노화의 지표들... 영향력지수 45 Cell

[문형철]

Review

Hallmarks of aging: An expanding universe

Author links open overlay panelCarlos López-Otín 1 2 3, Maria A. Blasco 4, Linda Partridge 5 6, Manuel Serrano 7 8 9, Guido Kroemer 10 11 12

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https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.11.001Get rights and content

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Summary

Aging is driven by hallmarks fulfilling the following three premises: (1) their age-associated manifestation, (2) the acceleration of aging by experimentally accentuating them, and (3) the opportunity to decelerate, stop, or reverse aging by therapeutic interventions on them. We propose the following twelve hallmarks of aging: genomic instability, telomere attrition, epigenetic alterations, loss of proteostasis, disabled macroautophagy, deregulated nutrient-sensing, mitochondrial dysfunction, cellular senescence, stem cell exhaustion, altered intercellular communication, chronic inflammation, and dysbiosis. These hallmarks are interconnected among each other, as well as to the recently proposed hallmarks of health, which include organizational features of spatial compartmentalization, maintenance of homeostasis, and adequate responses to stress.

요약

노화는 다음 세 가지 전제를 충족하는 특징에 의해 주도됩니다:

(1) 노화와 관련된 증상,

(2) 실험적으로 그 특징을 강조함으로써 노화가 가속화됨,

(3) 그 특징에 대한 치료적 개입을 통해 노화를 늦추거나 멈추거나 되돌릴 수 있는 기회.

노화의 12가지 특징으로

게놈 불안정성,

텔로미어 소모,

후성유전학적 변화,

프로테오스타시스 상실,

매크로오토파지 장애,

영양소 감지 조절 장애,

미토콘드리아 기능 장애,

세포 노화,

줄기세포 고갈,

세포 간 소통 변화,

만성 염증, 그리고

장내 미생물 불균형 등을 제안합니다.

이러한 특징들은 서로 연결되어 있을 뿐 아니라, 최근에 제안된 건강의 특징들과도 연결되어 있습니다. 건강의 특징에는 공간적 구획화의 조직적 특징, 항상성 유지, 스트레스에 대한 적절한 반응 등이 포함됩니다.

Introduction

Aging research explores the decline in function of organisms during adulthood. Since 2013, when the first edition of the hallmarks of aging was published in Cell,1 close to 300,000 articles dealing with this subject have been published, which is as many as during the preceding century. Hence, time has become ripe for a new edition of the hallmarks of aging incorporating the main knowledge obtained a decade on.

The distinction among “hallmarks” is intrinsically diffuse, since they interact and are not independent of each other. Therefore, their classification is inevitably arbitrary, but we proposed three criteria that must apply for each hallmark of aging: (1) the time-dependent manifestation of alterations accompanying the aging process, (2) the possibility to accelerate aging by experimentally accentuating the hallmark, and—most decisively—(3) the opportunity to decelerate, halt, or reverse aging by therapeutic interventions on the hallmark. Rather than elaborating a compendium of age-associated alterations, we shall focus on the molecular, cellular, and systemic processes mechanistically accounting for their manifestation. That said, both in laboratory animals and in human medicine, objective quantification of morphological and functional decline affecting the aging organism is essential to measure biological aging. Indeed, disparity between biological and chronological age can reflect the efficacy of age-accelerating or -decelerating manipulations that eval‎uate the contribution of a given hallmark to the aging process. For this reason, standardized physiological measurements (e.g., respirometry to measure basal and maximal energy expenditure), functional tests (e.g., at the sensory, psychomotor, and cognitive levels), and ever more sophisticated “omics” technologies (e.g., genomics, epigenomics, transcriptomics, proteomics, and metabolomics), often applied at the single-cell level, are instrumental for eval‎uating the spatiotemporal patterns of health degradation and the (in)efficacy of anti-aging strategies.

In 2013, we suggested nine molecular, cellular, and systemic hallmarks of aging: DNA instability, telomere attrition, epigenetic alterations, loss of proteostasis, deregulated nutrient-sensing, mitochondrial dysfunction, cellular senescence, stem cell exhaustion, and altered intercellular communication.1 Recent research has confirmed and extended the importance of all these hallmarks. They have withstood scrutiny by tens of thousands of aging researchers, but they require an update to deal with the discoveries of the last decade. For example, in 2013, much of the evidence on anti-aging interventions was limited to non-mammalian model organisms including yeast, nematodes, and fruit flies. Fortunately, experiments involving mice (and in some cases, non-human primates) have now corroborated the validity of most of these hallmarks in mammals. Of note, human age-related diseases have statistically higher chances to co-occur and to share genomic characteristics when they are causally linked to the same hallmark rather than to different hallmarks,2 clinically validating the approach that we have chosen.

Besides the necessary update of the previous hallmarks, we have also introduced some reorganizations and included the following three additional hallmarks of aging: disabled macroautophagy, chronic inflammation, and dysbiosis. Disabled macroautophagy was initially treated as a special case of loss of proteostasis. However, macroautophagy does not only affect proteins but can target entire organelles and non-proteinaceous macromolecules, justifying its discussion as a separate entity. Moreover, we considered that the final hallmark that we listed in 2013, altered intercellular communication, was too vast, requiring a separate discussion of chronic inflammation and age-associated dysbiosis (Figure 1).

소개

노화 연구는

성인이 된 후 유기체의 기능 저하를 연구합니다.

2013년 셀(Cell)에 노화의 특징에 관한 첫 번째 판이 발표된 이후,

이 주제를 다루는 30만 건에 가까운 기사가 발표되었으며,

이는 지난 세기 동안 발표된 것만큼 많은 양입니다.

따라서,

지난 10년 동안 얻은 주요 지식을 통합한

노화의 특징에 관한 새로운 판이 나올 때가 되었습니다.

“특징” 간의 구분은 본질적으로 모호합니다.

왜냐하면 그것들은 상호 작용하고 서로 독립적이지 않기 때문입니다.

따라서 그것들의 분류는 필연적으로 임의적이지만, 노화의 각 특징에 적용되어야 하는 세 가지 기준을 제안했습니다.

(1) 노화 과정에 수반되는 변화의 시간 의존적 발현,

(2) 실험적으로 특징을 강조함으로써 노화를 가속화할 수 있는 가능성, 그리고 가장 결정적으로

(3) 특징에 대한 치료적 개입을 통해 노화를 늦추거나, 멈추거나, 되돌릴 수 있는 기회.

노화와 관련된 변화의 개요를 자세히 설명하기보다는,

그 발현을 설명하는

분자적, 세포적, 체계적 과정에 초점을 맞출 것입니다.

즉,

실험실 동물과 인간 의학에서 생물학적 노화를 측정하기 위해서는

노화 과정에 영향을 미치는

형태적, 기능적 쇠퇴를 객관적으로 정량화하는 것이 필수적입니다.

실제로,

생물학적 연령과 연대기적 연령 간의 차이는

노화 과정에 대한 특정 특징의 기여도를 평가하는 연령 가속화 또는

감속 조작의 효과를 반영할 수 있습니다.

이러한 이유로

표준화된 생리학적 측정(예: 기초 및 최대 에너지 소비량을 측정하는 호흡 측정법),

기능적 검사(예: 감각, 정신운동, 인지 수준에서의 기능적 검사), 그리고 더욱 정교한

“옴니버스” 기술(예: 유전체학, 단백질체학, 전사체학, 후성유전체학, 마이크로바이옴학, 신경망, 유전체학, 후성유전체학, 전사체학, 단백질체학, 대사체학)은 단일 세포 수준에서 자주 적용되며,

건강 악화의 시공간적 패턴과 노화 방지 전략의 효과(비효과)를 평가하는 데

중요한 역할을 합니다.

2013년, 노화의 9가지 분자적, 세포적, 체계적 특징을 제안했습니다:

DNA 불안정성,

텔로미어 소모,

후성유전학적 변화,

프로테오스타시스 상실,

영양소 감지 기능의 조절 상실,

미토콘드리아 기능 장애,

세포 노화,

줄기세포 고갈,

세포 간 소통의 변화.1

최근의 연구에 따르면, 이 모든 특징의 중요성이 확인되고 확장되었습니다. 수만 명의 노련한 연구자들의 면밀한 조사를 견뎌냈지만, 지난 10년 동안의 발견을 다루기 위해서는 업데이트가 필요합니다.

예를 들어, 2013년, 노화 방지 개입에 대한 증거의 대부분은 효모, 선충, 초파리 등 포유류가 아닌 모델 생물에 국한되어 있었습니다. 다행히도, 마우스(일부 경우, 영장류가 아닌 영장류)를 대상으로 한 실험을 통해 포유류에서 이러한 특징의 대부분이 유효하다는 사실이 입증되었습니다. 주목할 만한 사실은, 인간의 노화와 관련된 질병은 통계적으로 동일한 특징과 관련이 있을 때 발생 확률이 더 높고, 서로 다른 특징보다는 동일한 특징과 관련이 있을 때 유전적 특성을 공유할 가능성이 더 높다는 것입니다.2 우리가 선택한 접근 방식을 임상적으로 검증하는 것입니다.

이전의 특징에 필요한 업데이트 외에도,

일부 재구성을 도입하고

노화에 대한 다음 세 가지 추가 특징을 포함시켰습니다:

비활성화된 매크로오토파지,

만성 염증, 그리고

장내 미생물 불균형.

비활성화된 매크로오토파지는

처음에는 단백질 항상성 상실의 특수한 경우로 취급되었습니다.

그러나

매크로오토파지는 단백질에만 영향을 미치는 것이 아니라

전체 세포기관과 비단백질 거대 분자를 표적으로 할 수 있기 때문에

별도의 독립체로 논의할 수 있습니다.

또한,

2013년에 최종 특징으로 꼽았던

세포 간 소통의 변화는

너무 광범위하여 만성 염증과 노화와 관련된 장내 미생물 불균형에 대해

별도로 논의해야 할 필요가 있다고 생각했습니다(그림 1).

Figure 1. The hallmarks of aging

The scheme compiles the 12 hallmarks of aging proposed in this work: genomic instability, telomere attrition, epigenetic alterations, loss of proteostasis, disabled macroautophagy, deregulated nutrient-sensing, mitochondrial dysfunction, cellular senescence, stem cell exhaustion, altered intercellular communication, chronic inflammation, and dysbiosis. These hallmarks are grouped into three categories: primary, antagonistic, and integrative.

The interdependence of aging hallmarks means that the experimental accentuation or attenuation of one specific hallmark usually affects other hallmarks as well. This underscores the fact that aging is a complex process that has to be conceived as a whole. Accordingly, each of the hallmarks should be considered as a point-of-entry for future exploration of the aging process, as well as for the development of new anti-aging medicines.

그림 1. 노화의 특징들
이 계획은 이 연구에서 제안된 노화의 12가지 특징들, 

즉 

게놈 불안정성, 

텔로미어 소모, 

후성적 변화, 

단백질 항상성 상실, 

매크로오토파지 기능 장애, 

영양소 감지 조절 장애, 

미토콘드리아 기능 장애, 

세포 노화, 

줄기세포 고갈, 

세포 간 소통 변화, 

만성 염증, 그리고 

장내 미생물 불균형 등을 종합적으로 고려합니다. 

이러한 특징들은 1차적, 길항적, 통합적이라는 세 가지 범주로 분류됩니다.

primary, antagonistic, and integrative

노화의 특징이 

서로 의존적이라는 것은 

특정 특징을 실험적으로 강조하거나 약화시키면 

다른 특징에도 영향을 미친다는 것을 의미합니다. 

이것은 노화가 전체적으로 이해되어야 하는 복잡한 과정이라는 사실을 강조합니다. 

따라서 

각 특징은 노화 과정을 연구하고 

새로운 노화 방지 약물을 개발하기 위한 출발점으로 간주되어야 합니다.

Genomic instability

Genome integrity and stability are pervasively threatened by exogenous chemical, physical, and biological agents, as well as by endogenous challenges such as DNA replication errors, chromosome segregation defects, oxidative processes, and spontaneous hydrolytic reactions. The wide range of genetic lesions caused by these extrinsic or intrinsic sources of damage include point mutations, deletions, translocations, telomere shortening, single- and double-strand breaks, chromosomal rearrangements, defects in nuclear architecture, and gene disruption caused by the integration of viruses or transposons. All these molecular alterations and the resulting genomic mosaicism may contribute to both normal and pathological aging.3 Accordingly, organisms have evolved a complex array of DNA repair and maintenance mechanisms to deal with the damage inflicted to nuclear and mitochondrial DNA (mtDNA) and to ensure the appropriate chromosomal architecture and stability. These DNA repair networks lose efficiency with age, which accentuates the accumulation of genomic damage and the ectopic accumulation of DNA in the cytosol4 (Figure 2A).

유전체 불안정성

유전체 무결성과 안정성은

외인성 화학적, 물리적, 생물학적 작용제뿐만 아니라

DNA 복제 오류,

염색체 분리 결함,

산화 과정,

자발적 가수분해 반응과 같은

내인성 문제의 위협을 받고 있습니다.

DNA replication errors, 

chromosome segregation defects,

oxidative processes, and

spontaneous hydrolytic reactions

이러한 외인성 또는 내인성 손상 원인에 의해 발생하는

유전적 병변의 범위는

점 돌연변이,

결실,

전위,

텔로미어 단축,

단일 및 이중 가닥 파손,

염색체 재배열,

핵 구조의 결함,

바이러스 또는 트랜스포존의 통합으로 인한 유전자 파괴 등을 포함합니다.

point mutations, deletions, translocations, telomere shortening, single- and double-strand breaks, chromosomal rearrangements, defects in nuclear architecture, and gene disruption caused by the integration of viruses or transposons 

이러한 모든 분자적 변화와 그에 따른 게놈 모자이크 현상은

정상적인 노화와 병적 노화에 모두 영향을 미칠 수 있습니다.3

따라서,

생물체는

핵 DNA와 미토콘드리아 DNA(mtDNA)에 가해진 손상을 처리하고

적절한 염색체 구조와 안정성을 보장하기 위해

DNA 복구 및 유지 관리 메커니즘의 복잡한 배열을 발전시켜 왔습니다.

이러한

DNA 복구 네트워크는 나이가 들면서 효율성이 떨어지게 되는데,

이로 인해 게놈 손상의 축적과 세포질 내 DNA의 이소성 축적이 더욱 심화됩니다4 (그림 2A).

Figure 2. Loss of cellular integrity caused by genomic instability, telomere attrition, and epigenetic alterations

(A) Endogenous or exogenous agents cause a variety of DNA lesions that contribute to both normal and pathological aging. Such lesions can by repaired by a variety of mechanisms that lose efficiency with age. Excessive DNA damage, insufficient DNA repair, alterations in nuclear architecture, and telomere attrition favor the aging process.

그림 2. 게놈 불안정성, 텔로미어 소모, 후성유전학적 변화로 인한 세포 완전성 상실

(A) 내인성 또는 외인성 요인은 정상 노화와 병리학적 노화에 기여하는 다양한 DNA 손상을 유발합니다. 이러한 손상은 나이가 들면서 효율성이 떨어지는 다양한 메커니즘에 의해 복구될 수 있습니다. 과도한 DNA 손상, 불충분한 DNA 복구, 핵 구조의 변화, 텔로미어 소모는 노화 과정을 촉진합니다.

BER, base excision repair; HR, homologous recombination; NER, nucleotide excision repair; NHEJ, non-homologous end joining; MMR, mismatch repair; SAC, spindle assembly checkpoint; TERT, telomerase reverse transcriptase; TLS, trans-lesion synthesis.

(B) Changes in the acetylation and methylation of DNA or histones, as well as in levels or activity of chromatin-associated proteins or of non-coding RNAs (ncRNAs) induce epigenetic changes that contribute to the aging process. The red portions of the hourglasses indicate age-associated alterations and the blue portions strategies for avoiding them.

(B) DNA 또는 히스톤의 아세틸화 및 메틸화의 변화, 그리고 크로마틴 관련 단백질 또는 비코딩 RNA(ncRNA)의 수준 또는 활동의 변화는 노화 과정에 기여하는 후성유전학적 변화를 유발합니다. 모래시계의 빨간색 부분은 노화와 관련된 변화를 나타내고, 파란색 부분은 이를 피하기 위한 전략을 나타냅니다.

Nuclear DNA

Cells from aged humans and model organisms accumulate somatic mutations at nuclear DNA.5 Other forms of damage, such as chromosomal aneuploidy and copy-number variations, are also associated with aging. All these DNA alterations may affect essential genes and transcriptional pathways, resulting in dysfunctional cells that may finally compromise tissue and organismal homeostasis. This is especially relevant when DNA damage impacts on stem cells, hampering their role in tissue renewal or leading to their exhaustion, which in turn promotes aging and increases susceptibility to age-related pathologies.6,7 The mutational burden in histologically normal human tissues is remarkable. For example, normal esophageal epithelium cells from young individuals already display hundreds of mutations and may carry more than 2,000 mutations per cell by middle age.8 The accumulation of DNA mutations throughout life is likely tolerated because of the excessive energetic cost of the complete repair of all genomic damages caused by exogenous and endogenous challenges. Consequently, cells favor survival over genomic integrity.9 These data also suggest that similar to carcinogenesis, driver mutations alone may not be sufficient to accelerate aging because they require a permissive microenvironment created by non-mutagenic promoting factors to become penetrant.10

Comparative analysis of the mutational landscape across mammalian species has shown that species-specific somatic mutation rate is inversely correlated with lifespan.11 To date, there is no clear evidence that the normal rate of mutation fixation is responsible for aging, but numerous studies have shown that DNA repair deficiencies have the potential to cause aging. Thus, alterations in DNA repair mechanisms accelerate aging in mice and underlie several human progeroid syndromes.12 Conversely, transgenic mice overexpressing the mitotic checkpoint kinase BubR1 exhibit an extended healthy lifespan13 (Table 1). Moreover, studies in humans and other long-lived species have shown that enhanced DNA repair mechanisms coevolve with increased longevity.14 Sirtuin-6 (SIRT6) may play a major role in this differential reparative efficiency across species. Overexpression‎ of SIRT6 in mice reduces genomic instability, improves double-strand break repair, and extends lifespan15 (Table 1), although other explanations, such as improved glucose metabolism and restoration of energy homeostasis, have been proposed to explain the prolongevity effects of SIRT6.16 Notably, recent work has shown that small-molecule activation of 8-oxoguanine DNA glycosylase 1 increases oxidative DNA damage repair and may have therapeutic applications in the context of aging and other processes linked to excessive oxidative damage.17 These findings suggest that interventions aimed at reducing the mutational load of nuclear DNA or at enhancing or rerouting its repair mechanisms may delay aging and the onset of age-related diseases, but further causal evidence in this regard is still missing.

핵 DNA

노화된 인간과 모델 생물의 세포는

핵 DNA에 체세포 돌연변이를 축적합니다.5

염색체 이수성 및 카피 수 변이와 같은 다른 형태의 손상도 노화와 관련이 있습니다.

이러한 모든 DNA 변형은

필수 유전자와 전사 경로에 영향을 미쳐,

결국 조직과 유기체의 항상성을 손상시킬 수 있는 기능 장애 세포를 초래할 수 있습니다.

이것은 특히

DNA 손상이 줄기세포에 영향을 미쳐

조직 재생에 대한 역할을 방해하거나 고갈로 이어져 노화를 촉진하고

노화와 관련된 병리에 대한 취약성을 증가시키는 경우에 해당됩니다.6,7

조직학적으로 정상적인 인간 조직의 돌연변이 부담은 놀랍습니다.

예를 들어,

젊은 사람의 정상적인 식도 상피 세포는

이미 수백 개의 돌연변이를 가지고 있으며,

중년기에 이르면 세포당 2,000개 이상의 돌연변이를 가지고 있을 수 있습니다.8

일생 동안 DNA 돌연변이가 축적되는 것은

외인성 및 내인성 요인에 의해 야기된 모든 게놈 손상을 완전히 복구하는 데

과도한 에너지가 소모되기 때문에 허용될 가능성이 높습니다.

결과적으로,

세포는

게놈의 완전성보다는

생존을 더 중요하게 여깁니다.9

이 데이터는 또한 발암과 유사하게,

돌연변이 유발 인자(driver mutation)만으로는

노화를 촉진하기에 충분하지 않을 수 있다는 것을 시사합니다.

왜냐하면

돌연변이 유발 인자가 침투하기 위해서는

비돌연변이 유발 촉진 인자에 의해 생성된 허용적인 미세환경이 필요하기 때문입니다.10

포유류 종에 걸친 돌연변이 지형에 대한 비교 분석에 따르면,

종 특이적 체세포 돌연변이 비율은 수명과 반비례하는 것으로 나타났습니다.11

지금까지

정상적인 돌연변이 고정 속도가 노화에 영향을 미친다는 명확한 증거는 없지만,

수많은 연구에서

DNA 복구 결함이 노화를 유발할 가능성이 있다는 사실이 밝혀졌습니다.

따라서,

DNA 복구 메커니즘의 변화는

생쥐의 노화를 가속화하고, 여러 가지 인간 노화 증후군의 기초가 됩니다.12

반대로,

mitotic checkpoint kinase BubR1을 과발현하는 transgenic mice는

건강한 수명이 연장되는 것으로 나타났습니다13 (표 1).

또한,

인간과 다른 장수 종에 대한 연구에 따르면,

향상된 DNA 복구 메커니즘은 장수와 함께 진화해 왔습니다.14

시르투인-6(SIRT6)은

종에 따라 차별화된 복구 효율성에 중요한 역할을 할 수 있습니다.

SIRT6의 과발현은

생쥐의 게놈 불안정성을 감소시키고,

이중 가닥 파손 복구를 개선하며,

수명을 연장합니다15 (표 1).

SIRT6의 장수 효과에 대한 설명으로

글루코스 대사 개선과 에너지 항상성 회복과 같은 다른 설명도 제시되었지만,

최근 연구에 따르면 8-oxoguanine의 저분자 활성화가 SIRT6의 활성을 증가시킨다는 사실이 밝혀졌습니다16.

Guanine DNA glycosylase 1은

산화적 DNA 손상 복구를 증가시키고,

노화 및 과도한 산화적 손상과 관련된 다른 과정의 맥락에서 치료적 응용이 가능할 수 있습니다.17

이러한 발견은

핵 DNA의 돌연변이 부하를 줄이거나

복구 메커니즘을 강화하거나 방향을 바꾸는 것을 목표로 하는 개입이

노화와 노화 관련 질병의 발병을 지연시킬 수 있음을 시사하지만,

이와 관련된 추가적인 인과 관계 증거는 아직 없습니다.

Table 1. Examples of anti-aging effects of hallmark-targeted interventions in mammals

HallmarkSpecies/modelInterventionOutcomeRef

Genomic instability	mouse	BubR1 overexpression‎	increased longevity	North et al.13
	mouse	SIRT6 overexpression‎	increased longevity	Tian et al.15
	HGPS mouse HGPS human	farnesyl transferase inhibitors	healthspan and lifespan extension	Gordon et al.18
Telomere attrition	mouse	telomere lengthening	lifespan extension	Tomás-Loba et al.19
	telomerase-null mouse	telomerase reactivation	lifespan extension	Jaskelioff et al.20
	mouse	pharmacological or genetic activation of telomerase	delayed aging	Bernardes de Jesus et al.21
	mouse	hyperlong telomeres	increased lifespan; metabolic health improvement	Muñoz-Lorente et al.22
	mouse	telomere maintenance in adult neurons	preservation of neuron survival and cognitive function	Shim et al.23
	mouse	telomerase activation by gene therapy strategy	improvement in models of pulmonary fibrosis and aplastic anemia	Povedano et al.24 and Bär et al.25
Epigenetic alterations	human	α-ketoglutarate	delayed epigenetic clock	Demidenko et al.26
	human	thymus regeneration by GH +DHEA+ metformin	delayed epigenetic clock	Fahy et al.27
	mouse	Kat7 inactivation	lifespan extension	Wang et al.28
	human stem cells	KAT7 inactivation	decreased H3 acetylation, reduced cell senescence	Wang et al.28
	mouse	Sirt1 overexpression‎	improved genomic stability and metabolism	Bhatt and Tiwari29
	mouse	Sirt3 overexpression‎	reversed regenerative capacity of HSC	Bhatt and Tiwari29
	mouse	miR-188 depletion	alleviated age-related vascular problems	He et al.30
	mouse	miR-455-3p overexpression‎	improved mitochondrial and cognitive function; extended lifespan	Kumar et al.31
	aged or Sirt6−/− mouse	nucleoside reverse-transcriptase inhibitors	improved healthspan and lifespan	Simon et al.32
Loss of proteostasis	mouse	transgenic expression‎ of LAMP2a in hepatocytes or HSC	improved hepatocyte viability in aged mice. Improved function and metabolic properties of HSC	Dong et al.33
	mouse	pharmacological induction of CMA	improved Alzheimer’s pathology and arteriosclerosis in disease models	Madrigal-Matute et al.34
	mouse	intranasal administration of recombinant human HSP70	enhanced lifespan (m), improved cognitive functions, and proteasome activity; reduced brain lipofuscin	Bobkova et al.35
	mouse	4-phenylbutyrate administered to aged mice	reduced ER stress in cortex and hippocampus and improved cognition	Hafycz et al.36
	human	guanabenz in patients with ALS (FDA approved)	reduced progression to bulbar stage	Dalla Bella et al.37
Disabled macroautophagy	mouse	transgenic overexpression‎ of Atg5	improved longevity, metabolic health and motor function	Pyo et al.38
	mouse	mutation of beclin 1 (Becn1F121A/F121A) to reduce its inhibition by Bcl-2	extended longevity of C57BL/6 mice and progeroid klotho-ko mice. Prolonged neurogenesis	Fernández et al.39 and Wang et al.40
	mouse	spermidine in drinking water	extended longevity, reduced cardiac aging and oxidative stress, sinusoidal dilation in liver	Eisenberg et al.41
	mouse	salicylates (salicylate, acetylsalicylate)	EP300 inhibition; autophagy-dependent hepatoprotection; improved cancer immunosurveillance	Castoldi et al.42
	mouse	nordihydroguairaretic acid	longevity extension (m) with EP300 inhibition	Tezil et al.43
	human	oral NMN in prediabetic women (phase III trial)	increased insulin sensitivity of skeleton muscle	Yoshino et al.44
	human	oral NR in Parkinson disease patients (phase 1 trial)	clinical improvement, reduced inflammatory cytokines in serum and cerebrospinal fluid	Brakedal et al.45
	human	NAM in patients with 2 non-melanoma skin cancers in the preceding 5 years (phase 3 trial)	reduced rates of new non-melanoma skin cancers and keratosis	Chen et al.46
	human	urolithin A to middle-aged adults (randomized phase 2)	improved aerobic endurance and physical performance; reduced plasma CRP	Singh et al.47
Deregulated nutrient-sensing	mouse	inducible GH receptor knockout at 6 months	longevity and enhanced insulin sensitivity; less neoplasms (m)	Duran-Ortiz et al.48
	mouse	caloric restriction by 30% of male C57BL/6J mice	lifespan extension of 10%–30%	Acosta-Rodríguez et al.49
	human	caloric restriction by 14% for 2 years (phase 2)	improved thymopoiesis and anti-inflammatory effects on adipose tissues. Reduced PLA2G7 expression‎ (gene knockout in mice ameliorates metabolic health)	Spadaro et al.50
	mouse	ß-hydroxybutyrate in drinking water	higher energy expenditure, improved motor fitness and memory	Fan et al.51
Mitochondrial dysfunction	mouse	TPP-thiazole (inhibitor of respiratory chain complex IV)	improved mitochondrial metabolism, reduced visceral fat and higher glucose tolerance in old mice	Tavallaie et al.52
	mouse	CRMP that preferentially acts to uncouple hepatocyte mitochondria	administration to obese old mice reduces hepatosteatosis and liver insulin resistance	Goedeke et al.53
	mouse	elamipretide to inhibit mitochondrial permeability transition	improved mitochondrial function and avoidance of diastolic heart dysfunction, especially if combined with NMN	Zhang et al.54
	primates	spontaneous or diet-induced obesity in cynomolgus and rhesus macaques, treated with CRMP	enhanced hepatic mitochondrial fat oxidation, improved insulin tolerance, reduced hepatic and plasma triglycerides, reduced cholesterol	Goedeke et al.55
	human	clinical trial eval‎uating elamipretide on Barth syndrome (randomized phase 2/3 trial)	improved walking test, muscle and cardiac parameters, overall improvement	Reid Thompson et al.56
	human	clinical trial with L-carnitine supplementation to older man (phase 2 trial)	increased muscle carnitine content and fatty acid oxidation during exercise	Chee et al.57
Cellular senescence	mouse	genetic ablation of p16-expressing cells	increased health- and lifespan. Treatment starting at 1 year age	Baker et al.58
	mouse	senolytic treatment with dasatinib + quercetin	increased health- and lifespan. Treatment starting at 2 years age	Xu et al.59
	mouse	senolytic treatment with fisetin	increased health- and lifespan. Treatment starting at 1.6 years age	Yousefzadeh et al.60
	human	senolytic treatment with dasatinib + quercetin of patients with pulmonary fibrosis (phase 1 trial)	improved physical performance; reduction in pro-inflammatory and pro-fibrotic factors in serum; elevation of αKlotho in urine	Justice et al.61
	human	senolytic treatment with dasatinib + quercetin of patients with diabetic kidney disease (phase 1 trial)	reduction of senescent cells and macrophages in adipose tissue, and of pro-inflammatory factors in serum	Hickson et al.62
Stem cell exhaustion	mouse	transgenic expression‎ of OSKM	longevity extension of HGPS progeroid mice. Preservation of hippocampal neuro- genesis and function in normal mice. Improved tissue repair immediately after injury or in a subsequent injury	Wang et al.,28 Ocampo et al.,63 Browder et al.,64 Chen et al.,65 Hishida et al.,66 Rodríguez-Matellán et al.,67 Gao et al.,68 and Doeser et al.69
	mouse	AAV2-driven expression‎ of OSK in the eye	restoration of visual acuity to old mice and to mice with glaucoma. Improved repair of crushed optical nerve	Lu et al.70
Altered intercellular communication	mouse	dilution of blood from old mice with saline/albumin	rejuvenation in multiple tissues	Mehdipour et al.71
	mouse	blood transfusion	improved muscle repair; reduced liver steatosis and fibrosis	Rebo et al.72
	mouse	human umbilical cord plasma	improved hippocampal neurogenesis	Castellano et al.73
	mouse	heterochronic parabiosis	rejuvenation in multiple tissues	Ma et al.74 and Pálovics et al.75
	mouse	CCL3/MIP1α administration	HSC rejuvenation	Ma et al.74
	mouse	TIMP2 i.v. administration	hippocampus rejuvenation	Castellano et al.73
	mouse	IL-37 injection into old mice	improved metabolism and endurance exercise	Ballak et al.76
	mouse	GDF11 i.v. administration	rejuvenation of brain, muscle and pancreas, but pro-fibrotic effects	Frohlich and Vinciguerra77
	mouse	transgenic overexpression‎ of VEGF	improved health- and lifespan, enhanced liver and muscle repair	Grunewald et al.78
	mouse human cells	YAP expression‎	rejuvenation of old cells, prevention of emergence of aging features	Sladitschek-Martens et al.79
	human cells	ECM from young fibroblasts	rejuvenation of aged senescent cells	Choi et al.80
	mouse	chondroitin 6-sulfo-transferase overexpression‎	improved memory in old mice	Yang et al.81
Chronic inflammation	mouse	blockade of TNF-α with etanercept from 16 to 18 months of age in C57BL/6 mice	prevention of sarcopenia and increased lifespan (f)	Desdin-Mico et al.82; Sciorati et al.83
	rat	blockade of TNF-α with etanercept from 24 to 26 months of age in male Wistar albino rats	prevention of cognitive deficits, endothelial dysfunction, peripheral and neuro-inflammation	Gocmez et al.84
	mouse	knockout of prostaglandin E2 receptor EP2 in myeloid cells or treatment of C57BL/6 mice with EP300 inhibitors	improved cognition and reduced age-associated inflammation	Minhas et al.85
	mouse	knockout of NLRP3 in C57BL/6 mice	improved glucose tolerance, cognition, motor performance and female fertility due to reduced ovarian aging	Marín-Aguilar et al.86
	human	treatment of patients with a history of myocardial infarction and high hsCRP with canakinumab (phase 3 trial)	reduced incidence of hypertension and diabetes; reduced frequency of recurrent myocardial infarction and non-small cell lung cancer	Ridker et al.87
Dysbiosis	HGPS mouse	fecal microbiota transplantation from WT mice; Akkermansia muciniphila administration	enhanced healthspan and lifespan	Bárcena et al.88
	SAMP8 mouse	Lactobacillus plantarum GKM3	longevity promotion and alleviation of age-related cognitive impairment	Lin et al.89
	mouse	microbiota transplantation from young mice to aged host	improved maintenance of brain health and immunity	Boehme et al.90
	mouse	fecal microbiota transplantation	improved ovarian function in aged mice	Xu et al.91
	mouse	fecal microbiota transplantation	improved germinal centre reactions in lymph nodes	Stebegg et al.92
	mouse	indole metabolites	reduction of inflammation during aging	Krishnan et al.93
	mouse	short-chain fatty acids	restored microglial function in aged mice	Cryan et al.94
	human	oral administration of Akkermansia muciniphila (randomized phase 1/2 trial)	improved metabolic parameters in obese or diabetic patients	Depommier et al.95

유전체 불안정성 마우스 BubR1 과발현으로 수명 증가
마우스 SIRT6 과발현으로 수명 증가
HGPS 마우스 HGPS 인간 파네실 트랜스퍼라제 억제제 건강 수명과 수명 연장
텔로미어 소모 마우스 텔로미어 연장 수명 연장
텔로머라제-널 마우스 텔로머라제 재활성화 수명 연장
마우스 텔로머라제의 약리학적 또는 유전적 활성화 노화 지연
마우스 초장 텔로미어 수명 증가; 대사 건강 개선
성인 뉴런의 마우스 텔로미어 유지 뉴런 생존 및 인지 기능의 보존
유전자 치료 전략에 의한 마우스 텔로머라제 활성화 폐섬유증 및 재생불량성 빈혈 모델의 개선
후성유전학적 변화 인간 α-케토글루타레이트 지연된 후성유전학적 시계
GH +DHEA+ 메트포르민에 의한 인간 흉선 재생 지연된 후성유전학적 시계
마우스 Kat7 불활성화 수명 연장
인간 줄기세포 KAT7 불활성화 감소된 H3 아세틸화, 감소된 세포 노화
쥐 Sirt1 과발현은 게놈 안정성과 신진대사를 개선했습니다.
쥐 Sirt3 과발현은 조혈모세포의 재생 능력을 역전시켰습니다.
쥐 miR-188 결핍은 노화와 관련된 혈관 문제를 완화시켰습니다.
쥐 miR-455-3p 과발현은 미토콘드리아와 인지 기능을 개선시켰고, 수명을 연장시켰습니다.
노화 또는 Sirt6−/− 쥐 뉴클레오시드 역전사 효소 억제제는 건강수명과 수명을 개선시켰습니다.
프로테오스타시스(proteostasis)의 상실 간세포 또는 HSC에서 LAMP2a의 마우스 트랜스제닉 발현은 노령 쥐의 간세포 생존력을 향상시켰다. HSC의 기능 및 대사 특성 향상
마우스에서 CMA의 약리학적 유도는 질병 모델에서 알츠하이머 병리 및 동맥 경화를 개선시켰다.
마우스 비강 내 투여된 재조합 인간 HSP70은 수명 연장(m), 인지 기능 향상, 프로테아좀 활성 증가, 뇌 리포푸신 감소
노화 마우스에 투여된 4-페닐부티레이트는 피질과 해마의 ER 스트레스 감소, 인지 기능 향상
ALS 환자 대상 인간 구아나벤츠(FDA 승인)는 구근 단계로의 진행 감소
장애가 있는 거대세포소체형성 장애 마우스 Atg5의 트랜스제닉 과발현은 수명 연장, 대사 건강, 운동 기능 향상
Becn1의 마우스 돌연변이(Becn1F121A/F121A)를 통해 Bcl-2에 의한 억제를 감소시켜 C57BL/6 마우스와 프로게로이드 클로토-코 마우스의 수명 연장. 신경 발생의 연장.
음용수에 쥐의 스페르미딘을 첨가하여 수명 연장, 심장 노화 및 산화 스트레스 감소, 간에서 정현파 확장.
쥐 살리실산염(살리실산, 아세틸살리실산) EP300 억제; 자가포식 의존성 간 보호; 암 면역 감시 개선
쥐 노르디하이드로그아이라레산 수명 연장(m) EP300 억제
전당뇨 여성 대상 인간 경구 NMN(3상 임상시험) 골격근의 인슐린 민감성 증가
파킨슨병 환자에서 인간 구강 NR(1상 임상시험) 임상적 개선, 혈청 및 뇌척수액 내 염증성 사이토카인 감소
지난 5년 동안 비흑색종 피부암 2종 환자에서 인간 NAM(3상 임상시험) 새로운 비흑색종 피부암과 각화증 발생률 감소
중년 성인 대상 인간 우롤리틴 A(무작위 2상) 유산소 지구력 및 신체적 수행 능력 향상, 혈장 CRP 감소
영양분 감지 마우스 유도성 GH 수용체 결핍의 규제 완화 6개월 수명 연장 및 인슐린 민감도 향상; 종양 발생 감소(m)
수컷 C57BL/6J 마우스의 칼로리 제한 30% 수명 연장 10%~30%
2년 동안 14%의 인간 열량 제한(2단계) 지방 조직에 대한 개선된 흉선 생성 및 항염증 효과 PLA2G7 발현 감소(쥐의 유전자 결핍은 대사 건강을 개선)
마우스 음용수에 함유된 β-하이드록시부티레이트 더 높은 에너지 소비, 향상된 운동 능력 및 기억력
미토콘드리아 기능 장애 쥐 TPP-thiazole(호흡 사슬 복합체 IV의 억제제)은 미토콘드리아 대사를 개선하고, 내장 지방을 감소시키며, 늙은 쥐의 포도당 내성을 향상시킵니다.
간세포 미토콘드리아의 결합을 우선적으로 해제하는 CRMP를 투여한 뚱뚱한 늙은 쥐의 경우, 간 지방증과 간 인슐린 저항성이 감소합니다.
미토콘드리아 투과성 전이를 억제하는 elamipretide는 미토콘드리아 기능을 개선하고, 특히 NMN과 함께 투여할 경우, 이완기 심장 기능 장애를 예방합니다.
영장류 침팬지와 붉은털원숭이의 자발적 또는 식이요법 유발 비만, CRMP로 치료 시 간 미토콘드리아 지방 산화 촉진, 인슐린 내성 개선, 간 및 혈장 중성지방 감소, 콜레스테롤 감소
바스 증후군에 대한 엘라미프레타이드의 효과를 평가하는 인간 임상 시험(무작위 2/3상 시험) 보행 테스트, 근육 및 심장 파라미터 개선, 전반적인 개선
노인을 대상으로 한 L-카르니틴 보충제의 임상 시험(2단계 시험)에서 운동 중 근육 카르니틴 함량과 지방산 산화율이 증가했습니다.
세포 노화 마우스의 p16 발현 세포를 유전적으로 제거하면 건강과 수명이 증가했습니다. 1세부터 치료를 시작했습니다.
다사티닙 + 케르세틴을 이용한 마우스의 세포 사멸 치료로 건강과 수명이 증가했습니다. 2세부터 치료를 시작했습니다.
마우스에서 피세틴을 이용한 세노리틱 치료는 건강과 수명을 증가시켰습니다. 치료 시작 연령 1.6세
폐섬유증 환자의 다사티닙 + 케르세틴을 이용한 인간 세노리틱 치료(1상 시험) 신체 기능 향상; 혈청 내 전염증 및 전섬유화 인자 감소; 소변 내 α클로토 증가
당뇨병성 신장 질환 환자의 다사티닙 + 케르세틴을 이용한 인간 노화세포 제거 치료(1상 시험) 지방 조직의 노화세포와 대식세포, 혈청의 전염증 인자 감소
줄기세포 고갈 마우스 OSKM의 트랜스제닉 발현 HGPS 프로게로이드 마우스의 수명 연장 정상 마우스의 해마 신경 발생과 기능 보존 손상 직후 또는 후속 손상에서 조직 회복 개선
쥐 AAV2를 이용한 OSK의 눈 회복에 대한 시각적 시력 회복 효과 노령 쥐와 녹내장 쥐의 시력 회복 효과 망막 손상 회복력 향상
세포 간 소통 변화 쥐 식염수/알부민을 이용한 노령 쥐의 혈액 희석 여러 조직의 재생 효과
쥐 수혈 근육 회복력 향상; 간 지방증과 섬유증 감소
쥐 인간 탯줄 혈장 해마 신경 발생 향상
쥐 이종 동시 파라비오시스 여러 조직의 재생 효과
마우스 CCL3/MIP1α 투여 HSC 재생
마우스 TIMP2 i.v. 투여 해마 재생
마우스 노령 마우스에 IL-37 주사 신진대사 및 지구력 운동 개선
마우스 GDF11 i.v. 투여 뇌, 근육, 췌장의 재생, 그러나 섬유화 촉진 효과
마우스 VEGF의 유전자 변형 과발현 건강 및 수명 개선, 간과 근육 회복력 향상
쥐 인간 세포 YAP 발현 노화된 세포의 회춘, 노화 특징의 출현 방지
인간 세포 젊은 섬유 아세포의 ECM 노화된 세포의 회춘
쥐 콘드로이틴 6-설포-트랜스퍼라제 과발현 노화된 쥐의 기억력 향상
만성 염증 쥐 C57BL/6 쥐의 16~18개월령에 에타너셉트를 이용한 TNF-α 차단 근육 감소증 예방 및 수명 연장(f)
24~26개월령의 수컷 위스타 흰쥐에서 TNF-α의 에타너셉트에 의한 차단 인지 기능 장애, 내피 기능 장애, 말초 및 신경 염증의 예방
골수성 세포에서 프로스타글란딘 E2 수용체 EP2의 마우스 결손 또는 C57BL/6 마우스에서 EP300 억제제 치료 인지 기능 향상 및 노화 관련 염증 감소
C57BL/6 마우스에서 NLRP3의 마우스 녹아웃은 포도당 내성, 인지, 운동 능력, 난소 노화 감소로 인한 여성 생식력을 개선했습니다.
심근경색 병력이 있고 hsCRP 수치가 높은 환자를 대상으로 한 카나키누맙의 인간 대상 임상시험(3상)에서 고혈압과 당뇨병의 발생률이 감소했습니다. 또한, 심근경색과 비소세포폐암의 재발 빈도가 감소했습니다.
Dysbiosis HGPS 마우스 WT 마우스로부터의 분변 미생물 군집 이식; Akkermansia muciniphila 투여로 건강 수명과 수명 연장
SAMP8 마우스 락토바실러스 플란타럼 GKM3 장수 촉진 및 노화 관련 인지 기능 장애 완화
어린 마우스에서 노화된 숙주로의 미생물 군집 이식으로 뇌 건강과 면역력 유지 개선
마우스 분변 미생물 군집 이식으로 노화된 마우스의 난소 기능 개선
마우스 배설물 미생물 군집 이식은 림프절의 배아 중심 반응을 개선했습니다.
마우스 인돌 대사 산물은 노화 중 염증 감소에 기여합니다.
마우스 단쇄 지방산은 노화 마우스의 미세아교세포 기능을 회복시켰습니다.
인간에게 Akkermansia muciniphila를 경구 투여한 결과(무작위 1/2상 시험), 비만 또는 당뇨병 환자의 대사 매개변수가 개선되었습니다.

Mitochondrial DNA

Genomic instability affecting mtDNA may contribute to aging and age-related pathologies.96 mtDNA is strongly impacted by aging-associated mutations and deletions due to its high replicative index, the limited efficiency of its repair mechanisms, its oxidative microenvironment, and the lack of protective histones embracing this small DNA molecule. Somatic mtDNA alterations increase across human tissues during aging, but it remains unclear whether this increase truly impacts the aging process at the functional level. The causal implication of mtDNA mutations in driving aging has been difficult to assess because of “heteroplasmy,” which implies the co-existence of mutated and wild-type genomes within the same cell. However, deep-sequencing of aged cells revealed that their mtDNA mutational load may substantially increase through clonal expansion events.97 The accelerated expansion of mitochondrial mutations with age has also been observed in both primate oocytes and somatic tissues,98 as well as in lymphoblasts from patients with neurodegenerative diseases.99 Of note, ultra-sensitive sequencing indicates that most mtDNA mutations in aged cells arise from replication errors caused by mtDNA polymerase γ rather than from oxidative stress.96

Preliminary evidence that mtDNA mutations might be directly involved in aging and age-related pathologies was provided by human disorders that are caused by mtDNA damage and partially phenocopy aging.100 Further causative evidence has arisen from studies on mice deficient in DNA polymerase γ that exhibit accelerated aging and reduced lifespan associated with deletions rather than point mutations in mtDNA101 (Table 1). Overall, these data suggest that the avoidance, attenuation, or correction of mtDNA mutations might contribute to extend healthspan and lifespan. Nevertheless, as in the case of nuclear DNA mutations, experimental evidence demonstrating deceleration of aging by gain of function in mtDNA repair mechanisms is still largely missing.

미토콘드리아 DNA

mtDNA에 영향을 미치는 게놈 불안정성은

노화와 노화와 관련된 병리에 기여할 수 있습니다.

mtDNA는

높은 복제 지수,

제한된 복구 메커니즘의 효율성,

산화성 미세환경, 그리고

이 작은 DNA 분자를 감싸는 보호 히스톤의 부족으로 인해 노

화와 관련된 돌연변이와 결실에 의해 큰 영향을 받습니다.

노화 과정에서 체세포 mtDNA의 변화는

모든 조직에서 증가하지만,

이러한 증가가 기능적 수준에서 노화 과정에 실제로 영향을 미치는지는 아직 명확하지 않습니다.

노화를 촉진하는 미토콘드리아 DNA 돌연변이의 인과 관계는

“이종성” 때문에 평가하기 어려웠습니다.

이종성은

동일한 세포 내에서 돌연변이된 게놈과 야생형 게놈이 공존한다는 것을 의미합니다.

그러나

노화된 세포의 심층 시퀀싱을 통해,

그들의 미토콘드리아 DNA 돌연변이 부하가 클론 확장 사건을 통해 실질적으로 증가할 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다.97

나이가 들면서

미토콘드리아 돌연변이의 확장이 가속화된다는 사실은

영장류 난모세포와 체세포 조직 모두에서 관찰되었습니다.9 8

뿐만 아니라 신경 퇴행성 질환 환자의 림프구 모세포에서도 발견됩니다.99

주목할 만한 점은,

초민감도 시퀀싱에 따르면,

노화 세포에서 발생하는 대부분의 미토콘드리아 DNA 돌연변이는

산화 스트레스보다는 미토콘드리아 DNA 중합효소 γ에 의한 복제 오류에서 비롯된다는 것입니다.96

미토콘드리아 DNA 돌연변이가

노화와 노화 관련 병리에 직접적으로 관여할 수 있다는 예비 증거는

미토콘드리아 DNA 손상과 부분적 현상 모방 노화로 인한 인간 질환을 통해 제공되었습니다.100

DNA 중합효소 γ가 결핍된 생쥐를 대상으로 한 연구에서

미토콘드리아 DNA의 점 돌연변이보다는

결실과 관련된 노화가 가속화되고 수명이 단축된다는 추가적인 원인이 밝혀졌습니다101 (표 1).

전반적으로,

이러한 데이터는

mtDNA 돌연변이의 회피, 약화 또는 교정이

건강수명과 수명을 연장하는 데 기여할 수 있음을 시사합니다.

그럼에도 불구하고,

핵 DNA 돌연변이의 경우와 마찬가지로,

mtDNA 복구 메커니즘의 기능 증가를 통해 노

화를 늦추는 것을 입증하는 실험적 증거는 아직까지 거의 없습니다.

Nuclear architecture

Defects in the nuclear lamina, which constitutes a scaffold for tethering chromatin and protein complexes, can generate genome instability.102 Accelerated aging syndromes such as the Hutchinson-Gilford and the Néstor-Guillermo progeria syndromes (HGPS and NGPS, respectively) are caused by mutations in genes LMNA and BANF1 encoding protein components of nuclear lamina. Alterations of the nuclear lamina and production of an aberrant prelamin A isoform called progerin are also characteristics of normal human aging, and lamin B1 levels decline during cellular senescence.18 Animal and cellular models have facilitated the identification of the response mechanisms and stress pathways elicited by nuclear lamina aberrations caused by aging and progeria, including activation of tumor suppressor protein p53 (TP53), deregulation of the somatotrophic axis, and attrition of adult stem cells.18

The causal implication of nuclear lamina abnormalities in premature aging has been corroborated by the observation that decreasing prelamin A or progerin levels delays the onset of progeroid features and extends lifespan in mouse models of HGPS. This can be achieved by systemic injection of antisense oligonucleotides, farnesyltransferase inhibitors, a combination of statins and aminobisphosphonates, restoration of the somatotrophic axis, or blockade of NF-κB signaling.103 Some of these interventions have been already approved for use in progeria patients.104 Moreover, gene editing strategies have been recently developed to correct LMNA mutations in cells from HGPS patients and in animal models of this disease.105,106 Hopefully, these approaches will be clinically implemented for the future treatment of progeria, but to date, no evidence is available showing that reducing progerin would delay normal aging.

핵 구조

크로마틴과 단백질 복합체의 결합을 위한 발판을 구성하는 핵층판의 결함은

게놈 불안정성을 유발할 수 있습니다.102

허친슨 길포드 증후군(Hutchinson-Gilford syndrome, HGPS)과

네스토 길레르모 프리제리아 증후군(Néstor-Guillermo progeria syndrome, NGPS)과 같은 가속 노화 증후군은

핵층판의 단백질 구성 요소를 암호화하는 LMNA와 BANF1 유전자의 돌연변이에 의해 발생합니다.

핵막의 변형과

프로게린(progerin)이라고 불리는 비정상적인 프리라민 A 아이소폼(isoform)의 생성은

정상적인 인간 노화의 특징이기도 하며,

세포 노화 과정에서 라민(lamin) B1 수치는 감소합니다.18

동물과 세포 모델은 반응 메커니즘의 식별을 용이하게 해줍니다. 노화와 프로게리아로 인한 핵층 이상으로 유발되는 스트레스 경로, 종양 억제 단백질 p53(TP53)의 활성화, 성장호르몬축의 조절 장애, 성인 줄기세포의 소모를 포함합니다.18

조기 노화에 대한 핵층판 이상과 그 인과관계는 프리라민 A 또는 프로게린 수치가 감소하면 프로게로이드 특징의 발현이 지연되고 HGPS 마우스 모델의 수명이 연장된다는 관찰을 통해 입증되었습니다.

이는 안티센스 올리고뉴클레오티드, 파르네실트랜스퍼라제 억제제, 스타틴과 아미노비스포스포네이트의 병용, 성장호르몬축의 회복, NF-κB 신호 전달의 차단 등을 체계적으로 주입함으로써 달성할 수 있습니다.103

이러한 중재 중 일부는 이미 프로게리아 환자에 대한 사용이 승인되었습니다.10 4 게다가, 최근에는 HGPS 환자의 세포와 이 질병의 동물 모델에서 LMNA 돌연변이를 교정하기 위한 유전자 편집 전략이 개발되었습니다.105,106 이러한 접근법이 미래의 프로게리아 치료를 위해 임상적으로 구현되기를 희망하지만, 현재까지 프로게린을 줄이는 것이 정상적인 노화를 지연시킨다는 증거는 없습니다.

Telomere attrition

DNA damage at the end of chromosomes (telomeres) contributes to aging and age-linked diseases.107 Replicative DNA polymerases are unable to complete the copy of telomere regions of eukaryotic DNA. Accordingly, after several rounds of cell division, telomeres undergo a substantial shortening that induces genomic instability and finally leads to either apoptosis or cell senescence. These deleterious effects can be prevented by the reverse-transcriptase activity of telomerase, an active ribonucleoprotein that elongates telomeres to maintain their adequate length.108,109 However, most mammalian somatic cells do not express telomerase, which leads to the progressive and cumulative erosion of telomere sequences from chromosome ends throughout life. There are several examples in which telomere attrition attenuates carcinogenesis through limiting the replicative lifespan of malignant cells. Hence, in contrast to genomic instability which unambiguously favors oncogenesis, telomere attrition may antagonize malignancy. For this reason, we consider telomere attrition as a hallmark of aging that is separable from genomic instability.110

Telomerase deficiency in humans is associated with premature development of diseases such as pulmonary fibrosis, aplastic anemia, and dyskeratosis congenita, all of which hamper the regenerative capacity of the affected tissues.111 Telomere shortening is also observed during normal aging in many different species, including humans and mice.112 The telomeric attrition rate is influenced by age, genetic variants, lifestyle, and social factors; depends on the proliferative activity of the affected cells; and predicts lifespan in a wide variety of species.112 Telomere uncapping can also result from deficiencies in shelterins, a group of proteins that block the DNA damage response at chromosome ends and modulate telomere length. Several loss-of-function models for shelterin components indicate a decline of tissue regenerative capacity and accelerated aging, even in the presence of telomeres with a normal length.113

Genetically modified animal models have revealed causal links between telomere attrition, cellular senescence, and organismal aging. Mice with shortened or lengthened telomeres exhibit decreased or increased lifespan, respectively.19 Notably, the premature aging of telomerase-deficient mice can be reverted when telomerase is genetically reactivated20 (Table 1). Moreover, normal aging can be delayed in mice by pharmacological activation or systemic viral transduction of telomerase,21 whereas mice with hyperlong telomeres show increased lifespan and metabolic health improvement22 (Table 1). Likewise, mice engineered to maintain physiological levels of telomerase in adult neurons preserve the survival of these cells and maintain cognitive function in Alzheimer's disease models23 (Table 1). Thus, aging can be modulated by telomerase activation.

텔로미어 소모

염색체 말단부(텔로미어)의 DNA 손상은

노화와 노화와 관련된 질병의 원인이 됩니다.107

복제 DNA 중합효소는

진핵세포 DNA의 텔로미어 영역을 복제할 수 없습니다.

따라서,

여러 차례의 세포 분열이 이루어진 후에 텔로미어는

상당한 단축을 겪게 되고,

이로 인해 게놈 불안정성이 유발되고,

결국 세포 자멸사나 세포 노화로 이어집니다.

이러한 해로운 영향은

텔로미어를 적절한 길이로 유지하기 위해

텔로미어를 연장하는 활성 리보핵단백질인 텔로머라제의 역전사 효소 활성에 의해 방지될 수 있습니다.108,109

그러나

대부분의 포유류 체세포는 텔로머라제를 발현하지 않으므로,

텔로미어 염기서열이 생애 동안 염색체 말단에서 점진적이고 누적적으로 소실됩니다.

텔로미어 소모가

악성 세포의 복제 수명을 제한함으로써

발암을 약화시키는 사례가 여러 가지 있습니다.

따라서,

종양 발생을 명확하게 촉진하는 게놈 불안정성과는 달리,

텔로미어 소모는 악성 종양과 대립할 수 있습니다.

이러한 이유로,

우리는 텔로미어 소모를 게놈 불안정성과 분리할 수 있는 노화의 특징으로 간주합니다.110

인간의 텔로머라제 결핍은

폐섬유증,

재생불량성 빈혈,

선천성 각화이상증과 같은 질병의 조기 발병과 관련이 있으며,

이 모든 질병은 영향을 받은 조직의 재생 능력을 저해합니다.111

텔로미어 단축은

인간과 생쥐를 포함한 다양한 종의 정상적인 노화 과정에서 관찰됩니다.112

텔로미어 소모 텔로미어 길이는 나이, 유전적 변이, 생활 방식, 사회적 요인에 의해 영향을 받으며, 영향을 받은 세포의 증식 활동에 따라 달라집니다. 또한 다양한 종의 수명을 예측할 수 있습니다.112 텔로미어 캡핑은 염색체 말단에서 DNA 손상 반응을 차단하고 텔로미어 길이를 조절하는 단백질 그룹인 쉘터린의 결핍으로 인해 발생할 수도 있습니다. 텔로미어의 길이가 정상인 경우에도, 텔로미어 구성 요소의 기능 상실 모델은 조직 재생 능력의 감소와 노화 가속화를 나타냅니다.113

유전자 변형 동물 모델은 텔로미어 소모, 세포 노화, 유기체 노화 사이의 인과 관계를 밝혀냈습니다. 텔로미어가 짧아지거나 길어진 생쥐는 각각 수명이 감소하거나 증가합니다.19 특히, 텔로머라제 결핍 생쥐의 조기 노화는 텔로머라제가 유전자적으로 재활성화되면 되돌릴 수 있습니다20 (표 1). 또한, 텔로머라제의 약리학적 활성화 또는 전신 바이러스 전달에 의해 생쥐의 정상적인 노화가 지연될 수 있으며21, 텔로미어가 과도하게 긴 생쥐는 수명이 증가하고 대사 건강이 개선되는 것으로 나타났습니다22 (표 1). 마찬가지로, 성인 뉴런에서 텔로머라제의 생리적 수준을 유지하도록 조작된 생쥐는 이러한 세포의 생존을 보존하고 알츠하이머병 모델에서 인지 기능을 유지합니다23 (표 1). 따라서, 노화는 텔로머라제 활성화에 의해 조절될 수 있습니다.

Telomerase activation to decelerate aging and treat telomere diseases

In humans, many studies have provided evidence for causal associations between short telomere length and age-related diseases.114 In particular, generation of mouse models with short telomeres has demonstrated that telomeric attrition is at the origin of telomere syndromes115 and preval‎ent age-associated diseases, such as pulmonary and kidney fibrosis.24,116 These links between telomere dynamics and organismal aging have resulted in the design of new interventions to delay aging and age-related diseases. As an example, telomerase activation using a gene therapy strategy has shown therapeutic effects on mouse models of pulmonary fibrosis and aplastic anemia.24,25

텔로머라제 활성화로 노화 지연 및 텔로미어 질환 치료

인간을 대상으로 한 많은 연구에서 짧은 텔로미어 길이와 노화 관련 질병 사이의 인과 관계가 입증되었습니다.114 특히, 짧은 텔로미어를 가진 마우스 모델을 생성한 결과, 텔로미어 소모가 텔로미어 115 증후군과 폐 및 신장 섬유증과 같은 널리 퍼진 연령 관련 질병24,116 텔로미어 역학과 유기체 노화 사이의 이러한 연관성은 노화와 연령 관련 질병을 지연시키기 위한 새로운 개입 방법의 설계로 이어졌습니다. 예를 들어, 유전자 치료 전략을 이용한 텔로머라제 활성화는 폐 섬유증과 재생불량성 빈혈의 마우스 모델에 대한 치료 효과를 보여주었습니다24,25

Epigenetic alterations

The large variety of epigenetic changes that contribute to aging include alterations in DNA methylation patterns, abnormal post-translational modification of histones, aberrant chromatin remodeling, and deregulated function of non-coding RNAs (ncRNAs) (Figure 2B). These regulatory and often reversible changes impact on gene expression‎ and other cellular processes, resulting in the development and progression of several age-related human pathologies, such as cancer, neurodegeneration, metabolic syndrome, and bone diseases. A vast array of enzymatic systems is involved in the generation and maintenance of epigenetic patterns. These enzymes include DNA methyltransferases, histone acetylases, deacetylases, methylases, and demethylases, as well as protein complexes implicated in chromatin remodeling or in ncRNA synthesis and maturation.

후성유전적 변화

노화에 기여하는 다양한 후성유전적 변화에는

DNA 메틸화 패턴의 변화,

히스톤의 비정상적인 번역 후 변형,

비정상적인 염색질 리모델링,

비코딩 RNA(ncRNA)의 기능 조절 장애 등이 포함됩니다(그림 2B).

이러한 조절적이며 종종 가역적인 변화는 유전자 발현과 다른 세포 과정에 영향을 미치며, 그 결과 암, 신경 퇴행, 대사 증후군, 골 질환 등 여러 가지 노화와 관련된 인간 병리의 발생과 진행을 초래합니다. 후성유전학적 패턴의 생성 및 유지에 관여하는 효소 시스템은 매우 다양합니다. 이러한 효소에는 DNA 메틸전이효소, 히스톤 아세틸화효소, 탈아세틸화효소, 메틸화효소, 디메틸화효소, 그리고 염색질 리모델링 또는 ncRNA 합성 및 성숙에 관여하는 단백질 복합체가 포함됩니다.

DNA methylation

The human DNA methylation landscape accumulates multiple changes with the passage of time.117 Early studies described an age-associated global hypomethylation, but further analyses revealed that specific loci, including those of several tumor suppressor genes and Polycomb target genes, are hypermethylated with age. Cells from patients and mice with progeroid syndromes also exhibit DNA methylation changes that partially recapitulate those found in normal aging.118 The functional consequences of most of these age-related epimutations are uncertain, as the majority of changes affect introns and intergenic regions.119

Epigenetic clocks based on DNA methylation status at selected sites have been introduced to predict chronological age and mortality risk as well as to eval‎uate interventions that may extend human lifespan.119 This has been demonstrated with protocols aimed at thymus regeneration, which resulted in improved risk indices for many age-related diseases and a mean epigenetic age approximately 1.5 years less than baseline after 1 year of treatment. Moreover, predictions of human morbidity and mortality showed a 2-year decrease in epigenetic versus chronological age, which persisted 6 months after discontinuing treatment.27 Likewise, α-ketoglutarate supplementation for 7 months turned back the epigenetic clock by 8 years.26 In summary, DNA methylation changes are associated with aging, but there is no definitive evidence that they actually cause aging. Further studies will be necessary to demonstrate that defective maintenance of DNA methylation produces accelerated aging and that improved fidelity in maintenance of DNA methylation patterns extends longevity. It will be also necessary to identify the molecular drivers responsible for the modulation of changes occurring in the aged human methylome.

DNA 메틸화

인간의 DNA 메틸화 지형은 시간의 흐름에 따라 여러 가지 변화를 축적합니다.117 초기 연구에서는 연령과 관련된 전역적인 저메틸화를 설명했지만, 추가 분석 결과, 여러 종양 억제 유전자와 폴리콤 표적 유전자를 포함한 특정 유전자좌가 나이가 들면서 과메틸화되는 것으로 나타났습니다. 프로게로이드 증후군을 앓고 있는 환자와 생쥐의 세포에서도 정상적인 노화에 나타나는 것과 부분적으로 유사한 DNA 메틸화 변화가 관찰됩니다.118 이러한 노화와 관련된 에피뮤테이션의 기능적 결과는 대부분 불확실합니다. 대부분의 변화가 인트론과 유전자간 영역에 영향을 미치기 때문입니다.119

선택된 부위의 DNA 메틸화 상태를 기반으로 하는 후성유전학 시계를 도입하여 연대기적 연령과 사망 위험을 예측하고, 인간의 수명을 연장할 수 있는 중재를 평가하고 있습니다.119 이것은 흉선 재생에 대한 프로토콜을 통해 입증되었으며, 이로 인해 많은 연령 관련 질병에 대한 위험 지수가 개선되었고, 1년간의 치료 후 기준치보다 약 1.5년 더 낮은 평균 후성유전학적 연령이 나타났습니다. 또한, 인간의 질병 발병률과 사망률 예측에 따르면, 후성유전학적 연령은 연대기적 연령에 비해 2년 감소하는 것으로 나타났으며, 이는 치료 중단 후 6개월 동안 지속되었습니다.27 마찬가지로, α-케토글루타레이트 보충제를 7개월 동안 투여한 결과, 후성유전학적 시계가 8년 뒤로 되돌아갔습니다.26 요약하면, DNA 메틸화 변화는 노화와 관련이 있지만, 이것이 실제로 노화를 유발한다는 확실한 증거는 없습니다. DNA 메틸화의 불완전한 유지가 노화를 가속화한다는 것과 DNA 메틸화 패턴의 유지가 정확할수록 수명이 연장된다는 것을 증명하기 위해서는 추가적인 연구가 필요합니다. 또한, 노화된 인간 메틸체에서 발생하는 변화의 조절을 담당하는 분자적 요인을 규명하는 것도 필요합니다.

Histone modifications

Global loss of histones and tissue-dependent changes in their post-translational modifications are also closely linked to aging. Increased histone expression‎ extends lifespan in Drosophila,120 whereas increased histone H4K16 acetylation or H3K4 trimethylation and decreased levels of H3K9 or H3K27 trimethylation are found in fibroblasts from aged individuals and progeroid patients. These histone modifications can lead to transcriptional changes, loss of cellular homeostasis, and age-associated metabolic decline.121 Of note, loss of heterochromatic marks at telomeres has been shown to lead to telomere lengthening.122

Histone demethylases modulate lifespan by targeting components of key longevity routes such as the insulin/insulin growth factor-1 (IGF-1) signaling pathway. Other histone-modifying enzymes such as members of the SIRT family of protein deacetylases and ADP-ribosyltransferases also contribute to healthy aging.29 Transgenic overexpression‎ of SIRT1 improves genomic stability and metabolic efficiency during aging in mice, although without increasing longevity.29 Overexpression‎ of mitochondrial SIRT3 reverses the regenerative capacity lost in aged hematopoietic stem cells (HSCs) and can mediate the beneficial effects of dietary restriction in longevity.123 Similarly, Sirt6 ablation in mice results in accelerated aging,124 whereas Sirt6 overexpression‎ extends lifespan.16 The underlying mechanisms derive from the fact that Sirt6 is a multitask protein with ability to interconnect chromatin dynamics with metabolism and DNA repair.125 Finally, Sirt7 deficiency induces global genomic instability, metabolic dysfunctions, and premature aging.29 Together, these findings are consistent with the idea that a decrease in deacetylase activity would result in chromatin relaxation, increased exposure to DNA damaging agents, and enhanced genomic instability.126 Conversely, genetic inactivation of the histone acetyltransferase KAT7 in human stem cells decreases histone H3K14 acetylation and alleviates cell senescence features.28 Moreover, intravenous injection of lentiviral vectors encoding Cas9/sg-Kat7 ameliorates hepatocyte senescence and liver aging and extends lifespan in both normal and progeroid mice.28 Inhibitors of histone acetyltransferases also ameliorate the premature aging phenotype and extend lifespan of progeroid mice, whereas histone deacetylase activators promote longevity in part via upregulation of SIRT1 activity.127 Together, these findings suggest that histone-modifiers should be further explored as part of therapeutic strategies against age-associated cognitive decline, although it is still unclear whether these interventions influence aging and longevity through purely epigenetic mechanisms, by impinging on DNA repair and genome stability or via transcriptional alterations affecting metabolic or signaling pathways.

히스톤 변형

히스톤의 전역적 소실과 조직에 따라 달라지는 번역 후 변형도 노화와 밀접한 관련이 있습니다. 히스톤 발현의 증가는 초파리의 수명을 연장시키지만,120 히스톤 H4K16 아세틸화 또는 H3K4 트리메틸화의 증가는 노화한 개인과 노화성 질환 환자의 섬유 아세포에서 발견되는 반면, H3K9 또는 H3K27 트리메틸화의 감소는 노화한 개인과 노화성 질환 환자의 섬유 아세포에서 발견됩니다. 이러한 히스톤 변형은 전사적 변화, 세포 항상성 상실, 노화와 관련된 대사 기능 저하를 초래할 수 있습니다.121 주목할 만한 사실은, 텔로미어에서 이색질 표식의 상실이 텔로미어 연장을 초래한다는 사실이 밝혀졌다는 것입니다.122

히스톤 탈메틸화 효소는 인슐린/인슐린 성장 인자-1(IGF-1) 신호 전달 경로와 같은 주요 장수 경로 구성 요소를 표적으로 삼아 수명을 조절합니다. SIRT 단백질 탈아세틸화 효소 및 ADP-리보실트랜스퍼라제의 구성원들과 같은 다른 히스톤 변형 효소들도 건강한 노화에 기여합니다.29 유전자 변형으로 SIRT1을 과발현하면 수명은 늘지 않지만, 생쥐의 노화 과정에서 게놈 안정성과 대사 효율성이 향상됩니다.29 미토콘드리아 SIRT3을 과발현하면 노화된 조혈 세포의 재생 능력이 회복됩니다. 줄기세포(HSC)와 관련이 있으며, 식이 제한의 장점을 촉진할 수 있습니다.123 마찬가지로, 생쥐에서 Sirt6을 제거하면 노화가 가속화되는 반면, Sirt6을 과발현하면 수명이 연장됩니다.16 그 근본적인 메커니즘은 Sirt6이 염색질 역학과 신진대사 및 DNA 복구 기능을 상호 연결하는 다기능 단백질이라는 사실에서 비롯됩니다.125 마지막으로 , Sirt7 결핍은 전역적 게놈 불안정성, 대사 기능 장애, 조기 노화를 유발합니다.29 이러한 연구 결과는 탈아세틸화 효소 활성의 감소가 염색질 이완, DNA 손상 물질에 대한 노출 증가, 게놈 불안정성 증가를 초래한다는 생각과 일치합니다.126 반대로, 인간 줄기세포에서 히스톤 아세틸화 효소 KAT7의 유전적 불활성화는 히스톤 H3K1 4 아세틸화 및 세포 노화 완화 기능.28 또한, Cas9/sg-Kat7을 인코딩하는 렌티바이러스 벡터의 정맥 주사는 간세포 노화와 간 노화를 개선하고 정상 및 노화 촉진 마우스 모두의 수명을 연장합니다.28 히스톤 아세틸트랜스퍼라제의 억제제는 또한 노화 촉진 마우스의 조기 노화 표현형을 개선하고 수명을 연장하는 반면, 히스톤 디아세틸화 활성제 활성화는 부분적으로 SIRT1 활동의 상향 조절을 통해 장수를 촉진합니다.127 이러한 연구 결과는 히스톤 변형제가 노화와 관련된 인지 기능 저하에 대한 치료 전략의 일환으로 더 연구되어야 한다는 것을 시사합니다. 그러나 이러한 개입이 DNA 복구 및 게놈 안정성에 영향을 미치거나 대사 또는 신호 전달 경로에 영향을 미치는 전사적 변화를 통해 순수한 후성유전학적 메커니즘을 통해 노화와 장수에 영향을 미치는지는 아직 불분명합니다.

Chromatin remodeling

Besides DNA- and histone-modifiers, several chromosomal proteins and chromatin remodeling factors, such as the heterochromatin protein 1α (HP1α) and Polycomb group proteins which are implicated in genomic stability DNA repair, may modulate aging.128 Alterations in these epigenetic factors result in profound changes in chromatin architecture, including global heterochromatin loss and redistribution, which are common events in aged cells.

The causal relevance of these chromatin alterations in aging has been largely studied in invertebrates in which loss-of-function mutations in HP1α decrease longevity, whereas its overexpression‎ expands healthspan and lifespan129 (Table 1). Similar studies in mammals are still limited, but most studies indicate that heterochromatin relaxation contributes to aging and aging-related pathologies, whereas maintenance of heterochromatin promotes longevity. For example, loss of PIN1—a prolyl isomerase essential to preserve heterochromatin is associated with premature aging and neurodegeneration in different species from Drosophila to mammals130 (Table 1). Nevertheless, experiments aimed at extending vertebrate longevity by gain of function of chromatin remodeling factors are still missing.

크로마틴 리모델링

DNA와 히스톤 변형체 외에도, 헤테로크로마틴 단백질 1α(HP1α)와 게놈 안정성에 관여하는 폴리콤 그룹 단백질과 같은 여러 염색체 단백질과 크로마틴 리모델링 인자가 노화를 조절할 수 있습니다.128 이러한 후성유전적 요인의 변화는 노화된 세포에서 흔히 발생하는 전역적 헤테로크로마틴 손실과 재배포를 포함한 크로마틴 구조의 심오한 변화를 초래합니다.

노화에 있어서 이러한 염색질 변화의 인과적 관련성은 주로 무척추동물에서 연구되어 왔는데, HP1α의 기능 상실 돌연변이가 수명을 단축시키는 반면, 과발현은 건강수명과 수명을 연장시킨다는 사실이 밝혀졌습니다129 (표 1). 포유류에 대한 유사한 연구는 아직 제한적이지만, 대부분의 연구에 따르면 이색질 이완은 노화와 노화 관련 병리에 기여하는 반면, 이색질의 유지는 장수를 촉진합니다. 예를 들어, 이종염색질 보존에 필수적인 프롤릴 이소머라제(prolyl isomerase)의 손실은 초파리에서 포유류에 이르기까지 다양한 종에서 조기 노화와 신경 퇴행과 관련이 있습니다130 (표 1). 그럼에도 불구하고, 염색질 리모델링 인자의 기능 증가를 통해 척추동물의 수명을 연장하는 실험은 아직 이루어지지 않고 있습니다.

Non-coding RNAs

The large and growing universe of ncRNAs, including lncRNAs (such as telomeric RNAs or TERRA), microRNAs (miRNAs), and circular RNAs, has emerged as epigenetic factors with ability to influence aging. ncRNAs modulate healthspan and lifespan by post-transcriptional targeting of components of longevity networks or by regulating stem cell behavior.131 A circular RNA mediates the effect of the insulin/IGF-1 signaling pathway on Drosophila lifespan,132 but most studies have focused on miRNAs, and there is still debate on the extent to which other ncRNAs may derive from transcriptional noise, with their regulatory roles in human physiology and pathology only circumscribed to few specific cases.133

Gain- and loss-of-function studies first confirmed the capacity of several miRNAs to modulate longevity in invertebrates. Subsequent studies in mice have provided causal evidence on the functional relevance of miRNAs in aging (Table 1). For example, miRNA-188-3p expression‎ is upregulated in skeletal endothelium during aging and contributes to vascular problems associated with the passage of time. Depletion of miR-188 in mice alleviates the age-related decline in beneficial bone capillary subtypes, whereas endothelial-specific overexpression‎ of this miRNA decreases bone mass and delays bone regeneration.30 Conversely, depletion of miR-455-3p in mice exhibits deleterious effects on mitochondrial dynamics, cognitive behavior, and lifespan, whereas its overexpression‎ preserves these functions and extends lifespan.31 Overall, these findings suggest that miRNAs may causally contribute to aging and aging-related pathologies and represent potential therapeutic targets for delaying or ameliorating these conditions.

비코딩 RNA

텔로미어 RNA(telomeric RNA, TERRA)와 같은 lncRNA, 마이크로RNA(miRNA), 순환 RNA(circular RNA)를 포함한 크고 성장하는 ncRNA의 세계는 노화에 영향을 미칠 수 있는 후성적 요인으로 부상했습니다. ncRNA는 장수 네트워크의 구성 요소를 사후 전사적으로 표적화하거나 줄기세포의 행동을 조절함으로써 건강수명과 수명에 영향을 미칩니다.131 순환 RNA는 초파리의 수명에 대한 인슐린/IGF-1 신호 전달 경로의 영향을 매개하지만, 대부분의 연구는 miRNA에 초점을 맞추고 있으며, 다른 ncRNA가 전사 소음에서 파생될 수 있는 정도에 대한 논쟁이 여전히 진행 중이며, 인간 생리학 및 병리학에서의 조절 역할은 몇 가지 특정 사례로만 제한되어 있습니다.133

기능의 증가와 감소에 관한 연구는 무척추동물의 장수를 조절하는 몇 가지 miRNA의 능력을 처음으로 확인했습니다. 이후 쥐를 대상으로 한 연구에서는 노화에 있어서 miRNA의 기능적 관련성에 대한 인과적 증거를 제공했습니다(표 1). 예를 들어, miRNA-188-3p의 발현은 노화 과정에서 골격 내피에서 증가하며, 시간의 흐름과 관련된 혈관 문제에 기여합니다. 쥐의 miR-188이 고갈되면 나이와 관련된 유익한 뼈 모세혈관 아형의 감소가 완화되는 반면, 이 miRNA의 내피세포 특이적 과발현은 뼈 질량을 감소시키고 뼈 재생을 지연시킵니다.30 반대로, 쥐의 miR-455-3p가 고갈되면 델 미토콘드리아의 동역학, 인지 행동, 수명에 심각한 영향을 미치지만, 과발현은 이러한 기능을 보존하고 수명을 연장시킵니다.31 전반적으로, 이러한 연구 결과는 miRNA가 노화와 노화 관련 병리에 인과적으로 기여할 수 있으며 이러한 상태를 지연시키거나 개선하기 위한 잠재적 치료 표적이 될 수 있음을 시사합니다.

Derepression of retrotransposons

Recent studies have unveiled the role of retrotransposons in aging of complex metazoans, including humans.134 These retrotransposable elements are mobile genetic units that can move from one genomic location to another, using a molecular mechanism that involves an RNA intermediate. Retrotransposons consist of long interspersed nuclear elements (LINEs), which encode the required proteins for retrotransposition, and SINEs, which are short, non-coding RNAs that hijack the LINE protein machinery. Retrotransposons are reactivated in senescent cells and during lifetime and generate deleterious effects through genetic and epigenetic changes or by activation of immune pathways triggered after identification of retrotransposon nucleic acids as foreign DNA.134 Mechanistically, epigenetic derepression of LINE-1 RNA inhibits the epigenetic reader Suv39H1,2 resulting in global reduction of H3K9me3 and heterochomatin,135 whereas reverse transcription of LINE-1 RNA results in double-stranded cDNA that activates the cGAS/STING/interferon pathway.136

Treatments with nucleoside reverse-transcriptase inhibitors (NRTIs), which suppress or attenuate retrotransposition, extend lifespan of Sirt6-null mice and improve healthspan, ameliorating bone and muscle phenotypes (Table 1). Likewise, treatment of aged wild-type mice with NRTIs reduces the levels of DNA damage markers.32 Moreover, in vivo targeting of retrotransposons with antisense oligonucleotides increases the lifespan of progeroid mice.135 Notably, a rare SIRT6 variant in centenarians is a stronger suppressor of LINE1 retrotransposons, enhances genome stability, and can more robustly kill cancer cells than wild-type SIRT6.137 Collectively, these findings suggest that retrotransposons causally contribute to the aging process and that interventions that oppose retrotransposon activity might improve healthy longevity. Further clinical studies in aged populations with drugs targeting the different functions of retrotransposons may delineate novel intervention strategies on aging and aging-related pathologies.

역전사성 전좌의 억제

최근의 연구에 따르면, 인간을 포함한 복잡한 다세포 동물에서 역전사성 전좌가 노화에 미치는 역할이 밝혀졌습니다.134 이러한 역전사성 전좌 요소는 RNA 중간체를 포함하는 분자 메커니즘을 사용하여 하나의 게놈 위치에서 다른 위치로 이동할 수 있는 이동 가능한 유전 단위입니다. 역전사성 전위유전자는 역전사에 필요한 단백질을 암호화하는 긴 간헐적 핵 요소(LINE)와 LINE 단백질 기계를 가로채는 짧은 비코딩 RNA인 SINEs로 구성되어 있습니다. 레트로트랜스포존은 노화 세포에서 그리고 일생 동안 재활성화되어, 유전적 및 후성적 변화를 통해 또는 레트로트랜스포존 핵산이 외래 DNA로 확인된 후 유발되는 면역 경로의 활성화를 통해 해로운 영향을 생성합니다.134 메커니즘적으로, LINE-1 RNA의 후성적 억제는 후성적 리더 Suv39H1,2는 H3K9me3과 heterochomatin의 전역적 감소를 초래하고,135 LINE-1 RNA의역전사는 cGAS/STING/인터페론 경로를 활성화하는 이중 가닥 cDNA를 생성합니다.136

역전사 억제제(NRTIs)를 이용한 치료는 역전사를 억제하거나 약화시켜 Sirt6-null 마우스의 수명을 연장하고 건강 수명을 개선하여 뼈와 근육의 표현형을 개선합니다(표 1). 마찬가지로, 노화 된 야생형 마우스를 NRTIs로 치료하면 DNA 손상 마커의 수준이 감소합니다.32 또한, 생체 내 역전사성 올리고뉴클레오티드의 표적화는 프로게로이드 마우스의 수명을 증가시킵니다.135 특히, 100세 이상 장수자의 희귀한 SIRT6 변이체는 억제력이 더 강합니다. 또는 LINE1 역전사체(retrotransposon)의 경우, 게놈 안정성을 향상시키고 야생형 SIRT6보다 더 강력하게 암세포를 죽일 수 있습니다.137 종합적으로, 이러한 연구 결과는 역전사체가 노화 과정에 인과적으로 기여하고, 역전사체 활동을 방해하는 개입이 건강한 장수를 향상시킬 수 있음을 시사합니다. 역전사체의 다양한 기능을 약물로 표적화하는 노년층을 대상으로 한 추가 임상 연구는 노화와 노화 관련 병리에 대한 새로운 개입 전략을 제시할 수 있습니다.

Gene expression‎ changes

The mechanisms underlying the effects of all the above epigenetic factors converge at the modulation of gene expression‎ levels. Aging causes an increase of the transcriptional noise and an aberrant production and maturation of many mRNAs.138,139 Microarray-based comparisons of young and old tissues from human and other species have identified age-related transcriptional signatures that result from epigenetic changes occurring during aging. Environmental exposures also cause alterations in gene regulation via DNA methylation alterations and histone modifications and promote aging-related epigenetic changes including the acceleration of epigenetic clocks.140

Single-cell transcriptomic and plasma proteomics of multiple cell types and organs at several ages across the entire mouse lifespan have unveiled remarkable gene expression‎ shifts during aging.138 These changes specially affect certain biological processes, such as inflammation, protein folding, extracellular matrix (ECM) regulation, and mitochondrial function, which are widely deregulated in aging.141 The common expression‎ patterns observed during aging in different tissues may help to guide future interventions aimed at improving healthspan and lifespan (Table 1). Likewise, the observed decline in transcriptional and post-transcriptional efficiency and fidelity in the course of aging, and its negative consequences on the proteome health may also open new opportunities for prolongevity strategies.139

유전자 발현 변화

위의 모든 후성유전적 요인의 영향에 기초를 둔 메커니즘은 유전자 발현 수준 조절에 집중되어 있습니다. 노화는 전사 노이즈의 증가와 많은 mRNA의 비정상적인 생산 및 성숙을 유발합니다.138,139 인간과 다른 종의 젊은 조직과 노화된 조직을 마이크로어레이를 통해 비교한 결과, 노화 과정에서 발생하는 후성유전적 변화로 인해 나타나는 노화와 관련된 전사적 특징이 확인되었습니다. 환경 노출은 또한 DNA 메틸화 변화와 히스톤 변형을 통해 유전자 조절의 변화를 일으키고, 후성유전학적 시계의 가속화를 포함한 노화와 관련된 후성유전학적 변화를 촉진합니다.140

생쥐의 전체 수명 동안 여러 연령대의 여러 세포 유형과 기관의 단일 세포 전사체와 혈장 단백질체를 분석한 결과, 노화 과정에서 현저한 유전자 발현 변화가 나타났습니다.138 이러한 변화는 특히 염증, 단백질 접힘, 세포 외 매트릭스(ECM) 조절, 그리고 노화 과정에서 광범위하게 조절이 해제되는 미토콘드리아 기능.141 노화 과정에서 다양한 조직에서 관찰되는 공통적인 발현 패턴은 건강 수명과 수명 연장을 목표로 하는 미래의 개입을 안내하는 데 도움이 될 수 있습니다(표 1). 마찬가지로, 노화 과정에서 관찰되는 전사 및 전사 후 효율성과 정확성의 감소, 그리고 단백질체 건강에 대한 부정적인 결과는 장수 전략에 대한 새로운 기회를 열어줄 수도 있습니다.139 

Loss of proteostasis

Aging and several age-related morbidities, such as amyotrophic lateral sclerosis (ALS), Alzheimer’s disease, Parkinson’s disease, and cataract, are associated with impaired protein homeostasis or proteostasis, leading to the accumulation of misfolded, oxidized, glycated, or ubiquitinylated proteins that often form aggregates as intracellular inclusion bodies or extracellular amyloid plaques.142

프로테오스타시스 상실

노화와 근위축성 측삭 경화증(ALS), 알츠하이머병, 파킨슨병, 백내장과 같은 여러 가지 노화 관련 질병은 단백질 항상성 또는 프로테오스타시스의 손상과 관련이 있으며, 이로 인해 잘못 접힌, 산화된, 당화 또는 유비퀴틴화 단백질이 축적되어 종종 세포 내 봉입체 또는 세포 외 아밀로이드 플라크로 응집체를 형성합니다.142

Proteostasis collapse

Intracellular proteostasis can be disrupted due to the enhanced production of erroneously translated, misfolded or incomplete proteins (Figure 3). Genetic manipulation of the ribosomal protein RPS23 to improve the accuracy of RNA-to-protein translation extends lifespan in Schizosaccharomyces pombe, Caenorhabditis elegans, and Drosophila melanogaster,143 whereas a mutation in RPS9 that favors error-prone translation causes premature aging in mice.144 Another mechanism driving the collapse of the proteostasis network resides in slowed translation elongation and cumulative oxidative damage of proteins, increasingly distracting the chaperones from folding healthy proteins required for cellular fitness.145 In addition, numerous age-related neurodegenerative diseases including ALS and Alzheimer can be caused by mutations in proteins that render them intrinsically prone to misfolding and aggregation, hence saturating the mechanisms of protein repair, removal, and turnover that are required for maintenance of the healthy state.146

프로테오스타시스 붕괴

세포 내 프로테오스타시스는 잘못 번역되거나, 잘못 접히거나, 불완전한 단백질의 생산이 증가함에 따라 붕괴될 수 있습니다(그림 3). 리보솜 단백질 RPS23의 유전자 조작을 통해 RNA-단백질 번역의 정확도를 향상시키면 Schizosaccharomyces pombe, Caenorhabditis elegans, Drosophila melanogaster의 수명이 연장되는 반면, 오류 발생 가능성이 높은 번역에 유리하게 작용하는 RPS9의 돌연변이는 생쥐의 조기 노화를 유발합니다.144 단백질 항상성 네트워크의 붕괴를 유발하는 또 다른 메커니즘은 번역 신장의 둔화에 있습니다. 그리고 단백질의 누적 산화적 손상은 세포 건강에 필요한 건강한 단백질을 접는 것을 방해합니다.145 또한, ALS와 알츠하이머를 포함한 수많은 노화 관련 신경 퇴행성 질환은 본질적으로 오접힘과 응집에 취약한 단백질의 돌연변이로 인해 발생할 수 있으며, 따라서 건강한 상태를 유지하는 데 필요한 단백질 복구, 제거 및 교체 메커니즘을 포화시킵니다.146

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Figure 3. Loss of protein and organellar turnover

Loss of proteostasis and disabled macroautophagy are characterized by a deviation from the young equilibrium state in which an accumulation of waste products results from a variety of age-associated alterations and simultaneously waste removal is compromised through a variety of mechanisms. The functional consequences of these alterations are listed. Some strategies for reestablishing proteostasis and autophagy are exemplified on the left and on the right.

그림 3. 단백질 손실과 세포기관 회전율
단백질 항상성 상실과 매크로오토파지 기능 장애는 노화와 관련된 다양한 변화로 인해 노폐물이 축적되고 동시에 다양한 메커니즘을 통해 노폐물 제거가 저해되는 젊은 평형 상태에서 벗어나는 것이 특징입니다. 이러한 변화의 기능적 결과는 다음과 같습니다. 단백질 항상성과 오토파지를 회복하기 위한 몇 가지 전략이 왼쪽과 오른쪽에 예시로 나와 있습니다.

The proteostasis network also collapses when mechanisms assuring quality control fail, for instance, due to reduced function of the unfolded protein response (UPR) in the endoplasmic reticulum (ER),147 when stabilization of correctly folded proteins is compromised or when mechanisms for the degradation of proteins by the proteasome or the lysosome become insufficient (Figure 3). Reduction of proteasome activity has been observed in aged organs including the brain of the short-lived fish Nothobranchius furzeri.148 Moreover, some mono-ubiquitinylated proteins accumulate in aging tissues from flies, mice, monkeys, and humans, as documented for histone 2A.149

The degradation of proteins by the lysosome can be achieved in a specific fashion, through chaperone-mediated autophagy (CMA), wherein proteins exposing a pentapeptide motif resembling KFERQ first bind to heat shock protein HSC70 and then to lysosome-associated membrane protein type 2A (LAMP2A), which facilitates the translocation of the client protein into the lumen of the lysosome.150 Hepatic LAMP2A expression‎ declines with age in mice, and its transgenic re-expression‎ reduces liver aging.151 Protein aggregates can also be removed by macroautophagy upon their inclusion in two-membrane vesicles, the autophagosomes, for their later fusion with lysosomes.152 Since autophagosomes can envelop non-proteinaceous structures, this process will be discussed separately from proteostasis in the next hallmark section (disabled macroautophagy). Nonetheless, stimulation of autophagy constitutes a valid strategy for the elimination of intracellular protein aggregates.153

또한, 예를 들어 소포체(ER)에서 unfolded protein response(UPR)의 기능이 감소하여 품질 관리를 보장하는 메커니즘이 실패하거나, 올바르게 접힌 단백질의 안정성이 손상되거나, 프로테아좀 또는 리소좀에 의한 단백질 분해 메커니즘이 불충분할 때(그림 3) 프로테오스타시스 네트워크가 붕괴됩니다. 단수생선 노토브란키우스 푸르제리의 뇌를 포함한 노화된 장기에서 프로테아좀 활동의 감소가 관찰되었습니다.148 또한, 히스톤 2A에 대해 기록된 바와 같이, 파리, 쥐, 원숭이, 그리고 인간의 노화 조직에 일부 단일 유비퀴틴화 단백질이 축적됩니다.149

리소좀에 의한 단백질의 분해는 샤페론 매개 자가포식(CMA)을 통해 특정한 방식으로 이루어질 수 있습니다. 이 과정에서 KFERQ와 유사한 펜타펩티드 모티프를 가진 단백질은 먼저 열충격 단백질 HSC70에 결합한 다음 리소좀 관련 막 단백질 유형 2A(LAMP2A)에 결합하여 클라이언트 단백질이 리소좀 내강으로 이동하는 것을 촉진합니다.150 간 LAMP 2A 발현은 생쥐에서 나이가 들면서 감소하고, 트랜스제닉 재발현은 간 노화를 감소시킵니다.151 단백질 응집체는 2중막 소포인 오토파고좀에 포함된 후 리소좀과 융합될 때 매크로오토파지에 의해 제거될 수 있습니다.152 오토파고좀은 비단백질 구조를 감쌀 수 있기 때문에, 이 과정은 다음 특징 섹션(매크로오토파지 기능 장애)에서 단백질 항상성과는 별도로 논의될 것입니다. 그럼에도 불구하고, 자가포식 자극은 세포 내 단백질 응집체의 제거를 위한 유효한 전략입니다.153

Proteostasis, aging, and longevity

Perturbation of general proteostasis accelerates aging. For example, feeding D. melanogaster with advanced glycation end products (AGEs) or lipofuscin (an aggregate of covalently cross-linked proteins, sugars, and lipids) causes the accumulation of AGE-modified and carbonylated proteins with a reduction of healthspan and lifespan that is further accentuated upon knockdown of the lysosomal protease cathepsin D.154 Loss of the protease ZMPSTE24 abolishes the normal proteolytic maturation of prelamin A and causes a progeroid syndrome in mice, phenocopying that observed in humans with loss-of-function mutations of ZMPSTE24.18 In mice, knockout of LAMP2A (essential for CMA) in neurons profoundly affects the proteome, yielding similar changes as found in Alzheimer patients. Indeed, inhibition of CMA in mice exacerbates experimental Alzheimer’s disease, whereas its stimulation by a pharmacological CMA activator attenuates the pathology.155

Experimental amelioration of proteostasis can retard the aging process (Table 1). Intranasal application of recombinant human HSP70 protein to mice enhances proteasome activity, reduces brain lipofuscin levels, enhances cognitive functions, and extends lifespan.35 Similarly, administration of the chemical chaperone 4-phenylbutyrate to aged mice reduces ER stress in the brain and improves cognition.36 In nematodes and flies, transfection-enforced overexpression‎ of isolated proteasome subunits improves proteostasis and increases lifespan.156 In mice, stimulation of CMA by transgenic expression‎ of LAMP2a HSCs improve the survival of the targeted cell populations,33 in line with the observation that pharmacological enhancement of CMA attenuates Alzheimer’s pathology and arteriosclerosis.155,34 Hence, activation of CMA may constitute a valid strategy for delaying the aging process.

A phase 3 clinical trial has revealed that in patients with recent ALS diagnosis, administration of the antihypertensive guanabenz inhibits progression to the life-threatening bulbar stage.37 Guanabenz may act to stimulate the phosphorylation (or to inhibit the dephosphorylation) of eukaryotic translation initiation factor 2α (eIF2α), which occurs in the context of the “integrated stress response (ISR)” as part of the UPR,157 although it remains under debate to what extent the actions of guanabenz are mediated by the stimulation of the ISR.158 Importantly, eIF2α phosphorylation causes a switch from 5′ cap-dependent to 5′ cap-independent RNA translation, knowing that the latter is enhanced by several longevity-extending manipulations.159 Moreover, eIF2α phosphorylation is essential for the induction of stress granules, which are required for longevity extension by dietary restriction in worms.160 Finally, eIF2α phosphorylation is indispensable for the induction of autophagy,161 which is a major anti-aging mechanism (see below), suggesting a crosstalk between UPR and autophagy in prolongevity pathways. Future studies must determine whether the capacity of guanabenz to attenuate neurodegeneration is mediated via ISR stimulation or alternative mechanisms. Indeed, it has been proposed that inhibitors of ISR might be also used for the treatment of neurodegenerative diseases.162

프로테오스타시스, 노화, 장수

일반적인 단백질 안정성의 교란은 노화를 가속화합니다. 예를 들어, 초파리에게 고급 당화 최종 생성물(AGE) 또는 리포푸신(공유결합으로 교차결합된 단백질, 당, 지질의 응집체)을 먹이면 AGE 변형 및 카르보닐화 단백질이 축적되어 건강 수명과 수명이 감소하고, 리소좀 프로테아제 카텝신 D의154 억제에 의해 그 효과가 더욱 두드러집니다. 프로테아제 ZMPSTE24는 프리라민 A의 정상적인 단백질 분해 성숙을 중단시키고, ZMPSTE24의 기능 상실 돌연변이를 가진 인간에서 관찰되는 것과 유사한 현상을 모방하여 생쥐에서 노화 촉진 증후군을 유발합니다.18 생쥐에서 뉴런의 LAMP2A(CMA에 필수적인)의 결핍은 프로테옴에 심대한 영향을 미쳐, 알츠하이머 환자에서 발견되는 것과 유사한 변화를 일으킵니다. 실제로, 생쥐에서 CMA의 억제는 실험적 알츠하이머병을 악화시키는 반면, 약리학적 CMA 활성화제에 의한 자극은 병리학을 완화시킵니다.155

단백질 항상성의 실험적 개선은 노화 과정을 지연시킬 수 있습니다(표 1). 재조합 인간 HSP70 단백질을 쥐의 비강 내로 투여하면 단백질 분해효소 활성이 향상되고, 뇌의 리포푸신 수치가 감소하며, 인지 기능이 향상되고, 수명이 연장됩니다.35 마찬가지로, 노화된 쥐에게 화학 보호제인 4-페닐부티레이트를 투여하면 뇌의 ER 스트레스가 감소하고 인지 능력이 향상됩니다.36 선충류와 파리에서는 분리된 단백질 분해효소의 형질 도입을 통한 과발현이 하위 단위는 단백질 안정성을 개선하고 수명을 늘립니다.156 생쥐에서 LAMP2a HSC의 형질전환 발현에 의한 CMA의 자극은 표적 세포 집단의 생존을 향상시킵니다.33 이는 CMA의 약리학적 강화가 알츠하이머 병리와 동맥 경화를 완화한다는 관찰 결과와 일치합니다.155,34 따라서 CMA의 활성화는 노화 과정을 지연시키는 유효한 전략이 될 수 있습니다.

3단계 임상 시험에서 최근 ALS 진단을 받은 환자들에게 항고혈압제인 구아나벤츠를 투여했을 때 생명을 위협하는 구근 단계로의 진행을 억제하는 것으로 나타났습니다.37 구아나벤츠는 진핵 번역 개시 인자 2α(eIF2α)의 인산화를 촉진하거나(또는 인산화를 억제) 통합된 스트레스 반응(ISR)"을 UPR의 일부로 포함시키고 있지만, guanabenz의 작용이 ISR의 자극에 의해 어느 정도까지 매개되는지에 대해서는 여전히 논란이 있습니다.158 중요한 것은, eIF2α 인산화는 5‘ 캡-의존적 RNA 번역에서 5’ 캡-독립적 RNA 번역으로의 전환을 유발한다는 것입니다. 후자는 여러 장수 연장 조작에 의해 강화된다는 것을 알고 있습니다. 159 또한, eIF2α 인산화는 스트레스 과립의 유도에 필수적이며, 이는 웜의 식이 제한에 의한 장수 연장에 필요합니다.160 마지막으로, eIF2α 인산화는 주요한 노화 방지 메커니즘인 자가포식(autophagy)의 유도에 필수적이며161, 이는 아래에서 설명하는 바와 같이 장수 경로에서 UPR과 자가포식 사이의 교차 소통을 시사합니다. 향후 연구에서는 구아나벤츠가 신경퇴화를 완화하는 능력이 ISR 자극을 통해 이루어지는 것인지 아니면 다른 메커니즘을 통해 이루어지는 것인지 여부를 확인해야 합니다. 실제로, ISR 억제제가 신경퇴화성 질환의 치료에도 사용될 수 있다는 제안이 있었습니다.162

Disabled macroautophagy

Macroautophagy (that we will refer to as “autophagy”) involves the sequestration of cytoplasmic material in two-membrane vesicles, the autophagosomes, which later fuse with lysosomes for the digestion of luminal content.152 Thus, autophagy is not only involved in proteostasis but also affects non-proteinaceous macromolecules (such as ectopic cytosolic DNA, lipid vesicles, and glycogen) and entire organelles (including dysfunctional mitochondria targeted by “mitophagy,” and other organelles leading to “lysophagy,” “reticulophagy,” or “pexophagy”), as well as invading pathogens (“xenophagy”).152 An age-related decline in autophagy constitutes one of the most important mechanisms of reduced organelle turnover, justifying its discussion as a new hallmark of aging. As a note of caution, genes and proteins that participate in the autophagic process are also involved in alternative degradation processes such as LC3-associated phagocytosis of extracellular material,163 and the extrusion of intracellular waste (e.g., dysfunctional mitochondria) in the form of exospheres for their subsequent removal by macrophages.164 That said, there is strong evidence that the core process of autophagy is relevant to aging (Figure 3).

매크로오토파지 기능 장애

매크로오토파지(이하 “오토파지”로 칭함)는 세포질 물질을 두 개의 막 소포인 오토파고좀에 격리시킨 다음, 나중에 리소좀과 융합하여 내강 내용물을 소화하는 과정입니다.152 따라서 오토파지는 단백질 항상성뿐만 아니라 비단백질 거대 분자(예: 이소성 세포질 DNA, 지질 소포, 글리코 오겐)과 전체 세포기관(“미토파지”의 표적이 되는 기능 장애 미토콘드리아와 “리소파지”, “레티쿨로파지”, “펙소파지”로 이어지는 기타 세포기관 포함), 침입 병원체(“제노파지”)를 포함합니다.152 노화와 관련된 자가포식 기능의 감소는 세포기관 회전율 감소의 가장 중요한 메커니즘 중 하나이며, 노화의 새로운 특징으로 논의될 만한 가치가 있습니다. 주의해야 할 점은, 자가포식 과정에 관여하는 유전자와 단백질은 세포 외 물질의 LC3-associated phagocytosis,163 그리고 세포 내 폐기물(예: 기능 장애가 있는 미토콘드리아)을 세포 외 구형 형태로 배출하여 대식세포에 의해 제거하는 과정과 같은 대체 분해 과정에도 관여한다는 것입니다.164 즉, 자가포식의 핵심 과정이 노화와 관련이 있다는 강력한 증거가 있습니다(그림 3).

Accelerated aging due to autophagy inhibition

In humans, the expression‎ of autophagy-related genes, such as ATG5, ATG7, and BECN1, declines with age.165 CD4+ T lymphocytes isolated from the offspring of parents with exceptional longevity show enhanced autophagic activity compared with age-matched controls.166 Decreased autophagy in circulating B and T lymphocytes from aging donors is accompanied by a reduction of the pro-autophagic metabolite spermidine.167,168 Similarly, in rodents, a progressive deterioration of autophagy has been described for some organs, pleading in favor of the idea that autophagic flux is compromised with age. Reduction of autophagic flux may participate in the accumulation of protein aggregates and dysfunctional organelles, reduced elimination of pathogens, and enhanced inflammation because autophagy eliminates proteins involved in inflammasome and their upstream triggers.169

Genetic inhibition of autophagy accelerates the aging process in model organisms. This process is partially reversible, as illustrated in mice in which Atg5 is downregulated by a doxycycline-inducible shRNA. Atg5 knockdown causes the premature degeneration and senescence of multiple organ systems leading to premature death.170 Upon withdrawal of doxycycline, autophagy restoration is accompanied by attenuated systemic inflammation and segmental reduction of aging. Of note, in this model, the transient inhibition of autophagy is followed by a major increase in the incidence of malignancies. Hence, autophagy apparently acts as a tumor-suppressive mechanism, which may involve cell-autonomous processes and cancer immunosurveillance.153 In patients, loss-of-function mutations of genes that regulate or execute autophagy have been causally linked to a broad spectrum of cardiovascular, infectious, neurodegenerative, metabolic, musculoskeletal, ocular, and pulmonary disorders, many of which resemble to premature aging at the histopathological and functional levels.152,153

자가포식 억제 때문에 노화가 가속화됨

인간에서는 ATG5, ATG7, BECN1과 같은 자가포식 관련 유전자의 발현이 나이가 들면서 감소합니다.165 장수 부모의 자손에서 분리된 CD4+ T 림프구는 연령이 비슷한 대조군에 비해 자가포식 활동이 향상된 것으로 나타났습니다.166 자가포식 감소 노화 기증자의 B 및 T 림프구 순환은 자가포식 촉진 대사 산물인 스페르미딘의 감소를 동반합니다.167,168 마찬가지로, 설치류에서 일부 장기에 대한 자가포식의 점진적인 악화가 설명되어 왔으며, 이는 자가포식 흐름이 나이가 들면서 손상된다는 생각을 뒷받침합니다. 자가포식의 감소는 단백질 응집체와 기능 장애가 있는 세포 기관의 축적, 병원체의 제거 감소, 그리고 자가포식이 염증성 복합체와 그 상류 트리거에 관여하는 단백질을 제거하기 때문에 염증의 증가에 관여할 수 있습니다.169

자가포식의 유전적 억제는 모델 생물의 노화 과정을 가속화합니다. 이 과정은 부분적으로 되돌릴 수 있는데, 이는 독시사이클린 유도성 shRNA에 의해 Atg5가 하향 조절되는 쥐에서 설명된 바와 같습니다. Atg5의 저하로 인해 여러 장기 시스템의 조기 퇴화와 노화가 발생하여 조기 사망에 이르게 됩니다.170 독시사이클린의 투여 중단 시, 자가포식 복원은 전신 염증의 완화 및 노화의 부분적 감소를 동반합니다. 이 모델에서 주목할 만한 점은, 자가포식의 일시적 억제가 악성 종양의 발생률을 크게 증가시킨다는 점입니다. 따라서, 자가포식은 종양 억제 메커니즘으로 작용하는 것으로 보이며, 이는 세포 자율 과정과 암 면역 감시와 관련이 있을 수 있습니다.153 환자들에서, 자가포식을 조절하거나 실행하는 유전자의 기능 상실 돌연변이는 광범위한 심혈관, 감염, 신경퇴행, 대사, 근골격, 안과, 폐 질환과 인과적으로 연관되어 있으며, 이들 질환의 대부분은 조직병리학적 및 기능적 수준에서 조기 노화와 유사합니다.152,153

Autophagy stimulation for decelerated aging

There is ample evidence that stimulation of autophagic flux increases healthspan and lifespan in model organisms (Table 1). For example, increasing autophagy solely in the enterocytes of the intestine increases Drosophila lifespan.120 In mice, transgenic overexpression‎ of Atg5 under the control of a ubiquitously expressed promoter is sufficient to extend lifespan and to improve metabolic health and motor function.38 Moreover, knockin mutation of beclin 1 (Becn1F121A/F121A) to reduce its inhibition by Bcl-2 causes an increase in autophagic flux, as well as an extension of lifespan. This effect is coupled to a reduction of age-associated pathologies and spontaneous tumorigenesis,39 as well as to increased neurogenesis.40

Oral supplementation of spermidine to mice induces autophagy in multiple organs and extends longevity by up to 25%, accompanied by reduced cardiac aging. This latter effect is lost upon cardiomyocyte-specific knockout of Atg7, suggesting that it relies on autophagy.41 Mechanistically, the pro-autophagic effects of spermidine have been linked to an inhibition of the acetyl transferase EP300 (resulting in reduced acetylation of several core autophagy proteins)171 or to the hypusination of eIF5A, which is essential for the synthesis of the autophagy transcription factor TFEB.167 Among these factors, EP300 is the target of the longevity-enhancing drugs nordihydroguairaretic acid43 and salicylate.42 Pharmacological inhibition of EP300 with C646 mimics the stimulatory effects of spermidine on autophagy and cancer immunosurveillance.172 When circulating B lymphocytes or CD8+ T cells from aged human donors are cultured in the presence of spermidine, the cells recover juvenile levels of TFEB and eIF5A, coupled to a normalization of autophagic flux.167,168 Moreover, in Drosophila, hypusination deficiency due to a heterozygous mutation or knockdown of deoxyhypusine synthase abolished lifespan extension by spermidine supplementation.173 Deoxyhypusine synthase deficiency in murine T cells triggers severe intestinal inflammation coupled to epigenetic remodeling and rewiring of the tricarboxylic acid cycle,174 whereas spermidine treatment of wild-type mice protects against colitis and colon carcinogenesis.175 Hence, both EP300 inhibition and eIF5A hypusination appear plausible targets to explain the in vivo effects of spermidine.

Pharmacological agents that induce mitophagy and have a positive impact on murine healthspan include NAD+ precursors (such as nicotinamide, nicotinamide mononucleotide, and nicotinamide riboside)176 and urolithin A.177 Clinical trials have demonstrated the efficacy of NAD+ precursors in the chemoprevention of non-melanoma skin cancer,46 in reversing insulin resistance in prediabetic women,44 and in reducing neuroinflammation in patients with Parkinson’s disease.45 Moreover, a phase 3 trial has revealed the capacity of urolithin A to improve muscle strength and to reduce C-reactive protein (CRP).47

노화 지연에 대한 자가포식 자극

모델 생물의 건강 수명과 수명을 증가시키는 자가포식 자극에 대한 충분한 증거가 있습니다(표 1). 예를 들어, 장의 장세포에서만 자가포식을 증가시키면 초파리의 수명이 증가합니다.120 쥐의 경우, 보편적으로 발현되는 프로모터의 제어 하에 Atg5의 트랜스제닉 과발현이 수명을 연장하고 대사 건강과 운동 기능을 개선하는 데 충분합니다.3 8 또한, beclin 1의 knockin 돌연변이(Becn1F121A/F121A)가 Bcl-2에 의한 억제를 감소시키면 자가포식 흐름이 증가하고 수명이 연장됩니다. 이 효과는 노화와 관련된 병리 및 자발적 종양 발생의 감소와39 신경 발생 증가와도 관련이 있습니다.40

쥐에게 스퍼미딘을 경구로 보충하면 여러 기관에서 자가포식이 유도되고 수명이 최대 25%까지 연장되며, 심장 노화도 감소합니다. 이 후자의 효과는 Atg7을 심근세포 특이적으로 제거하면 사라지는데, 이는 이 효과가 자가포식에 의존한다는 것을 시사합니다.41 메커니즘적으로, 스퍼미딘의 자가포식 촉진 효과는 아세틸 전이효소 EP300의 억제와 관련이 있습니다(그 결과, 여러 핵심 자가포식 단백질의 아세틸화가 감소됨)171 또는 eIF5A의 하이포시네이션과 관련이 있는데, 이는 자가포식 전사인자 TFEB의 합성.167 이러한 인자 중 EP300은 노화 방지 약물인 노르디하이드로구아이라레틱산43과 살리실레이트의 표적입니다.42 C646을 이용한 EP300의 약리학적 억제는 스퍼미딘이 자가포식과 암 면역감시에 미치는 자극 효과를 모방합니다.172 순환 B 림프구 또는 노년층 기증자의 CD8+ T 세포를 스퍼미딘의 존재 하에서 배양하면, 세포는 TFEB와 eIF5A의 청소년 수준을 회복하고, 자가포식 작용의 정상화와 함께167,168 또한, 초파리에서 이형접합 돌연변이 또는 데옥시히푸신 합성효소의 저하로 인한 히푸신화 결핍은 스퍼미딘 보충에 의한 수명 연장을 없애버렸습니다173 De 쥐의 T 세포에서 옥시히프신 신타아제 결핍은 트리카르복실산 순환과 관련된 후성유전학적 재구성 및 재연결과 함께 심각한 장 염증을 유발하는 반면, 야생형 마우스의 스퍼미딘 처리는 대장염과 대장암 발병을 예방합니다.175 따라서, EP300 억제 및 eIF5A 저히푸신화는 스퍼미딘의 생체 내 효과를 설명하는 타당한 표적처럼 보입니다.

미토파지를 유도하고 쥐의 건강 수명에 긍정적인 영향을 미치는 약리 작용제에는 NAD+ 전구체(니코틴아미드, 니코틴아미드 모노뉴클레오티드, 니코틴아미드 리보사이드 등)176과 우롤리틴 A가 있습니다177. 임상 시험에서 비의 화학 예방에 NAD+ 전구체의 효능이 입증되었습니다. -흑색종 피부암,46 당뇨병 전단계 여성들의 인슐린 저항성 개선,44 파킨슨병 환자의 신경염 감소45 또한, 3상 임상시험을 통해 우롤리틴 A가 근력을 향상시키고 C-반응성 단백질(CRP)을 감소시키는 능력이 있다는 사실이 밝혀졌습니다.47

Deregulated nutrient-sensing

The nutrient-sensing network is highly conserved in evolution. It includes extracellular ligands, such as insulins and IGFs, the receptor tyrosine kinases with which they interact, as well as intracellular signaling cascades. These cascades involve the PI3K-AKT and the Ras-MEK-ERK pathways, as well as transcription factors, including FOXOs and E26 factors, which transactivate genes involved in diverse cellular processes. The mechanistic target of rapamycin (MTOR) complex-1 (MTORC1) responds to nutrients, including glucose and amino acids, and to stressors such as hypoxia and low energy to modulate the activity of numerous proteins including transcription factors such as SREBP and TFEB. This network is a central regulator of cellular activity, including autophagy, mRNA and ribosome biogenesis, protein synthesis, glucose, nucleotide and lipid metabolism, mitochondrial biogenesis, and proteasomal activity. Network activity responds to nutrition and stress status by activating anabolism if nutrients are present and stress is low or by inducing cellular defense pathways in response to stress and nutrient-shortage. There is extensive intracellular crosstalk and feedback within the network, and between it and other intracellular signaling pathways. Genetically reduced activity of components of the nutrient-sensing network can increase lifespan and healthspan in diverse animal models178,179 (Table 1). Moreover, genetic association studies in humans have implicated the FOXO3 transcription factor180 and genetic variants encoding components of the network in human longevity.178 Epigenetic age is also associated with nutrient-sensing in human cells.181 In youth, activity of this signaling network thus functions to promote beneficial anabolic processes, but during adulthood, it acquires pro-aging properties (Figure 4).

영양소 감지 능력저하(deregulated)

영양소 감지 네트워크는

진화 과정에서 고도로 보존되어 있습니다.

여기에는

인슐린과 IGF와 같은 세포 외 리간드,

이들이 상호 작용하는 수용체 티로신 키나아제, 세포 내 신호 전달 캐스케이드가 포함됩니다.

이러한 캐스케이드에는 PI3K-AKT 및 Ras-MEK-ERK 경로뿐만 아니라 다양한 세포 과정에 관여하는 유전자를 전사 활성화하는 FOXO 및 E26 인자를 포함한 전사 인자가 포함됩니다. 라파마이신(MTOR) 복합체-1(MTORC1)의 기계적 목표는 포도당과 아미노산을 포함한 영양소와 저산소증과 낮은 에너지와 같은 스트레스 요인에 반응하여 SREBP 및 TFEB와 같은 전사 인자를 포함한 수많은 단백질의 활동을 조절합니다.

이 네트워크는 자가포식, mRNA 및 리보솜 생합성, 단백질 합성, 포도당, 뉴클레오티드 및 지질 대사, 미토콘드리아 생합성, 프로테아좀 활동을 포함한 세포 활동의 중심 조절기입니다. 네트워크 활동은 영양 상태와 스트레스 상태에 반응하여 영양분이 있고 스트레스가 낮으면 동화 작용을 활성화하고, 스트레스와 영양 부족에 반응하여 세포 방어 경로를 유도합니다. 네트워크 내부와 네트워크와 다른 세포 내 신호 경로 사이에는 광범위한 세포 내 교차 소통과 피드백이 존재합니다. 영양 감지 네트워크 구성 요소의 유전적으로 감소된 활동은 다양한 동물 모델에서 수명과 건강 수명을 증가시킬 수 있습니다178,179 (표 1).

또한, 인간을 대상으로 한 유전적 연관성 연구에 따르면, FOXO3 전사 인자180과 유전적 변이가 인간 장수 네트워크의 구성 요소를 암호화하는 것으로 밝혀졌습니다.178 후성유전학적 연령은 또한 인간 세포의 영양소 감지와도 관련이 있습니다.181 따라서, 젊을 때는 이 신호 전달 네트워크의 활동이 유익한 동화 작용 과정을 촉진하는 기능을 하지만, 성인이 되면 노화를 촉진하는 특성을 갖게 됩니다(그림 4).

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Figure 4. Metabolic alterations

A simplified version of intertwined trophic pathways is shown for deregulated nutrient-sensing with their possible countermeasures to restore nutrient-sensing. Of note, the reduced activity of the nutrient-sensing network influences numerous processes beyond metabolism modulation during aging, including resistance to diverse stressors, activation of repair mechanisms, autophagy stimulation, or inflammation control. Similarly, for mitochondrial dysfunction, a series of age-associated alterations with their possible antidotes are listed. The functional consequences of age-associated metabolic alterations, some of which are relevant to other hallmarks of aging, are exemplified in the lower part of the graph.

그림 4. 대사 변화
영양소 감지 조절이 불가능한 경우, 영양소 감지를 회복하기 위한 가능한 대책과 함께 영양소 감지 경로가 얽혀 있는 단순화된 버전이 표시됩니다. 주목할 만한 점은, 영양소 감지 네트워크의 활동 감소가 노화 과정에서 대사 조절을 넘어 다양한 과정에 영향을 미친다는 점입니다. 여기에는 다양한 스트레스 요인에 대한 저항력, 회복 메커니즘의 활성화, 자가포식 자극, 또는 염증 조절 등이 포함됩니다. 마찬가지로, 미토콘드리아 기능 장애의 경우, 연령과 관련된 일련의 변화와 그 가능성 있는 해독제가 나열되어 있습니다. 연령과 관련된 대사 변화의 기능적 결과는 그래프 하단에 예시되어 있으며, 그 중 일부는 노화의 다른 특징과 관련이 있습니다.

The somatotrophic axis—the first one historically implicated in the control of aging—is a growth-stimulatory cascade that, at its apex, involves growth hormone (GH) produced by the hypophysis. GH acts on the GH receptor of hepatocytes to stimulate the secretion of IGFs, in particular IGF1, which promotes growth and development via the IGF1R to stimulate trophic signals through activation of PI3K-AKT and the MTORC1 network.182 In multiple model organisms, spontaneous or engineered mutations of this pathway enhance lifespan and retard facets of age-associated deterioration (Table 1). Innate defects in the somatotrophic axis cause dwarfism, but inhibition of this axis from early adulthood has beneficial effects on organismal health (Figure 4).

Another signaling pathway involved in nutrient-sensing relies on the receptor tyrosine kinase ALK (Figure 4), which, in mice, is induced in the hypothalamus by feeding183 and responds to the ligands augmentor α and β (Augα and Augβ).184 In Drosophila, knockdown of ALK decreases triglyceride levels and the expression‎ of several insulin-like peptides, whereas genetic or pharmacological inhibition of ALK extends healthspan and lifespan, mostly in females.183 In mice, body-wide or hypothalamus-specific deletion of ALK, as well as double knockout of Augα and Augβ, promotes resistance against diet-induced obesity, and in humans, a loss-of-function mutation of ALK is associated with leanness.183,184 Hence, this pathway may offer additional targets for interventions on metabolic aging.

Drugs targeting diseases such as cancer and metabolic disease often engage the nutrient-sensing network, thus such drugs are candidates for repurposing as geroprotectors. Rapamycin and rapalogs, which disrupt the MTORC1 complex, have proved to extend lifespan in model organisms even with treatment starting late in adulthood.185 In mice, rapamycin can increase diverse aspects of health, although it exacerbates some age-related traits such as cataract, and it is protective in models of neurodegenerative and other age-related diseases.

Elderly humans are susceptible to viral respiratory infections. Pre-treatment with MTORC1 inhibitors increased the immune response of elderly volunteers to immunization against influenza186 and reduced viral respiratory infections in the ensuing winter,187 thus pointing to a potential strategy for reverting age-related immunosenescence.

역사적으로 노화 조절에 관여하는 첫 번째 축인 체세포 성장 축은 성장 촉진 캐스케이드로, 그 정점에 뇌하수체에서 생성되는 성장 호르몬(GH)이 관여합니다. GH는 간세포의 GH 수용체에 작용하여 IGF, 특히 IGF1의 분비를 촉진합니다. IGF1은 IGF1R을 통해 성장과 발달을 촉진하고, PI3K-AKT 및 MTORC1 네트워크의 활성화를 통해 영양 신호를 자극합니다.182 여러 모델 유기체에서 이 경로의 자발적 또는 조작적 돌연변이는 수명을 늘리고 노화와 관련된 악화 현상을 지연시킵니다(표 1). 체세포 성장축의 선천적 결함은 왜소증을 유발하지만, 성인 초기에 이 축을 억제하면 유기체의 건강에 유익한 영향을 미칩니다(그림 4).

영양소 감지에 관여하는 또 다른 신호 전달 경로는 수용체 티로신 키나제 ALK(그림 4)에 의존하는데, 이 수용체는 생쥐의 시상하부에서183 먹이를 먹음으로써 유도되고 리간드 증강제 α와 β(Augα와 Augβ)에 반응합니다184 초파리에서 ALK의 저해는 트리글리세라이드 수준과 여러 인슐린 유사 펩티드의 발현을 감소시키는 반면, ALK의 유전적 또는 약리학적 억제는 건강을 연장시킵니다. 스팬과 수명, 주로 암컷에서.183 생쥐에서 ALK의 전신 또는 시상하부 특이적 결손과 Augα 및 Augβ의 이중 결손은 식이 유발 비만에 대한 저항성을 촉진하며, 인간에서 ALK의 기능 상실 돌연변이는 마른 체형과 관련이 있습니다.183,184 따라서 이 경로는 대사성 노화에 대한 개입의 추가적인 목표를 제공할 수 있습니다.

암이나 대사성 질환과 같은 약물을 표적으로 하는 약물은 종종 영양소 감지 네트워크를 활성화시키므로, 이러한 약물은 노화 방지제로 용도를 변경할 수 있는 후보입니다. MTORC1 복합체를 방해하는 라파마이신과 라파로그(rapalogs)는 성인이 된 후 치료를 시작하더라도 모델 생물의 수명을 연장하는 것으로 입증되었습니다.185 쥐의 경우, 라파마이신은 백내장과 같은 일부 노화 관련 특성을 악화시키기는 하지만 건강의 다양한 측면을 향상시킬 수 있으며, 신경 퇴행성 및 기타 노화 관련 질병 모델에서 보호 효과가 있습니다.

노인은 바이러스성 호흡기 감염에 취약합니다. MTORC1 억제제를 사용한 사전 치료는 노인 지원자의 인플루엔자 예방 접종에 대한 면역 반응을 증가시켰고186, 그 후 겨울에 바이러스성 호흡기 감염을 감소시켰으며187, 따라서 노화와 관련된 면역 노화(immunosenescence)를 되돌릴 수 있는 잠재적 전략을 제시합니다.

Mechanisms

In humans, IGF1 peaks during the second decade of life but declines with aging. Inhibition of the GH/IGF1 pathway in adult or late life extends lifespan in model organisms, including mice.48 Inhibition of cardiac IGF1R by expression‎ of a dominant negative p110α isoform of PI3K increases maximum lifespan of male mice and improves heart function in aged mice.188 Moreover, enzymatic inhibition of IGF1R with tyrosine kinase inhibitors improves anticancer immunosurveillance requiring autophagy induction in malignant cells.189 Long-term administration of an anti-IGF1R antibody enhances the longevity of female (but not male) mice, although reducing inflammation and tumor development. These findings suggest that the IGF1/IGF1R signaling axis may constitute a target for anti-aging interventions. In favor for this conjecture, in elderly women (≥95 years), as well as in a mixed population of older adults (mean age 76 years), low IGF1 levels correlate with a low probability of cognitive impairment and death.190 Moreover, in a large cohort from the UK Biobank, significant positive correlations were noted between the hazard associated with high IGF-1 and age for dementia, diabetes, vascular disease, osteoporosis, and overall mortality.191 In centenarians, the concentrations of IGF1BP2 and IGFBP6 are elevated.192 Future will tell whether yet-to-be-developed antibodies or small molecules that selectively inhibit IGF1R signaling without affecting other receptor tyrosine kinases (and in particular the insulin receptor) might be used for the pulsatile inhibition of the somatotropic axis to achieve health benefits with acceptable side effects.

메커니즘

인간에서는 IGF1이 생후 20년 동안 최고조에 달하지만, 노화가 진행되면서 감소합니다. 성인 또는 노년기에 GH/IGF1 경로의 억제는 생쥐를 포함한 모델 생물의 수명을 연장시킵니다.48 PI3K의 지배적 음성 p110α 아이소폼의 발현에 의한 심장 IGF1R의 억제는 수컷 생쥐의 최대 수명을 증가시키고 노화 생쥐의 심장 기능을 개선시킵니다. 188 또한, 티로신 키나아제 억제제를 이용한 IGF1R의 효소적 억제는 악성 세포에서 자가포식 유도를 필요로 하는 항암 면역 감시를 개선합니다.189 항-IGF1R 항체의 장기 투여는 염증과 종양 발생을 감소시키기는 하지만, 암컷 생쥐(수컷 생쥐는 제외)의 수명을 연장시킵니다. 이러한 연구 결과는 IGF1/IGF1R 신호 전달 축이 노화 방지 개입의 표적이 될 수 있음을 시사합니다. 이 가설을 뒷받침하는 근거로, 고령 여성(95세 이상)과 고령 성인(평균 연령 76세)의 혼합 집단에서 낮은 IGF1 수치는 인지 장애와 사망 가능성과 낮은 상관관계가 있습니다.190 또한, 영국 바이오뱅크의 대규모 코호트에서, 치매, 당뇨병, 혈관 질환, 골다공증의 위험과 높은 IGF-1 수치 및 연령 사이에 유의미한 양의 상관관계가 관찰되었습니다. 그리고 전체 사망률.191 100세 이상 노인의 경우, IGF1BP2와 IGFBP6의 농도가 증가합니다.192 미래에는 아직 개발되지 않은 항체 또는 다른 수용체 티로신 키나아제(특히 인슐린 수용체)에 영향을 미치지 않으면서 IGF1R 신호를 선택적으로 억제하는 작은 분자가 건강상의 이점을 달성하기 위해 성장호르몬 축의 맥동적 억제에 사용될 수 있을지 여부가 밝혀질 것입니다.

Effects of nutrition

Diet is one of the most practical targets for interventions into human aging. Mechanistically, overnutrition: (1) triggers intracellular nutrient sensors, such as MTORC1 (activated by leucine and other amino acids), and the acetyltransferase EP300 (activated by acetyl coenzyme A); (2) inhibits sensors that detect nutrient scarcity, such as AMP-activated kinase (AMPK) and the deacetylases SIRT1 and SIRT3 (which respond to NAD+); and (3) abolishes catabolic reactions (glycogenolysis, proteolysis for gluconeogenesis, and lipolysis coupled to ketogenesis) with consequent suppression of adaptive cellular stress responses, including autophagy, antioxidant defense, and DNA repair. Conversely, fasting and dietary restriction inhibit MTORC1 and EP300; activate AMPK, SIRT1, and SIRT3; and stimulate adaptive cellular stress responses as they suppress the somatotrophic axis and extend longevity in multiple model organisms including primates.193

Nutrient sensors constitute targets for potential longevity drugs (Figure 4), but health benefits and extended lifespan might also be achieved by dietary restrictions. Mechanistically, this is possible via reduction of overall caloric intake, manipulation of the dietary composition,194,195 or time-restricted feeding.196 Dietary restriction regimens are particularly successful in extending lifespan in male C57BL/6J mice, if the animals are completely deprived from nutrients during daytime.49 However, dietary restriction regimens do not extend lifespan in all mouse strains, supporting the contention that they must be adapted to the genetic makeup of each individual.197 In humans, clinical assays based on dietary restriction are complicated by poor compliance, yet suggest positive effects on immunity and inflammation.50

Intermittent fasting (e.g., 1 day without nutrients, followed by 1 day of ad libitum feeding) can avoid long-term weight loss induced by caloric restriction, yet increases lifespan in mice195 and improves biomarkers of health in clinical trials.198,199 Life time extension of a similar intermittent fasting regimen in flies has been attributed to the nighttime-specific upregulation of autophagy-stimulatory genes,200 but this has not yet been investigated in mammals. Rapamycin-induced longevity extension (which in flies partially depends on autophagy induction) can be obtained by constant-long term exposure, as well as by intermittent regimens,201 suggesting that pulsatile inhibition of this axis is sufficient to obtain the benefits of lifespan extension. The optimal interval for such intermittent treatments has not yet been determined for clinical use, although partial caloric restriction for 4–7 days every 3–4 weeks may be sufficient to improve metabolic syndrome and anticancer immunosurveillance.202

Another potentially beneficial regimen is ketogenic diet, which is a low-carbohydrate, high-fat, and adequate protein diet. Both fasting and ketogenic diet increase the production of ketone bodies (in particular 3-hydroxybutyrate), which are synthesized from acetyl coenzyme A in the liver in an autophagy-dependent fashion, can reach millimolar concentrations in the plasma and replace glucose as an essential fuel, for instance, for the maintenance of brain function.203 Permanent but not cyclic administration of 3-hydroxybutyrate in the drinking water increases lifespan and healthspan in mice.51 This strongly suggests that this ketone body mediates some of the beneficial effects of ketogenic diet. Mechanistically, 3-hydroxybutyrate induces vasodilatation and activates immune responses acting on GTP protein coupled receptor 109A,203 whereas it directly inhibits the NLRP3 inflammasome,204 indicating a potential pleiotropic mode of action.

영양의 효과

식단은 인간 노화에 대한 개입의 가장 실용적인 목표 중 하나입니다. 기계적으로, 과잉 영양은 (1) MTORC1(루신 및 기타 아미노산에 의해 활성화됨)과 아세틸 트랜스퍼라제 EP300(아세틸 코엔자임 A에 의해 활성화됨)과 같은 세포 내 영양 센서를 유발하고, (2) AMP-활성화 키나아제(AMPK) 및 디아세틸과 같은 영양 부족을 감지하는 센서를 억제합니다. (1) NAD+에 반응하는 SIRT1과 SIRT3을 활성화하고, (2) 이화 작용(글리코겐 분해, 단백질 분해를 통한 글루코네오제네시스, 케톤 생성과 관련된 지방 분해)을 억제하여, (3) 결과적으로 자가포식, 항산화 방어, DNA 복구 등의 적응성 세포 스트레스 반응을 억제합니다. 반대로, 단식과 식이 제한은 MTORC1과 EP300을 억제하고, AMPK, SIRT1, SIRT3를 활성화하며, 적응성 세포 스트레스 반응을 자극하여 영장류를 포함한 여러 모델 유기체에서 체세포 성장 및 발달 축을 억제하고 수명을 연장합니다.193

영양 센서는 잠재적인 장수 약물의 표적이 됩니다(그림 4). 그러나 식이 제한을 통해서도 건강상의 이점과 수명 연장이 가능할 수 있습니다. 메커니즘적으로, 이것은 전체 칼로리 섭취량 감소, 식이 구성 조작,194,195 또는 시간 제한 급식을 통해 가능합니다.196 식이 제한 요법은 특히 수컷 C57BL/6J 마우스에서 수명 연장에 성공적입니다. 낮 동안에 영양분을 섭취합니다.49 그러나, 식이 제한 요법이 모든 마우스 종에서 수명을 연장하는 것은 아니며, 이는 식이 제한 요법이 각 개체의 유전적 구성에 맞춰 조정되어야 한다는 주장을 뒷받침합니다.197 인간의 경우, 식이 제한에 기반한 임상 분석은 준수율이 낮아서 복잡하지만, 면역과 염증에 긍정적인 영향을 미칠 수 있음을 시사합니다.50

간헐적 단식(영양분을 섭취하지 않는 날과 자유롭게 음식을 섭취하는 날을 번갈아 가며 하는 식단)은 칼로리 제한으로 인한 장기적인 체중 감소를 피할 수 있지만, 생쥐의 수명을 195% 늘리고 건강 지표 개선에 도움이 됩니다. 임상 시험에서198,199 파리에서 유사한 간헐적 단식 요법의 수명 연장은 야간에 특이적으로 자가포식 자극 유전자의 상향 조절에 기인하는 것으로 여겨졌지만,200 포유류에서는 아직 연구되지 않았습니다. 라파마이신에 의한 장수 연장은 (파리에서 부분적으로 자가포식 유도에 의존하는) 지속적인 장기 노출뿐만 아니라 간헐적 처방으로도 얻을 수 있으며,201 이 축의 맥동적 억제가 수명 연장의 이점을 얻기에 충분하다는 것을 시사합니다. 이러한 간헐적 치료의 최적 간격은 아직 임상용으로 결정되지 않았지만, 3-4주마다 4-7일 동안 부분적인 열량 제한을 하면 대사 증후군과 항암 면역 감시를 개선하는 데 충분할 수 있습니다.202

또 다른 잠재적인 이점이 있는 식이요법은 케토제닉 다이어트입니다. 케토제닉 다이어트는 저탄수화물, 고지방, 적절한 단백질 식단입니다. 단식과 케토제닉 다이어트 모두 간에서 아세틸 코엔자임 A로부터 자가포식 작용에 의해 합성되어 혈장 내 밀리몰 농도에 도달할 수 있고 필수 연료로서 포도당을 대체할 수 있는 케톤체(특히 3-하이드록시부티레이트)의 생성을 증가시킵니다. 예를 들어, 뇌 기능의 유지에 도움이 됩니다.203 3-하이드록시부티레이트를 식수에 영구적으로, 주기적이지 않게 투여하면 생쥐의 수명과 건강 수명이 증가합니다.51 이것은 케톤체가 케토제닉 식단의 일부 유익한 효과를 매개한다는 것을 강력하게 시사합니다. 기계적으로, 3-하이드록시부티레이트는 혈관 확장을 유도하고 GTP 단백질 결합 수용체 109A,203에 작용하는 면역 반응을 활성화하는 반면, NLRP3 인플라즈마좀,204를 직접 억제하여 잠재적인 다중 작용 작용 방식을 나타냅니다.

Mitochondrial dysfunction

Mitochondria are not only the powerhouses of the cell but also constitute latent triggers of inflammation (when reactive oxygen species [ROS] or mtDNA leak out of the organelle causing activation of inflammasomes or cytosolic DNA sensors, respectively) and cell death (when activators of caspases, nucleases, or other lethal enzymes are released from the intermembrane space).146 With aging, mitochondrial function deteriorates due to multiple intertwined mechanisms including the accumulation of mtDNA mutations, deficient proteostasis leading to the destabilization of respiratory chain complexes, reduced turnover of the organelle, and changes in mitochondrial dynamics. This situation compromises the contribution of mitochondria to cellular bioenergetics, enhances the production of ROS, and may trigger accidental permeabilization of mitochondrial membranes causing inflammation and cell death.182 Logically, the function of mitochondria is primordial for the maintenance of health, and its progressive deterioration contributes to the aging phenotype (Figure 4).

미토콘드리아 기능 장애

미토콘드리아는 세포의 발전소일 뿐 아니라, 염증(산화성 활성산소[ROS] 또는 미토콘드리아 DNA가 세포기관 밖으로 누출되어 각각 염증성 단백질 또는 세포질 DNA 센서를 활성화하는 경우)과 세포사(카스파제, 핵산 분해효소, 또는 다른 치명적인 효소가 막간질에서 방출됩니다).146 노화가 진행됨에 따라 mtDNA 돌연변이의 축적, 호흡 사슬 복합체의 불안정화를 초래하는 단백질 안정성 결핍, 세포 기관의 회전율 감소, 미토콘드리아 역학의 변화 등 여러 가지 상호 연관된 메커니즘으로 인해 미토콘드리아 기능이 저하됩니다. 이러한 상황은 세포 생체 에너지에 대한 미토콘드리아의 기여를 저해하고, ROS의 생성을 촉진하며, 미토콘드리아 막의 우발적인 투과를 유발하여 염증과 세포 사멸을 유발할 수 있습니다.182 논리적으로, 미토콘드리아의 기능은 건강 유지에 필수적이며, 점진적인 기능 저하는 노화 표현형에 기여합니다(그림 4).

Mitochondrial function and longevity

Healthspan-extending interventions can stimulate the function of mitochondria. For instance, placebo-controlled trials have revealed positive effects of L-carnitine supplementation on both pre-frail subjects and elderly men57 (Table 1). The effect is possibly mediated by counteracting age-related declining L-carnitine levels which may limit fatty acid oxidation by mitochondria.205 Paradoxically, in model organisms, lifespan can be improved by compromising mitochondrial function, which induces a hormetic response (“mitohormesis”), provided that this inhibition is partial and occurs early during development. In C. elegans, partial inhibition of mitochondrial protein synthesis or import enhances lifespan through a mechanism involving the mitochondrial UPR (UPRmt).206 In Drosophila, muscle-specific knockdown of complex I subunit NDUFS1/ND75 extends longevity in an UPRmt-dependent fashion.207 Mild inhibition of mitochondrial ATP synthesis with TPP-thiazole can improve metabolic health in aging mice, reducing visceral fat and improving glucose tolerance, mitochondrial quality, and oxidative metabolism.52 Partial uncoupling of hepatic mitochondria by means of a controlled release mitochondrial protonophore (CRMP) also reverses age-related metabolic syndrome in mice with high-fat diet-induced obesity.53 In non-human primate models including spontaneously obese rhesus macaques and high-fat, high-fructose-fed cynomolgus macaques, CRMP reverses signs of metabolic syndrome and improves fatty acid oxidation.55 These effects are coupled to a reduction of hepatic acetyl-coenzyme A levels, a phenomenon known to stimulate autophagy.208 Protonophores induce mitophagy,209 which might explain their positive effects on metabolism as well. Metformin, an antidiabetic considered as a weak complex I inhibitor, has been discussed as a possible anti-aging drug.210 However, thus far, there is no evidence that challenging mitochondria can increase healthspan or lifespan in humans.

Increased mitochondrial membrane permeability (MMP) due to the absence of serum/glucocorticoid regulated kinase-1 decreases lifespan, which is further compromised when autophagy is enhanced but normalized when autophagy is inhibited by knockdown of essential autophagy-relevant genes in C. elegans.211 Hence, MMP may constitute a life-threatening condition that is aggravated by autophagy. A modified tetrapeptide, elamipretide, has been developed to target cardiolipin in the inner mitochondrial membrane (IMM) and then turned out to bind to the IMM protein adenine-nucleotide translocator-1 to inhibit the mitochondria permeability transition, which is one particular mechanism leading to MMP.54 Elamipretide has positive effects on multiple aging-related phenotypes in mice and has yielded positive results in a clinical trial on patients with Barth syndrome56 (Table 1). It will be important to understand whether elamipretide can be advantageously combined with other lifespan-enhancing drugs including autophagy enhancers. In addition to these works, there are also several preclinical and clinical studies eval‎uating the potential beneficial effects of the antioxidant lipophilic cations MitoQ and SkQ1.212 Further research will define the utility of all these compounds in the context of other interventions aimed at ameliorating age-associated mitochondrial dysfunctions.

미토콘드리아 기능과 장수

건강수명 연장을 위한 중재는 미토콘드리아의 기능을 자극할 수 있습니다. 예를 들어, 위약 대조 시험에서 L-카르니틴 보충제가 허약 전 단계의 피험자와 노인 남성 모두에게 긍정적인 영향을 미친다는 사실이 밝혀졌습니다57 (표 1). 그 효과는 미토콘드리아에 의한 지방산 산화를 제한할 수 있는 연령 관련 L-카르니틴 수치 감소에 대응함으로써 매개될 수 있습니다.205 역설적이게도, 모델 생물의 경우, 미토콘드리아 기능을 저해함으로써 수명을 연장할 수 있는데, 이 억제 작용이 부분적이고 발달 초기에 발생한다면, 호메토제스 반응(“미토호메시스”)을 유도할 수 있습니다. C. elegans에서 미토콘드리아 단백질 합성 또는 수입의 부분적인 억제는 미토콘드리아 UPR(UPRmt)을 포함하는 메커니즘을 통해 수명을 연장합니다.206 초파리에서, 복합체 I의 근육 특이적 켄드다운 NDUFS1/ND75는 UPRmt 의존적인 방식으로 수명을 연장합니다.207 TPP-티아졸을 이용한 미토콘드리아 ATP 합성의 약한 억제는 다음과 같은 경우에 대사 건강을 개선할 수 있습니다.

노화 쥐의 내장 지방 감소, 포도당 내성 개선, 미토콘드리아 품질, 산화 대사.52 조절 방출 미토콘드리아 양성자수송체(CRMP)를 이용한 간 미토콘드리아의 부분적 결합 해제는 고지방 식이 유발 비만 쥐의 노화 관련 대사 증후군을 역전시킵니다.53 자발적 비만 붉은털원숭이와 고지방 식이 유발 비만 쥐를 포함한 비인간 영장류 모델에서 지방, 고과당 사료 cynomolgus macaques, CRMP는 대사 증후군의 징후를 역전시키고 지방산 산화를 개선합니다.55 이러한 효과는 간 아세틸-코엔자임 A 수치의 감소와 결합되어, 자가포식 작용을 자극하는 것으로 알려진 현상입니다.208 양성자 운반체는 미토파지를 유도하며,209 이는 대사에 대한 긍정적인 효과를 설명할 수 있습니다. 약한 복합 I 억제제로 간주되는 항당뇨제인 메트포르민은 노화 방지 약물로 논의되고 있습니다.210 그러나 지금까지 미토콘드리아에 도전하는 것이 인간의 건강 수명이나 수명을 늘릴 수 있다는 증거는 없습니다.

혈청/글루코코르티코이드 조절 키나아제-1의 부재로 인한 미토콘드리아 막 투과성(MMP)의 증가는 수명을 감소시키며, 이 현상은 C. elegans에서 필수적인 autophagy 관련 유전자의 다운로드를 통해 autophagy가 강화될 때 더욱 악화되지만, autophagy가 억제될 때는 정상화됩니다.211 따라서, MMP는 autophagy에 의해 악화되는 생명을 위협하는 상태를 구성할 수 있습니다. 수정된 tetrapeptide인 elamipretide가 inner mitochondrial membrane(IMM)의 cardiolipin을 표적으로 개발되었고, 그 결과 IMM 단백질 adenine-nucleotide translocator-1에 결합하여 미토콘드리아 투과성 전이는 MMP로 이어지는 특정 메커니즘 중 하나입니다.54 엘라미프레타이드(Elamipretide)는 생쥐의 여러 노화 관련 표현형에 긍정적인 영향을 미치며, 바스 증후군 환자 대상 임상 시험에서 긍정적인 결과를 얻었습니다56 (표 1). 엘라미프레타이드가 다른 수명 연장 약물과 함께 사용될 수 있는지, 그리고 그 약물이 자가포식 촉진제와 함께 사용될 수 있는지를 이해하는 것이 중요합니다. 이러한 연구 외에도 항산화성 친지방성 양이온인 미토큐(MitoQ)와 스큐큐원(SkQ1)의 잠재적인 유익한 효과를 평가하는 여러 전임상 및 임상 연구가 진행되고 있습니다.212 추가적인 연구를 통해 이러한 모든 화합물이 노화와 관련된 미토콘드리아 기능 장애를 개선하기 위한 다른 개입의 맥락에서 어떤 유용성을 지니는지 밝혀낼 것입니다.

Mitochondrial microproteins and aging

Plasma levels of the microprotein humanin, which is encoded by mtDNA, decline with age. However, centenarians and their offspring exhibit high levels of humanin.213 Notably, humanin levels negatively correlate with IGF1 in humans and treatment of patients with GH-insufficiency, with GH or IGF1, reduces circulating humanin.214 Transgenic expression‎ of humanin in C. elegans extends longevity through autophagy induction, and treatment of middle-aged mice with the humanin analog HNG improves metabolic healthspan and reduces systemic inflammation.213 Another mtDNA-encoded microprotein, MOTS-c, declines with age but can be induced by exercise.215 MOTS-c favors the production of the metabolite 5-aminoimidazole-4-carboxamide-1-beta-4-ribofuranoside (AICAR), which acts as an endogenous AMPK agonist, thereby preventing age-dependent and high-fat-diet-induced insulin resistance, as well as diet-induced obesity.215 Hence, mitochondrial microproteins emerge as potential anti-aging factors that link organellar function to organismal homeostasis.

미토콘드리아 마이크로단백질과 노화

미토콘드리아 DNA에 의해 암호화된 마이크로단백질 휴머니닌의 혈중 농도는 나이가 들면서 감소합니다. 그러나 100세 이상 장수자와 그 자손은 휴머니닌 수치가 높습니다.213 특히 휴머니닌 수치는 인간의 IGF1과 음의 상관관계가 있으며, GH 결핍 환자의 치료에 GH 또는 IGF1을 사용하면 순환하는 휴머니닌이 감소합니다.214 C. elegans에서 휴머니닌의 형질전환 발현은 자가포식 유도를 통해 장수를 연장하고, 중년 인간과 유사한 아날로그 HNG를 가진 노령 생쥐는 대사 건강 수명을 개선하고 전신 염증을 감소시킵니다.213 또 다른 mtDNA-encoded microprotein인 MOTS-c는 나이가 들면서 감소하지만, 운동으로 유도될 수 있습니다.215 MOTS-c는 대사 산물 5-aminoimidazole-4-carboxamide-1의 생성을 촉진합니다. -베타-4-리보퓨라노사이드(AICAR)는 내인성 AMPK 작용제로 작용하여, 노화에 따른 인슐린 저항성과 고지방 식이 유발 인슐린 저항성, 그리고 식이 유발 비만을 예방합니다.215 따라서 미토콘드리아 마이크로단백질은 세포 기관의 기능을 유기체의 항상성과 연결하는 잠재적인 노화 방지 요인으로 부상하고 있습니다.

Cellular senescence

Cellular senescence is a response elicited by acute or chronic damage.216 In humans, senescent cells accumulate in multiple tissues at different rates, from 2- to 20-fold when comparing young (<35 years) to old (>65 years) healthy donors,217 mainly affecting fibroblasts, endothelial cells, and immune cells, although all cell types can undergo senescence during aging,218 a process that is triggered at least in part by telomere shortening with aging.109 In fact, even post-mitotic or slowly proliferating tissues, such as the brain or the heart, may harbor senescent cells.219 In addition, focal or tissue-specific accumulation of senescent cells occurs in many diseases.220 The most compelling evidence for the causal role of cellular senescence in aging is that continued genetic or pharmacological elimination of senescent cells extends the healthspan and longevity of naturally aged mice.59 Also, genetic or pharmacological elimination of senescent cells is therapeutic in many diseases modeled in mice,221 and at least 3 clinical trials have been completed and 15 clinical trials are ongoing or planned to target senescence for a variety of indications.222

The types of damage that trigger primary senescence include oncogenic signaling, genotoxic damage, critically short telomeres, mitochondrial damage, viral or bacterial infection, oxidative damage, nutrient imbalance, and mechanical stress.216 In addition, secondary or paracrine senescence can be triggered by extracellular mediators of inflammation and fibrosis including CCL2, IL-1β, IL-6, IL-8, and TGF-β.223 There is evidence suggesting that primary and secondary senescence differ in relevant biological aspects, but the molecular basis of this distinction remains elusive. Historically, the most salient feature of cellular senescence is a stable proliferative arrest mediated by the activation of the tumor suppressors TP53 and CDKN2A/p16, and their downstream effectors CDKN1A/p21 and retinoblastoma-1 (RB1) family proteins, respectively. Together, these proteins inhibit cyclin-dependent kinases (CDKs) and transcriptional activators (E2F family) that drive the cell cycle.216 Another important event during senescence is the depletion of lamin B1 from the nuclear envelope. This results in the loss of lamin-associated heterochromatin and de novo formation of heterochromatin rich in H3K9me3, a process that can be visualized as HP1α foci or senescence-associated heterochromatin foci (SAHFs).224 The net result is a long-term and viable proliferative arrest with a low rate of spontaneous escape. Depending on their molecular makeup, cancer cells exposed to genotoxic therapy may undergo a canonical senescence response with a highly stable cell cycle arrest or can undergo a senescence-like response with a highly reversible arrest or can even completely bypass senescence.225 Of note, senescence also plays a role during embryogenesis in the programmed elimination of specific cells and structures.226

세포 노화

세포 노화는 급성 또는 만성 손상에 의해 유발되는 반응입니다.216 인간의 경우, 노화 세포는 여러 조직에 다른 비율로 축적되는데, 젊은(35세 미만) 건강한 기증자와 노년(65세 이상) 건강한 기증자를 비교할 때 2배에서 20배까지 차이가 납니다.217 주로 섬유 아세포, 내피 세포, 면역 세포에 영향을 미치지만, 모든 세포 유형이 노화 과정에서 노화를 겪을 수 있습니다.2 18 노화에 따른 텔로미어 단축에 의해 적어도 부분적으로 유발되는 과정.109 사실, 뇌나 심장 같은 사후 분열 또는 느리게 증식하는 조직에서도 노화 세포가 존재할 수 있습니다.219 또한, 많은 질병에서 국소적 또는 조직 특이적 노화 세포의 축적이 발생합니다.220 인과적 역할에 대한 가장 설득력 있는 증거 노화에서 세포 노화의 중요성은 노화 세포의 지속적인 유전적 또는 약리학적 제거가 자연적으로 노화된 생쥐의 건강 수명과 수명을 연장한다는 것입니다.59 또한, 노화 세포의 유전적 또는 약리학적 제거는 생쥐를 대상으로 한 많은 질병에서 치료 효과가 있으며,221 적어도 3건의 임상 시험이 완료되었고, 15건의 임상 시험이 진행 중이거나 다양한 적응증에 대한 노화를 목표로 계획되고 있습니다.222

주요 노화를 유발하는 손상 유형에는 발암성 신호, 유전독성 손상, 매우 짧은 텔로미어, 미토콘드리아 손상, 바이러스 또는 박테리아 감염, 산화 손상, 영양 불균형, 기계적 스트레스 등이 있습니다.216 또한, 이차적 또는 파라크린 노화는 다음에 의해 유발될 수 있습니다. 염증과 섬유증의 세포외 매개체로서 CCL2, IL-1β, IL-6, IL-8, 그리고 TGF-β를 포함합니다.223 일차 노화와 이차 노화가 생물학적 측면에서 차이가 있다는 증거가 있지만, 이러한 차이를 뒷받침하는 분자적 근거는 아직 명확하지 않습니다. 역사적으로, 세포 노화의 가장 두드러진 특징은 종양 억제제 TP53과 CDKN2A/p16의 활성화에 의해 매개되는 안정적 증식 정지, 그리고 각각의 하류 효과기인 CDKN1A/p21과 망막아세포종-1(RB1) 계열 단백질에 의해 매개되는 안정적 증식 정지입니다. 이 단백질들은 함께 세포주기를 촉진하는 사이클린 의존성 키나아제(CDK)와 전사 활성화 인자(E2F 계열)를 억제합니다.216 노화 과정에서 일어나는 또 다른 중요한 사건은 핵막에서 라민 B1이 고갈되는 것입니다. 그 결과, lamin과 관련된 헤테로크로마틴이 소실되고, H3K9me3가 풍부한 헤테로크로마틴이 새롭게 형성되는데, 이 과정은 HP1α 초점 또는 노화 관련 헤테로크로마틴 초점(SAHF)으로 시각화할 수 있습니다.224 그 결과, 자발적인 탈출률이 낮은 장기적이고 실행 가능한 증식 정지가 이루어집니다. 분자 구성에 따라, 유전독성 치료에 노출된 암세포는 매우 안정적인 세포주기 정지를 동반한 표준 노화 반응을 겪거나, 매우 가역적인 정지를 동반한 노화 유사 반응을 겪거나, 노화를 완전히 우회할 수도 있습니다.225 주목할 만한 점은, 노화는 특정 세포와 구조의 프로그램된 제거 과정에서 배아 발생 과정에서도 역할을 한다는 것입니다.226

Senescence and human diseases

Cellular senescence is implicated in multiple non-proliferative diseases, including lung fibrosis, kidney diseases, liver steatosis, obesity-associated metabolic syndrome, type I and II diabetes, atherosclerosis, as well as Alzheimer’s and Parkinson’s diseases.220 The pathogenic role of cellular senescence in these diseases can be explained by the senescence-associated secretory phenotype (SASP). SASP results from three features of senescent cells: (1) the transcriptional derepression of endogenous retroviruses, most notably LINE-1, which causes cytosolic leakage of double-stranded DNA and activates the cGAS/STING and TLR pathways;136 (2) the mitochondrial overproduction of ROS; and (3) the perturbation of the autophagy-lysosomal system leading to an expansion of lysosomal content that facilitates the histochemical detection of lysosomal senescence-associated beta-galactosidase (SABG).227

SASP is highly heterogeneous, depending on the cell type-specific activation of innate immunity signaling pathways (cGAS/STING, TLRs, and NLRPs), mTORC1, and transcription factors (NF-κB, CBPs, GATA4, and others). SASP usually has simultaneous and partially conflicting consequences on the microenvironment: (1) to recruit and activate immune cells through the secretion of chemokines (CCL2, CXCL2, and CXCL3) and cytokines (IL-1β, IL-2, IL-6, and IL-8); (2) to suppress the immune system through the secretion of TGF-β; (3) to trigger fibroblast activation and collagen deposition through pro-fibrotic factors (TGF-β, IL-11, and PAI1); (4) to remodel the ECM through the secretion of matrix metalloproteases; (5) to trigger the activation and proliferation of progenitor cells through the secretion of growth factors (EGF and PDGF); and (6) to trigger paracrine senescence in neighboring cells (TGF-β, TNF-α, and IL-8). In many diseases, the net effect of SASP is chronic inflammation and progressive fibrosis.228

Although there is not a single unequivocal marker of cellular senescence, this process can be identified by the co-existence of a combination of features that, together, are specific and provide a molecular definition to the phenomenon:216 (1) lysosomal expansion, detectable by SABG; (2) upregulation of CDK inhibitors, particularly p16 and/or p21; (3) loss of LMNB1 from the nuclear envelope; (4) loss of the chromatin component HMGB1 from the nucleus and its extracellular release as an alarmin; (5) heterochromatic foci, visualized as HP1γ nuclear foci or SAHFs; (6) high levels of ROS; (7) exacerbated DNA damage, visualized as γH2AX nuclear foci; and (8) high levels of SASP factors, notably IL-6, TGF-β, PAI1, and others.

Given the association between cellular senescence and multiple pathologies, the question arises about the biological purpose of such a cellular response. Cellular senescence is a potent tumor suppressor mechanism, but mounting evidence has linked cellular senescence to tissue repair processes in which senescent cells promote localized fibrosis and the recruitment of immune cells that then remove damaged and senescent cells. In this regard, tissue repair can be considered a two-step process: cellular senescence followed by immune recruitment and immune clearance of senescence (Figure 5A). In this scenario, senescence is a temporally restricted response that programs its self-elimination with a beneficial outcome.229 The pathological consequences of senescence only become visible when the second step of immune clearance is not achieved, and the accumulation of senescent cells and the SASP effects on the tissue microenvironment eventually result in fibrosis.

노화와 인간 질병

세포 노화는 폐 섬유증, 신장 질환, 간 지방증, 비만 관련 대사 증후군, 제1형 및 제2형 당뇨병, 동맥경화증, 알츠하이머병과 파킨슨병을 포함한 여러 비증식성 질병과 관련이 있습니다.220 이러한 질병에서 세포 노화의 병원성 역할은 노화 관련 분비 표현형(SASP)으로 설명할 수 있습니다. SASP는 노화 세포의 세 가지 특징에서 비롯됩니다. (1) 내인성 레트로바이러스, 특히 이중 가닥 DNA의 세포질 누출을 유발하고 cGAS/STING 및 TLR 경로를 활성화하는 LINE-1의 전사적 억제 해제136 (2) 미토콘드리아 ROS의 과잉 생산; 그리고 (3) 자가포식-리소좀 시스템의 교란으로 리소좀 함량이 증가하여 리소좀 노화 관련 베타-갈락토시다아제(SABG)의 조직화학적 검출을 용이하게 한다.227

SASP는 세포 유형에 따라 선천성 면역 신호 전달 경로(cGAS/STING, TLRs, NLRPs), mTORC1, 전사 인자(NF-κB, CBPs, GATA4 등)의 활성화에 따라 매우 이질적입니다. SASP는 일반적으로 미세 환경에 대해 동시에 부분적으로 상충되는 결과를 가져옵니다. (1) 케모카인(CCL2, CXCL2, CXCL3)과 사이토카인(IL-1β, IL-2, IL-6, IL-8)의 분비를 통해 면역세포를 모집하고 활성화한다. (2) TGF-β의 분비를 통해 면역체계를 억제한다. (3) 섬유증 유발 인자(pro-fibrotic factors)를 통해 섬유세포 활성화와 콜라겐 침착을 유발한다. TGF-β, IL-11, PAI1); (4) 매트릭스 메탈로프로테아제의 분비를 통해 ECM을 재구성; (5) 성장 인자(EGF와 PDGF)의 분비를 통해 전구세포의 활성화와 증식을 촉진; (6) 인접한 세포에서 파라크린 노화를 촉진(TGF-β, TNF-α, IL-8). 많은 질병에서 SASP의 최종 결과는 만성 염증과 진행성 섬유증입니다.228

세포 노화에 대한 명확한 지표는 없지만, 이 과정은 다음과 같은 특징의 조합이 함께 존재함으로써 식별할 수 있습니다. 이 특징들은 함께 작용하여 이 현상에 대한 분자적 정의를 제공합니다:216 (1) 리소좀 확장, SABG로 검출 가능; (2) CDK 억제제의 상향 조절, 특히 p16 및/또는 p21; (3) 핵막에서 LMNB1의 손실; (4) 손실 핵에서 HMGB1 염색질 성분의 세포외 방출과 알라민으로서의 세포외 방출; (5) HP1γ 핵 초점 또는 SAHF로 시각화된 이색성 초점; (6) 높은 수준의 ROS; (7) γH2AX 핵 초점으로 시각화된 악화된 DNA 손상; 그리고 (8) 높은 수준의 SASP 인자, 특히 IL-6, TGF-β, PAI1 및 기타.

세포 노화와 여러 병리학적 현상 사이의 연관성을 고려할 때, 이러한 세포 반응의 생물학적 목적에 대한 의문이 제기됩니다. 세포 노화는 강력한 종양 억제 메커니즘이지만, 노화된 세포가 국소 섬유화를 촉진하고 손상된 노화된 세포를 제거하는 면역 세포를 모집하는 조직 복구 과정과 세포 노화를 연결하는 증거가 늘어나고 있습니다. 이와 관련하여, 조직 복구는 세포 노화와 면역 모집 및 노화에 대한 면역 제거(그림 5A)의 두 단계로 간주될 수 있습니다. 이 시나리오에서 노화는 일시적으로 제한된 반응으로, 유익한 결과를 가져오면서 자기 소멸을 프로그램화합니다.229 노화의 병리학적 결과는 면역 제거의 두 번째 단계가 달성되지 않을 때만 눈에 보입니다. 노화 세포의 축적과 조직 미세 환경에 대한 SASP의 영향은 결국 섬유증으로 이어집니다.

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Figure 5. Cellular senescence and stem cell exhaustion

(A) Cellular senescence usually promotes tissue repair after injury and protects the organism from oncogenic damage. This is achieved in two steps: (1) establishment of senescence and (2) recruitment of immune cells that will eliminate the senescent cells, thereby promoting tissue repair. If any of these steps fails, the organism is prone to develop diseases.

(B) Stem cell exhaustion results from the loss of cellular plasticity required for tissue repair. Tissue repair requires a modified microenvironment through the secretion of cytokines (in part due to the senescence-associated secretory response), growth factors and modulators of the extracellular matrix (ECM) that favors the de-differentiation and plasticity of cells from different tissue compartments. These injury-induced plastic cells may acquire multipotent progenitor function. Transient expression‎ of OSKM factors represses the transcription of cell identity programs causing global de-differentiation (OSKMon) and the acquisition of plasticity. For rejuvenation, the process must be interrupted at this point (OSKMoff) to allow cells to re-differentiate and to restore their original cell identities.

그림 5. 세포 노화와 줄기세포 고갈

(A) 세포 노화는 일반적으로 손상 후 조직 복구를 촉진하고 종양 유발 손상으로부터 유기체를 보호합니다. 이것은 두 단계로 이루어집니다: (1) 노화 촉진과 (2) 노화 세포를 제거하여 조직 복구를 촉진하는 면역 세포의 모집. 이 단계 중 하나라도 실패하면 유기체는 질병에 걸리기 쉽습니다.

(B) 줄기세포 고갈은 조직 복구에 필요한 세포의 가소성 상실로 인해 발생합니다. 조직 복구는 사이토카인(부분적으로는 노화 관련 분비 반응에 기인함), 성장 인자, 그리고 다른 조직 구획의 세포의 탈분화 및 가소성을 촉진하는 세포외기질(ECM) 조절제의 분비를 통해 수정된 미세환경을 필요로 합니다. 이러한 손상 유발 플라스틱 세포는 다능성 전구세포 기능을 획득할 수 있습니다. OSKM 인자의 일시적 발현은 세포 정체성 프로그램의 전사를 억제하여 전역적 탈분화(OSKMon)와 가소성 획득을 유발합니다. 회춘을 위해서는 이 시점에서 이 과정을 중단해야 합니다(OSKMoff). 그래야만 세포가 재분화되고 원래의 세포 정체성을 회복할 수 있습니다.

Senolytics

The strong association between cellular senescence and multiple pathologies has spurred the search for small chemical compounds that selectively kill senescent cells and that are referred to as “senolytics.230” Of note, senolysis (elimination of senescent cells) is very different from the cancellation of the senescence response, which can result, for example, from mutation of p16 or p21. Senolysis does not prevent the execution of senescence but rather recapitulates the natural immune clearance of senescent cells (Figure 5A). In support of this, mice subjected to long-term genetic-induced or pharmacologically induced senolysis present extended longevity without increased cancer incidence or signs of defective tissue repair.59,58

The number of senolytic therapies is still limited, but some have been extensively used in preclinical models of disease, as exemplified by navitoclax, dual treatment with dasatinib and quercetin (D/Q), fisetin, cardiac glycosides, and others.221 The survival and apoptotic resistance of senescent cells strongly depends on the BCL2 family of proteins, specially BCLXL, but also BCL2 and BCLW. This renders senescent cells highly vulnerable to navitoclax, which targets these three proteins.231 Navitoclax has been eval‎uated in clinical trials for antitumor activity and it is expected that this drug (or derivatives lacking toxicity on platelets) will enter clinical trials for senescence-associated diseases.232 Other potential senolytic treatments such as D/Q230 and fisetin60 are approved for human use and are being tested in various clinical trials for multiple indications. The mechanistic basis for their action remains unclear. Dasatinib is a promiscuous kinase inhibitor, and quercetin and fisetin are natural flavonoids with multiple targets. D/Q has been tested in clinical trials with promising results in the case of lung and kidney fibrosis.62,61 Cardiac glycosides inhibit the plasma membrane Na+/K+-ATPase present in all cells causing a cationic imbalance and lowering the intracellular pH.233 The mechanism of senolysis by cardiac glycosides is likely connected to the vulnerability of senescent cells to low intracellular pH. Thus, chemical inhibition of glutaminase deprives cells of a mechanism to counteract low pH and results in senolysis.234 All the above-discussed senolytic compounds exert therapeutic activity in a wide range of murine disease models associated with senescence. Senolysis can also be achieved by immunological approaches that target proteins appearing on the surface of senescent cells. In particular, antibodies directed against the glycoprotein NMB (GPNMB)235 and CAR T cells directed against the receptor uPAR236 attenuate senescence-associated disease models in mice.

In summary, cellular senescence is an important response to stress and damage that, in normal physiology, is followed by immune clearance, but that upon aging or chronic damage fails to be eliminated by immune mechanisms and hence is pathogenic due to the abundant secretion of pro-inflammatory and pro-fibrotic factors. Therapeutic strategies aimed at killing senescent cells have been extensively explored in animal models and are now in clinical trials (Table 1).

노화 억제제

세포 노화와 여러 병리 사이의 강한 연관성은 노화 세포를 선택적으로 죽이는 작은 화합물을 찾는 데 박차를 가했습니다. 이 화합물은 “노화 억제제”라고 불립니다.230 주목할 만한 점은, 노화 세포 제거(senolysis)는 p16 또는 p21의 돌연변이로 인해 발생할 수 있는 노화 반응의 제거와는 매우 다르다는 것입니다. 노화 분해는 노화의 진행을 막는 것이 아니라 노화 세포의 자연적인 면역 제거 과정을 되풀이하는 것입니다(그림 5A). 이를 뒷받침하는 증거로, 유전적 또는 약리학적 방법으로 장기간 노화 분해를 유도한 쥐의 경우, 암 발생률이나 조직 복구 장애의 징후 없이 수명이 연장되었습니다.59,58

세노제닉 치료법의 수는 아직 제한적이지만, 나비토클락스(navitoclax), 다사티닙과 케르세틴(D/Q)의 이중 치료, 피세틴(fisetin), 심장 글리코사이드(cardiac glycosides) 등을 예로 들 수 있는 바와 같이, 일부는 질병의 전임상 모델에서 광범위하게 사용되고 있습니다.221 노화 세포의 생존과 세포자멸 저항성은 BCL2 단백질 계열, 특히 BCLXL뿐만 아니라 BCL2와 BCLW에도 크게 의존합니다. 이 때문에 노화 세포는 이 세 가지 단백질을 표적으로 하는 나비토클락스에 매우 취약합니다.231 나비토클락스는 항암 작용에 대한 임상 시험을 거쳤으며, 이 약(또는 혈소판에 대한 독성이 없는 유도체)이 elet)은 노화 관련 질병에 대한 임상 시험에 들어갈 것입니다.232 D/Q230 및 피세틴60과 같은 다른 잠재적 세노리틱 치료법은 인간 사용을 위해 승인되었으며, 다양한 적응증에 대한 다양한 임상 시험에서 테스트되고 있습니다. 이들의 작용 메커니즘은 아직 명확하지 않습니다. 다사티닙은 다중 표적을 가진 천연 플라보노이드인 케르세틴과 피세틴은 다중 표적을 가진 천연 플라보노이드입니다. D/Q는 폐 및 신장 섬유증의 경우 임상 시험에서 유망한 결과를 보였습니다.62,61 심장 글리코사이드는 모든 세포에 존재하는 원형질막 Na+/K+-ATPase를 억제하여 양이온 불균형을 유발하고 세포 내 pH를 낮춥니다.233 심장 글리코사이드에 의한 세노리시스의 메커니즘은 세포 내 낮은 pH에 대한 노화 세포의 취약성과 관련이 있을 가능성이 높습니다. 따라서, 글루타민 분해효소의 화학적 억제는 세포가 낮은 pH에 대응하는 메커니즘을 박탈하고, 그 결과 세포의 노화를 촉진합니다.234 위에서 논의된 모든 세포의 노화를 촉진하는 화합물은 노화와 관련된 다양한 쥐 질병 모델에서 치료 효과를 발휘합니다. 노화 세포 표면에 나타나는 단백질을 표적으로 하는 면역학적 접근법으로도 노화 세포의 사멸을 유도할 수 있습니다. 특히, 당단백질 NMB(GPNMB)235에 대한 항체와 수용체 uPAR236에 대한 CAR T 세포는 마우스에서 노화 관련 질병 모델을 약화시킵니다.

요약하자면, 세포 노화는 스트레스와 손상에 대한 중요한 반응으로, 정상적인 생리학에서는 면역 제거가 뒤따르지만, 노화 또는 만성 손상이 발생하면 면역 메커니즘에 의해 제거되지 않아 염증 유발 및 섬유화 촉진 인자의 과다 분비로 인해 병원성이 됩니다. 노화 세포를 죽이는 것을 목표로 하는 치료 전략은 동물 모델에서 광범위하게 연구되었으며 현재 임상 시험 중입니다(표 1).

Stem cell exhaustion

Aging is associated with reduced tissue renewal at steady state, as well as with impaired tissue repair upon injury, with each organ having its own strategy for renewal and repair.237 For example, in skeletal muscle, one single-cell type, the satellite cell, is placed at the apex of a unipotent and unidirectional hierarchy, both for renewal and repair. In skin epidermis, which is characterized by high renewal and exposure to injury, there are multiple stem cell niches, particularly in association to the hair follicles, each one generating its progeny and territory. However, upon injury, multiple cells can acquire stem cell properties and subvert territorial boundaries. Other organs like liver, lung, or pancreas exhibit rather low renewal rates under normal conditions, contrasting with the acquisition of stem cell properties including proliferation and multipotency by different cell types (Figure 5B).

Indeed, tissue repair is believed to rely to a large extent on injury-induced cellular de-differentiation and plasticity. For example, in the intestine, brain, and lung, injury induces de-differentiation of non-stem cells, which reactivates normally silent embryonic and stemness transcription programs, thus acquiring the plasticity needed for tissue repair.238,239,240 Injury-induced plasticity (and its progressive loss with aging) may be more relevant for aging than the plasticity of resident stem cells under normal homeostatic conditions. Stem and progenitor cells are all subject to the same hallmarks of aging as are cells without stem potential, and for this reason, we do not discuss here the abundant literature about the impact of each hallmark of aging on stem cell function. Instead, we will focus on a general strategy to counter the decline of stem cell function with aging based on the concept of “cellular reprogramming.” This process is thought to act in a cell-autonomous manner on multiple cell types; however, its impact on stem and progenitor cells is considered of higher relevance because of its long-term impact.

줄기세포 고갈

노화는 정상 상태에서 조직 재생 감소와 부상에 따른 조직 복구 장애와 관련이 있으며, 각 기관은 재생과 복구를 위한 자체 전략을 가지고 있습니다.237 예를 들어, 골격근의 경우, 단일 세포 유형인 위성 세포가 재생과 복구 모두를 위해 단방향의 단일 기능 계층 구조의 정점에 위치합니다. 높은 재생 능력과 외상 노출이 특징인 피부 표피에는 특히 모낭과 관련하여 여러 줄기세포 틈새가 존재하며, 각 줄기세포는 자손과 영역을 생성합니다. 그러나 외상이 발생하면 여러 세포가 줄기세포 특성을 획득하고 영역 경계를 파괴할 수 있습니다. 간, 폐, 췌장 같은 다른 기관은 정상적인 조건에서 재생률이 다소 낮지만, 다른 세포 유형에 의한 증식 및 다능성을 포함한 줄기세포 특성의 획득과는 대조적입니다(그림 5B).

실제로, 조직 복구는 손상 유발 세포 탈분화 및 가소성에 크게 의존하는 것으로 여겨집니다. 예를 들어, 장, 뇌, 폐에서 손상이 발생하면 비줄기세포의 분화(differentiation)가 억제되고, 이로 인해 정상적으로 활동하지 않던 배아 및 줄기세포의 전사 프로그램이 다시 활성화되어 조직 복구에 필요한 가소성을 얻게 됩니다.238,239,240 손상 유발 가소성(그리고 노화에 따른 점진적 손실)은 정상적인 항상성 조건 하에서 상주하는 줄기세포의 가소성보다 노화와 더 관련이 있을 수 있습니다. 줄기세포와 전구세포는 줄기세포가 될 가능성이 없는 세포와 마찬가지로 노화의 특징을 모두 가지고 있습니다. 따라서 여기에서는 노화의 특징이 줄기세포 기능에 미치는 영향에 관한 방대한 문헌을 다루지 않겠습니다. 대신, 우리는 “세포 재프로그래밍”이라는 개념을 바탕으로 노화에 따른 줄기세포 기능의 저하에 대응하기 위한 일반적인 전략에 초점을 맞출 것입니다. 이 과정은 여러 가지 세포 유형에 대해 세포 자율적으로 작용하는 것으로 여겨지지만, 줄기세포와 전구세포에 미치는 영향은 장기적인 영향 때문에 더 관련성이 높은 것으로 간주됩니다.

Rejuvenation of tissue repair by reprogramming

Cellular reprogramming toward pluripotency consists in the conversion of adult somatic cells into embryonic pluripotent cells (known as induced pluripotent stem cells or iPSCs) by the concomitant action of four externally transduced transcription factors, namely, OCT4, SOX2, KLF4, and MYC (OSKM).241 The process of reprogramming usually requires several weeks during which cells first lose their differentiated phenotype by transcriptional repression of cell identity genes and subsequently transactivate pluripotency genes.242 Full reprogramming not only implies a change of cellular identity but also cellular rejuvenation, characterized by a number of aging features that are reset to the embryonic state, as indicated by p16 reduction,243 extension of telomeres,244 and resetting of the DNA methylation clock.245 Interestingly, rejuvenation occurs in a progressive fashion starting shortly after the initiation of de-differentiation.246 Indeed, it is possible to initiate reprogramming with OSKM, interrupt the process at an intermediate state, and allow cells to return to their original identity. This transient cellular perturbation, variously known as “partial,” “transient,” or “intermediate” reprogramming, is able to rejuvenate cellular markers of aging such as the DNA methylation clock, DNA damage, epigenetic patterns, and aging-associated changes in the transcriptome, both in vitro and in vivo.63,64,70,246,247 Therefore, it can be proposed that the processes of de-differentiation and rejuvenation are coupled. Specifically, de-differentiation implies the erasure of epigenetic and transcriptional programs, and this may also erase aging-associated alternations. Upon interruption of partial reprogramming, cells re-stablish their original epigenetic and transcriptional status in a process of re-differentiation that, interestingly, does not re-stablish the erased aging-associated changes and therefore resets the epigenome and transcriptome to a younger state.

Transient reprogramming in mice confers repair capacity to old tissues so that a subsequent damage is repaired as efficiently as in young individuals. This increased repair capacity has been shown for models of tissue damage in the endocrine pancreas,63 skeletal muscle,63 nerve fibers,70 eye,70 skin,64 heart,65 and liver.66 Also, tissue dysfunctions characteristic of natural aging, such as reduced visual acuity70 and the loss of adult neurogenesis in the hippocampus and long-term memory,67 can be partially reversed by transient reprogramming. There are a few instances in which transient reprogramming is beneficial also during the process of tissue repair (and not only prior to the injury). This is the case for traumatic brain injury68 and skin wound healing.69 Finally, it should be mentioned that the lifespan of progeroid mice can be extended by transient reprogramming,63 although extension of longevity by OSKM has not yet been reported for wild-type mice.

Partial reprogramming recapitulates features of natural tissue repair (Figure 5B). In both cases, cells undergo a transient process of de-differentiation, acquisition of embryonic and progenitor features, and subsequent re-differentiation. Thus, de- and re-differentiation could explain tissue rejuvenation, in line with the observation that transient de-differentiation of myocytes, followed by their re-differentiation, induces rejuvenation of the transcriptome.248 The natural process of tissue repair may imply some degree of cellular rejuvenation, in accord with the finding that the epigenetic methylation clock accelerates soon after tissue injury and partially reverses during tissue repair.249 Moreover, tissue damage reportedly creates a tissue microenvironment that is highly permissive for IL-6-driven reprogramming.250 Finally, cyclic expression‎ of the transcription factor FOXM1 extends the longevity of progeroid mice and wild-type mice.251 Although the detailed mechanism is still unexplored, FOXM1 is induced in the kidney upon injury and participates in triggering de-differentiation and proliferation of tubular epithelial cells during the repair process.252 Thus, several features of natural tissue repair and artificial reprogramming may converge, perhaps allowing refinement of strategies for restoring repair capacity in aging tissues.

Altered intercellular communication

Aging is coupled to progressive alterations in intercellular communication that increase the noise in the system and compromise homeostatic and hormetic regulation. Thus, aging involves deficiencies in neural, neuroendocrine, and hormonal signaling pathways, including the adrenergic, dopaminergic, and insulin/IGF1-based and renin-angiotensin systems, as well as sex hormones commensurate with the loss of reproductive functions.182,253 Although the primary causes of such alterations are cell intrinsic, as this is particularly well documented for the SASP, these derangements in intercellular communication ultimately sum up to a hallmark on its own that bridges the cell-intrinsic hallmarks to meta-cellular hallmarks including the chronification of inflammatory reactions coupled to the decline of immunosurveillance against pathogens and premalignant cells, as well as the alterations in the bidirectional communication between human genome and microbiome, which finally results in dysbiosis. A number of studies in this regard have focused on the search for blood-borne systemic factors with pro-aging or prolongevity properties, the role of diverse communication systems between cells, and the eval‎uation of the functional relevance of ECM disruption during aging.

Pro-aging blood-borne factors

A single transfusion of old blood induces features of aging in young mice within a few days,72 and the simple dilution of the blood of old mice with saline buffer containing 5% albumin induces rejuvenation in multiple tissues,71 indicating the existence of circulating factors that favor the aging process. Among the pro-aging blood-borne factors, the chemokine CCL11/eotaxin and the inflammation related protein β2-microglobulin reduce neurogenesis,254,255 IL-6 and TGF-β impair hematopoiesis,256 and the complement factor C1q compromises muscle repair.257 Theoretically, the neutralization of these factors might have potent anti-aging effects. Indeed, several among the aforementioned factors are secreted in the context of SASP and may be co-responsible for the phenomenon of “contagious” aging, which also involves extracellular vesicles.258 Thus, so-called “senomorphics” might be used to repress SASP and slow down aging.

Anti-aging blood-borne factors

Soluble factors present in the blood of young mice effectively restore renewal and repair capacity in old mice259 (Table 1). Heterochronic parabiosis experiments followed by extensive single-cell transcriptomics have confirmed the capacity of young blood to rejuvenate multiple tissues74 and to restore age-associated reduction in general gene expression‎, in particular that of mitochondrial genes involved in the electron transport chain.75 The chemokine CCL3/MIP-1α acts as a rejuvenating factor for hematopoietic stem and progenitor cells;74 the metalloproteinase inhibitor TIMP2 has been implicated in rejuvenating the hippocampus;73 the anti-inflammatory interleukin IL-37 (which declines in monocytes from aged humans) improves increased endurance exercise and ameliorates whole-body metabolism in old mice;76 the cytokine GDF11 rejuvenates some tissues, such as muscle, brain, and endocrine pancreas, although it impairs the function and repair of other tissues due to its pro-fibrotic side effects;77 and finally, mice with transgene-enforced VEGF overexpression‎ exhibit enhanced liver and muscle repair, improved general health and an extension in average longevity by ∼40%.78

Long-range and short-range communication systems

The central nervous system controls multiple facets of aging affecting peripheral organs, explaining how brain-specific gene manipulations like overexpression‎ of SIRT1, UCP1, or knockout of IKBKB and TRPV1 can enhance mouse longevity (Table 1). The precise mechanisms of these long-range activities are yet to be determined.260 Of note, intercellular communication also involves the interaction among short-lived extracellular molecules (such as ROS, nitric oxide, nucleic acids, prostaglandins, and other lipophilic molecules), soluble factors that are released from various tissues including white adipose tissue (adipokines), brown adipose tissue (baptokines), heart (cardiokines), liver (hepatokines) and skeletal muscles (myokines, including exerkines produced in response to exercise), cell-bound ligands, and receptors on other cells (as exemplified by IL-1α that can remain cell-bound), as well as direct cell-to-cell interactions mediated by tight junctions or gap junctions. All these communication systems may be altered during aging and hence are being scrutinized for their potential pro- and anti-aging properties.258

Extracellular matrix

Aging causes numerous damages in the long-lived protein components of the ECM, including AGEs, carbonylation and carbamylation, elastin fragmentation, and collagen crosslinking,261 thus leading to tissue fibrosis (fibroaging).262 This deleterious process is in part due to the excessive release of TGF-β and other growth factors, and the nuclear translocation of TAZ and YAP transcription factors, which act as mechanotransducers and trigger the expression‎ of pro-fibrotic genes such as transglutaminase-2, lysyl oxidase (LOX), and LOX-like enzymes.262 ECM stiffness also affects the function of senescent cells, which in turn secrete matrix metalloproteases that amplify the damage of the ECM,263 and proteolytically generate damage-associated molecular patterns to activate pro-senescent, pro-fibrotic, and pro-inflammatory pathways.262 The increasing stiffness of the aging matrix may also favor WNT signaling to induce fibroblast activation and expression‎ of pro-fibrotic genes.264 This pathway exhibits extensive crosstalk with other pro-fibrotic pathways, such as NOTCH, RAS, TGF-β/SMAD, and hedgehog/GLI, thereby demonstrating the complexity and interconnections of mechanisms underlying the development of age-linked fibrosis.262 Of note, mechanical change caused by matrix stiffness is sufficient to cause age-related loss of function of oligodendrocyte progenitor cells in a process mediated by the mechanoresponsive ion channel PIEZO1.265

Several studies have provided causal evidence for the contribution of ECM stiffness to aging and have also suggested approaches for improving healthy aging (Table 1). In vivo inhibition of Piezo1 using AAV vectors results in rejuvenation of the oligodendrocyte progenitors in the brain of old mice.265 Genetic inactivation of YAP/TAZ in stromal cells causes accelerated aging, although sustaining YAP function rejuvenates old cells and prevents the emergence of aging features by controlling cGAS-STING signaling.79 Moreover, mice engineered to produce collagenase-resistant type I collagen (Col1a1r/r) exhibit vascular cell senescence, accelerated aging, and shortened lifespan.266 The importance of collagen for human longevity has been reinforced by the discovery of rare variants in COL25A1—encoding a brain-specific collagen—that may have a protective role against Alzheimer’s disease.267 Moreover, ECM prepared from young human fibroblasts induces a youthful state in aged senescent cells.80 ECM compounds such as chondroitin sulfate and hyaluronic acid restore the age-related decline of collagen and increase lifespan in nematodes.268 Conversely, ectopic expression‎ of human hyaluronidase TMEM2 promotes resistance to ER stress and extends lifespan in C. elegans through changes in p38/ERK MAPK signaling.269 In mice, deletion of chondroitin 6-sulfotransferase results in an abnormal ECM in the brain, early memory loss, and accelerated brain aging, whereas overexpression‎ of this enzyme improved memory in old mice.81 Retrospective analyses indicate that oral intake of glucosamine/chondroitin sulfate leads to a reduction in all-cause mortality in humans.270 However, there is no prospective proof thus far that such a prolongevity effect would be mediated through an amelioration of the ECM.

Chronic inflammation

Inflammation increases during aging (“inflammaging”) with systemic manifestations, as well as with pathological local phenotypes including arteriosclerosis, neuroinflammation, osteoarthritis, and intervertebral discal degeneration. Accordingly, the circulating concentrations of inflammatory cytokines and biomarkers (such as CRP) increase with aging. Elevated IL-6 levels in plasma constitute a predictive biomarker of all-cause mortality in aging human populations.271 In association with enhanced inflammation, immune function declines, a phenomenon that can be captured by high-dimensional monitoring of myeloid and lymphoid cells in the blood from patients and from mouse tissues.272 For example, a population of age-associated T cells—termed Taa cells—is composed of exhausted memory cells that mediate pro-inflammatory effects via granzyme K. Shifts in T cell populations entail the hyperfunction of pro-inflammatory TH1 and TH17 cells, defective immunosurveillance (with a negative impact on the elimination of virus-infected, malignant or senescent cells), loss of self-tolerance (with a consequent age-associated increase in autoimmune diseases), and reduced maintenance and repair of biological barriers, altogether favoring systemic inflammation273 (Figure 6A).

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Figure 6. Derangement of supracellular functions

Altered intercellular communication bridges the cell-intrinsic hallmarks to meta-cellular hallmarks including the chronic inflammation, and the alterations in the crosstalk between human genome and microbiome, which finally result in dysbiosis.

(A) Chronic inflammation during aging occurs as a consequence of multiple derangements that stem from all the other hallmarks. Several representative examples of anti-inflammatory interventions with positive effects on healthspan and lifespan are shown in the right part of the figure.

(B) Dysbiosis contributes to multiple pathological conditions associated with aging. The human gut microbiota significantly changes during aging, finally leading to a general decrease in ecological diversity. The main features of the mechanisms underlying these microbiota changes and some examples of interventions on the gut microbiota composition which can promote healthy aging are shown in the lower part of the right panel. CVDs, cardiovascular diseases; SCFAs, short-chain fatty acids.

Links between inflammation and other aging hallmarks

Inflammaging occurs as a result of multiple derangements that stem from all the other hallmarks. For example, inflammation is triggered by the translocation of nuclear and mtDNA, into the cytosol where it stimulates pro-inflammatory DNA sensors, especially when autophagy is ineffective and hence unable to intercept ectopic DNA.4 Genomic instability favors clonal hematopoiesis of indeterminate potential (CHIP), with the expansion of myeloid cells that often bear a pro-inflammatory phenotype, driving for instance cardiovascular aging.274 Intriguingly, the most frequent CHIP-associated mutations affect the epigenetic modifiers DNMT3 (which methylates cytosine residues in DNA) and TET2 (which catalyzes the oxidation of methylcytosine to 5-hydroxymethylcytosine). Mechanistically, CHIP affecting TET2 enhances IL-1β and IL-6 production by myeloid cells and stimulates cardiovascular disease (CVD), which is attenuated among individuals bearing a loss-of-function mutation in the IL-6 receptor or treated with an IL-1β neutralizing antibody.275

Overexpression‎ of pro-inflammatory proteins can be secondary to epigenetic dysregulation, deficient proteostasis, or disabled autophagy. Excessive trophic signals resulting in activation of the GH/IGF1/PI3K/AKT/mTORC1 axis trigger inflammation. In addition, inflammation is favored by the SASP secondary to the accrual of senescent cells, as well as by the accumulation of extracellular debris and infectious pathogens, which are not cleared due to senescence, and by exhaustion of myeloid and lymphoid cells. This latter phenomenon involves age-associated thymic involution, abrogating thymopoiesis with the consequent rarefaction of the T cell repertoire and the inability to mount efficient immune responses against novel antigens.276 Of note, thymopoiesis is improved by CR in humans, and a CR-downregulated gene coding for platelet activation factor acetyl hydrolase A2 group VII (PLA2G7) can be knocked out in mice to combat thymic atrophy.50 Finally, inflammaging is also exacerbated by perturbations of circadian rhythms and by intestinal barrier dysfunction.277

Anti-inflammatory, anti-aging interventions

Although systemic inflammation is mechanistically linked to all the aforementioned age-associated alterations, inflammation constitutes a hallmark on its own. Indeed, specific manipulations of the inflammatory and immune system can accelerate or decelerate the aging process across different organ systems. For example, a T cell-specific defect in the mitochondrial transcription factor A (TFAM) is sufficient to drive cardiovascular, cognitive, metabolic, and physical aging coupled to an increase in circulating cytokines. The TNF-α inhibitor etanercept partially reversed this phenotype.82 Heterozygous deletion of the DNA repair protein ERCC1 in hematopoietic cells from mice is sufficient to induce immunosenescence and aging of non-lymphoid organs, as well as numerous signs of organ damage coupled to reduced lifespan. This phenotype was alleviated by the senolytic fisetin.278 These results support the idea that aging of the immune system may drive organismal aging. Of note, adoptive transfer of TFAM-null T cells, young ERCC-deficient splenocytes, or aged wild-type splenocytes into young mice induced senescence, whereas the transfer of young immune cells into ERCC-deficient mice attenuated senescence, pointing to the capacity of immune cells to modulate organismal aging in both positive and negative terms.82,278

There are multiple examples of broad healthspan and lifespan-expanding effects of anti-inflammatory treatments (Figure 6A; Table 1). Thus, blockade of TNF-α prevents sarcopenia in mice and improves cognition in aging rats.83,84 Blockade of the common type 1 interferon receptor (IFNAR1) reverses the accumulation of monocytes in the aging mouse lung.279 Knockout of the prostaglandin E2 receptor EP2 in myeloid cells or treatment of aged mice with pharmacological EP2 inhibitors ameliorates cognition.85 Knockout of the inflammasome protein NLRP3 improves metabolic biomarkers, glucose tolerance, cognition, and motor performance and extends mouse longevity.86 Pharmacological inhibitors of NLRP3 or of its downstream enzyme caspase-1 have encouraging preclinical effects on normal and accelerated aging models.280 Most importantly, inhibition of the caspase-1 product IL-1β with canakinumab exemplifies an anti-aging treatment applicable to patients. The phase 3 clinical trial CANTOS eval‎uated the capacity of canakinumab to prevent recurrent CVD in patients with a history of myocardial infarction and signs of pronounced inflammation. Beyond meeting the primary endpoint of the trial, canakinumab reduced the incidence of diabetes and hypertension, as well as the incidence of, and mortality from, lung cancer.87 Finally, although long-term use of non-steroidal anti-inflammatory agents such as aspirin may have positive effects on human health—in particular with respect to the prevention of CVD and gastrointestinal cancers—a large phase 3 clinical trial in which aspirin was administered to over 70-year-old subjects yielded negative results.281 Hence, further studies will be necessary to explore the value of prophylactic treatments with aspirin at a younger age to combine aspirin with other medications or to replace aspirin by less toxic anti-inflammatory drugs.

Dysbiosis

Over recent years, the gut microbiome has emerged as a key factor in multiple physiological processes such as nutrient digestion and absorption, protection against pathogens, and production of essential metabolites including vitamins, amino acid derivatives, secondary bile acids, and short-chain fatty acids (SCFAs). The intestinal microbiota also signals to the peripheral and central nervous systems and other distant organs and strongly impacts on the overall maintenance of host health.146 Disruption of this bacteria-host bidirectional communication results in dysbiosis and contributes to a variety of pathological conditions, such as obesity, type 2 diabetes, ulcerative colitis, neurological disorders, CVDs, and cancer.282 The progress in this field has generated an enormous interest in exploring gut microbiota alterations in aging (Figure 6B).

Microbiota alterations in aging

The microbial community within the intestinal tract is highly variable among individuals as a consequence of host genetic variants (ethnicity), dietary factors, and lifestyle habits (culture), as well as environmental conditions (geography), which makes difficult to unveil the relationships between microbiota and pleiotropic age-associated disease manifestations. Nonetheless, some meta-analyses have revealed microbiota-disease associations that have been validated across distinct pathologies283 and countries.284,285 Studies in both humans and animal models have provided valuable information on clinical, epidemiological, sociological, and molecular aspects that underlie the complex effects of an aged microbiome on human health and disease.286 Once bacterial diversity is established during childhood, it remains relatively stable during adulthood. However, the architecture and activity of this bacterial community undergoes gradual changes during aging, finally leading to a general decrease in ecological diversity. Thus, several studies conducted on centenarian populations showed a reduction in core abundant taxa, such as Bacteroides and Roseburia, but also an increase in several genera such as Bifidobacterium and Akkermansia, which appear to have prolongevity effects.287

These studies have been extended by recent analysis of the gut microbiome and phenotypic data from over 9,000 individuals of three independent cohorts spanning 18–101 years of age.288 Of note, individual gut microbiomes become increasingly more unique to each individual with age, and this uniqueness is associated with well-known microbial metabolites involved in immune regulation, inflammation, and aging. In older age, healthy participants show continued drift toward a unique microbial composition, whereas this drift is reduced or absent in individuals in worse health. The identified microbiome pattern of healthy aging is characterized by a depletion of core taxa, such as Bacteroides, present across most humans. Moreover, in individuals approaching extreme age, retention of high Bacteroides levels and a low gut microbiome uniqueness measure are significantly associated with decreased survival. However, findings in microbiota from centenarians and supercentenarians are not always concordant with those derived from elderly populations. The ELDERMET study reported an increased dominance of the core genera Bacteroides, Alistipes, and Parabacteroides in old individuals compared with younger controls. This study also identified age-related shifts in gut microbiota composition linked to frailty, cognition, depression, and inflammation.289 Another study revealed age-related trajectories of the microbiota shared across populations of different ethnicities, as well as a common age-related decrease in sex-dependent differences in gut microbiota. Of note, older adults exhibit higher abundances of several health-promoting bacterial species, including Akkermansia.290 These results suggest that age-related physiological changes, beyond dietary changes and lifestyle of older adults, may have profound effects on the human gut microbiota.

The heterogeneity of findings in all these studies indicates that there may be multiple gut microbiome trajectories of aging. However, there is an interesting convergence in plasma concentrations of microbiota-produced amino acid derivatives. These metabolites include indoles derived from gut bacterial degradation of tryptophan, and several fermentation products of phenylalanine/tyrosine, such as p-cresolsulfate, phenylacetylglutamine, and p-cresol glucuronide. This finding is consistent with data from the ELDERMET cohort showing that fecal concentrations of p-cresol correlate with increased frailty and may contribute to age-associated decline in this population. Conversely, plasma concentrations of certain indole metabolites correlate with improved fitness in older adults. Indole metabolites increase healthspan and lifespan in mice, at least in part, by attenuation of inflammatory responses through binding of the arylhydrocarbon receptor.93

Further metabolomics and functional analysis of the gut microbiome of centenarians have shown its enrichment in some particular bacteria, such as Alistipes putredinis and Odoribacter splanchnicus. Some of these bacterial species are capable of generating unique secondary bile acids, including isoallo-lithocholic, which exerts potent antimicrobial effects against gram-positive multidrug-resistant pathogens such as Clostridioides difficile and Enterococcus faecium.291 Thus, specific bile acid metabolism may be involved in reducing the risk of pathobiont infection and contribute to intestinal homeostasis, thereby decreasing the susceptibility to age-associated chronic diseases.

Fecal microbiota transplantation and aging

Multiomics studies in pathological aging have revealed that two different mouse models of progeria exhibit intestinal dysbiosis mainly characterized by an increase in the abundance of Proteobacteria and Cyanobacteria and a decrease in levels of Verrucomicrobia. Consistent with these findings, human progeria patients with HGPS or NGPS also show intestinal dysbiosis, whereas long-lived humans exhibit a substantial reduction in Proteobacteria and a significant increase in Verrucomicrobia.88 The causal implications of these changes were demonstrated in vivo by fecal microbiota transplantation (FMT). FMT from wild type to progeroid mice recipients enhanced healthspan and lifespan in both accelerated-aging models, whereas administration of the verrucomicrobium Akkermansia muciniphila was also sufficient to obtain such effects. Conversely, FMT from progeroid donors to wild-type recipients induced detrimental metabolic alterations. Restoration of secondary bile acids and other metabolites depleted in progeroid mice phenocopied the beneficial effects of reestablishing a healthy microbiome88 (Table 1).

FMT also revealed the causative role of gut dysbiosis in the chronic systemic inflammation and the decline in adaptive immunity associated with aging and age-related diseases. Transfer of the gut microbiota from old mice to young germ-free mice triggered inflammatory responses characterized by enhanced CD4+ T cell differentiation in spleen, upregulation of inflammatory cytokines, and increased circulation of inflammatory factors of bacterial origin.292 FMT also provided evidence for the implication or the gut microbiota in the maintenance of brain health and immunity during aging.90 Microbiota from young mice donors reversed aging-associated differences in hippocampal metabolites and brain immunity and ameliorated age-associated impairments in cognitive behavior when transplanted into an aged host. These works open the possibility of manipulating the gut microbiota with pre-, pro-, and post-biotics to rejuvenate the immune system and the aging brain. Heterochronic fecal transfers confirmed the causal link between age-dependent changes in microbial composition and a decline in the function of the host immune system.92 Indeed, the defective germinal center reaction in Peyer’s patches of aged mice can be rescued by FMT from younger animals without affecting germinal center reactions in peripheral lymph nodes. Finally, FMT from young donor mice improves ovarian function and fertility in aged mice. These beneficial effects are associated with an improvement in the immune microenvironment of aged ovaries, with decreased macrophages and macrophage-derived multinucleated giant cells, reduced levels of pro-inflammatory IFNγ, and increased abundance of the anti-inflammatory cytokine IL-4.91

Other prolongevity interventions on gut microbiota

The probiotic Lactobacillus plantarum GKM3 promotes longevity and alleviates age-related cognitive impairment in the SAMP8 mouse model of accelerated aging.89 Interventions on gut microbiota composition also restored the age-linked decline in microglial maturation and function which causes altered brain plasticity and promotes neurodegeneration. Recolonization experiments or administration of gut microbiota metabolites, such as SCFAs, prevented the age-associated decline of beneficial Bifidobacterium, increased Akkermansia abundance, and restored microglial function in middle-aged mice.94 Moreover, caloric restriction diets induce structural changes of the gut microbiome increasing the abundance of Lactobacillus and other species that influence healthy aging. The gut microbiota-induced inflammaging and the consequent increase in insulin resistance can also be reversed by restoring abundance of beneficial SCFA-producing bacteria, such as A. muciniphila, in aged mice and macaques.293 Similarly, a randomized, double-blind, placebo-controlled pilot study in overweight/obese insulin-resistant volunteers showed that oral administration of pasteurized A. muciniphila improved insulin sensitivity reduced insulinemia and plasma total cholesterol levels.95 Collectively, these results underscore the causal links between aging and dysbiosis and suggest that interventions aimed at restoring a youthful microbiome may extend healthspan and lifespan.

Integration of hallmarks

All the 12 hallmarks of aging are strongly related among each other. For example, genomic instability (including that caused by telomere shortening) crosstalks to epigenetic alterations (e.g., through the loss-of-function mutation of epigenetic modifiers such as TET2), loss of proteostasis (e.g., due to the production of mutated, misfolded proteins), disabled macroautophagy (e.g., through the capacity of autophagy to remove supernumerary centrosomes, extranuclear chromatin, and cytosolic DNA), deregulated nutrient-sensing (e.g., because SIRT6 is an NAD+ sensor involved in DNA repair but also responding to nutrient scarcity), mitochondrial dysfunction (e.g., due to the mutation of mtDNA), cellular senescence (e.g., because DNA damage triggers senescence), altered intercellular communication (e.g., by hampering activation of communication pathways), chronic inflammation (e.g., because CHIP and leakage of DNA into the cytosol induce inflammation), and dysbiosis (e.g., because mutations in intestinal cells favors dysbiosis, whereas specific microbial proteins and metabolites act as mutagens). Similar functional relationships can be listed for most if not all hallmarks of aging, illustrating their formidable interconnectivity.

This entanglement is also visible at the level of experimental anti-aging interventions that often simultaneously target several hallmarks. Thus, SIRT activators including NAD+ precursors attenuate genomic instability (via DNA repair), epigenetic alterations (via histone deacetylation), loss of proteostasis (via the removal of protein aggregates), disabled macroautophagy (via autophagy enhancement), deregulated nutrient-sensing (via activation of nutrient scarcity sensors), and mitochondrial dysfunction (via an increase in mitophagy-dependent quality control).176 Spermidine complexes to DNA (hence counteracting genomic instability), affects translation (avoiding loss of proteostasis), stimulates macroautophagy, reverses lymphocyte senescence, prevents the exhaustion of muscle stem cells, maintains circadian rhythms, suppresses inflammation, stimulates cancer immunosurveillance, and is produced by intestinal bacteria.294 Metformin has a pleiotropic mode of action including induction of autophagy, activation of the nutrient scarcity sensor AMPK, inhibition of mitochondrial respiration, alleviation of adipocyte senescence, suppression of inflammation, and favorable shifts in the gut microbiota.210 Similarly, maintenance of eubiosis by oral supplementation of A. muciniphila stimulates intestinal autophagy, reduces metabolic syndrome, dampens inflammation, and enhances anticancer immune responses.295 Indeed, a notable feature of effective anti-aging interventions, such as lowered insulin/IGF-1 signaling296 and disruption of the TORC1 complex,296,297 is the diversity of mechanisms by which they target different aging hallmarks in different tissues to maintain healthspan of the whole organism.

Although each of the 12 hallmarks of aging can be targeted one by one, yielding tangible benefits for healthspan and lifespan (Table 1), there is some kind of hierarchy among them (Figure 1). Thus, as we initially proposed,1 the primary hallmarks, which reflect damages affecting the genome, telomeres, epigenome, proteome, and organelles, progressively accumulate with time and unambiguously contribute to the aging process.298 The antagonistic hallmarks, which reflect responses to damage, play a more nuanced role in the aging process. For example, trophic signaling and anabolic reactions activated by nutrient-sensing have beneficial actions in youth but are largely pro-ageing later on. Thus, in an archetypal case of antagonistic pleiotropy, the nutrient-sensing network contributes to organ development until young adulthood but plays a detrimental role beyond this stage. Additionally, reversible and low-dose mitochondrial dysfunction can stimulate beneficial counterreactions (via mitohormesis), whereas limited and spatially confined levels of cellular senescence contribute to the suppression of oncogenesis and improve wound healing. Finally, the integrative hallmarks arise when the accumulated damage inflicted by the primary and antagonistic hallmarks cannot be compensated any more, resulting in stem cell exhaustion, intercellular communication alterations including ECM damage, chronic inflammation, and dysbiosis, which together dictate the pace of aging.

Recently, we postulated the existence of eight hallmarks of health,146 which include organizational features of spatial compartmentalization (integrity of barriers and containment of local perturbations), maintenance of homeostasis over time (recycling and turnover, integration of circuitries, and rhythmic oscillations), and an array of adequate responses to perturbation (homeostatic resilience, hormetic regulation, and repair and regeneration). Undoubtedly, aging is linked to progressive deterioration of these eight hallmarks of health, implying a ramping incapacity to maintain spatial compartmentalization (with the consequent loss of integrity of internal and external barriers, as well as the incapacity to contain perturbations of such barriers in space and time), to assure long-term homeostasis (with reduced capacity of recycling and turnover, inefficient coordination among different systems via integrated circuitries, and desynchronization of ultradian, circadian, or infradian rhythms), and to adequately respond to stress by complete repair and regeneration, homeostatic resilience, and hormetic regulation (Figure 7). This decline affects all eight strata of organismal organization, across different classes of molecules (such as DNA, RNA, proteins, and metabolites), organelles (such as nuclei, mitochondria, and lysosomes), cell types (such as parenchymatous, auxiliary/stromal, and inflammatory/immune cells), supracellular units constituting the minimal functional entities of organs, entire organs within their anatomical boundaries, organ systems (such as the gastrointestinal, respiratory, and urinary tracts), systemic circuitries (with their endocrine, neurological, lymphatic, and vascular connections), as well as the meta-organism (that includes the microbiota). As a result, the 12 hallmarks of aging are interconnected to the eight hallmarks of failing health and the eight strata of organismal organization (Figure 7), creating a multidimensional space of interactions that may explain some features of the aging process.

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Figure 7. Integration of hallmarks

All the 12 hallmarks of aging proposed in this work are functionally related among each other. These determinants of aging are also interconnected to the eight hallmarks of health, which include organizational features of spatial compartmentalization, maintenance of homeostasis over time, and an array of responses to perturbation.146 Finally, the hallmarks of aging are interconnected to the eight proposed strata of organismal organization146 and create a multidimensional space of interactions that may contribute to explain some important features of the aging process.

Heterochronic parabiosis experiments, in which the vascular systems of young and old mice are connected, may illustrate best the importance of systemic regulatory factors (such as hormones and circulating cells) on the aging process. This phenomenon has been extensively characterized at the level of single-cell transcriptomics, yielding a spatiotemporal map of the capacity of the young system to rejuvenate an older one or, vice versa, the ability of pro-aging factors to precipitate the senescence of young cells.74,75 This type of experiment demonstrates that aging relies on the integration of cell-autonomous and non-cell-autonomous mechanisms that also have been revealed in Drosophila (in which stimulation of autophagy in the intestine is sufficient to extend lifespan of the entire organism)120 and mice (in which injection of a few thousands of senescent fibroblasts is sufficient to trigger invalidating osteoarthritis).299 Hence, pro-aging and anti-aging mechanisms can be communicated among distinct cell types, perhaps explaining that “normal” aging usually affects multiple organs in a close-to-synchronous fashion, at difference with “pathological” aging in which time-dependent diseases precociously manifest in specific locations, in the form of initially isolated cardiovascular, oncological, or neurodegenerative disorders. However, the distinction between normal and pathological aging is debatable,300 and some progeroid syndromes manifest signs of incomplete or segmental aging, as exemplified by the absence of a central nervous phenotype in HGPS.

In view of the spectacular progress of developing longevity strategies in mammalian model organisms and initial clinical trials (Table 1), it will be important to develop rational strategies for intervening into human aging. The question arises to which extent strategies for extending human healthspan should be based on the avoidance of age-accelerating environmental factors (such as pollution, stress, inadequate physical activity, and unhealthy diets, often unavoidable in a context of poverty, precariousness, and wartime), the adoption of health-promoting lifestyle factors (such as diet, exercise, regular sleeping patterns, and social activities), the administration of relatively non-specific, pleiotropic drugs (exemplified by NAD+ precursors, metformin, spermidine, or MTORC1 inhibitors), or more specific medical interventions. Such specific treatments may involve pharmacological agents—with the prospective of a broad implementation, genetic or cell-based therapies—with rather complex logistics and elevated costs, or bioengineering methods for surgical tissue replacement, which most likely will mainly remain in the realm of experimentation. Given the multiplicity of hallmarks offering therapeutic strategies for decelerating, halting, or reversing aging, it will be interesting to eval‎uate combination regimens with the scope of maximizing benefits and minimizing side effects. The question remains open whether such healthspan and lifespan extending prophylactic treatments will profit from personalization based on individual patient characteristics determined by the genetic, epigenetic, metabolomic, or phenotypic assessments of aging clocks.

Aging is not yet a recognized target for drug development or for treatment. For this reason, the first clinical trials eval‎uating anti-aging interventions must deal with the prevention or mitigation of age-associated pathologies rather than aging itself. Although such trials have been designed to target high-risk populations (such as patients with myocardial infarction and laboratory signs of inflammation in the CANTOS trial or patients with frailty or cardiovascular events to be enrolled in future metformin-related trials) and to measure the manifestation of a second cardiovascular event or aggravation of frailty, there is a risk that they are programmed too late, which is of significant concern. Indeed, at this point, academic geroscience may raise or fall as the function of the outcome of the first randomized, double-blinded phase 3 trials. The new directions of the hallmarks of aging may provide an improved framework for the development of effective interventions aimed at the extension of healthy longevity.

Acknowledgments

We apologize for omitting relevant works and citations due to space constraints. We acknowledge all members of our laboratories for helpful comments during the elaboration of this manuscript. We thank José M.P. Freije for critical reading of the manuscript. C.L-O. is supported by grants from the European Research Council (ERC Advanced Grant, DeAge), Ministerio de Ciencia e Innovación, Instituto de Salud Carlos III, and La Caixa Foundation (HR17-00221). The Instituto Universitario de Oncología is supported by Fundación Bancaria Caja de Ahorros de Asturias. M.B. is funded by Agencia Estatal de Investigación (AEI/MCI/10.13039/501100011033, project RETOS SAF2017-82623-R), cofunded by European Regional Development Fund, “A way of making Europe”; Comunidad de Madrid with the Sinergy Project COVIDPREclinicalMODels-CM and the ERC under the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme (grant 882385) through the project ERC-AvG SHELTERINS. The CNIO, certified as Severo Ochoa Centre of Excellence by AEI/MCI/10.13039/501100011033, is supported by the Spanish Government through the Instituto de Salud Carlos III. L.P. is supported by Horizon 2020 Framework Programme 741989, the Max Planck Society, and the BBSRC. M.S. is funded by a core grant from the IRB, La Caixa Foundation, the Milky Way Research Foundation, and Secretaria d'Universitats i Recerca del Departament d'Empresa i Coneixement of Catalonia (Grup de Recerca Consolidat 2017 SGR 282). G.K. is supported by the Ligue contre le Cancer (équipe labellisée); Agence National de la Recherche (ANR)–Projets blancs; AMMICa US23/CNRS UMS3655; Association pour la recherche sur le cancer (ARC); Cancéropôle Ile-de-France; Fondation pour la Recherche Médicale (FRM); a donation by Elior; Equipex Onco-Pheno-Screen; European Joint Programme on Rare Diseases; the European Union Horizon 2020 Projects Oncobiome and Crimson; Fondation Carrefour; Institut National du Cancer; Institut Universitaire de France; LabEx Immuno-Oncology (ANR-18-IDEX-0001); a Cancer Research ASPIRE Award from the Mark Foundation; the RHU Immunolife; Seerave Foundation; SIRIC Stratified Oncology Cell DNA Repair and Tumor Immune Elimination (SOCRATE); and SIRIC Cancer Research and Personalized Medicine (CARPEM). This study contributes to the IdEx Université de Paris ANR-18-IDEX-0001.

Declaration of interests

M.A.B. is founder and shareholder of Life Length, SL, which commercializes telomere length measurements for biomedical use. M.S. is shareholder and advisor of Rejuveron Senescence Therapeutics, AG, and Altos Labs, Inc.; and shareholder of Senolytic Therapeutics, Inc., and Life Biosciences, Inc. G.K. has been holding research contracts with Daiichi Sankyo, Eleor, Kaleido, Lytix Pharma, PharmaMar, Osasuna Therapeutics, Samsara Therapeutics, Sanofi, Sotio, Tollys, Vascage, and Vasculox/Tioma; consulting for Reithera and is on the Board of Directors of the Bristol Myers Squibb Foundation France. G.K. is a scientific co-founder of everImmune, Osasuna Therapeutics, Samsara Therapeutics, and Therafast Bio. G.K. is the inventor of patents covering therapeutic targeting of aging, cancer, cystic fibrosis, and metabolic disorders and has been holding research contracts with Daiichi Sankyo, Eleor, Kaleido, Lytix Pharma, PharmaMar, Osasuna Therapeutics, Samsara Therapeutics, Sanofi, Tollys, and Vascage; has been consulting for Reithera; is on the Board of Directors of the Bristol Myers Squibb Foundation France, and is a scientific co-founder of everImmune, Osasuna Therapeutics, Samsara Therapeutics, and Therafast Bio. G.K.’s wife, Laurence Zitvogel has held research contracts with 9 Meters Biopharma, Daiichi Sankyo, Pilege, was on the on the Board of Directors of Transgene, is a co-founder of everImmune, and holds patents covering the treatment of cancer and the therapeutic manipulation of the microbiota. G.K.’s brother, Romano Kroemer, was an employee of Sanofi and has consulted for Boehringer-Ingelheim. None of the funders had any role in study design, data collection and analysis, decision to publish, or preparation of the manuscript.

References

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