Science | 抗衰老新策略！抑制谷氨酰胺分解清除衰老细胞并改善衰老相关症状
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关键词：
Science细胞新策略
资讯来源：BioArt + 订阅账号
发布时间：
2021-01-30
衰老细胞
（senescent cells, SnCs）
累积与年龄相关的病理学改变有关，那么便可通过衰老细胞清除（senolysis）策略加以缓解。然而，由于体内不同组织器官衰老的异质性，导致不同类型SnCs的分子靶点尚未被确定。
一直以来，谷氨酰胺是非必需氨基酸，但细胞培养需要添加大量的谷氨酰胺。谷氨酰胺代谢对细胞来说有非常重要的功能，与氧化还原维持，表观遗传调控和生长息息相关。囿于对谷氨酰胺代谢在疾病和生理条件下的调控机制知之甚少，谷氨酰胺代谢相关药物的应用开展非常缓慢。
近日，来自日本东京大学的Makoto Nakanishi团队在Science杂志上发表了一篇题为“
Senolysis by glutaminolysis inhibition ameliorates various age-associated disorders
”的文章。在这项研究中，作者
开发了一种长期培养高纯度人类SnCs（hSnCs）的方法，确认了人类衰老细胞生存的关键基因，并提出通过抑制谷氨酰胺分解作用来清除体内衰老细胞是一种非常有前景的治疗策略。
为了鉴定清除衰老细胞的分子机制，作者首先开发一种长期培养高纯度人类衰老细胞的方法。通过nutlin3a瞬时激活p53诱导的人成纤维细胞系hHCA2
（此细胞系简称为n-Sen）
显示p16、CD26、IL-6和IL-8的高表达，衰老相关的β-半乳糖苷酶
（SA–β-gal）
呈阳性，且lamin B1和HMGB1表达减少，提示衰老细胞诱导成功。
紧接着，作者发现与未诱导的细胞相比，n-Sen hHCA2细胞中谷氨酰胺酶1
（glutaminase 1, GLS1）
的表达增加。此外，参与谷氨酰胺代谢途径的谷氨酸脱氢酶
（glutamate dehydrogenase, GDH）
、谷氨酰胺合成酶
（glutamine synthetase, GS）
和兴奋性氨基酸转运体3
（excitatory amino acid transporter 3, EAAT3）
的丰度在n-Sen hHCA2和d-Sen
（DNA损伤诱导衰老）
hIMR-90细胞中增加。进一步地，作者通过GLS1缺失及其抑制剂BPTES处理实验发现GLS1对n-Sen、d-Sen hHCA2和癌基因诱导衰老
（oncogene-induced senescent, o-Sen）
的hIMR90细胞的存活至关重要。此外，其他GLS1抑制剂C968和CB839对n-Sen hHCA2存活率有类似的抑制作用。
那么GLS1影响衰老细胞存活能力的机制是什么呢？首先，我们知道谷氨酰胺分解会产生三种重要代谢物，分别是α-酮戊二酸
（α-KG）
、谷胱甘肽
（GSH）
和氨。在培养基中提供二甲基α-KG
（DM-α-KG）
和GSH还原乙酯
（GSH-MEE）
或N-乙酰半胱氨酸
（N-acetyl-cysteine, NAC）
作为半胱氨酸或硫的来源，未能阻止BPTES诱导的n-Sen hHCA2细胞死亡。相反，向培养基中添加氨水并用碱性培养基
（pH8.5）
培养可防止BPTES、C968、CB-839或GLS1缺失引起的n-Sen hHCA2细胞死亡，提示抑制谷氨酰胺分解后SnCs的死亡可能是由于中和细胞内酸中毒失败所致
（见图1）
。而细胞内酸中毒通常是通过激活BCL2和BNIP3和mPTP轴以诱导细胞死亡
【1】
，去除BNIP3或用环孢素A抑制mPTP可降低BPTE等引起的 n-Sen hHCA2细胞死亡率也再次证明了上述观点。
溶酶体中的不溶性大分子能够损伤溶酶体膜引起H+泄漏，进而导致细胞发生酸中毒
【2】
，而n-Sen hHCA2细胞的溶酶体pH值较高，提示可能存在溶酶体内H+泄漏。有趣的是，d-Sen hHCA2细胞的mRNA和蛋白质合成均高于未诱导细胞，且ProteoStat染色显示n-Sen hHCA2细胞的溶酶体中存在许多聚集体。如果删除TBP1或RPL24来抑制RNA或蛋白质合成，减少蛋白质聚集，可以逐步改善溶酶体膜损伤和酸中毒程度，并在BPTES存在下提高n-Sen hHCA2细胞的存活率。然而，SnCs中RNA和蛋白质高合成率的机制仍然是难以捉摸的。
接下来，作者通过RNA-seq发现肾型谷氨酰胺酶
（kidney-type glutaminase, KGA）
转录本的数量与衰老相关。结合观察到的LLOMe引起的溶酶体膜损伤能够诱导KGA的表达，并增加了BPTES存在时的衰老细胞死亡率，以及在碱性条件下
（pH8.5）
，LLOMe对KGA的诱导减少，而在酸性条件下
（pH6.2）
可增加未诱导的hHCA2细胞中KGA的表达等现象，提示SnCs主要通过溶酶体膜损伤介导的酸中毒在体内表达KGA，由此产生的增强的谷氨酰胺分解诱导氨的产生，中和了较低的pH值，从而提高了衰老细胞的存活率。
最后，作者研究了老年雄鼠服用BPTES对器官功能障碍的影响。BPTES给药可改善与年龄相关的肾小球硬化、肾内巨噬细胞侵袭和肾功能不全，减轻脂肪组织萎缩和巨噬细胞侵袭，以及与年龄相关的握力无力、短悬耐力等自然衰老的特征。与衰老表型的病理生理学改善相一致，BPTES可以降低所有受试组织中p16、KGA和IL-6转录物和KGA蛋白的表达。据报道，用抗衰老药物靶向SnCs可减轻肥胖引起的疾病
【3】
，有趣的是BPTES给药可以改善肥胖小鼠的葡萄糖耐量和胰岛素敏感性，且体内的动脉粥样硬化情况得到缓解。
溶酶体失调被认为是衰老的标志之一，控制蛋白质质量和数量的机制在体内和体外衰老的调节中起着关键作用，但未折叠蛋白质的积累究竟如何导致细胞和体内的衰老表型仍是未解之谜。总的来说，
这项研究提供了深入了解蛋白质质量控制和体内衰老之间关系的机制，开发了一种针对SnCs特定代谢特征的衰老细胞消除策略，消除老年个体内的SnCs和通过抑制谷氨酰胺分解来防止衰老，可以改善组织微炎症，预防与年龄相关的疾病，甚至可以延长寿命并使衰老个体恢复活力。
https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.abb5916
1. C. Vande Velde et al., Mol. Cell. Biol. 20, 5454–5468 (2000).
2. M. L. Skowyra, P. H. Schlesinger, T. V. Naismith, P. I. Hanson, Science 360, eaar5078 (2018).
3. A. K. Palmer et al., Aging Cell 18, e12950 (2019).
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