辐射、氧化应激、端粒缩短等多种应激环境诱导细胞呈现不可逆的细胞周期停滞状态，并伴随p16和p21基因高表达，即为衰老细胞（Senescent cells）[1]。衰老细胞的累积和衰老相关分泌表型 (SASP) 是机体衰老的标志，也是衰老及其相关多种慢性疾病发生的重要机制。2021年10月，美国康涅狄格大学徐铭课题组报道了一种用于追踪以及调控体内p21high衰老细胞（高表达p21的一类细胞）的新型p21-Cre转基因小鼠模型，并以此发现老年小鼠多种器官存在p21high衰老细胞，且特异性清除该衰老细胞可有效延缓机体衰老[2]。此外，该团队在高脂喂养的肥胖小鼠体内还检测到明显的p21high细胞聚集[2]。
胰岛素抵抗是二型糖尿病的主要特征之一，而肥胖是造成胰岛素抵抗及二型糖尿病的关键诱因。关于p21high衰老细胞是否参与肥胖相关胰岛素抵抗的发生，以及是否可以通过药物靶向清除p21high衰老细胞来改善胰岛素抵抗及糖尿病，这两个问题还有待解答。
北京时间2021年11月23日凌晨0时，徐铭课题组在代谢领域顶级杂志Cell Metabolism再发长文“Targeting p21Cip1-highly-expressing cells in adipose tissue alleviates insulin resistance in obesity”，揭示了肥胖伴随的脂肪组织中p21high衰老细胞聚集是其造成胰岛素抵抗的重要发生机制，而应用达沙替尼和槲皮素的药物组合可有效清除人体脂肪组织中的p21high细胞并改善脂肪移植小鼠的代谢功能。
该研究为以p21high细胞作为减轻胰岛素抵抗的新型治疗靶点提供了重要依据。
研究者首先利用单细胞转录组测序，发现高脂喂养两个月的肥胖小鼠脂肪组织中具有较高水平的p21high细胞，且主要集中于脂肪前体细胞、内皮细胞和巨噬细胞；与此同时，未检测到明显的p16high细胞。他们利用前期构建的p21-Cre 转基因小鼠模型，结合流式细胞术进一步证实了p21high衰老细胞在肥胖小鼠脂肪组织中的分布。p21high衰老细胞和p16high衰老细胞是两种常见的衰老细胞类群。研究者随后分别在基因和蛋白水平验证了单细胞测序结果，即短期高脂喂养的肥胖小鼠脂肪组织中主要存在p21high衰老细胞的聚集，而非p16high衰老细胞。
肥胖引起脂肪组织扩增和功能紊乱，最终造成胰岛素抵抗和二型糖尿病。为了探究p21high衰老细胞是否参与调控肥胖相关的胰岛素抵抗，研究者将p21-Cre小鼠与floxed DTA（白喉毒素A片段）小鼠杂交，以特异性清除体内p21high衰老细胞。随着这些细胞的清除，肥胖小鼠的葡萄糖耐受和胰岛素敏感性均能获得显著改善。此外，清除p21high衰老细胞后的肥胖小鼠脂肪组织中衰老相关β-半乳糖苷酶活性和端粒DNA损伤均明显减弱，细胞增殖能力得到有效恢复，SASP表达也有明显降低。然而，小鼠体重、体脂率、日均食物摄取量和活动量等都未明显改变，表明清除p21high衰老细胞主要通过减少组织衰老程度而非小鼠饮食活动发挥作用。
图1. 清除p21high细胞可改善脂肪组织衰老及胰岛素抵抗
为了确认造成肥胖小鼠胰岛素抵抗的p21high衰老细胞的组织来源，研究者首先利用免疫荧光和生物发光成像技术对肥胖小鼠不同组织进行观测，他们发现p21high衰老细胞主要分布于内脏脂肪组织，而肝脏、胰腺、肌肉等组织均不明显。接下来研究者将肥胖小鼠的内脏脂肪移植至正常小鼠，结果显示该脂肪移植可引起受体小鼠的胰岛素抵抗现象；而清除供体内脏脂肪的p21high衰老细胞则可以显著改善脂肪移植造成的受体小鼠胰岛素抵抗的危害。以上研究提示内脏脂肪组织中p21high衰老细胞是导致肥胖小鼠胰岛素抵抗发生的重要机制。
为了阐明p21high衰老细胞参与调控胰岛素抵抗发生的潜在机制，研究者在p21high衰老细胞中特异性抑制NF-κB通路。结果显示抑制NF-κB不会引起p21high衰老细胞比例改变，但脂肪组织SASP表达显著减少，并且能显著改善肥胖小鼠的代谢紊乱。
应用Senolytics（一类具有选择性诱导衰老细胞凋亡的药物）清除累积的衰老细胞或抑制SASP是目前被认为极具前景的抗衰老策略[3]。为了探究是否可以通过该类药物靶向p21high衰老细胞来减轻其对机体代谢功能的危害，研究者选取了目前广泛应用的senolytic药物达沙替尼（dasatinib, D）和槲皮素（quercetin, Q），分别对肥胖小鼠和人体脂肪进行干预。结果显示D+Q组合均能显著降低肥胖小鼠和人体脂肪组织中p21high衰老细胞比例。值得一提的是，研究者将来自肥胖人群的脂肪组织移植到免疫缺陷的小鼠体内以此建立异种移植模型，并利用该模型评价了D+Q对受体小鼠代谢功能的调控作用。他们发现，肥胖人体脂肪组织会导致受体小鼠出现胰岛素抵抗现象，而脂肪组织经 D+Q给药处理后，受体小鼠的胰岛素抵抗现象几乎消除。该结果阐明了靶向p21high衰老细胞在改善代谢紊乱中的巨大临床应用前景。
文章通讯作者徐铭教授认为该人体脂肪组织移植实验结果令人印象深刻，为日后D+Q临床试验奠定了基础。徐教授强调，关于D+Q对二型糖尿病患者治疗效果的临床测试目前已在筹划进行中。在D+Q的有效性和安全性被大规模临床试验验证之前，该药物还不能马上在临床上用于治疗糖尿病。
图2. 清除内脏脂肪组织中p21high细胞可有效改善脂肪组织的代谢功能
该文是继调控自然衰老之后，该团队对p21high衰老细胞生物学功能的再次探索。以往衰老研究领域较多关注p16high衰老细胞，而本文揭示了肥胖小鼠组织中p21high衰老细胞和p16high衰老细胞为两种不同的细胞类群，二者在肥胖小鼠体内的组织分布、聚集时间以及对代谢方面的调控作用均存在差异；相较于p16high衰老细胞，p21high衰老细胞更多更早地参与调控脂肪组织功能障碍，从而造成胰岛素抵抗。该研究也为进一步挖掘p21high衰老细胞的特质及其在自然衰老过程中其他各种衰老相关疾病可能发挥的致病作用提供了依据。
美国康涅狄格大学衰老研究中心王丽超博士和王斌生博士为文章共同第一作者，徐铭教授为通讯作者。
徐铭教授团队主要利用各种小鼠模型以及人体组织样本，并辅助单细胞测序、蛋白质组学等多组学技术来研究衰老细胞在自然衰老及其相关多种疾病中的作用，包括身体机能下降，糖尿病，老年痴呆与抑郁症等神经退行性疾病，骨质疏松，细菌及病毒感染，关节病，脱发等。实验室经费充足，氛围良好，现开放招聘多个从事衰老细胞研究的博士后职位，诚邀感兴趣的朋友加入（详情请联系徐铭教授mixu@uchc.edu）！
图3. 本研究主要研究人员。徐铭，王斌生，王丽超（从左至右）
相关论文信息：
https://doi.org/10.1016/j.cmet.2021.11.002
参考文献
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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