综述：线粒体调控细胞衰老异质性

《Frontiers in Cell and Developmental Biology》：Mitochondrial regulation of cellular senescence heterogeneity

　　

细胞衰老（cellular senescence）是一种稳定的细胞周期停滞（cell-cycle arrest）程序，伴随着广泛的代谢重塑和衰老相关分泌表型（senescence-associated secretory phenotype, SASP）的获得。新兴证据表明，衰老并非一个统一的终点，而是一个由诱导刺激性质塑造的细胞状态异质性谱。线粒体最近通过整合代谢、氧化还原和炎症信号，成为这种异质性的核心调节者。衰老细胞共享常见的线粒体特征——包括线粒体质量增加、活性氧（reactive oxygen species, ROS）水平升高、线粒体自噬受损以及代谢程序改变——然而不同的衰老亚型表现出独特的线粒体适应。复制性衰老受端粒-线粒体反馈环调控，而应激诱导和癌基因诱导的衰老涉及快速的线粒体应激反应和刺激特异性代谢重编程。治疗诱导的衰老进一步引入了依赖上下文的线粒体依赖性，影响治疗抵抗和衰老细胞清除脆弱性。在本综述中，研究人员综合了目前对衰老亚型中线粒体调控的理解，并强调了线粒体功能障碍如何主动驱动衰老异质性。研究人员进一步讨论了利用线粒体脆弱性选择性地调节或消除衰老细胞的新兴治疗策略。理解线粒体对衰老异质性的控制为开发衰老和癌症中的精准干预提供了概念框架。

2 线粒体特征（Mitochondrial features of senescent cells）
衰老细胞常表现出线粒体改变，其特征为氧化磷酸化（oxidative phosphorylation, OXPHOS）效率降低、线粒体膜电位（mitochondrial membrane potential, ΔΨm）变化以及线粒体超微结构重塑。线粒体嵴结构的改变已在多种衰老模型中被报道，但其程度和特征因细胞类型和诱导刺激而异。功能障碍的核心驱动因素是线粒体自噬（mitophagy）受损，这阻止了受损线粒体的清除并导致其逐渐积累。在生理条件下，PINK1-Parkin通路是选择性线粒体自噬的核心机制，受损线粒体被识别并靶向溶酶体降解以维持线粒体质量控制。在衰老模型中，PINK1-Parkin通路常被抑制，导致活性氧（reactive oxygen species, ROS）持续产生、线粒体DNA（mitochondrial DNA, mtDNA）不稳定和代谢紊乱。值得注意的是，线粒体自噬受损的程度在不同衰老亚型间存在差异——复制性衰老中逐渐下降，而应激诱导衰老中急性破坏——这导致了线粒体完整性和SASP强度的异质性。恢复或增强线粒体自噬可缓解多种实验系统中的衰老相关表型，突显了线粒体自噬作为连接线粒体质量控制与衰老异质性的关键调控节点。尽管功能衰退，衰老细胞反而常表现出线粒体质量增加，这可能是由mTORC1-PGC-1信号驱动的代偿性生物发生所致。
功能障碍线粒体的积累导致持续氧化应激。受损的电子传递链（electron transport chain, ETC）活性促进电子泄漏和超氧化物产生，内质网-线粒体接触增加、线粒体Ca²⁺超载和铁积累进一步加剧了这一过程。同时，抗氧化系统——包括Nrf2依赖性通路——受损，导致ROS持续升高。慢性ROS不仅诱导DNA损伤反应（DNA damage response, DDR），还通过激活NF-κB和C/EBPβ信号放大衰老相关分泌表型（senescence-associated secretory phenotype, SASP）。
衰老中的线粒体功能障碍还伴随着线粒体动力学的深刻改变。衰老细胞常表现出线粒体融合和分裂的改变，其变化因诱导刺激和细胞环境而异。在复制性、癌基因诱导和治疗诱导衰老模型中，观察到超融合、延长且高度互连的线粒体网络，而在特定应激诱导衰老条件下也报道了过度的线粒体分裂。这种融合主导状态具有双重效应：它损害线粒体自噬介导的受损细胞器清除，同时维持线粒体膜电位并限制过度碎片化诱导的凋亡。因此，线粒体超融合既是线粒体功能障碍的促成因素，也是支持细胞存活的代偿性适应。这些结构和功能改变与代谢重编程紧密耦合。OXPHOS效率降低驱动代偿性向糖酵解转变，而NAD⁺水平下降损害去乙酰化酶（sirtuin, SIRT1/3/6）活性，进一步加剧线粒体功能障碍和基因组不稳定性。同时，脂肪酸氧化（fatty acid oxidation, FAO）改变增加乙酰辅酶A可用性，将线粒体代谢与表观遗传调控和SASP产生联系起来。NAD⁺耗竭还使线粒体通透性转换孔（mitochondrial permeability transition pore, mPTP）敏感化，强化促进衰老进展的正反馈环路。
线粒体功能障碍还重塑表观遗传景观。mtDNA甲基化改变和线粒体ROS对表观遗传酶活性的破坏有助于稳定衰老状态的转录重编程。一个关键的新兴特征是线粒体衍生信号分子的释放。在应激条件下，线粒体DNA（mtDNA）释放到胞质或细胞外空间，作为损伤相关分子模式（damage-associated molecular pattern, DAMP）激活cGAS-STING通路并驱动促炎性SASP信号。不同衰老亚型中mtDNA释放和稳定性的差异导致炎症输出和免疫相互作用的差异。此外，线粒体逆向信号（mitochondrial retrograde signaling）——由ROS和应激激活通路介导——促进胞质染色质片段形成并进一步放大SASP反应。
总之，这些发现表明线粒体改变不仅是衰老的被动后果，而且代表一个动态调控平台，整合代谢、氧化还原和炎症信号，以塑造衰老细胞的表型和功能异质性。重要的是，某些线粒体变化可能反映了支持衰老状态建立和维持的代偿性代谢重塑，而其他变化则直接导致线粒体功能障碍和细胞衰退。

3 线粒体在复制性衰老中的作用（Mitochondria in replicative senescence）
复制性衰老（replicative senescence, RS）是由反复细胞分裂过程中端粒逐渐缩短触发的永久性生长停滞。虽然RS与其他衰老类型共享常见的线粒体特征，如线粒体功能障碍和超融合网络，但它独特地由端粒依赖性机制驱动，从而塑造了其独特的线粒体表型。端粒磨损激活持久的DNA损伤反应，稳定p53，后者进而抑制PGC-1α/β（线粒体生物发生的关键调节因子），导致细胞类型依赖性的线粒体含量变化。RS的一个决定性特征是随机性，主要由线粒体功能障碍的变异性驱动。即使在克隆群体内，线粒体ROS水平较高的细胞也表现出端粒缩短加速、端粒DNA损伤增加以及更早进入衰老。调节线粒体ROS——例如通过温和解偶联——可以延迟端粒功能障碍并延长复制寿命，凸显了线粒体ROS作为单细胞水平RS异质性的关键决定因素。
一个关键的双向反馈环连接了RS中的端粒功能障碍和线粒体功能障碍。线粒体ROS加速端粒缩短和基因组不稳定性，而功能失调的端粒则进一步增强线粒体ROS产生。端粒由于修复能力低下，对氧化损伤特别敏感，使其成为线粒体应激的有效传感器。此外，ROS诱导的端粒酶逆转录酶（telomerase reverse transcriptase, TERT）核输出降低了核端粒酶活性，进一步加剧了端粒侵蚀。这种自我强化循环驱动渐进性细胞衰老，而减少氧化应激或恢复线粒体功能的干预措施可以减轻端粒磨损。
RS中的线粒体功能障碍还触发逆向信号反应，重塑核基因表达。线粒体膜电位丧失降低Ca²⁺缓冲能力，导致胞质Ca²⁺水平升高并激活转录程序，如CREB依赖性p21诱导，强化细胞周期停滞。NAMPT是NAD⁺补救合成途径的限速酶，而SIRT1是NAD⁺依赖性去乙酰化酶，调节线粒体生物发生、应激反应和代谢稳态。NAMPT-NAD⁺-SIRT1轴是RS中的另一个核心调控通路。NAMPT的渐进性下调降低NAD⁺水平和SIRT1活性，促进线粒体功能障碍和衰老进展。相反，通过代谢中间产物如NMN或NAM恢复NAD⁺可以延迟复制性衰老并改善线粒体功能，凸显了该轴作为关键代谢检查点的作用。
与更广泛的衰老相关代谢重编程一致，RS细胞转向脂质代谢，包括增强脂肪酸摄取和脂肪酸氧化（FAO）。这种代谢重编程将线粒体功能障碍与表观遗传调控联系起来，因为代谢物可用性改变影响染色质结构和基因表达。例如，间充质干细胞中柠檬酸输出减少降低组蛋白乙酰化，促进染色质压缩并强化衰老状态。
总之，这些发现将复制性衰老定义为线粒体-端粒耦合系统，其中随机线粒体功能障碍、氧化还原失衡和代谢调控共同决定衰老状态的起始和异质性。

4 线粒体在应激诱导早衰中的作用（Mitochondria in stress-induced premature senescence）
应激诱导早衰（stress-induced premature senescence, SIPS）是响应多种环境和细胞内应激源而迅速发生的，与复制性衰老的渐进过程相反。在各种SIPS模型中，线粒体既作为主要靶点，又作为衰老的主动驱动因素，协调氧化应激、DNA损伤反应和稳定的细胞周期停滞。氧化应激是SIPS的核心诱导因素。过氧化氢（H₂O₂）迅速破坏线粒体膜电位，改变线粒体质量，并激活p53-p21和p16-pRb通路。线粒体同时作为ROS的主要来源，持续的氧化暴露导致mtDNA损伤，进一步以正反馈方式放大线粒体功能障碍和ROS产生。其他氧化剂，如叔丁基过氧化氢（tBHP）和维生素K₃，同样通过损害线粒体生物能量学、增加ROS和坍塌膜电位来诱导SIPS。代谢应激源如高葡萄糖进一步加剧线粒体ROS产生，促进过度线粒体分裂，并抑制线粒体自噬，共同驱动衰老。
氧失衡也关键性地影响SIPS中的线粒体功能障碍。高氧升高线粒体ROS，促进线粒体分裂，诱导内质网-线粒体应激，导致p53/p21和p16/Rb通路激活，并增加促炎和促纤维化SASP因子如IL-6、IL-8和PAI-1的分泌。相反，温和生理性缺氧（1%–5% O₂）可通过限制ROS产生、保存线粒体自噬以及通过稳定HIF-1α抑制mTORC1驱动的衰老转化来抑制衰老。然而，慢性或间歇性缺氧可能通过再氧化诱导的ROS爆发、过度线粒体碎片化和失调的HIF-1α信号促进衰老。
DNA损伤诱导剂是另一类主要SIPS触发因素，与线粒体功能障碍紧密相连。阿霉素通过mtROS积累、线粒体通透性转换孔（mPTP）开放、线粒体自噬受损和mtDNA释放诱导衰老。博来霉素促进胞质DNA积累并激活cGAS-STING信号，强化炎症性衰老表型。紫外线辐射诱导mtDNA损伤和ROS产生的自我放大循环，导致线粒体功能障碍、线粒体质量增加以及对PINK1-Parkin介导的线粒体自噬的依赖。电离辐射进一步通过损害电子传递链功能、升高mtROS和改变核表观遗传调控来促进衰老。
重要的是，直接的线粒体扰动本身即可启动衰老，以线粒体功能障碍相关衰老（mitochondrial dysfunction-associated senescence, MiDAS）为例。MiDAS的特征是氧化磷酸化受损、膜电位降低和NAD⁺代谢改变，并表现出独特的SASP谱，缺乏IL-1依赖性炎症成分，但保留其他细胞因子。环境暴露进一步强化了线粒体驱动的SIPS。酒精和香烟烟雾提取物增加线粒体分裂和mtROS，而线粒体自噬受损促进受损线粒体的核周积累。重金属如六价铬诱导线粒体呼吸链功能障碍，升高ROS，并激活p53依赖性衰老程序。
总之，SIPS凸显了以线粒体为中心的衰老模型，其中多种应激源汇聚于线粒体功能障碍。与复制性衰老（端粒磨损是主要触发因素）不同，SIPS由急性线粒体扰动驱动，通过ROS产生、代谢紊乱和炎症重编程起始并放大衰老信号。

5 线粒体在癌基因诱导衰老中的作用（Mitochondria in oncogene-induced senescence）
癌基因诱导衰老（oncogene-induced senescence, OIS）是由异常癌基因信号触发的持久生长停滞程序，作为内在的肿瘤抑制机制。OIS的一个决定性特征是早期线粒体激活，表现为线粒体质量增加、mtDNA含量升高和ROS产生增强。在致癌Ras驱动的模型中，ROS产生受到NOX4（一种组成型活性NADPH氧化酶）的严格调控。NOX4衍生的ROS最初支持超增殖信号，但随后触发建立衰老所需的DNA损伤反应（DDR）。NOX4-p22复合物对于这一转变至关重要，其破坏会损害DNA损伤灶形成、p21诱导、衰老相关异染色质灶（senescence-associated heterochromatin foci, SAHF）和PML小体组装，将NOX4依赖性氧化还原信号定位为OIS的关键上游驱动因素。
随着OIS进展，线粒体功能障碍变得更加明显。线粒体质量增加与线粒体自噬受损相结合，导致功能障碍细胞器积累。这些线粒体表现出膜电位降低、ATP产生减少以及通过p53/Rb依赖性通路激活AMPK，共同强化稳定生长停滞。形态学上，线粒体转向超融合和延长网络，反映了分裂抑制和融合动力学增强。同时，线粒体应激促进mtDNA的胞质释放，激活cGAS-STING通路以驱动SASP基因表达。
钙信号代表OIS中线粒体调控的另一个关键层面。TRPC3下调促进线粒体Ca²⁺超载，增强炎症性衰老表型。通过ITPR2释放的内质网Ca²⁺通过线粒体钙单向转运体（mitochondrial calcium uniporter, MCU）转移至线粒体，导致膜去极化、ROS产生增加以及衰老强化。此外，钠通道SCN9A上调升高胞质Ca²⁺水平，触发Rb/E2F依赖性有丝分裂停滞并稳定衰老状态。
代谢重编程进一步支持线粒体功能障碍并维持SASP。许多OIS模型增强脂肪酸氧化并维持高OXPHOS活性以满足SASP产生的能量需求。这些看似矛盾的观察可能反映了OIS期间时间依赖性和环境依赖性的代谢适应。OIS早期阶段常以线粒体活性增强和OXPHOS升高为特征，以支持生物合成需求和SASP产生。然而，持续的癌基因应激、线粒体自噬受损和渐进性线粒体损伤可降低ATP产生效率，尽管呼吸活性代偿性维持或增强，导致已建立衰老细胞中ATP产生减少。然而，代谢适应高度依赖于环境。RB驱动的衰老促进糖酵解基因表达，而Ras驱动的OIS升高NAMPT依赖性NAD⁺/NADH比值以同时支持糖酵解和线粒体呼吸。相反，某些上皮模型减少糖酵解通量，强制性糖酵解使细胞能够逃脱衰老，而某些成纤维细胞系统表现出OXPHOS增强伴随糖酵解抑制，有效逆转了类似Warburg的表型。BRAF^V600E诱导的衰老进一步通过刺激丙酮酸脱氢酶（pyruvate dehydrogenase, PDH）来增加TCA循环通量、线粒体呼吸和氧化还原应激，从而举例说明线粒体激活。癌基因应激还破坏核苷酸代谢，将代谢失衡与线粒体功能障碍和细胞周期停滞联系起来。Ras激活通过增加果糖-1,6-二磷酸和M2-PK活性，同时耗竭核苷酸池如UTP和CTP，从而损害DNA复制并强化衰老。
总之，OIS的定义是早期线粒体活性激增，随后出现渐进性线粒体功能障碍，氧化还原信号、Ca²⁺动力学和代谢重编程协同作用以建立和稳定衰老状态。

6 线粒体在治疗诱导衰老中的作用（Mitochondria in therapy-induced senescence）
治疗诱导衰老（therapy-induced senescence, TIS）是由抗癌治疗（包括化疗、放疗和靶向治疗）触发的衰老样生长停滞。TIS表现出显著的表型异质性，取决于诱导剂，不同细胞类型中的标志物谱多样，强调需要多参数识别而非单一标志物如SA-β-gal或p21。在细胞器水平上，TIS的特征是早期线粒体重塑，包括线粒体体积增加，随后脂质囊泡积累。
TIS中的线粒体动力学通常转向超融合和延长网络，由分裂-融合平衡失调和线粒体自噬受损驱动。例如，替莫唑胺诱导的衰老增加MFN1/2表达，促进线粒体融合，重塑ROS信号、生物能量学和线粒体-胞质通信，共同调控SASP产生。功能上，TIS中的线粒体生物能量学高度依赖于环境。许多治疗（包括阿霉素和氧化应激）降低耗氧率（oxygen consumption rate, OCR）并损害线粒体功能，而直接线粒体损伤可诱导线粒体功能障碍相关衰老（MiDAS）。顺铂靶向mtDNA，破坏线粒体稳态，促进ROS积累，驱动衰老样状态。类似地，阿霉素治疗在癌细胞和正常细胞中均升高ROS并降低线粒体膜电位。相反，某些模型如黑色素瘤表现出线粒体质量增加和OXPHOS增强，凸显了TIS中的代谢异质性。
这些线粒体改变驱动显著的代谢重编程。在乳腺癌模型中，阿霉素和电离辐射诱导的衰老伴随ROS相关线粒体功能障碍和细胞外代谢物谱改变。辐射诱导的衰老常促进向糖酵解转变，伴随AMPK激活，反映线粒体能量应激，并导致乳酸分泌、细胞外酸化和旁分泌信号，可影响邻近细胞。在受辐射的结肠癌细胞中观察到类似的代谢重编程，其中TCA循环活性受抑制迫使依赖有氧糖酵解，伴随丙酮酸和乳酸积累增加。
除了代谢，TIS重塑线粒体对凋亡的控制。衰老癌细胞表现出改变的线粒体凋亡启动，由BCL-2家族蛋白平衡决定。尽管总体凋亡启动降低，TIS细胞保留一种“线粒体记忆”，维持对特定抗凋亡蛋白的选择性依赖。BH3谱分析进一步证明这些依赖仍可靶向，揭示线粒体作为可通过BH3模拟物或免疫衰老细胞清除策略利用的关键脆弱性。
总之，TIS代表一个高度异质的衰老程序，其中治疗应激汇聚于线粒体重塑。线粒体动力学、生物能量学、代谢和凋亡启动的变化共同整合，决定TIS细胞的衰老稳定性及治疗脆弱性。

7 靶向线粒体在衰老中的作用（Targeting mitochondria in senescence）
鉴于线粒体处于多种衰老程序的核心，治疗策略日益旨在调节线粒体功能，以恢复细胞稳态或选择性清除有害衰老细胞。在更广泛的衰老领域，抗衰老干预通常分为衰老细胞清除剂（senolytics）和衰老调节剂（senomorphics）。在线粒体靶向干预的背景下，所讨论的方法大致分为两类：(i) 通过恢复线粒体功能实现年轻化，以及 (ii) 通过利用线粒体脆弱性实现衰老细胞清除。值得注意的是，年轻化导向的策略在概念上与衰老调节干预广泛重叠，因为它们减弱衰老相关表型而不直接清除衰老细胞。
恢复线粒体功能在逆转衰老相关表型方面显示出前景。将线粒体移植到复制性或氧化应激诱导的衰老细胞中可改善生物能量学，减少氧化应激，并抑制衰老标志物如SA-β-gal活性、NF-κB信号、炎症细胞因子和p21/p16表达。类似地，源自年轻干细胞的小细胞外囊泡通过Drp1激活恢复线粒体动力学，并恢复干性和免疫调节能力，从而使衰老间充质干细胞年轻化。
代谢和药理学干预进一步凸显了衰老中线粒体调控的可塑性。低剂量白藜芦醇通过诱导适应性ROS信号、增强线粒体生物发生和减少DNA损伤来延迟氧化应激诱导的衰老。全身性干预如热量限制减弱衰老相关转录程序并改善代谢健康，表明机体代谢重编程可调节衰老。其他策略包括NAD⁺补充（如烟酰胺核苷），通过激活线粒体应激反应和线粒体自噬使干细胞年轻化；CoQ₁₀介导的ROS-Akt/mTOR信号抑制；以及NANOG通过脯氨酸-PYCR1/2-AMPK-Parkin轴驱动的代谢重编程。
其他几种干预措施已作为通过激活自噬和线粒体自噬通路恢复线粒体质量控制的有前景方法涌现。亚精胺刺激自噬并改善线粒体稳态，而尿石素A增强线粒体自噬，并对肌肉功能和衰老相关表型显示出有益效果。小檗碱也被报道通过AMPK依赖性信号和线粒体自噬激活改善线粒体质量控制。总之，这些发现进一步支持了恢复线粒体周转是缓解衰老相关功能障碍和促进健康衰老的有前景策略这一概念。
线粒体衍生肽（mitochondria-derived peptides, MDPs），包括humanin和MOTS-c，通过作为全身性信号分子增加了额外的调控层面。这些肽在衰老细胞中上调，增强线粒体呼吸，并通过JAK信号等通路调节SASP输出，同时保护某些细胞类型免受氧化应激和线粒体功能障碍。这种双重作用将MDPs定位为线粒体衰老状态的生物标志物和治疗调节剂。重要的是，线粒体适应也可能以刺激依赖性方式影响衰老细胞清除敏感性。复制性、应激诱导、癌基因诱导和治疗诱导衰老表现出不同的线粒体重塑模式、生物能量学依赖性和抗凋亡信号。这些差异可能导致对BH3模拟物和其他线粒体靶向衰老细胞清除策略的敏感性变异性，凸显了对衰老亚型特异性治疗方法的需求。
相反，衰老细胞清除策略利用衰老期间出现的线粒体依赖性。衰老细胞常依赖特定的抗凋亡BCL-2家族蛋白，这种依赖性——而非仅表达水平——预测对衰老细胞清除剂如ABT-263或达沙替尼加槲皮素的敏感性。例如，治疗诱导的衰老黑色素瘤细胞表现出由HRK降低和游离BCL-xL增加驱动的BCL-xL成瘾，使其对BCL-xL抑制剂如A-1331852、navitoclax和DT2216选择性脆弱。BH3谱分析进一步证明，线粒体凋亡启动——通常在完全衰老之前建立——可作为衰老细胞清除反应性的预测性生物标志物，高启动和低MCL-1与敏感性相关。
除了凋亡信号，结构和代谢性线粒体脆弱性也可被靶向。线粒体导向剂MitoTam通过利用衰老细胞固有的低水平腺嘌呤核苷酸转位酶2（adenine nucleotide translocase 2, ANT2）选择性清除衰老细胞，使其对线粒体应激超敏感。恢复ANT2可挽救这种敏感性，将ANT2依赖性线粒体功能障碍确定为衰老细胞清除易感性的关键决定因素。总之，这些发现将线粒体定位为衰老生物学中的核心治疗枢纽。有效的干预可能需要整合策略，结合线粒体恢复和选择性清除，辅以功能生物标志物如线粒体启动。此类方法可能实现精确的、依赖环境的衰老调节，最小化病理效应同时维持组织稳态和再生能力。

8 讨论（Discussion）
积累的证据表明，线粒体作为衰老程序的主动协调者——而非被动旁观者——发挥作用。线粒体改变塑造了衰老生物学的多个层面，包括氧化还原信号、代谢重编程、表观遗传调控和炎症性衰老相关分泌表型（SASP）。一个核心涌现原则是线粒体调控的环境依赖性。不同的衰老诱导刺激产生定性的不同线粒体状态，最终决定衰老细胞表型。复制性衰老受端粒-线粒体反馈环（涉及p53-PGC-1轴）调控，而应激诱导和癌基因诱导衰老以快速线粒体应激反应和刺激特异性代谢重编程为特征。治疗诱导衰老引入了额外的复杂性，因为衰老癌细胞常获得独特的线粒体依赖性，影响治疗抵抗和衰老细胞清除干预的易感性。
这种线粒体异质性具有重要的治疗意义。旨在恢复线粒体质量控制的方法——如增强线粒体自噬、NAD⁺代谢或线粒体生物发生——可使衰老组织和干细胞功能年轻化。相反，衰老细胞清除策略可通过利用线粒体凋亡启动和代谢脆弱性选择性清除衰老细胞。展望未来，一个主要优先事项将是定义区分体内功能不同衰老细胞群体的线粒体特征。预测性工具——如评估凋亡启动的BH3谱分析——的发展对于分层衰老状态和指导靶向干预至关重要。最终，将线粒体生物学与衰老异质性相结合将能够设计精准治疗，要么调节要么选择性清除衰老细胞，同时维持衰老、癌症和退行性疾病中的组织稳态。