《Frontiers in Aging》：Proteomics of aging: biomarkers for physiological systems and diseases
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衰老是一个渐进性的多系统过程，以生理恢复力下降和对慢性疾病易感性增加为特征。高通量蛋白质组学的最新进展使得能够全面绘制循环蛋白质中与年龄相关的变化，揭示了反映生物学衰老而非时序衰老的动态和非线性轨迹。本综述综合了当前关于主要生理系统（包括免疫、代谢/内分泌、心
衰老是一个渐进性的多系统过程，以生理恢复力下降和对慢性疾病易感性增加为特征。高通量蛋白质组学的最新进展使得能够全面绘制循环蛋白质中与年龄相关的变化，揭示了反映生物学衰老而非时序衰老的动态和非线性轨迹。本综述综合了当前关于主要生理系统（包括免疫、代谢/内分泌、心血管、肌肉骨骼和神经系统）蛋白质组生物标志物的证据，并强调了支撑多系统衰退的共有分子特征。稳健的生物标志物如IL-6、CRP、CXCL9/10、GDF15、IGF-1、VCAM-1、NT-proBNP、NfL和GFAP持续追踪炎症激活、线粒体和代谢应激、细胞外基质重塑以及神经-胶质损伤。大型人群队列研究表明，利用数十至数百种循环蛋白质的蛋白质组衰老时钟可以高精度预测衰弱、多病共存、器官特异性生物学年龄和死亡率。新出现的证据表明，一组有限的跨系统“蛋白质衰老模块”——包括炎症细胞因子、趋化因子、补体蛋白和ECM修饰酶——可能作为衰老生物学的整合性读数和潜在调节因子。研究人员讨论了蛋白质组衰老模型的方法学进展、系统特异性机制和转化应用。这些发现共同确立了蛋白质组学作为量化生物学年龄、识别早期疾病风险和指导精准干预以促进健康衰老的有力工具。
1 引言
衰老是一个普遍存在的复杂生物学过程，影响几乎所有器官和系统，导致功能储备下降、稳态失衡以及心血管疾病、代谢综合征、骨质疏松症和神经退行性疾病等多种年龄相关疾病的发病风险显著增加。大量衰老研究聚焦于基因和转录组改变，但这些层面的变化并不能完全反映蛋白质的实际丰度、翻译后修饰状态以及体液中的分泌和清除情况。相比之下，蛋白质组学方法能够检测蛋白质丰度，并根据平台不同提供肽段序列、翻译后修饰和蛋白质型等信息，从而提供更接近功能表型的分子读数。因此，蛋白质组学已成为量化生物学年龄、识别衰老相关通路和发现临床相关生物标志物的重要手段。近期大规模人群研究表明，循环蛋白质组在整个生命周期中呈现出高度特异性且非线性的年龄轨迹。例如，Lehallier等测量了约2925种血浆蛋白，发现蛋白质组学变化在34岁、60岁和78岁左右出现显著峰值，对应于不同生理系统功能的拐点。这些发现共同表明，衰老在蛋白质组学层面具有可量化和可建模的系统特征。这些关联的临床相关性在InCHIANTI队列中得到了量化，Tanaka等识别出651种与年龄相关的蛋白质，并验证了76种蛋白质特征与时序年龄的强相关性，蛋白质组学年龄加速可独立预测全因死亡率。然而，高度信息性的标志物如GDF15、NPPB和炎症蛋白也可能反映并发的心血管、肾脏、代谢或恶性疾病，这构成了中心特异性挑战。个体器官或系统层面的研究也显示，许多与免疫反应、炎症、细胞外基质以及代谢和内分泌调节相关的蛋白质在衰老过程中发生一致变化，提示多系统衰老可能是围绕一组相对有限的共有蛋白质模块组织的，而非简单的独立器官特异性变化的叠加。本综述旨在超越简单罗列与年龄相关的蛋白质，提供系统层面的蛋白质组衰老框架，整合跨系统蛋白质模块，并讨论方法学考虑、生物学解释和转化意义。
2 免疫系统（免疫衰老与炎症衰老）
炎症衰老是免疫衰老的核心特征，也是年龄相关功能下降的主要驱动因素。衰老的免疫系统经历两个紧密交织的过程：免疫衰老和慢性低度炎症。免疫衰老的特征包括胸腺退化导致初始T细胞输出减少、T细胞受体库变窄、晚期分化或耗竭的记忆/效应T细胞积累、B细胞功能障碍和自身抗体产生增加。与此同时，炎症衰老以持续的低水平全身炎症为特征，削弱宿主防御和疫苗反应，同时促进组织损伤和年龄相关疾病。血浆和血清蛋白质组学研究已鉴定出多种分泌蛋白作为免疫衰老和炎症衰老的分子特征，其中IL-6、CRP、CXCL9和CXCL10是最稳健的循环生物标志物，随年龄增长持续升高，并与衰弱、多病共存和全因死亡率密切相关。IL-6常被视为典型的衰老细胞因子，而CXCL9是炎症衰老的特别信息性标志物，在iAge研究中作为炎症衰老时钟的最强贡献者，并与内皮功能障碍相关。除经典炎症细胞因子外，β2-微球蛋白（B2M）和GDF15也反映免疫衰老。GDF15作为TGF-β超家族的应激诱导成员，可能更广泛地解释为连接线粒体功能障碍、免疫调节改变和机体应激反应的候选介质。大规模蛋白质组学衰老研究进一步支持免疫和炎症通路的核心地位，免疫相关蛋白质（包括细胞因子、补体成分和急性期反应物）占年龄相关蛋白质的很大比例，其轨迹在生命周期中呈现明显的非线性。在机制层面，炎症衰老源于多种上游过程，包括衰老细胞及其衰老相关分泌表型（SASP）、线粒体功能障碍和mtDNA泄漏、慢性病毒抗原刺激以及肠道屏障恶化伴随的微生物组相关炎症。补体蛋白（如C1q、C3和C4）在多个队列中显示持续的年龄相关增加，并日益被认为是跨系统枢纽，其关联包括血管炎症、肌肉下降和突触修剪，提示补体激活可能将免疫衰老与心血管、肌肉骨骼和神经系统的功能恶化联系起来。因此，炎症和补体相关蛋白应被视为共享循环模块的具有生物学意义的组成部分，而不仅是免疫衰老的指标。
3 跨系统代谢和内分泌重塑
随着年龄增长，系统能量代谢经历渐进性重塑，包括内脏脂肪堆积、脂肪组织炎症、胰岛素抵抗增加、葡萄糖利用减少、基础代谢率下降、线粒体氧化功能受损、ATP生成减少以及脂质代谢失调伴脂毒性增加，这些共同定义了代谢衰老。多个主要激素轴也发生显著变化，GH和IGF-1在中年后下降（即躯体衰老），IGF-1降低与衰弱、肌肉减少症、认知能力下降和死亡率增加风险相关。性腺轴衰老同样导致脂肪分布改变、骨质流失、肌肉质量减少和炎症失调。此外，TSH升高、T3降低以及DHEA和DHEA-S的年龄相关下降进一步反映了衰老过程中的内分泌重塑。在分子层面，代谢衰老与线粒体功能障碍、氧化损伤以及AMPK和mTOR等营养感应通路的重塑密切相关。循环标志物中，IGF-1仍然是最成熟的合成代谢衰老生物标志物，脂联素悖论和瘦素变化提供了代谢衰老的重要读数。在应激反应蛋白中，GDF15已成为最稳健的循环衰老标志物之一，由线粒体功能障碍、营养应激和炎症信号诱导，与体重减轻、厌食、胰岛素抵抗和心功能受损相关，可能捕捉了连接代谢失衡、炎症和组织重塑的更广泛的跨系统应激程序。其他内分泌相关因子如IGFBP4、furin、SHBG和FGF21也显示出潜在机制相关性。总体而言，代谢和内分泌衰老由多层循环蛋白质网络塑造，包括激素、结合蛋白、脂肪因子、应激反应因子和代谢调节因子，定义了连接能量失衡、炎症激活、肌肉骨骼衰退和心血管功能障碍的共享代谢-应激模块。
4 心血管衰老作为整合性结局系统
心血管疾病是老年人发病和死亡的主要原因。即使在没有明显病理的情况下，心血管系统也会经历特征性的年龄相关变化，包括动脉僵硬度增加、内皮功能障碍和心脏重塑。在循环蛋白质组层面，心血管衰老反映为几种反复出现的蛋白质类别。VCAM-1是内皮激活最具代表性的标志物之一，其可溶性形式随年龄增加，支持其作为血管炎症和内皮功能障碍的读数。NT-proBNP和高敏心肌肌钙蛋白主要反映慢性心肌壁应激和亚临床心肌损伤，其年龄依赖性升高表明它们主要作为心血管衰老负担的读数。大规模血浆蛋白质组学研究进一步表明，心血管衰老应在更广泛的跨器官背景下解释，Oh等开发了11个器官的衰老模型，发现近20%的个体表现出单一器官的强烈加速衰老，而多器官加速仅占1.7%。心脏年龄差距每增加一个标准差，15年随访中心力衰竭风险增加约2.4倍。炎症和ECM相关蛋白在这一背景下尤为重要，IL-6和CRP促进内皮功能障碍和凝血相关反应，THBS2增加与心血管负担和不良预后相关，MMP-9与动脉僵硬度、动脉瘤形成和适应不良的血管重塑相关，可能作为候选介质。总体而言，心血管衰老的特征是整合了内皮激活、慢性炎症输入、ECM重塑和心肌损伤的循环蛋白质组模式。
5 肌肉骨骼衰老与功能下降
肌肉骨骼系统在衰老过程中经历协调的退行性重塑，肌肉减少症和骨质疏松症是其两个主要临床表型。在骨骼肌中，衰老以Ⅱ型纤维选择性萎缩、脂肪浸润增加、卫星细胞再生能力受损和神经肌肉接头退化为特征。蛋白质组学研究显示，参与抗氧化防御和组织维持的循环蛋白（如PON3和CD9）在老年肌肉减少症个体中减少，而炎症性肌因子和细胞因子（如IL-6和IL-8）增加，反映了向慢性分解代谢和炎症信号转变。C末端聚集蛋白片段（CAFs）作为神经肌肉接头退化的候选循环生物标志物。骨骼衰老同样反映了骨吸收超过骨形成的转变，破骨细胞相关因子（如Cathepsin K、CTX-I和RANKL）升高，而骨形成标志物下降。肌肉和骨骼并非独立衰老，共享的炎症、代谢和内分泌信号导致肌肉减少症和骨质疏松症，IGFBP-2、IL-6和TNF-α等蛋白可能作为偶联的肌肉-骨骼退化的候选介质。总体而言，肌肉骨骼衰老表现出以结构性和抗氧化支持减少、炎症和分解代谢信号增加、神经肌肉接头不稳定以及骨吸收和基质紊乱为特征的循环蛋白质组模式。
6 神经系统衰老与神经退行性变
衰老是脑结构和功能进行性下降的主要驱动因素。在循环和脑脊液生物标志物中，Aβ42和tau仍然是阿尔茨海默病病理的核心标志物，而神经丝轻链（NfL）已成为更广泛适用的神经衰老生物标志物，在CSF和血浆中随年龄增加，并进一步在神经退行性疾病中升高。GFAP和CSF sTREM2也随年龄增加，反映星形胶质细胞和小胶质细胞激活。系统性蛋白质组学研究进一步表明，神经系统衰老不仅受神经元损伤标志物影响，还受更广泛的炎症和细胞外基质重塑通路影响。补体蛋白（特别是C1q和C4相关成分）在正常衰老和阿尔茨海默病中发生改变，支持补体介导的突触修剪导致突触丢失和认知下降。神经ECM重塑也日益被认为是脑衰老的重要组成部分，BCAN和NCAN等神经周围网相关成分减少，MMP-9等蛋白酶增加，提示突触微环境进行性不稳定。总体而言，神经系统衰老的特征是多维蛋白质组景观，包括经典淀粉样蛋白和tau病理、轴突和胶质损伤标志物以及更广泛的补体、ECM和炎症相关通路。
7 跨系统整合：共享循环蛋白质组衰老模块
尽管与年龄相关的蛋白质通常在个体器官系统中描述，但来自大型血浆蛋白质组队列的证据日益表明，蛋白质组衰老是围绕反复出现的循环模块组织的，而非孤立的器官特异性特征。共享模块有助于解释为什么在衰老研究、器官特异性分析和蛋白质组衰老时钟中反复出现相似的蛋白质和通路。一个主要模块是炎症-免疫轴，以IL-6、CRP、CXCL9/10和补体蛋白为代表，捕捉了超越免疫衰老本身的慢性免疫激活。第二个反复出现的模块涉及代谢和线粒体应激，以GDF15、FGF21和IGF轴成分为代表，反映能量失衡、合成代谢下降和全身应激适应。第三个重要模块涉及细胞外基质（ECM）和结构重塑，年龄预测蛋白与ECM相互作用和细胞粘附相关，突出了跨多个器官组织结构的累积重塑。第四个模块反映神经-胶质损伤和脑衰老的外周表征，以NfL和GFAP为代表。这些观察结果支持蛋白质组衰老的模块化观点，即循环蛋白质不仅报告独立器官中的平行恶化，还揭示了机体衰老的部分共享架构。从生物标志物角度看，共享和器官富集的蛋白质组特征解决不同的临床问题，多过程蛋白质组评分可能提供总体生物学衰老负担的敏感总结，而器官富集标志物可能提供更好的定位。潜在的层次框架将结合这些互补信息：首先用共享多过程评分估计系统衰老负担，然后用器官富集蛋白质面板、影像学或常规临床检测定位功能障碍的主要来源。
8 蛋白质组学技术及其在衰老蛋白质组学中的相关挑战
衰老研究中的蛋白质组学分析依赖于异质的分析平台生态系统，每个平台具有不同的技术限制，影响灵敏度、特异性、动态范围和生物学可解释性。当前方法大致分为非靶向和靶向模式，代表从生物标志物发现到验证连续体的不同阶段。非靶向质谱（MS）支持无假设探索，并提供肽段水平的结构分辨率，包括检测翻译后修饰（PTMs）和蛋白质亚型，但其有效动态范围比血浆蛋白质组窄得多，限制了在未分级血浆中对低丰度细胞因子、生长因子和组织渗漏蛋白的全面检测。相比之下，基于亲和力的多重平台（包括适体-based测定如SomaScan、邻近延伸测定如Olink和抗体阵列）提供非常高的分析灵敏度，并能够直接从复杂生物流体中同时量化大量预定义蛋白质。然而，这些技术依赖预定义结合剂引入了固有的表位依赖性，蛋白质构象、蛋白水解加工、序列变异或年龄相关PTMs的变化可能改变结合亲和力，产生不一定反映真实蛋白质浓度的表观丰度变化。SomaScan使用化学修饰的单链DNA适体（SOMAmers）识别预定义蛋白质靶标，Olink邻近延伸测定使用寡核苷酸偶联抗体对，抗体阵列使用固相抗体捕获。新兴富集策略（如多纳米粒子蛋白冠和Mag-Net）正在帮助缩小MS血浆蛋白质组学的深度差距。技术变异性进一步使衰老蛋白质组学复杂化，批次效应可能接近或超过生物学效应大小。所有平台都面临跨技术一致性的持续挑战，基准研究显示MS、适体和抗体系统之间可检测蛋白质的重叠有限，共享靶标的相关性仅为中等。衰老蛋白质组学中进一步的挑战是蛋白质型的存在，测量的蛋白质信号并不总是直接映射到总生物学丰度。分析稳健性还取决于预先指定的统计设计，包括协变量调整、错误发现率控制和纵向模型。
9 未来方向
高通量蛋白质组学的进展改变了我们对人类衰老的理解，揭示了反映生物学年龄而非时序年龄的动态系统级蛋白质特征。尽管进展迅速，在蛋白质组生物标志物完全整合到临床实践之前，仍存在科学、技术和转化挑战。未来研究必须侧重于提高生物标志物精度、扩展纵向数据集、推进机制解释以及开发用于风险预测和干预监测的临床可行工具。首先，迫切需要标准化蛋白质组学平台、方案和分析流程，优先考虑跨实验室的协调校准标准、参考蛋白质面板和技术重现性基准。其次，未来方向应聚焦于进行深度纵向表型分析以定义个体衰老轨迹，重复的多时间点测量将允许开发个性化蛋白质组衰老曲线。第三，对循环蛋白质如何驱动或反映衰老的机制理解仍不完整，未来工作应结合功能基因组学、基于扰动的方法和蛋白质-转录组整合来绘制调节网络。第四，蛋白质组数据为开发临床有用的生物学年龄时钟提供了巨大潜力，但现有算法受限于队列特异性、过拟合风险和不完全的生物学可解释性。下一代时钟应纳入多系统蛋白质模块、因果生物学通路和器官特异性信号。最后，未来方向应更强调公平性、多样性和全球适用性，需要在大规模多族裔队列、代表性不足环境的研究以及明确的跨人群衰老轨迹评估。
10 结论
蛋白质组学通过捕捉跨主要生理系统（包括免疫、代谢/内分泌、心血管、肌肉骨骼和神经系统）的协调分子变化，为理解衰老提供了系统层面的框架。大规模队列研究表明，循环蛋白质表现出可量化的年龄相关轨迹，并与生物学年龄、多病共存、功能下降和死亡风险密切相关。在这些系统中，反复出现的生物学过程——包括慢性炎症、代谢和线粒体应激、内分泌重塑、细胞外基质重塑以及神经-胶质损伤——支持存在共享的跨系统蛋白质衰老模块。重要的是，蛋白质组衰老特征不应简单地解释为时序年龄的统计预测因子，其生物学价值在于整合多层系统衰老，区分生物标志物或读数与候选介质，并将分子改变与器官水平脆弱性和功能下降联系起来。展望未来，纵向和多组学整合对于完善因果解释和将蛋白质组衰老模型转化为临床有意义的工具至关重要。总体而言，蛋白质组学正在将衰老研究从单一通路描述转向测量和理解人类衰老的可操作的系统生物学框架。
