细胞增大如何 “操纵” 衰老？GATA4 和 YAP 的神秘 “对话” 揭晓答案

为解决细胞增大在衰老中的功能及调控机制不明等问题，首尔国立大学研究人员开展细胞增大与衰老相关研究，发现 GATA4 和 YAP 调控细胞增大及衰老相关分泌表型的机制。该成果为衰老研究及相关疾病治疗提供新思路，值得一读。

　　

在细胞的奇妙世界里，细胞大小的变化就像一场神秘的旅程，与生物的发育以及各种病理状况紧密相连，尤其是在衰老过程中，细胞的变化更是暗藏玄机。细胞衰老（是一种由多种细胞内和细胞外应激触发的稳定生长停滞的多功能细胞状态）作为一种重要的细胞状态，在生物体内发挥着复杂的作用。它原本是一种系统性的稳态反应，能协调清除受损细胞，助力组织再生。但要是它的调控出了问题，就会引发各种与衰老相关的疾病，成为健康路上的“绊脚石”。

在细胞衰老的众多特征里，细胞增大格外引人注目。衰老的细胞就像吹起来的气球，个头明显变大，和正常增殖的细胞相比，简直是“大个头”。然而，这个“大个头”现象背后却藏着许多未解之谜。虽然大家都知道细胞增大是细胞衰老的一个显著形态特征，可它到底有什么功能意义呢？而且，衰老的细胞又是怎么维持这种增大状态的呢？这些问题就像一团团迷雾，笼罩着科研人员。

不仅如此，Yes相关蛋白（YAP，也被称为YAP1）作为细胞机械信号传导的核心效应器，它和细胞衰老以及细胞增大之间的关系也十分神秘。YAP能感知各种机械信号，比如细胞拉伸、膜张力等，就像细胞的“小雷达”一样。正常情况下，它能通过一系列复杂的机制，影响细胞的增殖、生存和分化。但在衰老的细胞中，YAP的活性变化却让人捉摸不透，它和细胞增大之间到底有着怎样的“爱恨情仇”呢？这也成为了科研人员亟待解开的谜题。

为了揭开这些神秘的面纱，来自首尔国立大学等机构的研究人员踏上了探索之旅。他们的研究成果发表在了《Nature Communications》期刊上，论文题目是“Cell enlargement modulated by GATA4 and YAP instructs the senescence-associated secretory phenotype”。经过不懈努力，他们发现了一个重要的机制：细胞增大在调节衰老相关分泌表型（SASP，包括许多促炎细胞因子、趋化因子、生长因子和蛋白酶）中起着至关重要的作用，并且揭示了衰老调控网络中一条此前未被发现的机械分支。这一发现就像在黑暗中点亮了一盏明灯，为我们理解细胞衰老的奥秘提供了新的方向。

在这场探索之旅中，研究人员运用了多种先进的技术方法。他们通过基因表达谱分析，全面了解细胞在不同状态下基因表达的变化情况；利用基因集富集分析，深入探究特定基因集在不同条件下的富集程度，从而找到关键的信号通路；借助RNA干扰技术，精准地调控基因的表达，观察细胞的变化；还运用了免疫印迹、免疫沉淀、免疫细胞化学等技术，对蛋白质的表达、定位和相互作用进行细致的研究。这些技术就像科研人员手中的“魔法工具”，帮助他们一步步揭开细胞衰老的神秘面纱。

研究人员首先把目光投向了细胞衰老过程中细胞增大的时间调控。他们利用DNA损伤诱导的细胞衰老模型（在这个模型中，衰老诱导可以被精确调控），像侦探一样仔细观察细胞的变化。他们发现，细胞周期停滞（通过两个主要的细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂CDKN1A和CDKN2A的表达来评估）在早期就已经发生，而一些促炎SASP基因（如IL1A、IL8和CXCL1）的表达则呈现出延迟激活的模式。有趣的是，细胞增大的动力学变化介于细胞周期停滞和SASP之间。

在显微镜下，研究人员还发现了一个奇妙的现象：肌动蛋白应力纤维的形成过程和细胞增大的变化很相似。在细胞周期停滞之后，肌动蛋白应力纤维开始变得明显，而此时SASP还未完全激活。而且，伴随着这个过程，丝状肌动蛋白（F-肌动蛋白）与游离球状肌动蛋白（G-肌动蛋白）的比例增加，F-肌动蛋白和总肌动蛋白的水平也有所上升。这就像是细胞内部的一场“舞蹈”，肌动蛋白应力纤维的变化和细胞增大、SASP之间似乎有着某种紧密的联系。

为了验证这种联系，研究人员开始了一系列实验。他们使用Latrunculin A（一种肌动蛋白聚合抑制剂）来破坏肌动蛋白应力纤维。结果发现，Latrunculin A不仅抑制了肌动蛋白应力纤维的形成，还让衰老细胞的个头变小了。同时，它对衰老相关的β-半乳糖苷酶（SA-β-Gal，一种常用的衰老标记物）活性和细胞周期停滞没有影响，但却强烈抑制了一些SASP基因的表达。这就表明，肌动蛋白应力纤维在细胞增大和SASP的调控中起着重要作用。

研究人员还不满足于此，他们又用Y27632（一种Rho相关蛋白激酶ROCK的特异性抑制剂）进行实验。ROCK活性对于肌动蛋白应力纤维的最佳组装是必需的，而Y27632处理后，同样抑制了细胞增大和SASP的表达。不过，Y27632处理还稍微降低了SA-β-Gal的活性，这说明它可能还有其他下游靶点来调节衰老。相比之下，用jasplakinolide（一种肌动蛋白聚合稳定剂）预处理对肌动蛋白应力纤维、细胞增大和SASP表达的影响则很小。这些实验结果综合起来，有力地证明了肌动蛋白应力纤维支持细胞增大，而且这种形态变化与SASP有着独特的关联。

细胞增大后会受到机械应力，而YAP作为机械应力反应的关键调节因子，在衰老细胞中的表现却有些奇怪。基因集富集分析显示，在DNA损伤诱导的衰老细胞中，YAP通路不是被激活，而是被抑制了。Western blot分析也证实了这一点，在衰老过程中，YAP在Ser127位点的磷酸化增强（这是YAP抑制的关键调节事件），其蛋白丰度也下降了。这就好像YAP在衰老细胞中“失去了活力”，和它在正常细胞中的表现大不相同。

为了探究YAP减少在衰老中的潜在作用，研究人员进行了有趣的实验。他们异位表达了YAP的突变体（一种组成型激活形式的YAP），结果发现，这种突变体居然阻止了细胞在衰老过程中的增大以及肌动蛋白应力纤维的形成，同时也抑制了SASP因子的表达和分泌。但它对SA-β-Gal活性和CDKN1A/2A表达却没有影响。相反，敲低YAP1则进一步增强了肌动蛋白应力纤维的形成和细胞增大，同时促进了SASP的表达和分泌。这些结果表明，YAP就像一个“开关”，它的功能获得会抑制与衰老相关的形态变化和SASP，而功能丧失则会增强它们，是连接细胞增大和分泌表型的关键节点。

YAP是如何调节衰老过程中的肌动蛋白重塑和细胞增大的呢？研究人员深入探究，发现YAP可能通过调节基因表达来发挥作用。他们对差异表达基因进行聚类分析，发现那些在衰老过程中上调，但在YAP表达时被逆转的基因，显著富集在与肌动蛋白细胞骨架重塑和细胞形态相关的过程中。

从这些基因中，研究人员锁定了Ras同源家族成员U（RHOU）。RHOU属于Rho GTPases家族，这个家族的成员可以调节肌动蛋白的组织、细胞迁移和细胞形状。研究人员发现，RHOU在衰老过程中被诱导表达，而YAP的表达则抑制了它的诱导。敲低RHOU会部分抑制衰老过程中肌动蛋白应力纤维的形成和细胞增大，同时显著抑制SASP因子的表达和分泌。相反，异位表达RHOU则会增强肌动蛋白应力纤维、细胞增大和SASP的表达。而且，当同时表达RHOU和YAP时，YAP就无法抑制细胞增大、肌动蛋白应力纤维和SASP了。这一系列实验表明，RHOU在衰老相关的肌动蛋白重塑、细胞增大以及SASP调节中起着重要的介导作用，并且能抵消YAP的抑制作用。

虽然敲低YAP1在衰老细胞中会增强RHOU的表达，但在增殖细胞中却没有这种效果。这说明RHOU的诱导需要在衰老开始时的一种额外的正向输入，而且这种输入可能与SASP的调节有关。研究人员之前已经发现GATA4是SASP的关键调节因子，它在衰老诱导时会积累，并且部分通过NF-κB通路发挥作用。果然，他们发现异位表达GATA4会增加RHOU以及一些SASP基因的表达，说明GATA4是RHOU的上游调节因子。

进一步研究发现，YAP和GATA4之间存在着有趣的“竞争关系”。YAP可以抑制GATA4对RHOU和SASP表达的促进作用，而且YAP似乎是通过阻止GATA4和NF-κB的核定位来实现这一点的。同时，研究人员还发现，GATA4的表达会增加E3连接酶BTRC和FBXW7的表达，其中BTRC参与了YAP-RHOU-SASP轴的调节，它至少部分导致了衰老过程中YAP活性的下降。这些结果揭示了GATA4和YAP之间的遗传拮抗作用，它们共同调节着RHOU和SASP的表达。

YAP是如何阻止GATA4和NF-κB核定位的呢？研究人员猜测细胞增大可能参与了这个过程。因为YAP的表达与细胞增大呈负相关，而且细胞增大可以通过LINC复合物（核骨架和细胞骨架的连接物）改变细胞骨架与细胞核的机械耦合，进而影响核转运。

实验结果证实了他们的猜测。用Latrunculin A、Y27632处理或敲低RHOU，都会降低核内GATA4和RELA（NF-κB家族的一员）的水平，同时增加它们在细胞质中的水平，但不影响它们在衰老细胞中的总体水平。这表明细胞增大可以通过这个机械轴促进GATA4和NF-κB的核定位，而YAP的异位表达则会抵消这种作用。

研究人员还发现，敲低LINC复合物的核心成分SYNE1，会抑制衰老过程中一些SASP因子的表达和分泌，同时降低核内GATA4和RELA的水平，增加它们在细胞质中的水平。而且，在软底物上培养的细胞在衰老时，肌动蛋白应力纤维和细胞大小的增加受到抑制，一些SASP因子的诱导也减弱了。这些结果都表明，细胞增大通过LINC复合物选择性地调节SASP转录程序，而YAP的持续表达可以对抗这种调节。

为了验证体外实验的结果，研究人员在小鼠体内进行了研究。他们利用自然衰老和高脂饮食（HFD）诱导衰老的小鼠模型，发现衰老细胞在小鼠脂肪组织中积累，同时RhoU的表达也显著增加，并且RhoU的表达与Gata4和Yap的比例相关。这说明RhoU的表达可能与小鼠的衰老和SASP有关。

在人类研究中，研究人员分析了Genotype-Tissue Expression（GTEx）数据库中的数据，发现RHOU的表达与老年人脂肪组织中一些SASP基因的表达相关，而在年轻人的脂肪组织中则没有这种相关性。这进一步表明，RHOU-SASP轴可能在人类脂肪组织衰老过程中发挥作用这项研究揭示了细胞增大在建立促炎SASP中的重要作用，并且发现了GATA4-RHOU-LINC通路这个遗传回路，它是衰老调控网络中机械分支的重要组成部分。YAP在生理条件下可以对抗这个回路，而YAP活性的下降可能会导致衰老和相关炎症的加剧，推动衰老进程。这一研究为我们理解细胞衰老的机制提供了新的视角，也为开发针对衰老相关疾病的治疗策略提供了潜在的靶点。或许在未来，我们可以通过调节细胞增大或YAP的活性，来延缓衰老、预防和治疗相关疾病，让人们的健康得到更好的保障。这就像为我们打开了一扇通往健康衰老的新大门，让我们对未来充满了期待。