衰老的分子和表型生物标志物。引言老化生物标志物有什么作用？
衰老是影响大多数活生物体的时间依赖性生理功能衰退。 这个过程与分子变化直接相关。 它也是许多非传染性疾病的主要危险因素。 一方面，识别衰老的生物标志物将有助于区分年龄相同但年龄不同的人。 衰老的定量生物标志物也可以构成“健康衰老”的一组维度，此外，还可以预测预期寿命。
另一方面，衰老的生物标志物也可以帮助研究人员将研究范围缩小到特定的生物学方面，以试图解释与衰老和与年龄有关的疾病相关的生物学过程。 在这里，我们看看衰老的表型和分子生物标记。
表型生物标记物可以是非侵入性的，全景的且易于访问，而分子生物标记物可以反映年龄状态的某些分子机制。 这篇综述主要考虑了在人类（以及在极少数情况下对实验动物（小鼠）和线虫的研究）中获得的结果。
衰老的分子生物标志物本节基于对1号，2号衰老迹象的两项高效评估。作为这些评估的一部分，我们重点关注始于2013年的事件。 美国衰老研究联合会（AFAR）针对衰老的生物标志物提出了以下标准：
（1）他应该预测衰老的速度；
（2）他必须控制衰老过程的潜在过程，而不是疾病的后果；
（3）他应能够接受重新测试而不会对该人造成伤害；
（4）必须对人类和实验动物有效。
符合AFAR提出的所有标准的生物标记物不太可能存在3，因此在本综述的分子部分中，我们遵循前两个标准：生物标记物应预测衰老速率并应控制构成衰老的基础过程。 对于第一个标准，我们试图使生物标志物与衰老相关。 对于第二个标准，我们根据破坏衰老的分子途径组织了本综述的第一部分。
DNA和染色体。端粒。端粒代表染色体末端的核糖核蛋白复合物。 由于端粒酶（一种负责其复制的酶）不会在体细胞4中正常表达，因此每次复制后它们都会变短。白细胞中端粒的长度与衰老和5岁的寿命以及与年龄相关的疾病（例如心血管疾病）有关6、7，癌症8和神经系统疾病9。
DNA回收。DNA损伤与修复之间的关系与衰老相关，其原因是衰老10细胞的积累或基因组重排11。最近，这种关系已得到直接证明：小鼠肝脏中双链DNA断裂的诱导引起了与年龄相关的病理和基因表达。12.γ-H2AX免疫组化是公认的定量方法老化的生物标志物，因为H2AX是H2A组蛋白家族的一个变体，并且磷酸化的H2AX，γ-H2AX是病变灶的初始且必不可少的成分 DNA IA。
因此，可以认为它是DNA损伤程度的可靠标志物13-15。DNA损伤的血清标志物，包括凯瑟琳相关抗微生物肽（CRAMP），真核翻译延伸因子EF-1a，他汀类药物，N-乙酰基-β-D-氨基葡萄糖苷酶（ NAG）和几丁质酶也已有描述16。
应当指出，来自百年捐献者的真皮成纤维细胞对过氧化氢引起的DNA损伤的敏感性低于其他来自其他捐献者的成纤维细胞（17岁以下）。此类离体实验也可能是衰老的潜在生物标记。
表观遗传修饰。年龄相关的DNA甲基化结构变化，特别是作为表观遗传时钟，是18-20岁最受研究的生物标志物之一。对血液甲基化谱的分析表明，只有三个CpG位点可以预测年龄，且与时间年龄的平均绝对偏差小于5 21岁。年龄与DNA甲基化之间的关系可以扩展到与年龄相关的疾病，例如糖尿病22。有关衰老的表观遗传调控的完整综述，请参见Sen等。 23。
RNA和转录本。
成绩单简介 。 随着全基因组RNA测序技术（RNA-seq）的飞速发展，它已被积极地用于研究和寻找衰老的生物标志物。 Lu等。 最近的研究表明，通过单细胞RNA-seq RNA测序和流式细胞仪在各种T细胞中测得的细胞表达变化与衰老和疾病易感性有关24。
最近的一项研究使用了来自14983人的全血基因表达谱，以鉴定具有年龄依赖性差异表达的1457个基因。 然后，获得的数据将它们用于计算个体的“转录组年龄”，这表明转录组签名可用于测量衰老25。
非编码RNA。MicroRNA（miRNA）是一类小的（21至23个核苷酸）非编码RNA，可调节广泛的生物过程，包括新陈代谢26和衰老27。其中有循环的miRNA，由于存在于外泌体或血浆中，因此在血浆中可以保持稳定。与蛋白质或脂蛋白因子的结合，使它们易于被生物标记物利用。 miR-34a是首次观察到的循环miRNA，在小鼠衰老过程中其表达模式发生了改变。
29. miR-21在健康人和老年人血浆中的365种miRNA的研究中被定义为一种炎症生物标志物30. miR-151a-3p，miR-181a-5p和miR的水平被发现是炎症性生物标志物。据报道，-1248随着人类年龄的增长而显着降低，并且所有三种miRNA也都显示出与炎症的联系31。发现，在20至90岁的136位健康受试者中，miR-126-3p与年龄呈正相关32。
通过GFP的表达，Pincus等人。 研究发现，成年早期的mir-71，mir-246和mir-239的水平因人而异，并且可以预测预期寿命33。最近的一项评论27总结了其他类型的循环非编码小RNA的关联，例如tRNA和YRNA。
长非编码RNA（lncRNA）是一类异类非编码RNA，其定义为超过200个核苷酸的转录本，没有明显的开放阅读框[34]。最后两项综述总结了lncRNA在衰老过程中的作用35、36。这篇评论的范围，读者可以阅读有关该主题的最新评论37； 在这里，我们列出了在衰老过程中起作用的lncRNA。 发现lncRNA MIR31HG在癌基因诱导的衰老中被激活，并且是INK4A 38基因座的多聚基团介导的复制所必需的。
AK156230 lncRNA的减少发生在复制性衰老中，其敲除在小鼠胚胎成纤维细胞中会通过自噬和细胞周期途径失调而诱导衰老，如表达谱39所示。在心血管衰老过程中，以及在人的脐静脉衰老过程中，Meg3的水平都会升高。细胞40。
代谢。饮食限制（热量限制）是从酵母到哺乳动物增加寿命的最保守方法。 42研究表明，新陈代谢在调节衰老中起主要作用，而新陈代谢因子可能充当生物标志物。
对营养敏感。参与葡萄糖消耗的胰岛素/ IGF-1信号传导途径（IIS）是最早发现且最广为人知的抗长寿方法。 矛盾的是，在野生型小鼠或过早衰老的小鼠模型中，IGF-1减少，而IIS活性减弱则延长了预期寿命43。这些观察结果可能将IIS途径的元素（如生长激素和IGF-1）作为生物标记物纳入其中。老龄化44，45。
雷帕霉素（mTOR）的哺乳动物靶蛋白取决于高氨基酸浓度。 抑制mTOR可以延长寿命46.与IIS途径相反，mTOR活性随着人和小鼠卵巢上皮年龄的增长而增加，这有助于病理改变47.磷酸化核糖体蛋白S6（p-S6RP或pS6）是下游靶标，也是已知的靶标mTOR 47、48是主动信号转导的标志物，并且是衰老的潜在生物标志物，如对衰老卵巢47的研究所示。
与IIS和mTOR功能不同，5'-腺苷单磷酸（AMP）激活的蛋白激酶（AMPK）和沉默调节蛋白对营养缺乏而不是营养丰富敏感。 AMPK检测到高水平的AMP，而sirtuins是高水平的NAD +的传感器，并且两者都表明与能量存储减少相关的状况。 二甲双胍（一种II型糖尿病药物）可提高AMPK的活性，可模拟卡路里限制的某些益处，二甲双胍可延长小鼠的预期寿命49。随着骨骼肌年龄的增加，AMPK也会增加50。
Sirtuins具有通过化学反应（赖氨酸脱乙酰化）直接结合细胞信号代谢（通过NAD +）与蛋白质翻译后修饰的能力。 在衰老过程中，NAD +降低51，sirtuins的活性受到抑制52、53。对人类原代皮肤成纤维细胞的分析表明，SIRT1和SIRT6的活性降低了54。同样，通过蛋白质印迹检测到的SIRT1，SIRT3和SIRT6的水平也显示出显着降低。老老鼠的卵巢55.在人类外周血的单核细胞中，SIRT2也会随着56岁的年龄而降低。
蛋白质代谢。蛋白质氨基甲酰化是整个生命周期中发生的非酶翻译后修饰之一，会导致氨基甲酰化蛋白质在组织中的蓄积[57]。这被认为是分子衰老的迹象，并且与与年龄相关的疾病（例如心血管疾病）有关58。
晚期糖基化终产物（AGEs）是生物活性分子的异质性组，由蛋白质，脂质和核酸的非酶促糖基化形成59。衰老过程中AGE在组织中的积累会导致炎症60，细胞凋亡61，肥胖症62和其他与年龄有关的偏差63 AGE可以通过高效液相色谱，气相色谱-质谱和免疫化学方法检测。64. N-聚糖是一类糖蛋白，具有 通过与天冬酰胺的酰胺氮结合的链。
由于高性能方法的发展，现在可以研究N-连接聚糖（N-glycome）的光谱。 来自IgG（IgG-G0）Fc部分的Asn297中N-联糖基的积累可能有助于衰老65时的促炎状态。
脂质代谢。已经确定，甘油三酸酯水平会随着年龄的增长而逐渐增加，因此可能是衰老的生物标志物。66.对长肝和仅老年人的脂质的研究表明，磷酸/鞘脂是健康衰老的公认标志物和生物调节剂67。但是，这些研究的设计值得商question。他们有一群老年人作为“健康的衰老控制者”，与“成功衰老”的百岁老人组67、68相比。但这两组显然是 年龄截然不同。 因此，尚不清楚年龄差异或健康老化是否导致脂质组学差异。
氧化应激和线粒体。氧化应激生物标记物长期以来一直被认为是一类老化的生物标记物。 蛋白质氧化损伤产物包括邻酪氨酸，3-氯酪氨酸和3-硝基酪氨酸。 8-异前列腺素F2α是磷脂损伤的生物标志物。 8-羟基-2'-脱氧鸟苷和8-羟基鸟苷对核酸有氧化损伤69。
这些生物标志物在体液中的浓度可以使用高效液相色谱法和质谱法进行检测。 沉等。 他构建了一种圆形重排的黄色荧光蛋白（cpYFP），该蛋白在秀丽隐杆线虫的线粒体基质中表达，作为氧化应激和代谢变化的传感器70。
尽管自由基是氧化应激的来源，主要在线粒体中产生，但功能性线粒体会导致衰老，而与氧气的活性形式无关。 基于血液和肌肉71或表型（例如72步行速度）进行呼吸分析的分析策略可用于测量线粒体功能。 线粒体的细胞外成分可以作为与损伤有关的分子（DAMPs）起作用（另请参阅“炎症和细胞间通讯”）。 当引入小鼠海马体时，它们会诱发神经炎症73。
细胞老化。据认为，有丝分裂组织中衰老细胞的逐渐积累是74-76岁衰老的原因之一，因此，细胞衰老的生物标志物也可以用作标志物。 最近的调查[77，78]中已对这些生物标记物进行了总结，最广泛使用的标记物是与衰老相关的β-半乳糖苷酶（SAβ-gal）79，p16 INK4A 80，81蛋白。SAβ-gal反映了82个溶酶体的质量增加，但可能产生假酶83.SAβ-gal是细胞损伤的标志物，因此需要p16INK4A才能完全停止细胞周期81。
其他衰老细胞标志物包括对DNA损伤的激活和持续反应（请参见“ DNA修复”），端粒的缩短和功能障碍（请参见“端粒”）以及与衰老相关的分泌表型（SASP）（请参见“炎症和细胞间通讯”） ”）。
炎症和细胞间通讯。SASP是细胞衰老的结果，可发生在仍具有代谢活性并分泌蛋白质的细胞中。 SASP具有自分泌和旁分泌功能84、85。SASP因子的主要成分是可溶性信号传导因子，包括白介素，趋化因子和生长因子。 与SASP相关的蛋白质，例如白介素6，肿瘤坏死因子-α，单核细胞趋化因子1（MCP-1），基质金属蛋白酶和IGF结合蛋白，会与炎症相结合而导致组织衰老86。
全面的SASP目录还包括分泌的蛋白酶和分泌的不溶性细胞外基质蛋白/成分，由Coppé等人总结。 87和在Reactome数据库中（http://www.reactome.org/content/detail/R-HSA-2559582）。
DAMPs组的分子（与损伤相关的分子片段），例如热休克蛋白，组蛋白，两性蛋白（HMGB1）和钙结合蛋白S100，构成一类在损伤或细胞死亡后释放的分子88，它们介导免疫反应。 DAMPs与其他衰老迹象之间存在关联； Huang等人对此进行了综述。 89。
衰老的表型生物标志物。按照AFAR 3提出的标准，我们将表型衰老生物标记物分类。 表型生物标志物很难控制构成衰老过程的基本分子过程，因此我们遵循三个标准：生物标志物必须预测衰老的速度，必须能够在不伤害人体的情况下进行重新测试以及控制一个或多个生理过程。
在表型衰老生物标志物中，身体功能和人体测量学是最实用的测量方法。 在这方面，诸如步行速度，从椅子上站起来，站立平衡，手的压力，身体质量指数，腰围和肌肉质量之类的测量方法是众所周知的90。这些物理功能测量结果虽然简单，但实际上会更好。就人口研究对健康状况的态度而言，比DNA甲基化更为重要91。
92, 93. , , , , , . , 92.
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1. .I. .1. .) γ-H2AX
)
) .
2. .) CD38 CD4 +CD27 + -
) CD197 CD4 +CD25 + T-
) (miR-34a, miR-21, miR-126-3p, miR-151a-3p, miR-181a-5p, miR-1248)
) (MIR31HG, AK156230, Meg3)
3.) , , IGF-1
) mTOR, pS6RP
) NAD +, SIRT1, SIRT2, SIRT3, SIRT6.
)
) N-
)
4.) -, 3-, 3-,
) 8-
) 8--2'-
) 8-
5.) -
) p16INK4A.
6. .a) (SASP)
II. .1.) , , , ,
) , .
2.)
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Xian Xia, Weiyang Chen, Joseph McDermott, and Jing-Dong Jackie Hana.
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