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【重磅综述】DNA损伤在衰老中的核心作用

2021-08-18 15:53

来源：澎湃新闻·澎湃号·政务

以下文章来源于老顽童说，作者老顽童说

老顽童说

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翻译 by 马米阳吴若晨刘黎啸

衰老是一个涉及多方面生理过程的复杂事件。影响衰老的因素众多，起主要作用的因素一直存在争议，而这其中基因组损伤积累是不可忽略的一项。随着现代人类生活条件逐步提升，意外死亡率降低，生物衰老内因之一——基因组损伤积累带来的负面影响更多地显现出来，其与衰老表型的联系值得关注。2021年4月，德国科隆大学衰老与疾病基因组稳定性研究所Björn Schumacher团队在Nature上发表题为“The central role of DNA damage in the ageing process”的综述文章，详细介绍了DNA损伤与衰老表型的机制联系，论述了DNA损伤在衰老过程中发挥的核心作用。

（本文通讯作者：Björn Schumacher）

衰老是一个复杂的、多维的过程，它会导致广泛的机体功能衰退，会影响到每一个器官和组织，但目前尚不清楚衰老的起因是唯一的还是有多种来源的。衰老过程与分子、细胞和生理水平上的多种特征有关。例如，基因组和表观基因组的改变，蛋白平衡的丧失，整体细胞和亚细胞功能的下降以及信号系统调控的失调等。然而，这些衰老特征的相对重要性、机制关系和等级顺序还未曾阐明。在这里，我们综合了目前已知的证据，证明DNA损伤影响大部分的衰老表型，它也许会成为导致衰老的潜在统一原因。研究DNA损伤及其与衰老表型的机制联系，为对抗年龄相关的功能障碍和疾病开发统一的干预措施将提供一个合理的理论基础。

人们普遍认为，后生动物的衰老根本上是由于基因传给下一代后自然选择的力量减弱所致的。只有在生命后期才产生不良影响的突变，不会通过自然选择来消除，因此会在种系中积累。事实上，在繁殖前具有的有利影响而在繁殖后产生不利影响的多效性突变甚至可能是有利于自然选择的。只有当寿命不再被外部来源的早期死亡限制时，这种生殖突变积累的后果才会变得明显，就像现代人类或动物在受保护的环境中生存的情况那样，这也解释了高龄多种疾病发病率急剧上升的原因。尽管老龄化的进化逻辑很清楚，衰老作为大多数慢性病的根源，以及全球发达社会医疗保健的主要负担，人们对其直接诱因知之甚少。一个关键问题是，衰老是否像进化论预测的那样，有着无穷数量的起源，还是有一个从最开始就出现的从祖先遗留的起源。为了更好地理解衰老，现在已经确定了许多导致衰老病理的过程。本篇综述是把DNA损伤作为衰老的主要原因，与衰老表型的特征联系起来。

图1 DNA损伤是衰老的驱动因素。核基因组和线粒体基因组不断受到外源性因素（如紫外线、X射线、食物、水和空气中的化合物）、内源性因素如活性氧簇（ROS, reactive oxygen species）、醛类和晚期糖基化终末产物（AGEs, aldehydes and advanced glycation end products）以及自发反应（水解）的破坏。随时间发生的DNA损伤累积的分子后果是:（1）遗传畸变，如突变和染色体不稳定性;（2）DNA损伤引起RNA和DNA聚合酶的停滞，引发DNA损伤信号并干扰主要的DNA功能。DNA损伤对细胞和组织造成的后果包括细胞命运的决定，如细胞死亡和衰老，导致细胞和器官功能丧失、癌症和炎症。

DNA损伤对分子水平的影响

DNA损伤具有一系列分子水平的影响，如基因组不稳定、端粒功能障碍、表观遗传学改变、蛋白应激和线粒体功能受损。

内在不稳定的基因组

尽管基因组是编码所有遗传信息的主要模板，但它却极其地不稳定。基因组不稳定性可以定义为基因组发生突变的趋势强弱，即DNA序列的任何永久性的、可遗传的改变，如碱基替换、缺失或插入、拷贝数变异、染色体畸变或转座子反转录的倾向。突变通常会对功能产生不利影响，是导致癌症和遗传病的主要原因。然而在生殖细胞中，突变也是进化的基础。突变是细胞核和线粒体基因组的固有特征，是错误复制或修复的结果，通常始于DNA损伤。在更广泛的意义上，基因组不稳定性是指DNA经历化学修饰的固有特征，通常被称为DNA损伤，从而改变其结构和功能特性。由于DNA损伤因子在自然界中普遍存在，如来自太阳的紫外线（UV）辐射等，所以自以DNA为基础的生命诞生开始，DNA损伤就一直是一个不确定因素，它既会阻止转录和也会导致复制的损伤。DNA损伤包括自发脱氨、水解和许多其他化学变化，包括DNA不同类型的断裂、缺口、碱性位点、加合物和链间、链内和DNA-蛋白质交联以及其他的化学修饰。异常的DNA结构，如R-loop、G-四链体和持续单链区域，以及DNA交换中的受阻中间体，如转录、复制和重组复合物的停滞，也属于DNA损伤，因为它们损害了DNA的功能，并引发了类似的DNA损伤的反应。DNA损伤阻碍了遗传信息的准确复制、受控转录和安全存储。在信息层次的顶端，核DNA通常只有两个（不同的）拷贝，与所有其他可以根据相应基因携带的指令重建的生物分子不同，DNA的完整性只有通过不断的修复才能保持。一个由高度复杂的DNA修复和损伤反应（DDR）系统组成的复杂网络可以抵消时间的损伤和暴露的遗传信息侵蚀。这些维持系统中的遗传缺陷不仅使细胞容易癌变而且也是人类许多节段性（即在不同组织中以不同的速度发生）形式过早衰老的基础，这表明基因组完整性、癌症和衰老之间存在密切联系（Box 1）。

在正常衰老过程中，由于大量的外源性和内源性基因毒素，DNA损伤会持续发生。在皮肤的光老化和DNA损伤的化疗中，基因毒素的促衰老效应是显而易见的。组织的机械应力也可能导致基因组不稳定，并可能导致Hutchinson-Gilford早衰症的加速衰老，在这种情况下，细胞核的机械弹性因支架蛋白Lamin A的突变影响而受损。据估计，在一个活跃的哺乳动物细胞中每天会发生多达105个DNA损伤，仅自发水解就导致大约104个碱基（主要是非嘌呤）位点突变。尽管这些损伤大部分都被有效地切除了，但也有一些逃脱了检测，可能是无法修复的、修复不及时，或者修复方式有误。随着时间的推移，DNA损伤不可避免地积累起来，使基因组不稳定成为衰老的重要标志（图2）。

图2 DNA损伤的分子、细胞和系统的后果。DNA损伤和细胞DDR可以影响分子过程，改变细胞命运并解除细胞间通讯的调节。 DNA损伤会导致突变或染色体畸变，从而引发基因组不稳定。严重缩短的端粒会激活DDR，引发细胞衰老。DNA修复导致染色质重构，而染色质结构影响DNA损伤易感性和修复通路。DDR影响自噬和UPRER，并导致蛋白质复合物合成损失。线粒体功能障碍是由核DNA修复的NAD+ 损失、DNA损伤诱导的线粒体自噬缺陷和mtDNA聚合酶表达改变进而影响mtDNA复制驱动的。DNA损伤导致营养感知途径减弱，进而影响DNA损伤修复和信号传递。DNA损伤可诱导细胞衰老，通过DDR诱导的细胞凋亡、衰老、过早分化和干细胞生态位改变导致干细胞库衰竭。DDR通过炎症细胞因子和抑制生长信号来影响细胞间的通讯。

端粒功能异常的基因组不稳定性

20世纪80年代末发现酿酒酵母（Saccharomyces Cerevisiae）EST1突变体的端粒变短后，会经历复制性衰老，这一发现普及了渐进性端粒缩短会驱动衰老过程的概念。在哺乳动物中，端粒由数千个TTAGGG重复序列组成，被Shelterin复合体覆盖，这有助于形成套索状的T环，从而隐藏端粒末端，防止DDR感受器的激活。由于DNA复制过程中不完全的滞后链合成，端粒重复数随细胞分裂而减少。在生殖系和一些体细胞干细胞中，端粒酶可以弥补这种损失，端粒酶在大多数体细胞的早期发育过程中都是沉默的，限制了细胞分裂的数量，直到端粒变得非常短。无保护的端粒类似于持续的DNA双链断裂（DSB），并触发慢性DDR激活，导致复制性衰老。即使是一个DSB也足以导致整个细胞周期阻滞。衰老过程中端粒缩短的致病性是一种特性的拮抗多效性效应，这种特性必须是为了其早期的益处而选择的，例如限制不受限制的增殖，从而限制肿瘤的形成。端粒维持中的基因缺陷导致人类端粒疾病，包括先天性角化不良、再生障碍性贫血以及表现出多种进展性特征的肺和肝脏疾病。在小鼠中，端粒酶突变体的节段性早衰只在几代之后表现出来，可能是因为它们特别长的端粒重复序列需要几代才会变得非常短，因此发生功能障碍。多数人体组织中端粒的估计长度并不表明端粒在正常衰老过程中会变得非常短，即使老年时也是如此。然而，在衰老过程中，进行性端粒缩短可能会改变特定的亚端粒基因的表达，其在体内的相关性尚未确定。

DNA损伤诱导的表观遗传学改变

表观基因组包括DNA甲基化和组蛋白修饰，在体细胞的整个生命周期中都是不稳定的。一些变化在组织内的细胞间是相似的，因此可能是适应性的或程序化的，而另一些变化是渐进的和/或随机的，类似于DNA损伤和突变，导致细胞间的异质性，可能具有重要的功能后果。染色质修饰包括磷酸化、甲基化、乙酰化、泛素化、苏糖化、瓜氨酸化和多聚ADP-核糖化，其中大多数也是DDR的一部分。与年龄相关的染色质修饰包括组蛋白的丢失和核小体的增加，这与局部和整体染色质重塑、激活和抑制组蛋白修饰的失衡以及转录变化有关。在人类和实验动物模型的不同组织中，与年龄相关的DNA甲基化的不同组合被发现与年龄密切相关，现在被用作表观遗传学时钟。这些指标在不同的细胞中以相似的速率变化，表明潜在的CpG甲基化状态反映了适应性变化。越来越多的证据表明，DNA损伤是与年龄相关的表观遗传学变化的主要驱动因素。DNA甲基转移酶DNMT1定位于DNA修复位点，许多染色质重构体调控不同修复机制的组装、突变的去除和原始染色质状态的恢复，这可能会留下表观遗传标记。例如，在秀丽线虫的转录阻断损伤修复后，H3K4me2的累积促进了调节蛋白质生物合成和动态平衡的基因的转录恢复，从而延长寿命。人类细胞中的DDR导致H3K27me3的丢失，促进细胞衰老。磷酸化组蛋白变异体γH2AX在DSB的部位形成病灶，在衰老的小鼠的不同组织中积累，这表明DNA损伤导致了持续的染色质改变。染色质改变增强衰老的DNA片段（DNA疤痕）在衰老细胞中富集。这些DNA疤痕例证了不可修复的DNA损伤会造成持续性局部染色质改变。在细胞系中已经证明，DNA甲基化模式在同源重组修复期间发生改变，几周后，通过碱基切除修复介导转录相关去甲基化的进一步修饰。组蛋白的多聚ADP核糖基化和多聚ADP核糖聚合酶1（PARP1）本身促进单链断裂的修复，在碱基切除修复中充当蛋白质的平台。多聚ADP-核糖化严重减少细胞NAD 池，这可能引发细胞凋亡或间接抑制sirtuin蛋白，进而影响全基因组染色质乙酰化、衰老和DNA修复，并触发基因表达变化，类似于在衰老小鼠脑中观察到的变化。

因此，每天持续诱导数万个病变的DNA损伤和修复可能会留下表观遗传标记，从而在衰老过程中造成细胞间表观遗传的异质性，特别是在体细胞不必无限期发挥作用、表观遗传记忆在下一代开始时在种系中被抹去的情况下。与这些观点一致的是，衰老细胞的转录变化似乎比年轻细胞的要大得多。因此，DDR可能是表观遗传变化的主要原因，表观遗传变化导致基因表达控制恶化，进而导致体细胞异质性和随时间变化的整体功能下降。

Box 1

DNA修复缺陷加速人类衰老

大多数早衰综合征（提早衰老）是由维持基因组稳定的基因突变引起的。Werner综合征患者通常在30岁之前就表现出许多明显的衰老迹象，包括头发变白、Ⅱ型糖尿病、骨质疏松症和白内障。Werner综合征、Bloom综合征和Rothmund-Thomson综合征都是由RecQ解旋酶突变引起的，RecQ解旋酶在DNA重组、复制、修复和端粒维持中起作用。典型的衰老相关病理，如神经变性、动脉粥样硬化和骨质疏松症，在10岁之前出现在Cockayne综合征和毛发硫营养不良症中，由转录偶联修复受损引起。全基因组核苷酸切除修复（NER）缺陷会使色素性干皮病患者（其中一些人还患有加速的神经退化）对阳光诱发的皮肤癌的易感性增加数千倍。DSB修复缺陷导致共济失调毛细血管扩张和Nijmege断裂综合征(Nijmegen breakage syndrome)，DNA交联修复缺陷导致Fanconi贫血。Hutchinson-Gilford早衰症背后的核膜功能障碍与核基因组不稳定性有关。程序性综合征是节段性的，因为特定的DNA修复缺陷主要影响特定的组织，如共济失调毛细血管扩张症或范可尼贫血的造血。然而，神经退变表型在整个衰老综合征中普遍存在，这表明神经元可能对DNA修复中的多种缺陷特别敏感。癌症长期幸存者中也发现过早衰老，他们遭受基因毒性化疗和放射治疗的长期后果。另一类累及多个器官的进展性疾病是由线粒体缺陷引起的，这可能也与DNA损伤有关。

表1|DNA修复缺陷引起的衰老综合征实例

分子过程

衰老综合征

临床症状

RecQ解旋酶

Werner综合征

Bloom综合征

皮肤萎缩，稀疏的白发，骨质疏松，II型糖尿病，白内障，动脉硬化和癌症

生长迟缓、免疫缺陷、基因组不稳定与癌症

Rothmund-Thompson综合征

生长缺陷、头发变白、青少年白内障、皮肤和骨骼异常、骨肉瘤和皮肤癌

转录偶联修复

Cockayne综合征

恶病质，进行性神经变性，视网膜细胞丢失，骨质疏松，肝肾老化和生长迟缓

毛发硫营养不良

进行性神经变性、骨质疏松、恶病质、肝肾老化、鱼鳞病、特征性脆性头发和指甲以及生长迟缓。

双链断裂修复

共济失调毛细血管扩张症

进行性小脑变性、严重共济失调、血管扩张、免疫缺陷和癌症

Nijmegen断裂综合征

免疫缺陷、癌症风险增加和生长迟缓

交叉链修复

Fanconi贫血

全血细胞减少、癌症、骨髓衰竭、肾功能不全、色素异常和身材矮小

核膜不稳定性

Hutchinson-Gilford早衰症综合征

脱发、动脉粥样硬化、头皮静脉突出、脂肪组织储存不足和高亢的嗓音

DNA损伤介导的蛋白稳态应激

蛋白质稳态途径控制着蛋白质的合成、折叠和降解。包括阿尔茨海默病和帕金森病在内的一些与年龄相关的疾病都与蛋白质错误折叠和聚集密切相关。遇到氧化、热刺激或内质网应激时，蛋白结构改变会影响其溶解度，进一步导致蛋白聚集，就会出现错误折叠蛋白。多条证据表明DNA损伤与稳态应激有关。由转录偶联修复缺陷引起的Cockayne综合征患儿比家族性早发阿尔茨海默病患儿更早在小脑皮层出现神经原纤维缠结。在秀丽隐杆线虫Cockayne综合征模型中，转录偶联修复缺陷加速了神经退化，进一步强调了DNA损伤在驱动年龄相关神经病变中的作用。DNA损伤、DNA修复基因表达和活性的改变与阿尔茨海默病和其他痴呆症的发病机制有关——例如人类帕金森病中NER效率的降低。几种DNA修复机制，特别是错配修复，参与了亨廷顿病的重复扩展，同时突变的亨廷顿蛋白与修复转录相关的DNA链断裂的缺陷有关。

DNA损伤可以引起蛋白质稳态应激，例如，DNA损伤可以通过增加转录停滞（转录应激）或突变或外突变介导的转录紊乱引起蛋白质稳态应激。这可能会影响蛋白质和蛋白质复合物的组装、表达水平、正确的折叠和功能，从而引发蛋白稳态应激和聚集。对人类神经元的单细胞测序已经证实，体细胞突变的数量在衰老过程中增加，而且在神经退行性疾病患者的细胞中增加的速度更快。在神经元等有丝分裂后组织中，随机转录阻断DNA损伤的积累可能导致在自然衰老和加速衰老过程中观察到的多数基因的全基因组表达减少，以及NER或转录偶联修复缺陷的类早衰小鼠。这些DNA损伤驱动机制可以解释不同物种在衰老过程中蛋白复合物的转录和蛋白表达的解耦以及表达水平的减少，从而产生蛋白质稳态应激和蛋白质聚集。

分子伴侣、泛素蛋白酶体系统和自噬的缺陷可导致错误折叠蛋白的积累。在DNA修复缺陷的早衰小鼠中，DDR本身可以改变蛋白稳态机制，影响内切核糖核酸酶肌醇需要酶1（IRE1）、诱导转录因子XBP1和内质网未折叠蛋白反应关键调控因子（UPRER）表达。此外，自噬也是由DNA损伤信号诱导的，当发生持续DNA损伤时，自噬是生存所必需的。当未修复的DNA损伤促使细胞衰老时，它们表现出一种与衰老相关的分泌表型；这被认为会激活-UPRER应激。相比之下，卡路里限制（在没有营养不良的情况下减少卡路里摄入）降低了转录应激，同时也缓解了UPRER，在DNA损伤驱动的转录应激和稳态应激之间提供了直接联系。

综上所述，这些观察结果表明，随着年龄的增长，DNA损伤、DNA突变和表观突变是蛋白质稳态应激增加的主要原因。

线粒体功能障碍

线粒体作为调节能量和代谢稳态的细胞器以及ROS的主要来源，长期以来一直与衰老相关联，并与衰老相关疾病，如帕金森病和肌少症有关。线粒体功能障碍的主要原因一般被认为是ROS诱导的线粒体基因组损伤，其大小小于17 kb。最流行的年龄相关线粒体功能障碍假设原因是线粒体基因组中体细胞突变的积累，这是复制过程中发生的错误和在细胞核中活跃的大多数复杂修复途径缺乏的结果。表达校对缺陷线粒体DNA聚合酶的小鼠线粒体DNA （mtDNA）突变数量大幅增加，并表现出多种过早衰老症状。线粒体DNA突变的增加与老年人类骨骼肌纤维、黑质和正常老年人脑及其他各种组织的海马细胞色素C氧化酶活性的丧失有关。然而，在自然衰老过程中mtDNA突变的频率是否足以引起表型效应还尚不清楚。数字PCR表明，在野生型小鼠中，mtDNA缺失的频率相当低，超深测序并没有显示出年龄依赖性的突变增加，相反，大多数体细胞mtDNA突变被证明源自发育过程中的复制错误。

核DNA损伤和线粒体功能障碍的关系说明了自噬在其中的作用，即通过自噬选择性降解线粒体。高水平的细胞核DNA损伤——例如来自衰老生物体或DNA修复突变体的细胞——会导致PARP1的长时间激活（PARP1是一种DNA破坏传感器，一旦激活就会消耗大量的NAD+）。通过抑制PARP1或补充NAD+可以恢复线粒体功能和线粒体自噬，进而缓解一些与DNA修复缺陷相关的早衰表型。

因此,在衰老中mtDNA突变的作用还有待讨论,数个方面还没有很好地探究,包括DNA损伤本身（而不是突变）对线粒体DNA复制和转录的影响,以及核基因组中超过1,000个线粒体基因的损伤的影响。

DNA损伤对细胞命运决定性作用

DNA损伤可以对细胞命运的决定产生显著的影响，特别是驱动细胞衰老和耗尽干细胞库的时候。

细胞衰老

细胞衰老会永久抑制细胞的增殖以应对各种压力，其中大多数和DNA损伤有关。衰老最初被认为是一种机制，由于端粒磨损，限制了人类成纤维细胞体外增殖，从而触发了以DNA损伤为信号的细胞周期阻滞。衰老可能是作为一种促进胚胎发生、再生（例如伤口愈合）和防止细胞过度增殖从而防止癌症的机制而进化的。然而，衰老细胞有着与衰老相关的分泌表型，分泌许多促炎细胞因子、蛋白酶、生长和血管生成因子，这些因子可以破坏微环境，损害组织结构和功能，从而促进局部和全身衰老相关的病理并促进癌症。促炎介质可促进无菌性炎症（在本文中称为炎症）。对于在体内衰老的影响上，在转基因小鼠中清除p16阳性的衰老细胞增加了平均寿命和健康寿命的各个方面。senolytic agents（选择性地消除衰老细胞的药剂）在动脉粥样硬化斑块和骨关节炎病变等的应用证实了衰老细胞促进了衰老。

细胞会在博莱霉素、阿霉素或顺铂等致衰老化合物的作用下衰老，这些化合物通常会造成不可修复的DNA损伤，导致DNA-SCARS。DNA损伤也对致癌基因诱导的衰老有影响，主要体现在致癌基因激活导致的复制应激和随后的DSBs。包括ATR、ATM和p53在内的DDR通路，集中于周期蛋白依赖的激酶抑制剂p16、p21和p27的激活和视网膜母细胞瘤蛋白的过度磷酸化，引起细胞周期的退出。细胞衰老也可能是染色体非整倍体的结果。

线粒体功能障碍相关的衰老不是由基因毒素直接引起的，但鉴于上述与线粒体功能障碍的关联，它也可能是由DNA损伤驱动的。因此，细胞衰老似乎与DDR密切相关，线粒体功能障碍相关的衰老也可能与DNA损伤间接相关。

干细胞衰竭

体细胞干细胞衰竭导致干细胞数量下降及功能下降。不同类型的干细胞有着不同的DDR机制，例如静息造血干细胞（HSCs）和毛囊干细胞使用快速、低保真度的非同源端连接，而循环造血干细胞、肠道干细胞和胚胎干细胞更倾向于更精确的同源重组。相反，无法修复的损伤会促使黑素细胞干细胞和老化的毛囊干细胞过早分化，从而消耗干细胞库。在人类和小鼠造血干细胞以及肌肉、肠道、间充质、神经、皮肤和生殖干细胞中观察到DNA损伤的积累。各种DNA修复缺陷会引发干细胞衰竭，在类早衰体Ercc1 DNA修复突变小鼠中，肌肉形成卫星细胞不能遵循正常的增殖和分化程序，第三代端粒酶缺陷小鼠突变体在造血系统、肠道、皮肤和睾丸中显示干细胞不足。

DNA损伤的潜在影响在造血干细胞中已经有了详细的报道。在衰老过程中，造血干细胞数量增加，但多能性下降，向髓系倾斜。复制应激可能导致了老化造血干细胞的DNA损伤增加，与大多数成体干细胞一样，造血干细胞主要处于静止状态，这为内源性基因毒性应激（如代谢ROS）提供了一定的保护。然而，这种延长的静止状态使这些细胞易受DNA损伤积累的影响，它们使用易出错的非同源末端连接增加了突变。DNA修复缺陷限制了衰老和早衰小鼠的HSC功能。因此随机DNA损伤随时间积累严重阻碍了干细胞的功能，使人类HSC衰老过程中突变增加，造成功能特性的损坏，并促进了积极选择的体细胞突变的克隆扩展，导致克隆多样性的丧失，增加了致癌转化的潜力。此外，在各种类型的细胞中确实观察到了年龄依赖性的体细胞突变积累，例如人类的卫星细胞平均每年增加13个体细胞突变。

非细胞自主DDR还会破坏干细胞生态位，促进干细胞衰竭。端粒维持功能失调或SIRT6缺失会导致造血干细胞的生态位依赖缺陷。Notch信号通过MDM2抑制调控肌肉干细胞中p53的水平。随着年龄的增长，生态位维持的减少会促使这些细胞通过激活的有丝分裂障碍而死亡。在线虫中，体细胞生态位细胞也可通过FGF样信号调节生殖干细胞中的DDR，同样在小鼠毛囊干细胞中也观察到类似的p53介导的DDR生态位调节。

因此，通过凋亡、过早分化、细胞静态DNA损伤检查点信号、突变积累和影响干细胞龛的细胞间通讯中DNA损伤驱动的改变，DNA损伤积累越发被认为是衰老过程中干细胞衰竭的驱动因素。

DNA损伤的系统性影响

DNA损伤通过内分泌信号、炎症反应和代谢改变系统地影响机体。

信号机制影响衰老表型

自从发现线虫的胰岛素样信号（ILS）突变可以延长寿命以来，信号转导机制在衰老中的重要性就变得显而易见。因此，一些信号系统已经被证明可以调节包括酵母菌和哺乳动物在内的多种物种的寿命。诸如热量限制之类的干预措施，至少在一定程度上通过抑制信号级联（如ILS）和哺乳动物雷帕霉素靶点（mTOR）途径来发挥它们延缓衰老的作用。相反，炎症信号被认为会促进一系列与年龄相关的疾病。

DDR是一种有力的炎症反应激活剂。这在紫外线诱导的皮肤DNA损伤的反应中很明显，炎症被从皮肤迁移到淋巴结激活调节性T细胞的朗格汉斯细胞触发的全身免疫抑制所抵消。DNA损伤诱导的衰老细胞具有复杂的非细胞自主效应，而这也是衰老细胞降解法旨在抑制的。DNA损伤触发固有免疫反应，在线虫体内调节全身应激信号。在DNA修复缺陷的早衰小鼠中也观察到炎症反应。同时，这些小鼠降低了生长激素（包括ILS）、促甲状腺素和催乳素轴作为一种抵抗衰老反应，类似于热量限制和IGF-1R突变小鼠和长寿侏儒突变小鼠的作用。未修复的转录阻断损伤抑制小鼠和人类细胞中的IGF-1信号，导致应激抵抗作用增强。在秀丽隐杆线虫中，通过激活FOXO转录因子DAF-16， ILS的衰减增强了DNA损伤积累后的组织维护效果。DNA损伤引发的反应和延缓衰老的干预措施之间矛盾的相似性表明，系统性DDR触发了一种生存响应，以抵消DNA损伤的有害后果。

因此，DDR通过影响衰老过程的炎症和内分泌信号成分，对与年龄相关的局部和全身通讯机制的改变发挥多重作用。

Box 2

检测基因损伤的方法

将DNA损伤与衰老联系起来的一个重大挑战仍然是准确测量DNA中各种化学变化的方法上的困难。关键问题是检测DNA损伤生理水平的技术的灵敏度和/或特异性有限，以及在DNA分离和处理过程中出现的人为因素（如氧化）或细胞裂解时DNA代谢反应中断（如拓扑异构酶反应）。大多数损伤只能通过半定量或相对方法，或暴露于大量的基因毒性药物后确定。只有一些损伤类型可以直接识别（但不能绝对量化），通过针对环丁烷嘧啶二聚体、（6-4）光产物或8-氧-2'-脱氧鸟苷结构的损伤特异性抗体或通过COMET试验评估大致的总体DSB和单链断裂情况，且这具有很高的变异性。高效液相色谱结合先进的质谱方法可以检测核苷的特定化学变化。只有少数高灵敏度分析报告了自发氧化DNA损伤的可靠定量，最明显的是8-氧-2'-脱氧鸟苷和环嘌呤损伤。环嘌呤是内源性转录阻断的DNA损伤，在年轻小鼠中密度为2-4/Mbp，在老年小鼠中上升为10-20/Mbp。受损的DNA可以通过长距离PCR间接检测，在衰老组织有丝分裂后的转录组中，大片段基因的转录水平下降导致转向小片段基因的mRNA，或通过基于PCR的，下一代延长RNA聚合酶保护的DNA测序链偏倚检测转录阻断损伤。适应抗体结合或酶修饰的多种特定类型的DNA损伤已可通过高通量测序绘制出来。第三代测序技术正在迅速发展，即使在低数量的DNA中也能检测到特定的DNA修饰。如γH2AX, 53BP1, Rad51这些 DNA修复复合物的形成，其他在DSB位点的修复和信号蛋白，以及DNA损伤诱导复制压力位点的形成也是有用的指标。当复制过程中错误修复或损伤被忽略而导致突变时，测序方法可以用于检测单个细胞中改变的DNA序列。在包括人类在内的多种组织和物种中，体细胞突变在衰老过程中线性增加。然而，目前还缺乏对人类或动物自发DNA损伤总体情况的定量估计。

延缓衰老干预措施影响基因组稳定性

营养干预影响整个动物的衰老和寿命。最初在20世纪30年代，通过老鼠身上观察到，热量限制是最有效的促进健康和寿命的普遍干预措施，在从酵母到哺乳动物的各种物种中皆是如此。人们认为，热量限制通过特定的营养感应途径发挥其延长寿命的作用，包括ILS、Sirtuins和AMP依赖的蛋白激酶（AMPK）调控的mTOR途径。除了上述讨论的DNA修复缺陷早衰小鼠和蠕虫的ILS衰减外，DDR激酶ATM在DNA损伤后磷酸化了ILS - mTOR通路中的几个关键蛋白。

在DNA修复突变小鼠中，热量限制可以显著延缓过早衰老，这可能是通过降低ROS和其他活性化合物的水平，从而降低DNA损伤水平来实现的。营养感知途径中促进长寿的变化也可以刺激DNA自我修复，这表明，在正常衰老过程中观察到的一些健康益处可能是由于改善了基因组维护效果。在体内，雷帕霉素抑制mTOR可以延长寿命，增加DNA修复蛋白O6 -甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶（MGMT）的水平。卡路里限制也会激活SIRT1和AMPK，促进DNA损伤修复和作为表观遗传调节因素的信号传递以及增加NER能力。蛋白激酶AKT是多种营养敏感通路的中枢正调控因子，负调控DNA修复并抑制关键的DDR因子，包括CHK1、TOPBP1和p53。FOXO3A被ILS的减少激活，促进TIP60与ATM的结合，优化DNA损伤后ATM的激活。

综上所述，大量的证据表明，DNA损伤通过阻碍ILS、sirtuins、AMPK和mTOR——这些参与调节模式生物寿命和调控热量限制延缓衰老作用的关键通路，来影响关键的信号机制发挥作用。

DNA损伤作为衰老主要原因的争议

因此，DNA损伤会影响到衰老表型的所有主要方面。一些由DNA损伤引起的生理变化反过来增加基因组的不稳定性，从而放大衰老过程中稳态的恶化。DNA损伤和衰老之间强大的机制联系，以及DNA作为所有细胞功能的主要模板，表明DNA损伤是导致衰老的主要原因之一。然而，至少有三个重要的论点反对这一主张。

首先，如果DNA损伤是衰老过程的核心，那么改善DNA修复效果有望延长寿命——然而，几乎没有证据支持这一预设。DNA损伤包括许多不同的化学改变，其修复依赖于至少七个核心多酶途径和更多包含数百个基因的辅助过程的微妙平衡活动，其中许多有额外的作用。因此，DNA的寿命修复功能一般不能通过简单地上调一个或几个基因的活性来改善。长寿物种的DNA修复已经在特定的选择条件下进化了数百万年，主要是由环境基因有害因子驱动的，如高通量的紫外线辐射或天然化合物。此外，除了DNA修复，细胞系统影响DNA损伤的产生和结果，如代谢、抗氧化防御、细胞死亡，衰老和突变对此也有作用。

第二，对动物或人类组织中自发DNA损伤的可靠量化在技术上是极其困难的，这限制了证明与年龄相关损害细胞功能的损伤增加水平和解释与年龄相关的病理的努力（Box 2）。然而，DNA突变，作为一种DNA错误修复的结果，能够被准确确定并已被证明在在人类和小鼠体内以组织特异方式随着年龄的增长而积累。尽管如此，虽然突变累积无疑会导致癌症，并可能随着年龄的增长而增加癌症风险，但尚不清楚它们的频率是否高到足以解释组织功能的丧失和随着年龄增长而增加的疾病风险。然而，除了引起突变，积累的DNA损伤还会干扰基因的表达和复制，导致复制和转录应激、衰老、功能下降和细胞死亡，这些都是衰老的主要驱动因素（图1）。

第三，也是最近反对以DNA损伤为中心的衰老理论的论点是，在与衰老相关的疾病或极端长寿的全基因组关联研究中出现了少量的DNA修复基因。然而，由于衰老和长寿的遗传复杂性，在一些的研究中发现常见变异的遗传关联不太可能。极端长寿是罕见的，个别与年龄相关的疾病通常涉及与全身性衰老未必相关的基因，如脂蛋白基因。尽管如此，一项对五大类年龄相关性疾病的400多项全基因组关联研究进行的荟萃分析确实确定了基因组维持途径，而且基因组维持也是与自然更年期年龄相关的首要通路。自然更年期的年龄与各种各样的衰老病理密切相关，包括心血管疾病、2型糖尿病和骨质疏松症以及寿命。这些发现与人类和小鼠的观察结果一致，即绝大多数罕见的遗传早衰综合征，即多种真正与衰老相关在生命早期发展的疾病，是由DNA修复基因突变引起的（Box 1）。

因此，鉴于DNA修复过程的绝对复杂性，以及大量的证据表明只有DNA修复功能障碍，而不是蛋白质平衡、抗氧化防御、免疫反应或任何其他生理防御系统，与全身性早衰有关，尽管这3个反对DNA损伤在衰老中发挥主要作用的争论不是完全无效的，但是它们不具说服力。总的来说，证据表明DNA损伤最有可能是衰老的分子驱动因素。DNA损伤和DDR导致广泛的细胞和生理终点，可以解释从功能衰退到炎症和癌症的整个衰老表型图谱（图2）。这种理解并不新鲜:自20世纪40年代以来，人们就知道啮齿类动物暴露在辐射下会表现出多种过早衰老的症状，而DNA损伤是衰老主要原因的假设首次提出是在20世纪60年代。最近，以DNA为靶点的癌症化疗和放疗会导致长期加速的多器官衰老，这些概念强调了过去观察结果的有效性。

自生命起源以来，DNA损伤可能就是衰老的主要原因。当DNA成为遗传物质时，它已经比RNA（遗传信息的最初载体）稳定得多。随着DNA模板长度增加，复制忠实性和修复功能愈加重要。它们甚至在生命的早期进化阶段，以及衰老相关稳态失衡前，就已是抵抗核酸内在不稳定性的先决条件。

未来展望

内源性和外源性DNA损伤随时间积累，逐步阻碍细胞功能，增加对促进衰老的慢性诱发物的易感性。因此，旨在减轻衰老相关疾病的干预措施应以减少DNA损伤和增强DNA修复来恢复基因组完整性为目标。减少外源性DNA损伤，例如通过紫外线防护和避免吸烟，已经被证明可以降低与衰老有关的疾病的风险。饮食干预可能能够控制一些内源性的DNA损伤，但大多数自发损伤仍然不可避免。由于修复机制的复杂性，增强DNA修复一直是一个巨大的挑战。高度损伤特异性光解修复酶是例外，这种酶在许多物种中都有活性，但在哺乳动物中没有。这种酶的异位表达确实足以防止小鼠紫外线诱导的癌变。然而，未来需要更复杂的修复系统来修复广泛的DNA损伤。影响多种DNA修复系统的DNA修复主要调控因子至今仍是未知的，但可能在未来被发现。利用模式生物进行基因筛选可能适用于研究这种增强基因组稳定性的机制。

DNA损伤是衰老的主要诱因，而DNA修复是衰老的主要决定因素，并且DNA修复缺陷可以加速多种衰老相关疾病的发展。基于此，人们在揭示DNA损伤与衰老过程各个方面之间的机制联系中已经取得了巨大的进展。进一步探索DNA损伤对导致衰老病理的主要过程的影响机制，为更深入地解释衰老过程，同时应对与衰老相关的疾病开辟了前景。