细胞衰老机制分析解决方案

细胞衰老 (Cellular senescence) 是随着时间的推移或面临外界应激压力时，细胞的正常生理功能和增殖能力发生逐渐地衰退，从而脱离细胞周期的过程。细胞衰老的细胞形态变得扁平，整个细胞的胞体和细胞核的体积会变大，细胞质内出现的颗粒明显增加；细胞周期阻滞和端粒缩短。衰老细胞表现出以下四个相互依赖的特征：(1) 细胞周期阻滞，(2) 大分子损伤，(3) 分泌表型 (SASP)，(4) 代谢失调^[1]。

细胞衰老的检测指标包括：

1. β-半乳糖苷酶 (β-gal) 活性升高
当细胞发生衰老时，β-gal 在 pH6.0 时，表现出高的酶活性。衰老细胞可以在 β-gal 的作用下，将底物转变为深蓝色的产物，在光学显微镜下即可观察。
β-gal 常见底物：X-GAL、Rose-β-D-Gal、SPiDER-βGal-2

2. 核纤层蛋白 B1 (Lamin B1) 表达量下调
核纤层蛋白家族重要成员之一，其主要功能在于维持细胞核骨架完整性，并通过影响染色体分布、基因表达及 DNA 损伤修复等参与细胞的增殖和衰老，其表达量的下调是细胞衰老的另一个重要特征。

3. DNA 损伤
DNA 损伤激活了 DNA 损伤反应 (DDR) 的信号级联，其特征是磷酸化组蛋白 H2AX (γ-H2AX)，53BP1 和 MDC1，ATM 和 ATR 以及下游激酶 CHK2 和 CHK1。信号最终汇聚在 p53 的激活上，磷酸化 p53 将会激活周期素依赖性激酶抑制剂 (CDKI)，最终导致细胞周期停滞。

           

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4. 细胞周期阻滞
细胞衰老最基本的特征之一，就是细胞长久地处于细胞周期的阻滞现象或者永久退出细胞周期。检测细胞周期阻滞的方法有很多。例如，通过检测 Ki67 反应细胞的增殖状态；通过 Brdu 渗入实验检测细胞内 DNA 的复制合成情况，或者通过流式细胞术结合 PI 染色的方法检测细胞在不同细胞周期内的分布情况等。
细胞周期阻滞相关信号通路由 p53-p21 和 p16INK4A-pRb 肿瘤抑制基因通路所介导。（1）p16INK4A-pRb，p16 是 INK4 家族的成员，它与 CDK4 和 CDK6 作用使细胞周期停滞在 G1 期；（2）p53-p21，p53 是一种重要的肿瘤抑制基因，而 p21 是 p53 的下游基因。p21 通过在结合 CDK2 时阻断细胞周期进入 G1/S 期从而起到细胞周期抑制的作用。

             

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5. 衰老相关分泌表型 (SASP)
衰老细胞会分泌大量的因子，包括促炎细胞因子 (IL-1β、IL-1β、IL-6 和 IL-8) 和趋化因子 (如 CXCL-1/3 和 CXCL-10)、生长因子 (如 HGF、TGF-β;和 GM-CSF) 和基质金属蛋白酶等，统称为衰老相关分泌表型 SASP。SASP 持续存在可能会产生慢性炎症，并导致与衰老相关的疾病，甚至会引发癌症。

References：

[1] Gorgoulis V, et al. Cellular Senescence: Defining a Path Forward. Cell. 2019 Oct 31;179(4):813-827.
[2] Di Micco R, et al. Cellular senescence in ageing: from mechanisms to therapeutic opportunities. Nat Rev Mol Cell Biol. 2021 Feb;22(2):75-95.
[3] Fujita K. p53 Isoforms in Cellular Senescence- and Ageing-Associated Biological and Physiological Functions. Int J Mol Sci. 2019 Nov 29;20(23):6023.