经过有限次数的分裂，细胞会停止分裂。随着每轮复制修剪其端粒——染色体末端的保护帽——这些保护帽最终变得太短，无法阻止染色体末端被识别为DNA断裂。因此，细胞会永久性停滞不前，这种现象称为复制衰老。这种依赖端粒的细胞分裂限制防止了早期癌症克隆进展为明显的癌症，并构成了一个强效的肿瘤抑制机制。
最近，一项新的研究 发表在 分子细胞 上，表明复制衰老完全依赖于 ATM激酶，这是一种对DNA断裂作出反应、对维持基因组稳定性至关重要的信号蛋白。
新的发现还解答了一个老问题，即为什么细胞在实验室中使用的高氧条件下比在人体低氧条件下更早停止分裂。研究人员注意到，在氧气水平较高时，ATM变得过度活跃，对DNA断裂作出强烈反应，并降低细胞对短端粒的耐受能力。
“我们的结果阐明了人类细胞通过复制衰老的衰老机制，”细胞生物学和遗传学实验室负责人Titia de Lange说。“这些见解对于理解这一肿瘤抑制机制如何防止癌症至关重要。”
创造合适的条件
通过阻止端粒受损细胞的生长，复制性衰老可以阻止早期癌症细胞继续分裂。当端粒变得非常短，无法招募足够的 TRF2（一种保护端粒的 shelterin 蛋白）时，衰老就会被触发。当 TRF2 不足时，端粒看起来像是 DNA 断裂，激活一系列事件，使细胞分裂停止。
“复制性衰老是一条非常有效的 肿瘤抑制 通路，”de Lange 说。“我们从一些端粒较长的患者身上了解到，这些患者的这一系统并不能正常运作。这些患者在 70 岁之前可能会患上多达五种不同的癌症，这表明在端粒长度正常的人群中，端粒的肿瘤抑制通路能够有效预防许多癌症。”
尽管这个癌症预防程序非常重要，但关于复制性衰老的一些长期问题仍未得到解答。目前尚不清楚哪种 DNA 损伤信号通路实际上负责介导细胞分裂的停止——研究暗示 ATM 和 ATR 可能都参与其中——而一个更大的问题则围绕着氧气的作用。
几十年来，研究人员观察到，在标准实验室条件下（约 20% 的氧气）培养的细胞比在体内较低氧气水平（介于 1% 和 8% 之间）下培养的细胞更早达到衰老。不过，主流的解释认为高氧加速端粒侵蚀的说法已经被排除，这让人对氧气水平如何影响细胞老化的问题感到困惑。
为了理解为什么高氧水平加速细胞衰老，de Lange及其同事追踪了在3%或20%氧气下生长的原代人纤维母细胞的衰老情况。在低氧条件下培养细胞并不容易。在3%氧气下工作意味着即使是普通的任务——移动培养皿、裂解细胞或添加试剂——都必须快速且小心地进行，以免细胞暴露于大气氧气中。
“每当细胞或试剂在特殊的低氧培养箱外时，它们就暴露于20%的氧气中，这可能在几分钟内就会改变分子环境，”亚历山大·斯图尔特（Alexander Stuart）说，他是de Lange实验室的前研究生，现在在哈佛大学担任博士后。“这就意味着你得尽量快地完成所有标准操作，以保持样本尽可能在低氧环境中。”
斯图尔特首先确定ATM在3%和20%氧气下都能单独促进衰老。抑制ATM（或过表达TRF2）使细胞能够超出它们通常的生长极限，而在停滞细胞中阻断ATM信号使它们复活，证明这种停滞是可逆的，并且完全依赖于ATM。
高氧的影响
斯图尔特和de Lange随后发现，高氧加速细胞衰老，是因为它使ATM变得超活跃。进一步的研究表明，在低氧和高氧下生长的细胞之间的寿命差距反映了细胞对非常短的端粒的耐受能力。在3%氧气下，细胞即使端粒变得很短，仍然能继续分裂；它们只有在转移到20%氧气时才会停止，此时ATM变得如此反应性，以至于将这些短端粒视为紧急DNA损伤，并迫使细胞进入衰老。
“我并不认为低氧是延长人类细胞寿命的原因——这只是我们身体的生理状态。相反，问题是：为什么高氧条件会缩短细胞的寿命？然后可以扩展这个问题：为什么高氧条件不是研究衰老的准确系统？”斯图尔特说。“我们现在已经表明，高氧代表了一种超活跃的ATM状态，这导致细胞的分裂次数少于它们自然会经历的次数。”
斯图尔特和德朗格追踪了氧气对ATM的影响，他们发现与ATM相关的分子叫做活性氧种（ROS），而这些分子在低氧条件下反而更为显著。ROS使ATM分子通过称为二硫键的化学桥锁在一起，形成无法响应DNA断裂或衰老端粒的二聚体。在洛克菲勒化学免疫学与蛋白质组学实验室主任叶卡捷琳娜·V·维诺格拉多娃的帮助下，他们确定了ATM中这些二硫键形成的位置，并表明其中一个键对于氧气调节ATM是必需的。
这些发现表明，复制性衰老途径完全由ATM控制，而ATM在高氧条件下的表现则截然不同。这些结果可能对实验室中研究DNA损伤反应的科学家产生直接影响。“在20%氧气下培养的人类细胞进行研究，实际上就是在研究超活跃状态下的ATM激酶，”德朗格说。“我们并不是说每个人都应该转向低氧工作，因为这非常困难，但验证在20%下观察到的现象在3%氧气下是否也成立可能是个好主意。”
与此同时，德朗格的发现对人类疾病也有影响。大多数肿瘤经历的氧气水平抑制了ATM活性，使癌细胞能够耐受本来无法忍受的极短端粒。在这种情况下，专注于恢复ATM功能的疗法可能会迫使脆弱的恶性细胞停止生长。
“端粒缩短代表了一个非常重要的 癌症预防机制，”德朗格说。“我们实验室多年来一直在研究这个系统是如何运作的，我们会继续深入探讨这个过程。”
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