生物体衰老与复制衰老――体内与体外研究
生物体衰老是一复杂的、具有不同器官和系统的数不清的一系列特定变化的过程。生物体作为整体衰老过程的研究有一些难以克服的障碍,这不仅包括衰老本身的复杂性而且也包括与不同个体相联系的广泛的异质性。此外,要将正常的衰老与生命过程中的疾病效应相区分确实存在很大困难。因此,体外培养传代的人类细胞是一个简化的,在控制条件下具有吸引力的机体衰老研究模型。
自1907年Harrison首创组织培养法以来,体外细胞培养很快被用于衰老的研究。1961年,Hayflick及Moorhead证明了体外培养的人类正常成纤维细胞的寿命是有限的。4年后,Hayflick[1]发现,连续培养的人二倍体细胞株,经过一段旺盛繁殖期(一般不超过1年)后,即出现形态变化,停止有丝分裂,直至死亡。Hayflick将这种正常人体细胞在体外分裂潜能受限制的现象称为细胞衰老,或者更准确地说,复制衰老。正常细胞在体外培养中不能无限分裂的现象提示:复制衰老可能是生物体生命周期在细胞水平的重演。也就是说,体外细胞培养中的复制衰老可以反映体内衰老发生的过程。
成纤维细胞及成纤维样细胞进行体外培养时,其典型的生活史是:经历一段快速增殖期和一定次数的群体倍增后,进入增殖活力下降期,最后成为一个不能对生长因子作出增殖反应的细胞群[2]。它们虽然丧失了DNA合成能力,不能增殖,但仍保持代谢活性。在增殖活力下降期内,细胞获得了新的性状,与老年生物体内的细胞相似,称为衰老细胞。衰老细胞在培养时逐渐积聚,即使非常年轻的培养细胞群也总是含有比例很小的少数衰老细胞。此衰老细胞在培养细胞群的整个生命期中百分比逐渐增大,直至所有细胞均进入衰老状态[3]。复制衰老发生的基础是培养细胞群体倍增的次数,而不是培养时间。它是细胞分裂而不是时间的结果。复制衰老发生时的群体倍增次数取决于细胞供体的种属、年龄和遗传背景。
一、复制衰老的普遍性
大多数生物学家认为复制衰老现象不是细胞培养的人为产物。除了最早发现的人类二倍体成纤维细胞,现知许多其他类型的人类细胞也存在复制衰老现象,如表皮角质细胞,平滑肌细胞,晶状体上皮细胞,神经胶质细胞,内皮细胞,T淋巴细胞以及肾上腺皮质细胞[4],其他种属来源的成纤维细胞也可见到这一现象。因此,任何牵涉以上细胞类型增殖稳态改变的因素均能影响其生理性衰老,并与衰老相关病理学相联系。事实上,已发现免疫系统功能随年龄增加而下降的原因是T细胞增殖反应能力的下降或丧失[4]。
高等生物子代细胞可从母代细胞继承“复制年龄”,细胞培养传代引起的衰老细胞由此不断积聚直至细胞全部衰老。而某些单细胞生物则与此不同,如啤酒酵母,其子代细胞并不严格继承母代细胞的复制年龄。啤酒酵母的子代细胞与母代细胞易于区分,就单个细胞而言它也发生衰老,但在群体水平上则表现为永生化。除啤酒酵母外,目前尚未在其它种属来源的细胞培养中发现这样的细胞,即它们发生衰老但不将复制年龄遗传给子代细胞[5]。现认为,可分裂的细胞除极少数例外,均发生复制衰老。高等哺乳类动物,可能只有2～3种细胞具有不受限制的分裂潜能。生殖细胞是其中一种。虽然生物的每一个体注定都要衰老死亡,但它们可以通过生殖细胞系的无限复制达到永生。另一种是肿瘤细胞,大多数肿瘤细胞也是无限复制永生化的。因此,复制衰老除被认为是生物体衰老在细胞水平上的表现外,还被认为可能是体内的一种肿瘤抑制机制。此外,各种组织中的干细胞,例如造血干细胞,可能也是一种无限复制永生化的细胞。
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