輻射、氧化應激、端粒縮短等多種應激環境誘導細胞呈現不可逆的細胞週期停滯狀態，並伴隨p16和p21基因高表達，即為衰老細胞（Senescent cells）[1]。衰老細胞的累積和衰老相關分泌表型 (SASP) 是機體衰老的標誌，也是衰老及其相關多種慢性疾病發生的重要機制。2021年10月，美國康涅狄格大學徐銘課題組報道了一種用於追蹤以及調控體內p21high衰老細胞（高表達p21的一類細胞）的新型p21-Cre轉基因小鼠模型，並以此發現老年小鼠多種器官存在p21high衰老細胞，且特異性清除該衰老細胞可有效延緩機體衰老[2]。此外，該團隊在高脂餵養的肥胖小鼠體內還檢測到明顯的p21high細胞聚集[2]。
胰島素抵抗是二型糖尿病的主要特徵之一，而肥胖是造成胰島素抵抗及二型糖尿病的關鍵誘因。關於p21high衰老細胞是否參與肥胖相關胰島素抵抗的發生，以及是否可以透過藥物靶向清除p21high衰老細胞來改善胰島素抵抗及糖尿病，這兩個問題還有待解答。
北京時間2021年11月23日凌晨0時，徐銘課題組在代謝領域頂級雜誌Cell Metabolism再發長文“Targetingp21Cip1-highly-expressing cells in adipose tissue alleviates insulin resistance in obesity”，揭示了肥胖伴隨的脂肪組織中p21high衰老細胞聚集是其造成胰島素抵抗的重要發生機制，而應用達沙替尼和槲皮素的藥物組合可有效清除人體脂肪組織中的p21high細胞並改善脂肪移植小鼠的代謝功能。
該研究為以p21high細胞作為減輕胰島素抵抗的新型治療靶點提供了重要依據。
研究者首先利用單細胞轉錄組測序，發現高脂餵養兩個月的肥胖小鼠脂肪組織中具有較高水平的p21high細胞，且主要集中於脂肪前體細胞、內皮細胞和巨噬細胞；與此同時，未檢測到明顯的p16high細胞。他們利用前期構建的p21-Cre 轉基因小鼠模型，結合流式細胞術進一步證實了p21high衰老細胞在肥胖小鼠脂肪組織中的分佈。p21high衰老細胞和p16high衰老細胞是兩種常見的衰老細胞類群。研究者隨後分別在基因和蛋白水平驗證了單細胞測序結果，即短期高脂餵養的肥胖小鼠脂肪組織中主要存在p21high衰老細胞的聚集，而非p16high衰老細胞。
肥胖引起脂肪組織擴增和功能紊亂，最終造成胰島素抵抗和二型糖尿病。為了探究p21high衰老細胞是否參與調控肥胖相關的胰島素抵抗，研究者將p21-Cre小鼠與floxed DTA（白喉毒素A片段）小鼠雜交，以特異性清除體內p21high衰老細胞。隨著這些細胞的清除，肥胖小鼠的葡萄糖耐受和胰島素敏感性均能獲得顯著改善。此外，清除p21high衰老細胞後的肥胖小鼠脂肪組織中衰老相關β-半乳糖苷酶活性和端粒DNA損傷均明顯減弱，細胞增殖能力得到有效恢復，SASP表達也有明顯降低。然而，小鼠體重、體脂率、日均食物攝取量和活動量等都未明顯改變，表明清除p21high衰老細胞主要透過減少組織衰老程度而非小鼠飲食活動發揮作用。
圖1. 清除p21high細胞可改善脂肪組織衰老及胰島素抵抗
為了確認造成肥胖小鼠胰島素抵抗的p21high衰老細胞的組織來源，研究者首先利用免疫熒光和生物發光成像技術對肥胖小鼠不同組織進行觀測，他們發現p21high衰老細胞主要分佈於內臟脂肪組織，而肝臟、胰腺、肌肉等組織均不明顯。接下來研究者將肥胖小鼠的內臟脂肪移植至正常小鼠，結果顯示該脂肪移植可引起受體小鼠的胰島素抵抗現象；而清除供體內臟脂肪的p21high衰老細胞則可以顯著改善脂肪移植造成的受體小鼠胰島素抵抗的危害。以上研究提示內臟脂肪組織中p21high衰老細胞是導致肥胖小鼠胰島素抵抗發生的重要機制。
為了闡明p21high衰老細胞參與調控胰島素抵抗發生的潛在機制，研究者在p21high衰老細胞中特異性抑制NF-κB通路。結果顯示抑制NF-κB不會引起p21high衰老細胞比例改變，但脂肪組織SASP表達顯著減少，並且能顯著改善肥胖小鼠的代謝紊亂。
應用Senolytics（一類具有選擇性誘導衰老細胞凋亡的藥物）清除累積的衰老細胞或抑制SASP是目前被認為極具前景的抗衰老策略[3]。為了探究是否可以透過該類藥物靶向p21high衰老細胞來減輕其對機體代謝功能的危害，研究者選取了目前廣泛應用的senolytic藥物達沙替尼（dasatinib, D）和槲皮素（quercetin, Q），分別對肥胖小鼠和人體脂肪進行干預。結果顯示D+Q組合均能顯著降低肥胖小鼠和人體脂肪組織中p21high衰老細胞比例。值得一提的是，研究者將來自肥胖人群的脂肪組織移植到免疫缺陷的小鼠體內以此建立異種移植模型，並利用該模型評價了D+Q對受體小鼠代謝功能的調控作用。他們發現，肥胖人體脂肪組織會導致受體小鼠出現胰島素抵抗現象，而脂肪組織經 D+Q給藥處理後，受體小鼠的胰島素抵抗現象幾乎消除。該結果闡明瞭靶向p21high衰老細胞在改善代謝紊亂中的巨大臨床應用前景。
文章通訊作者徐銘教授認為該人體脂肪組織移植實驗結果令人印象深刻，為日後D+Q臨床試驗奠定了基礎。徐教授強調，關於D+Q對二型糖尿病患者治療效果的臨床測試目前已在籌劃進行中。在D+Q的有效性和安全性被大規模臨床試驗驗證之前，該藥物還不能馬上在臨床上用於治療糖尿病。
圖2. 清除內臟脂肪組織中p21high細胞可有效改善脂肪組織的代謝功能
該文是繼調控自然衰老之後，該團隊對p21high衰老細胞生物學功能的再次探索。以往衰老研究領域較多關注p16high衰老細胞，而本文揭示了肥胖小鼠組織中p21high衰老細胞和p16high衰老細胞為兩種不同的細胞類群，二者在肥胖小鼠體內的組織分佈、聚集時間以及對代謝方面的調控作用均存在差異；相較於p16high衰老細胞，p21high衰老細胞更多更早地參與調控脂肪組織功能障礙，從而造成胰島素抵抗。該研究也為進一步挖掘p21high衰老細胞的特質及其在自然衰老過程中其他各種衰老相關疾病可能發揮的致病作用提供了依據。
美國康涅狄格大學衰老研究中心王麗超博士和王斌生博士為文章共同第一作者，徐銘教授為通訊作者。
徐銘教授團隊主要利用各種小鼠模型以及人體組織樣本，並輔助單細胞測序、蛋白質組學等多組學技術來研究衰老細胞在自然衰老及其相關多種疾病中的作用，包括身體機能下降，糖尿病，老年痴呆與抑鬱症等神經退行性疾病，骨質疏鬆，細菌及病毒感染，關節病，脫髮等。實驗室經費充足，氛圍良好，現開放招聘多個從事衰老細胞研究的博士後職位，誠邀感興趣的朋友加入（詳情請聯絡徐銘教授[email protected]）！
圖3. 本研究主要研究人員。徐銘，王斌生，王麗超（從左至右）
相關論文資訊：
https://doi.org/10.1016/j.cmet.2021.11.002
參考文獻
1. Gasek, N.S., Kuchel, G.A., Kirkland, J.L. et al. Strategies for targeting senescent cells in human disease. Nat Aging 1, 870–879 (2021). https://doi.org/10.1038/s43587-021-00121-8
2. Wang, B., Wang, L., Gasek, N.S. et al. An inducible p21-Cre mouse model to monitor and manipulate p21-highly-expressing senescent cells in vivo. Nat Aging 1, 962–973 (2021). https://doi.org/10.1038/s43587-021-00107-6
3. Xu, M. et al. Senolytics improve physical function and increase lifespan in old age. Nat. Med. 24, 1246–1256 (2018). https://doi.org/10.1038/s41591-018-0092-9
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