輻射誘導細胞衰老的機制研究進展

1、輻射誘導細胞衰老的機制研究進展細胞衰老論文（8篇無刪減范文）之第六篇關鍵詞：輻射,細胞衰老,信號通路,miRNAs人類可能因治療、診斷、職業(yè)和意外事故而暴露在輻射中。輻射會對活細胞和組織造成損傷, 這種損傷程度取決于輻射劑量、輻射時間、輻射后的時間間隔以及各個系統(tǒng)對輻射的敏感性等因素。由于輻射被認為是最重要的生物效應, 因此該領域的研究主要集中于輻射對DNA的影響1。研究表明輻射對人體的損傷主要表現(xiàn)在兩方面, 一是直接作用:輻射釋放的能量直接作用于生物大分子, 使DNA受損斷裂為單鏈或雙鏈;二是間接作用:輻射引起原子和分子的電離和激發(fā), 導致自由基大量產(chǎn)生, 破壞生物大分子, 從而活化細胞內的

2、信號分子或激活細胞信號通路, 最終導致細胞生物學行為改變2。有研究發(fā)現(xiàn)輻射會引起大腦的學習和記憶功能受損, 其損傷機制可能是突觸結構受損3。對神經(jīng)元突觸的可塑性研究發(fā)現(xiàn), 輻射可引起腦功能和組織結構發(fā)生改變, 使突觸結構受損、神經(jīng)元變性、神經(jīng)遞質代謝出現(xiàn)紊亂4。輻射會致使DNA損傷積累以及DNA修復效率降低, 最終出現(xiàn)細胞衰老或凋亡5。近年來, 有關輻射引起細胞衰老的機制研究少有報道, 但有研究發(fā)現(xiàn)暴露在電離輻射中容易引起阿爾茨海默病等相關的神經(jīng)退行性疾病6。因此, 研究輻射誘導細胞衰老的機制可為相關神經(jīng)退行性疾病的診療提供一定的理論指導。輻射會導致細胞產(chǎn)生活性氧 (reactive oxyg

3、en species, ROS) , 從而對DNA、蛋白質、脂質的結構和功能造成損傷7, 引起代謝和功能的改變, 最終導致細胞衰老或凋亡。在生物大分子中, DNA被認為是輻射誘導細胞損傷最關鍵的分子靶點。輻射致使DNA雙鏈斷裂 (double-strand breaks, DS-Bs) , DSBs有效地觸發(fā)一系列細胞反應, 即DNA損傷反應, 為了確保快速檢測和修復DSBs, 機體會啟動衰老或凋亡程序清除受損的DNA。輻射誘導細胞衰老伴隨著一系列特征, 其中包括β-半乳糖苷酶 (senescence-associatedβ-galactosidase, SA-β

4、-gal) 陽性表達量增加、活性氧含量增加、細胞周期相關蛋白 (RB、p53、p21等) 和一些表型分泌因子 (IL-8、IL-12等) 表達量的增加 (圖1) 。其涉及的衰老機制復雜, 關聯(lián)許多信號通路。但無論通過哪條通路激活, 誘導細胞衰老的信號最終都由p53-p21通路和p16-RB通路執(zhí)行。此外, 最新研究報道, miRNAs也參與細胞衰老的復雜調控。1 p53-p21信號通路輻射通過線粒體或細胞膜上的NADPH氧化酶 (NADPH oxidases) 增加細胞內ROS的水平, 進而通過ATM/CHK2-p53-p21通路誘導細胞衰老8。DSBs由變性共濟失調 (ataxia tela

5、ngiectasia mutated, ATM) 識別, 其依賴于DNA損傷應答 (DNA damage response, DDR) 功能來調節(jié)體內氧化應激, 被認為是細胞衰老的驅動因素9,10。DDR包括激活傳感器激酶如ATM和ATR, 形成DNA損傷位點, 如組蛋白變異體H2A.X (γH2A.X) 、p53結合蛋白 (53BP1) 和其他的DNA損傷灶, 激活細胞周期檢查點如p53蛋白。p53對細胞周期G1監(jiān)測點的調控主要由p21介導, 細胞衰老與細胞周期阻滯密切相關。有研究表明, 在p21缺失的人微血管內皮細胞中可以阻止由RAS誘導的細胞衰老11。而活化p21可抑制周期蛋

6、白依賴性激酶2 (cyclin-dependent protein kinase 2, CDK2) 與周期蛋白E (cyclin E) 復合物的結合, 進一步抑制視網(wǎng)膜母細胞瘤 (retinoblastoma, RB) 的磷酸化。細胞周期由G1期向S期的轉化依賴于RB的超磷酸化, 而RB的低磷酸化會抑制性地結合E2F轉錄因子, 最終導致細胞周期阻滯12,13。有人在研究輻射誘導內皮細胞衰老時發(fā)現(xiàn), 用ATM抑制劑處理細胞, p53和MDM2的表達受到抑制, 而且該抑制劑對p21的表達也有一定的抑制作用;當用抗氧化劑處理輻射后的細胞時發(fā)現(xiàn)衰老細胞明顯減少14。該結果表明輻射誘導的細胞衰老主要是由

7、于ROS的產(chǎn)生進一步激活了p53-p21信號通路。2 p16-RB信號通路輻射會導致細胞內p16表達上升15, 進而調節(jié)pRB-E2F通路。目前發(fā)現(xiàn)p16基因主要通過兩條途徑起調控作用:一條是表達p16蛋白, 這條途徑主要通過抑制細胞增殖進程的p16-cyclinD-CDK4/CDK6-RB通路發(fā)揮作用;另一條是p16基因的可變讀框 (alterative reading frame, ARF) , 其轉錄為p14ARF蛋白 (ARF在鼠細胞中為p19ARF) , 通過激活p53-p21通路使細胞停滯在G1期和G2期16。p16又被稱為周期蛋白依賴性激酶抑制因子1, 是CDK4和CDK6等周期

8、蛋白依賴性激酶的抑制劑。p16被激活會導致視網(wǎng)膜母細胞瘤的磷酸化 (pRB) 失活, 處于低磷酸化形式的RB與轉錄因子E2F結合, 進而控制細胞的周期進程17,18。細胞周期阻滯通過RB家族 (pRB、p107和p130) 和細胞核中的E2F結合而形成。此外, 研究表明p16-RB通路與促分裂原活化的蛋白激酶 (mitogen activatedprotein kinase, MAPK) 協(xié)同誘導活性氧的產(chǎn)生, 進而激活蛋白激酶C (protein kinase C, PKC) , 而后者又可反過來促進ROS的產(chǎn)生, 這導致ROS與PKC之間形成正反饋環(huán), 進一步使細胞周期阻滯。在MAPK信號

9、通路中, p38對p16的調節(jié)是由HMG轉錄因子HBP1 (HMG-box transcription factor 1) 介導的19。HBP1是一個細胞調控因子, 研究表明HBP1作為轉錄抑制因子參與細胞周期調控和腫瘤抑制20。p38信號通路被激活后會引起下游HBP1與其特異性位點結合, 使HBP1磷酸化, 導致細胞周期G1期停滯21。之前的研究發(fā)現(xiàn), 不管在體內還是體外, 造血干細胞暴露于電離輻射中會衰老, 且其中的p38、p16表達水平以及ROS含量都會升高22。近期, 有關電離輻射誘導神經(jīng)干細胞衰老的研究發(fā)現(xiàn), 細胞每隔3代接受高劑量輻射處理后, 其衰老程度加劇, 且衰老相關基因 (p

10、16、Bim1) 也明顯增加23。在接受全腦放射治療的患者中, 人們發(fā)現(xiàn)照射后的原代血管內皮細胞出現(xiàn)了早衰的現(xiàn)象, 且獲得衰老相關的分泌表型, 即促炎因子和趨化因子上調, 這些微環(huán)境的變化進一步影響神經(jīng)元的生物學功能24。3 miRNAs參與輻射誘導細胞衰老的調控miRNAs作為一種調控因子, 在細胞衰老以及衰老相關的疾病中起重要作用。外界環(huán)境的刺激會改變miRNAs的表達水平, 其涉及的機制可能與染色質重塑和DNA甲基化有關。輻射后差異表達的miRNAs可調節(jié)細胞內在的輻射敏感性, 特別是輻射的遺傳反應機制。大鼠輻射兩周后血清中miR-144-5p、miR-144-3p、miR-142-5p

11、和miR-19a-3p的表達水平明顯上調, 但這些miR-NAs在輻射后的肺中未檢測到25;miR-96-5p和miR-873-3p參與輻射過程中產(chǎn)生DNA雙鏈斷裂的靶基因的調控26。有研究報道輻射誘導人非小細胞肺癌細胞的早衰與miRNA-34a的表達有關, 而且miR-34a對細胞衰老的影響與c-myc的表達水平顯著下調有關, 沉默c-myc會增加miR-34a的表達, 表明在輻射誘導的衰老中miR-34a的功能可能與靶向調控Myc有關27。在輻射處理的人臍靜脈內皮細胞 (human umbilical vein endothelial cells, HUVECs) 中, 過表達miR-49

12、4或miR-99b會增加SA-β-gal的表達, 增加G1期阻滯, 同時出現(xiàn)組蛋白H2AX的磷酸化以及RB低磷酸化。相反, 抑制miR-494或miR-99b會降低SA-β-gal, 降低G2期阻滯, 激活caspase-3和caspase-7。這些結果表明miR-494或miR-99b會影響輻射引起的細胞衰老28。在輻射引起的人成纖維細胞老化中, 沉默信息調節(jié)因子4 (silence information regulator-4, Sirt4) 的表達明顯增加, 而Sirt4表達水平的上調與miRNA-15b水平的降低有關。miR-15b的抑制會使細胞內產(chǎn)生過量的ROS

13、以及衰老相關的分泌表型 (senescence-associated secretory phenotype, SASP) 29,30。近年來人們相繼報道了一些參與輻射誘導衰老的miRNAs。例如:Bae等31通過生物信息學分析得出mmu-miR-291a-3p是一種抗衰老因子, 用小鼠胚胎干細胞分泌的mmu-miR-291a-3p處理衰老細胞, 發(fā)現(xiàn)衰老細胞中SA-β-gal的表達降低, 細胞的增殖潛力增強, 同時p53、p21的mR-NAs和蛋白質表達水平降低。此外, 有研究表明miRNAs在p53-p21和p16-pRB通路中特異性過表達或下調, 對細胞衰老起重要的調控作用32

14、, 相關機制如圖2所示。miR-34是腫瘤抑制子和衰老的觸發(fā)蛋白33,34, 文中以miR-34a為例進行簡要說明。在輻射處理的小鼠中, miR-34a參與p53介導的腫瘤抑制作用。miR-34a過表達會激活p53-p21通路, 下調E2F的表達, 抑制細胞增殖, 誘導細胞出現(xiàn)衰老相關表型35。而且, miR-34也可以直接抑制Sirt1的表達, 進而促進p21的表達, 阻滯細胞周期進程, 進一步加速細胞衰老36。4 總結與展望輻射導致的細胞衰老主要有3個原因:第一, 由于體內氧自由基的大量產(chǎn)生, 從而出現(xiàn)脂質過氧化, 使DNA受損;第二, 衰老的兩條信號通過p53-p21和p16-RB被激活

15、, 使細胞停滯在G1期或G2期;第三, miRNAs對細胞的衰老也起到一定的調控作用。近年來, 以p53-p21和p16-RB這兩條信號通路為突破點, 尋找有效治療輻射誘導細胞衰老的靶點被不斷報道, 但以miRNAs作為治療靶點預防正常組織的輻射損傷仍有待研究。盡管相關研究取得了很大的突破, 但仍有許多問題尚未解決, 比如:miR-34a在促進細胞衰老的同時也會直接抑制Sirt1的表達37,38, 因此我們并不能認為miR-34a具有促進衰老的作用, 這可能與miRNAs靶向調控多個基因有關。由于miRNAs功能作用的復雜性, 目前尚無法判斷miRNAs作用的具體靶點, 只有探索出miRNAs

16、與靶基因之間的相互作用, 不斷完善RNA的研究技術, miR-NAs的研究成果才能在醫(yī)療上得到一定的應用。參考文獻1DEMIR P, AKKAS S B, SEVERCAN M, et al.Ionizing radiation induces structural and functional damage on the molecules of rat brain homogenate membranes:a Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopic studyJ.Applied Spectroscopy, 2015, 69 (1)

17、:154-164.2郭娟.丹參素對電離輻射損傷的防護作用及機制研究D.西安:第四軍醫(yī)大學 (GUO Juan.Protection Effects of Salvianic Acid A Against Radiation and Its MechanismsD.Xi’an:Fourth Military Medical University) , 2012.3QIAO S, PENG R, YAN H, et al.Reduction of phosphorylated synapsin I (Ser-553) leads to spatial memory impairment by attenuating GABA release after microwave exposure in wistar ratsJ.PLoS One, 2014, 9 (4) :e95503.4ZHI W