细胞衰老（Cellular senescence）是发生在正常细胞和肿瘤细胞中的一个生理过程，包括增殖停滞和一种特殊分泌表型的激活，称为衰老相关分泌表型 (senescence-associated secretory phenotype，SASP)。近年对SASP进行的蛋白质组学分析鉴定出了人体内存在多种不同的SASP效应物，且能作为可溶分子或随外泌体释放至胞外空间[2]。消除衰老细胞或抑制SASP表现出对多种疾病的潜在抑制作用。

衰老的发生发展伴随着基因表达的广泛变化，这是一个主要受表观遗传调控的动态过程。事实上，衰老细胞的特征通常是染色质重塑、组蛋白翻译后修饰（PTM）、DNA甲基化和非编码RNA表达的改变。然而，表观遗传变化、细胞衰老和衰老特异表型之间的生物学联系仍然不清楚。

2021年5月13日，国际专业学术期刊Nature Aging发表中国科学院上海营养与健康研究所孙宇团队题为KDM4 orchestrates epigenomic remodeling of senescent cells and potentiates the senescence-associated secretory phenotype的最新成果。研究运用定量蛋白质组学、组蛋白修饰鉴定等表观遗传学方法，报道了衰老过程中细胞组蛋白修饰的普遍特征，并揭示了组蛋白H3特异性去甲基酶KDM4是衰老相关的分泌表型（SASP）的关键调节因子。中国科学院上海营养与健康研究所张博逸博士为论文的第一作者，孙宇研究员和滨州医学院付强教授为论文的共同通讯作者。景杰生物为该研究的蛋白质组学定量和组蛋白修饰鉴定提供了技术支持。

值得一提的是，Nature Aging期刊同期配发了题为“Epiregulation of the SASP makes good neighbors”的专题评论（news & Views），阐述了衰老的基质细胞激活KDM4介导的表观遗传程序，控制着衰老相关的分泌表型，并且可以增强对化疗的反应，为将来衰老生物学和老年医学的深入解析与准确干预提供了关键线索。

为了在蛋白质水平上建立衰老细胞的无偏表观遗传图谱，研究人员运用SILAC标记蛋白质组学定量方法（质谱策略），来分析博来霉素（BLEO）诱导的衰老细胞（SEN）（样本策略）。研究检测到732种细胞内蛋白，其中447个可定量。差异表达蛋白质中，87个在SEN细胞中显著增加，29个在SEN细胞中显著减少。尤其值得关注的是，H3K27和H3K36这两个位点三甲基化和二甲基化水平同步降低。

图  组蛋白H3赖氨酸位点在细胞衰老时发生表观遗传修饰

由于组蛋白PTM可以改变染色质的结构，并参与衰老细胞相关表型的表观遗传调控，研究人员探讨了组蛋白H3位点系统性或一般性变化的可能性，以及它们是否是细胞衰老过程中特定后果的原因。全转录组测序结果表明，组蛋白H3特异性去甲基酶KDM4在细胞衰老过程中呈现普遍上调趋势，伴随H3K9/H3K36甲基化降低，其中A和B两个成员最具显著性。临床数据分析发现，KDM4上调和H3K9/H3K36甲基化降低与癌症患者化疗后的不良生存率相关。有趣的是，研究发现KDM4A/B在功能上调节SASP而不影响衰老（其他组蛋白甲基转移酶SUV39H1和SETD2也一样）。因此研究人员推测染色质组蛋白H3.2某些位点的表观遗传修饰，特别是H3K9和H3K36的三甲基化，具有抑制分泌体强度的潜力，同时维持衰老细胞的细胞周期阻滞。

图  KDM4在细胞衰老过程表达上调

鉴于KDM4A/B在SASP发生发展中的关键作用，研究以KDM4小分子抑制剂ML324处理，探讨了以KDM4A/B的去甲基酶活性为靶点是否能有效地控制衰老细胞中的SASP。细胞与动物实验的结果表明选择性靶向KDM4可显著抑制衰老间质细胞的SASP，并且能降低DNA损伤背景下肿瘤微环境的活化程度，促进癌细胞凋亡，延长实验动物的总生存期。GO分析表明，ML324抑制的主要途径和生物学过程与细胞外分泌、NF-κB信号传导、受体酪氨酸磷酸化和MAPK级联有关，通常是典型SASP因子的特征性活动。

图  细胞衰老中表观基因组重编程和KDM4介导的H3K9/H3K36调控工作模型

总体而言，该研究分析了诱导衰老后肿瘤相关成纤维细胞的组蛋白修饰，发现KDM4，一个优先针对组蛋白H3K9和H3K36的H3去甲基化酶家族，参与了衰老肿瘤基质细胞中SASP的表观遗传调控。研究首次揭示了人类细胞在衰老过程中出现的组蛋白H3位点表观修饰的生物学意义，并提出靶向肿瘤基质细胞的SASP，是调控细胞衰老和包括癌症在内的年龄相关疾病的新的治疗方法。

参考文献