综述：食物和环境基因毒素诱发的细胞衰老

《International Journal of Molecular Sciences》：Cellular Senescence Triggered by Food and Environmental Genotoxins Bernd Kaina, Maja T. Tomicic and Markus Christmann

本文系统综述了食物和环境中的基因毒素（如烟草烟雾、N-亚硝胺、多环芳烃、重金属、真菌毒素等）如何通过诱导DNA损伤，进而激活以ATM/ATR-CHK2/CHK1-p53-p21轴为核心的DNA损伤应答（DDR）通路，最终引发细胞衰老（CSEN）。作者强调，这些外源性基因毒素导致的未修复DNA损伤是驱动细胞衰老和机体老化的重要因素，而衰老细胞分泌的表型（SASP）会促进慢性炎症和多种年龄相关疾病。最后，文章提出减少基因毒素暴露和使用抗衰老疗法（senotherapeutics）是对抗细胞衰老和老化进程的合理策略。

　　

1. 引言

我们的日常生活中充满了各种各样的化学基因毒素/致癌物，它们存在于环境、食品、饮料和生活方式相关的产品（如烟草、酒精、化妆品）中。除了诱导突变和细胞死亡，DNA损伤还会导致另一种重要的细胞命运——细胞衰老（Cellular Senescence, CSEN）。细胞衰老指的是细胞永久性地停止增殖。这种状态可由复制潜力耗尽（复制性衰老）、致癌信号（致癌性衰老）或各种基因毒性化合物（如阳光、辐射、环境与食物中的致癌物）引发。衰老细胞进入一种“休眠”状态，其特征是细胞周期进程持续被抑制、凋亡通路被阻断，并释放炎症介质，形成衰老相关分泌表型（Senescence-Associated Secretory Phenotype, SASP）。

2. 引发细胞衰老的DNA损伤

多种因素会损伤DNA，关键在于激活DNA损伤应答（DNA Damage Response, DDR）。并非所有DNA损伤都有害，但那些能阻断DNA复制的加合物（如由简单烷化剂、紫外线、多环芳烃等诱导的加合物）具有细胞毒性并能触发CSEN。其中，DNA双链断裂（Double-Strand Breaks, DSBs）和永久性阻滞的复制叉是DDR的强力激活因子，而DDR是调控CSEN通路的关键。

许多基因毒素诱导的原发性DNA加合物，本身并不直接触发CSEN，而是在DNA复制过程中，通过核苷酸切除修复（NER）、碱基切除修复（BER）等修复途径产生中间产物，或与复制叉碰撞，最终形成DSBs。例如，烟草特异性亚硝胺产生的O⁶-甲基鸟嘌呤（O⁶-MeG）在DNA复制后，通过错配修复（MMR）处理，会形成DNA缺口和停滞的复制叉，进而转化为DSBs，这才是最终触发DDR、凋亡和CSEN的关键。

3. DNA损伤触发细胞衰老的分子机制

DNA损伤应答是基因毒素诱导细胞周期阻滞和CSEN的核心，其主要通路如图3所示。当DSBs产生时，MRN复合物会与之结合，并招募和激活ATM激酶。ATM随后磷酸化下游数百个靶点，包括检查点激酶2（CHK2）。另一方面，庞大的加合物或脱嘌呤/脱嘧啶位点会阻滞DNA聚合酶，导致复制叉处形成单链DNA，进而招募并激活ATR激酶。ATR的重要磷酸化靶点包括检查点激酶1（CHK1）。

活化的CHK1或CHK2能磷酸化并稳定转录因子p53。p53随后进入细胞核，结合到CDKN1A基因的启动子区，刺激其转录。该基因编码的p21蛋白是细胞周期蛋白依赖性激酶（CDK）的抑制剂。p21通过抑制CDK/细胞周期蛋白复合物，阻止视网膜母细胞瘤蛋白（Rb）的磷酸化，从而使E2F转录因子失活，导致细胞周期停滞。这是CSEN的一个标志。

此外，CDKN2A基因通过不同的启动子编码另外两个重要的CDK抑制剂：p16^INK4A和p14^ARF。p14通过抑制MDM2来稳定p53，从而增强p21介导的反应。p16则直接结合并抑制CDK4和CDK6。p16的诱导发生较晚，通常被认为在长期维持衰老状态中起重要作用，尤其是在复制性和致癌性应激中。

除经典的p53-p21轴外，丝裂原活化蛋白激酶（MAPK，如p38K和JNK）和核因子κB（NF-κB）也是CSEN的核心调节因子。它们作为信号整合器，将应激转化为稳定的衰老表型。NF-κB是介导SASP最重要的转录因子。另外，cGAS/STING通路在CSEN激活中也扮演特定角色。当细胞质中出现来自损伤DNA或破裂微核的双链DNA时，会激活cGAS，进而合成cGAMP，激活STING，最终导致干扰素和NF-κB通路的激活，引发免疫反应。

4. ROS信号与衰老相关分泌表型（SASP）

衰老细胞的特征之一是基因和代谢重编程。一方面，DREAM复合物等广谱基因抑制因子会导致许多基因（包括细胞周期基因和DNA修复基因）下调。另一方面，一些基因被上调，导致衰老相关分泌表型（SASP）的形成。

SASP是CSEN的一个重要特征，它会分泌多种免疫刺激因子，包括促炎性白细胞介素（如IL-6, IL-8）、趋化因子、生长因子和基质金属蛋白酶。SASP与活性氧（ROS）产生的增加和DNA损伤密切相关。ROS的主要来源包括线粒体功能障碍、致癌基因激活以及免疫活性细胞（如单核细胞、巨噬细胞）的爆发。ROS的过度产生可以激活细胞受体（如TNF-R），进而通过TAK1激活转录因子AP1、C/EBPβ和NF-κB，从而介导SASP的激活和维持。

SASP驱动的慢性炎症是衰老细胞威胁周围组织乃至整个机体的关键机制。它能促进肿瘤细胞的增殖、上皮-间质转化（EMT）和体内肿瘤生长。CSEN和SASP驱动的慢性炎症显著促进了许多年龄相关疾病及其他病理状况的发生发展，如代谢和内分泌疾病、动脉粥样硬化、神经退行性疾病、肌少症、癌症以及肺、肾、肝疾病和皮肤老化等。

5. 诱发细胞衰老的环境与食物源性致癌物

鉴于未修复的DNA损伤是触发CSEN的关键，可以合理假设所有基因毒素都能激活CSEN通路。越来越多的研究表明，环境和饮食中的多种致癌物能够诱导CSEN。

烟草烟雾与无烟烟草：香烟烟雾中含有复杂的化学混合物，其中多种是致癌物。研究表明，香烟烟雾能通过触发p53-p21和p16信号通路在肺成纤维细胞和A549细胞中诱导CSEN。即使是香烟侧流烟雾也能在人类皮肤成纤维细胞中诱导CSEN。吸烟加速了小气道上皮的衰老，而慢性阻塞性肺疾病（COPD）和特发性肺纤维化等与吸烟相关的后果也与CSEN有关。烟草烟雾中最重要的致癌物包括多环芳烃（PAHs）、N-亚硝胺、重金属和细颗粒物。

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  多环芳烃（PAHs）：如苯并[a]芘（B[a]P），需经代谢激活为高活性的BPDE，后者与DNA形成加合物，通过激活p53-p21级联反应和DREAM复合物来诱导CSEN。
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  N-亚硝胺：广泛存在于环境和烟草中。虽然直接研究其诱导CSEN的数据有限，但已知其产生的关键加合物O⁶-MeG是凋亡和CSEN的有效诱导剂。在胶质母细胞瘤细胞中，O⁶-MeG、DSBs和p53活化与CSEN水平呈线性增加。
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  重金属：如砷、镉、铬（VI）、镍和钴，均被证明可诱导CSEN，主要涉及p53-p21通路的激活，有些还涉及NF-κB、SIRT1或cGAS-STING通路。
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  细颗粒物：如PM2.5，可深入肺部，在A549肺上皮细胞、HaCaT细胞和人脐静脉内皮细胞（HUVECs）中通过cGAS-STING、NF-κB和ROS信号通路诱导CSEN。

饮食致癌物：

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  杂环胺（HCAs）与丙烯酰胺：HCAs形成于高温烹调的肉类中，但直接诱导CSEN的证据有限。丙烯酰胺形成于高温烹调淀粉类食物，可在小鼠巨噬细胞和人内皮细胞中通过ROS和p38/JNK通路诱导CSEN。
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  红肉与血红素：红肉中的血红素铁能在结肠中催化形成基因毒性物质（如羟基自由基、脂质过氧化产物4-羟基壬烯醛和N-亚硝胺）。4-HNE是已知的CSEN诱导剂。体外研究表明，血红素/血红素蛋白能在低/中剂量下诱导CSEN标记物，高剂量则导致凋亡或铁死亡。
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  霉菌毒素：如黄曲霉毒素B1、赭曲霉毒素A、脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON）、T-2毒素和玉米赤霉烯酮，均在多种细胞模型中显示可诱导CSEN，通常涉及p53/p21和p16/p14通路的激活。
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  植物毒素：如马兜铃酸、吡咯里西啶生物碱（逆没食子碱）和槟榔中的槟榔碱，也被证明能诱导CSEN。
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  藻毒素：如微囊藻毒素和柱孢藻毒素，可激活p53/p21通路并引起细胞周期阻滞，提示其具有诱导CSEN的潜力。

6. 结论

外源性DNA损伤因子列表很长，我们所有人都持续暴露其中。尽管外源性基因毒素诱导多种不同的原发性DNA损伤，但它们会直接或间接地在DNA复制过程中导致DNA断裂（最重要的是DSBs）。这些断裂以及停滞复制叉中的复制和修复中间体会引起DDR的激活，其中CDK抑制蛋白p21和p16是关键要素。衰老细胞具有高程度的DNA损伤，这些损伤会持续激活DDR并引发代谢重编程。因此，CSEN是一种由未修复DNA损伤驱动的代谢状态，而DNA修复则能对抗CSEN。

由于衰老细胞的数量随着年龄增长而在人体内增加，并被认为是衰老的驱动力，因此可以得出结论：环境和食物中的基因毒素不仅影响突变频率和致癌作用，而且还会促进衰老过程本身。鉴于这一点，采取消除衰老细胞或抑制促炎性SASP的措施是可取的。近年来，已发现许多天然的抗衰老药物（senolytics）和衰老形态调节剂（senomorphics），它们可能有助于消除或在功能上限制衰老细胞。考虑到基因毒素触发并最终导致CSEN和衰老的重要性，以及治疗诱导的CSEN在癌症进展和治疗中的新兴作用，在这一不断增长且引人入胜的领域进行深入研究是非常必要的。