作者：黄必录

1 为什么衰老问题至今仍未得到解决？

关于解释我们为什么会衰老的理论有上百种，但至今没有一种理论并根据该理论提出的干预措施能够显著延长小鼠寿命［https://www.sciltp.com/journals/alr/articles/2603003511］。

2 现行衰老理论的局限性

很多衰老理论看起来有点道理，但却经不起验证，例如，衰老的自由基理论认为，大分子会受到ROS攻击而失去活性，从而导致衰老；代谢废物积累理论认为，很难降解的脂褐素等细胞垃圾积累到一定水平就会导致细胞和个体衰老；线粒体DNA和细胞核DNA突变积累理论认为，这些突变的DNA积累多了就会导致衰老。然而，抗氧化剂能清除自由基、减少脂褐素水平和DNA突变负荷，却没能显著延长小鼠寿命。作为抗氧化剂的a-硫辛酸反而显著缩短了小鼠的中位数寿命［doi: 10.3233/JAD-2012-120130.］；衰老的表观遗传理论认为，表观遗传信息丢失和紊乱会导致衰老，然而，通过表观遗传的部分重编程，却没能延长野生型小鼠寿命［doi: 10.1016/j.cell.2016.11.052. ］。

3 Telomere DNA and ribosomal DNA co-regulation model for cell senescence（TRCS）

组成个体中的组织细胞分为二大类：终末分化细胞和占比例很少的成体干细胞。这二类细胞都会因为细胞衰老、基因突变或病毒感染等因素而被免疫系统清除掉，然后由成体干细胞通过自我复制和细胞分化进行更新。但是，成体干细胞的复制次数是有限的，而且每复制一次，子细胞就会比母细胞更老一些，称“复制性衰老”。因此，导致个体衰老的原因，归根结底就是成体干细胞的复制性衰老（图1）。那么，细胞为什么会衰老？

衰老理论大致分两派，损伤积累（熵增）理论和程序化理论。但是，从个体的生命历程和细胞的复制性衰老都表明，衰老的本质就是一种程序。

如果衰老是由程序控制的，那么，必须要有一个倒计时器来驱动程序运行。细胞的复制性衰老认为，端粒就是控制细胞复制次数的倒计时器。

然而，有些物种或同一物种的不同细胞，端粒不会缩短，细胞复制次数仍然是有限的，并且用端粒酶保持较长端粒，细胞最终还是停止了复制。因此，除了端粒，细胞核中应该还有另一种倒计时器。于是提出了细胞衰老的TRCS模型（图2）［https://doi.org/10.13276/j.issn.1674-8913.2021.03.003 (in Chinese)］。

在TRCS中，多拷贝的串联重复的端粒DNA和rDNA，就是作为倒计时器（元件）中的倒计时物质（相当于沙漏计时器中的沙子），因此，TRCS认为，随着端粒和/或rDNA阵列的持续缩短，肿瘤抑制蛋白p53水平就会沿着时间轴产生“浓度梯度，由于p53会与很多种基因的启动子和增强子结合，从而导致ATP和蛋白质的合成速率随着时间轴持续下调，同时有些基因表达被特导性上调，另一些基因表达被特异性下调（衰老的造血干细胞就有1500个基因上调和下调），以此驱动基因进行程序化表达，使细胞从年轻状态逐步进入衰老状态［https://doi.org/10.13276/j.issn.1674-8913.2021.03.003 (in Chinese)，doi: 10.14336/AD.2025.0541.］。

4 TRCS对各种衰老标志的解释

在TRCS中，端粒DNA和rDNA阵列缩短就是导致细胞衰老的上游，p53是上下游之间的介导者，细胞衰老的各种结果是倒计时元件通过p53介导的下游事件。

以著名的衰老的十一大标志为例［doi: 10.1016/j.cell.2022.11.001. 、doi:10.14336/AD.2025.0541］：

1 基因组不稳定：p53会结合到dnmt1基因的启动子上抑制DNMT1表达，从而降低了异染色质区域DNA的甲基化水平，导致“异染色质丢失“和基因组不稳定性。

2表观遗传改变：p53会结合到dnmt1基因的启动子上抑制DNMT1表达，从而介导表观遗传改变。

3 蛋白质稳态丧失：热休克蛋白HSP70的基因表达水平下降是导致蛋白质稳态的丧失的主要原因，而p53能够结合到SIRT1基因的启动子上，从而抑制SIRT1的转录。SIRT1会促进热休克蛋白HSP70的转录。因此，p53水平上调会抑制SIRT1基因表达，从而下调HSP70水平，导致蛋白质稳态丧失。

4 大自噬失能：细胞质中的p53（而非核内p53）能够抑制基础自噬水平［doi: 10.1038/ncb1730. ］。

5 营养感应失调：过氧化物酶体增殖物激活受体-γ共激活因子-1α（PGC-1α）是一个关键的转录因子，在葡萄糖稳态中发挥作用，对能量平衡、糖尿病基本途径有很大的影响，在衰老过程中，PGC-1α水平下降从而导致健康问题。p53会直接结合在PGC-1α和PGC-1β基因的启动子上抑制PGC-1α和PGC-1β表达，［doi: 10.1038/nature09787.］，因此，老年小鼠在空腹下无法维持血浆葡萄糖水平。

6 线粒体功能障碍：p53会直接结合在PGC-1α和PGC-1β基因的启动子上抑制PGC-1α和PGC-1β表达，导致线粒体ATP产量下降［doi: 10.1038/nature09787.］。

7 细胞衰老：细胞衰老的主要表现是总蛋白质和ATP的合成速率下降，而p53能与组蛋白去乙酰化酶基因HDAC2的启动子结合而促进HDAC2转录［doi: 10.3748/wjg.v21.i1.84.］，HDAC2能够使组蛋白去乙酰化，让组蛋白与DNA结合的更紧密，从而下调总蛋白质合成速率。p53会直接结合在PGC-1α和PGC-1β基因的启动子上抑制PGC-1α和PGC-1β表达，导致线粒体ATP产量下降［doi: 10.1038/nature09787.］。

衰老的细胞会产生一组炎症因子或称为衰老相关分泌表型（SASP），而p53会激活下游基因p21，然后P21会通过降低Rb的磷酸化促进SASP的产生[doi: 10.1126/science.abb3420. ]。p53会结合在炎症因子IL-22基因的启动子促进IL-22基因转录［doi: 10.1038/s41590-021-01031-y.］。p53能诱导理应被沉默的重复元件内源性逆转录病毒（ERV）的表达引发炎症［doi: 10.1158/2159-8290.CD-20-1741.］。

8 干细胞耗竭：干细胞耗竭并不是指干细胞数量的减少，而是干细胞本身功能的下降，也就干细胞衰老。这是由p53水平上升导致的总蛋白和ATP合成速率下降，同时有些基因表达特异性上调，有些基因表达特异性下调导致的。

9 细胞间通讯改变：随着倒计时物质的不断消耗，p53水平就会沿着时间轴产生浓度梯度，因此，不同年龄有着不同的基因表达谱，例如，衰老的造血干细胞就有1500个基因上调和下调［doi: 10.1016/j.exger.2009.12.010.］，因此，各种通讯分子的受体与配体的数量和活性也会随着年龄的增长而改变，结果导致了细胞间通讯改变。

10 慢性炎症：衰老伴随着慢性低度炎症的增加。而p53会结合在炎症因子IL-22基因的启动子促进IL-22基因转录［doi: 10.1038/s41590-021-01031-y.］。p53能诱导理应被沉默的重复元件内源性逆转录病毒（ERV）的表达引发炎症［doi: 10.1158/2159-8290.CD-20-1741.］。mtDNA释放到细胞质后，可被DNA感受器cGAS识别，激活STING信号通路，诱导I型干扰素反应和炎症反应 ​。而p53作为转录因子，上调促凋亡蛋白BAX、PUMA、NOXA等的表达。BAX寡聚化并转位至线粒体外膜，形成孔道，促进mtDNA释放到细胞质［doi: 10.3390/cancers11020260.］。p53可直接转位至线粒体膜，与BCL-2家族蛋白（如BCL-xL、BCL-2）相互作用，解除其对BAX/BAK的抑制，促进线粒体外膜孔道形成，导致mtDNA泄漏［doi: 10.3390/biom15081088.］。

11 生态失调：肠道分泌物特别是胆汁酸是决定微生物群丰度，多样性和代谢活性的重要决定因素。而p53通过调控小异二聚体伴侣（SHP）来调节胆汁酸合成，进而影响胆汁酸稳态。p53通过其反应元件抑制胆汁酸合成酶CYP7A1和CYP8B1的表达［doi: 10.1073/pnas.1019678108.］。p53可以显著上调参与胆汁酸羟化（如CYP3A11和CYP2B10）和磺化（如SULT2A1）的酶基因表达，同时促进胆汁酸外排转运蛋白（如ABCC2、ABCC3和ABCC4）的表达［doi: 10.1111/bph.14035.］。

5 TRCS的可检验预测

1 如果TRCS是正确的，那么，在体细胞中消耗掉的端粒DNA和rDNA，在生殖细胞或胚胎的早期细胞中必须要回补，否则，生命无法进行世代轮回。幸运的是，已有证据表明，在体细胞中消耗掉的端粒DNA和rDNA，可以在胚胎早期细胞或生殖细胞中得到补充［doi: 10.1038/ncb1664. ，doi: 10.7554/eLife.32421.］。

2 胚胎干细胞（ESc）就是生殖细胞，诱导性多能干细（iPSC）是人工ESC，因此，它们的端粒和rDNA阵列必须要显著延长。2009年，Marion等人首次发现，体细胞重编程为iPSC端粒会显著延长［doi: 10.1016/j.stem.2008.12.010.］。我们检测也发现，hESC和hiPSC的返老还童机制不是因为表观遗传重编程，而是因为端粒DNA阵列和45S rDNA阵列的长度都显著增加了（未发表）。

3 芽殖酵母的母细胞随着每次分裂而逐渐发生复制性衰老，这是由rDNA阵列缩短导致的［doi:10.1073/pnas.2119593119. ］，并最终在约20次的分裂后死亡。而子代(芽)细胞可以通过减数分裂再次延长rDNA阵列。

4 TRCS认为，端粒和/或rDNA阵列缩短，会导致衰老主控因子p53水平上调，从而使细胞进入衰老状态。幸运的是，p53定位在亚端粒和rDNA区域［doi:10.15252/embj.201490880. ，doi: 10.1242/jcs.062398. ］。并且端粒缩短也会导致p53上调［doi:10.1093/emboj/cdg013.］。我们通过敲低小鼠和人类原代细胞中的 45S rDNA拷贝数也发现：衰老标志物p53、p21、p16和SA-β-GAL都按照预期显著上调，端粒长度、细胞活力和细胞传代次数都显著减少（未发表）。

5 增加衰老细胞的端粒和rDNA阵列的长度的回补实验，p53、p21、p16和SA-β-GAL必须都会显著下调，同时细胞活力和细胞传代次数必须显著增加。1998年，Bodnar等人和2015年，Ramunas等人分别把hTERT基因和hTERT mRNA转染细胞，发现端粒长度增加，衰老标志物含量减少，细胞出现年轻的状态，同时细胞传代次数也显著增加［doi: 10.1126/science.279.5349.349.，doi: 10.1096/fj.14-259531.］，这是已知最有效的干预措施。如果能够同时显著延长端粒和rDNA阵列，细胞可能会彻底返老还童。

6 由于端粒DNA和rDNA是多拷贝的串联重复序列，本来稳定性很差，在转录或复制时需要剥离掉组蛋白，裸露出DNA，并解开DNA双链，此时很容易受到各种因素的损伤和干扰而导致拷贝的丢失［doi: 10.1126/sciadv.1600031.，doi:10.1126/science.1147182. ］，因此，从第一性原理来看，很多抗衰老药或促衰老因素可能也是通过抑制或促进端粒和rDNA转录，从而减缓或促进端粒和rDNA拷贝数丢失来延长或缩短寿命的，依据如下：

热量限制（CR）和雷帕霉素能通过抑制mTOR1来抑制核仁区的45S rDNA转录［doi:10.1038/nrc.2018.3.，doi: 10.1093/nar/gkq895］；亚精胺可显著下调细胞内mTORC1的活性，从而抑制rDNA转录［https://doi.org/10.1360/TB-2024-0037.］；RPL22可以通过破坏核仁区域异染色质结构，促进了45S rDNA转录并引发细胞衰老［doi:10.1093/nar/gkae740.］；4EBP1基因敲除小鼠激活了mTORC1，促进45S rDNA转录，使小鼠的心脏衰老加速［doi:10.1007/s11357-024-01368-w. ］；少吃能长寿是有依据的，过量进食的果蝇会过度刺激mTOR1，从而加速45S rDNA阵列缩短［doi: 10.1371/journal.pgen.1005148.］；小鼠造血干细胞中的45S rDNA阵列会随着mTOR1的激活而缩短［doi:10.1371/journal.pgen.1006771.］；IL-11会上调ERK-AMPK-mTORC1轴，随着小鼠年龄的增长会上调IL-11，用抗体抑制IL-11能够延长小鼠寿命［doi:10.1038/s41586-024-07701-9.］。

SIRTs是属于抗衰老蛋白。SIRT6会结合在端粒上，维持端粒稳定性［doi:10.1093/nar/gkw1239.］。SIRT7 定位于核仁，直接结合rDNA、RNA聚合酶I（Pol I） 及转录因子 UBF，促进转录起始复合物组装和rDNA转录，同时SIRT7 通过招募 SIRT1、DNMT1、NoRC，促进异染色质形成，维持rDNA稳定性，因此，SIRT1、SIRT6和SIRT7可以通过稳定端粒和rDNA，从而减缓端粒和rDNA阵列的缩短速率［doi:10.1152/physrev.00045.2021.］。

6 TRCS的局限性

目前来说，还缺乏对TRCS的全面验证，我们需要做从植物到线虫到人类等物种细胞衰老过程rDNA拷贝数变化的检测。以及这些物种生殖细胞减数分裂后端粒和rDNA重建。

缺乏对人类rDNA缩短的大规模纵向测量和单细胞分辨率数据。端粒缩短与rDNA补偿的关系尚不清楚，生殖细胞端粒和rDNA回补机制有待进一步研究。

缺乏通过回补实验验证增加端粒和rDNA阵列对细胞和个体的衰老指标和寿命影响的全面验证。

希望全世界科学家共同验证TRCS，为早日实现人类健康长寿作贡献。

支持单位：