的串扰

结肠生物衰老源于端粒长度、端粒酶功能、线粒体DNA完整性和去乙酰化酶水平的同步恶化。细胞系模型研究检查了SIRT3与mtDNA修复蛋白、SIRT3与mtROS及SIRT3与线粒体的关系。其他研究调查了SIRT6、端粒酶活性和端粒及SIRT6与TRF2的关系。动物模型研究共同表明mtDNA损伤、端粒磨损和去乙酰化酶缺失并非独立作用，而是形成连接网络，一个的破坏放大其他破坏，驱动促炎、代谢状态促进CRC易感性。研究报道端粒与mtDNA-CN之间存在正相关或负相关。SIRT6已被证明与TRF2相互作用并在DNA损伤时促进其降解。关于去乙酰化酶和线粒体串扰，所有研究均报道了SIRT3，将其作为线粒体DNA修复调节因子及应激反应和化疗耐药因子。沉默SW620转移性结肠癌细胞中的SIRT3破坏线粒体生物发生和功能。测量这些生物标志物存在多种方法学和技术挑战。端粒长度主要通过定量实时PCR或qPCR使用端粒与单拷贝基因比率（T/S比率）评估，Southern印迹TRF分析仍是金标准。mtDNA拷贝数通过qPCR扩增线粒体基因（如ND1或COX I）相对于单拷贝核参考（如ALB或B2M）进行定量。线粒体甲基化通常在亚硫酸氢盐转化后使用甲基化特异性PCR（MSP）或液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）等质谱平台评估。实现高度超螺旋环状线粒体基因组（特别是D-loop控制区）的完全亚硫酸氢盐转化在技术上要求高且易产生假阳性甲基化信号。SIRT1、SIRT3和SIRT6常规通过qRT-PCR在转录水平或通过Western印迹和免疫组织化学在蛋白质水平定量，但稳态mRNA或蛋白质水平与酶活性不相关，因为去乙酰化酶功能由随年龄和肿瘤组织下降的NAD?辅因子生物利用度决定。

4.1 端粒长度/端粒酶与去乙酰化酶的串扰

临界短端粒通过激活DNA损伤反应通路（特别是通过p53）作为基因组应激信号。这些通路的激活消耗NAD?，而NAD?是SIRT1和SIRT6等去乙酰化酶活性所必需的辅因子。NAD?耗竭削弱去乙酰化酶功能，移除通常抑制过度DNA损伤信号并维持端粒稳定性的关键制动器。在CRC中，端粒缩短与去乙酰化酶功能障碍之间的相互作用损害基因组完整性，使DNA损伤自由积累，促进突变积累和结肠上皮细胞恶性转化。SIRT6缺失产生异常端粒，迅速诱导细胞衰老并加速结肠衰老过程。CRC个体中观察到较高SIRT1水平和短端粒长度。槲皮素研究表明SIRT6上调显著抑制端粒酶活性，阻止端粒长度维持，诱导端粒侵蚀，迫使结肠癌细胞衰老或凋亡。

4.2 端粒/端粒酶与线粒体的串扰

端粒功能障碍激活p53并启动细胞全面代谢重编程，通过p53介导的PGC-1α/β基因抑制损害线粒体生物发生、减少mtDNA拷贝数并破坏线粒体动力学。线粒体减弱时释放ROS，优先损伤富含鸟嘌呤的端粒DNA，破坏保护性Shelterin复合物，使细胞将端粒误解为DNA损伤位点。mtDNA耗竭代表线粒体功能障碍促进衰老的独立通路，通过升高hnRNPA等核蛋白加速端粒丢失。CRC可能由端粒与mtDNA正常共调控关系的破坏触发或启动，但随着肿瘤进展至更高TNM分期，这种关系完全溶解。端粒-线粒体轴也得到双向关系的支持，端粒缩短可能驱动线粒体生物发生作为确保ATP供应的生存机制，而线粒体变化反过来可加速或修饰端粒磨损速率。

4.3 去乙酰化酶（1-7）与线粒体（mtDNA-CN、mtDNA甲基化水平）之间的串扰

去乙酰化酶通过细胞核和线粒体之间的协调作用维持线粒体健康。核去乙酰化酶调节生物发生和应激反应的基因表达，而线粒体去乙酰化酶直接控制代谢和氧化防御。SIRT1通过去乙酰化并激活PGC-1α等转录因子作为主调节指挥中心。SIRT3、SIRT4、SIRT5直接在线粒体内操作，微调TCA循环等代谢通路，调节尿素循环通量，并激活关键抗氧化酶。当氧化磷酸化减弱时，NAD?/NADH比率下降，剥夺去乙酰化酶活性所需的NAD?。SIRT1无法驱动线粒体生物发生或DNA修复，SIRT3无法维持线粒体内能量代谢和抗氧化防御，SIRT6失去保护基因组完整性的能力，启动破坏性反馈循环。去乙酰化酶与线粒体的关系是双向的，线粒体功能障碍通过NAD?耗竭、ROS驱动的炎症及代谢应激三条主要途径使去乙酰化酶失活。SIRT1通过去乙酰化MCU调节钙稳态、激活PGC-1α驱动生物发生和OXPHOS，并影响化疗耐药期间的线粒体质量。SIRT2通过线粒体维持、OXPHOS和IDH1去乙酰化抑制肿瘤，但通过ROS清除促进药物耐药。SIRT3直接破坏线粒体生物发生，并通过去乙酰化碱基切除修复关键酶NEIL1、NEIL2、OGG1、MUTYH、APE1和LIG3调节mtDNA修复。SIRT4缺失上调谷氨酰胺酶GLT，触发AKT/GSK3β/CyclinD1轴驱动增殖。SIRT5通过去戊二酰化GLUD1增强谷氨酰胺分解，去丙二酰化SDHA促进琥珀酸积累，稳定HIF-1α，去乙酰化LDHB重定向丙酮酸代谢，共同重编程线粒体代谢以促进结直肠癌发生。SIRT6通过转录调节GLUT1和GAPDH等糖酵解基因产生间接线粒体效应。SIRT7是CRC中研究最少的线粒体去乙酰化酶。

5. 驱动结直肠癌风险的衰老生物标志物互联网络

衰老过程作为相互连接的反馈回路动态网络运行，而非线性序列。起始事件高度个性化，遗传易感性、生活方式选择或环境暴露可建立特定生物标志物作为主要驱动因素。该模型也适用于慢性疾病，从端粒酶抑制到mtDNA损伤的不同病理生理学决定了进入衰老和CRC发展自我延续循环的初始切入点。核心自我强化反馈回路包括：短端粒长度和低端粒酶活性导致细胞衰老和氧化应激；去乙酰化酶下降加剧端粒缩短并促进线粒体功能障碍；线粒体损伤（表现为mtDNA拷贝数改变和异常mtDNA甲基化）产生大量氧化应激，进而损伤端粒并诱导慢性炎症。这些相互连接的通路创造损伤升级状态，氧化应激、细胞衰老和慢性炎症相互强化，驱动加速生物衰老并建立促进CRC风险的促肿瘤微环境。

6. 衰老和CRC的主网络

去乙酰化酶、端粒生物学和线粒体功能共享涉及ROS、p53和PGC-1α的机制通路，支持它们之间的串扰。ROS可能作为上游触发因素和主要贡献者，但关系可能是双向的。肿瘤抑制蛋白p53作为衰老过程和CRC发展之间的关键联系，主要通过调节细胞衰老和相关的炎症反应（SASP）。p53诱导的衰老短期阻止肿瘤形成，但最终培育加速衰老的组织环境，可矛盾地增加长期癌症风险。在CRC中，TP53基因频繁突变导致关键保护机制失效，允许具有显著遗传损伤的细胞绕过生长停滞并无限分裂。NAD?水平下降降低去乙酰化酶功能，导致线粒体活性破坏和端粒保护减弱。氧化应激损伤mtDNA，进一步减少能量产生并放大炎症信号。同时，氧化应激激活p53，p53诱导衰老但也通过PGC-1α抑制抑制线粒体生物发生，加剧能量赤字。p53还抑制端粒酶活性，加速端粒磨损。这些过程共同创造自我强化的破坏性循环，解释了为什么结肠衰老构成CRC的最强风险因素。

7. 使用生物衰老生物标志物的结肠衰老研究临床转化

生物衰老生物标志物已证明与CRC具有生物学合理性和统计学关联，但该领域缺乏临床转化所需的标准化阈值、验证的多参数模型、多样化人群验证及前瞻性干预证据。临床转化需要五阶段路径：标准化可重复的端粒长度、去乙酰化酶表达和DNA甲基化时钟测定方法；开发整合mtDNA拷贝数和临床变量的多参数风险模型；创建非侵入性筛查工具，包括血液液体活检、粪便检测和整合风险评分；应用预后生物标志物指导治疗，特别是SIRT3作为化疗耐药预测因子和KRAS-去乙酰化酶相互作用用于患者分层；以及在前瞻性干预试验中测试去乙酰化酶调节剂、衰老细胞清除剂和生活方式干预。

8. 未来研究

结肠并非均匀器官，右结肠、左结肠和直肠代表具有不同衰老轨迹的独特分子微环境。临床可行的生物标志物工具必须考虑解剖亚部位。未来研究必须测量50岁以下个体的结肠衰老和早发性CRC风险。结肠衰老和CRC研究也应在撒哈拉以南非洲地区进行。饮食摄入研究关联人群食物类型与衰老生物标志物。CRC研究应将TNM分期与生物衰老生物标志物相关联。应在无CRC个体、CRC个体和肿瘤中研究生物衰老生物标志物的串扰，并使用不同样本以理解区室生物学、验证替代标志物、关联分子标志物与临床结果。

9. 结论

本综述提出生物衰老生物标志物（端粒长度、端粒酶、去乙酰化酶、mtDNA拷贝数、mtDNA甲基化水平）之间的相互作用和串扰及其对CRC的潜在风险。现有证据表明生物衰老与CRC之间存在双向且可能因果的关系。衰老和细胞衰老的分子标志不仅与CRC发病机制相关，且被认为通过促进基因组不稳定和促肿瘤微环境积极促进CRC发病。量化生物衰老值得进一步研究作为CRC风险分层和早期检测的策略。深入理解这些关系对于确定早期诊断标志物和开发干扰与CRC相关的衰老通路的预防性干预措施至关重要。