老化或衰老是一个多环节的生物学过程，是多因素共同作用的结果，其机制颇为复杂，涉及机体各个系统结构与功能的改变。这些改变可以增加生物死亡的概率，往往同时也伴随疾病的发生。目前还没有一种理论能解释所有的衰老现象。有关衰老的理论有：遗传控制理论，体细胞突变理论，神经内分泌理论，免疫理论，生活速率理论，生殖与老化理论以及氧化应激理论等。衰老主要表现为细胞衰老、器官衰老、机体衰老等，其中细胞衰老是器官衰老和机体衰老的基础。它是一个机制颇为复杂的多环节生物学过程，近几年的研究也形成了许多有关衰老机制的学说。首先，氧化应激学说认为衰老早期阶段，低剂量的活性氧能够激发机体保护性的压力应激反应，延缓衰老；当年龄增加，衰老相关的氧化损伤在体内持续聚集，超过了机体的清除能力，这些蓄积的活性氧就会加剧衰老相关性的DNA损伤，加速细胞的衰老。如何在细胞内部将活性氧（reactive oxygen species，ROS）维持在一个适当的生理水平，而不是单纯的降低细胞内的ROS，对于疾病预防、延缓衰老具有重要的研究意义；其次，端粒-端粒酶假说认为，衰老还表现为DNA损伤、DNA的甲基化、染色体端粒长度的改变等诸多方面，其中端粒学说已成为衰老的研究热点之一，即细胞衰老是因为细胞在不断分裂的过程中，端粒长度逐渐缩短、结构功能发生改变所引起的。它能为攻克医学领域中癌症、衰老和特定遗传病提供新的治疗靶点及治疗方案。最后，表观遗传假说认为，表观遗传修饰在基因表达调控的过程中也起着重要作用，抑制疾病发生的相关基因在健康长寿的个体中可能也受到表观遗传的修饰，从而参与促进健康长寿的表型。年龄相关的DNA甲基化改变，涉及老年个体中的代谢性疾病、心血管疾病、肿瘤等增龄性疾病的发生与发展。关于长寿和延缓衰老的作用目前基于基因变异领域得到支持性的证据有限，但近年来DNA甲基化的增龄性变化模式已经得到多个人群的证实。综上所述，我们将从以下几个方面对衰老的发病机制进行全面性的了解，这也是我们认识生命发生发展的重要科学突破口。但是对于衰老的发生原因和确切机制还需要未来进一步研究，而这些假说将为我们认识衰老、延缓衰老，以及个体化“精准”监测衰老进程和干预疗效，提供更为广阔的前景。

衰老是机体代谢过程中的一个进行性的必然阶段，是机体健康水平和维持自身内稳态能力的退行性改变，表现为机体对环境的适应能力减弱以至丧失。衰老始于机体发育成熟并获得繁殖能力之后，伴随着机体老化，组织器官功能逐渐衰退，死亡的概率增加。一般认为人的最高寿限大约为120岁。尽管关于衰老有许多假说不断被提出，但是，导致生物体增龄性功能改变和寿命改变的机制仍不明确，其中大多数理论的提出都是建立在生物体内因在衰老中的重要作用的基础之上，而环境因素对衰老的发生发展同样不容忽视。环境因素既包括生物体外部的环境也包括生物体内部的环境。氧化应激理论的提出即是考虑了环境因素对衰老的影响。

1955年，在美国的原子能委员会中，英国学者Dr. Harman首次提出衰老的自由基理论，并于1956年在《老年》杂志上发表了题为“衰老：根据自由基和放射化学提出的理论”的文章。衰老的自由基理论同时涵盖了损伤积累衰老理论和基因程序衰老理论。核心观点包括以下几点：①细胞代谢过程中不断产生的自由基造成的细胞损伤是引起机体衰老的根本原因之一；②造成细胞损伤的自由基主要是氧自由基，而大部分的活性氧基团（ROS）主要由线粒体产生，线粒体作为细胞呼吸和氧化的中心与衰老密切相关；③在体内维持适当的抗氧化剂和自由基清除剂可以延长寿命和延缓衰老。

自由基，也称为“游离基”，是化合物的分子由于光热等外界因素造成共价键发生断裂，形成具有不成对电子的原子或基团。它是多种生化反应的中间代谢产物，包括超氧阴离子自由基（·O ₂ ⁻）、氢自由基（H·）、氯自由基（Cl·）、甲基自由基（CH ₃·）、羟自由基（·OH）、羧自由基（ROO·）、一氧化氮自由基（NO·）和硝基自由基（·ONOO ⁻）等。由氧分子（O ₂）形成的自由基统称为氧自由基。上述的氧自由基，为单线态氧和臭氧，统称为活性氧（ROS），它是外源性氧化剂或细胞内有氧代谢过程中产生的具有很高生物活性的含氧化合物。自由基可导致多种生物大分子的结构改变，其中蛋白质的氧化被认为是最重要的改变，因为蛋白质扮演着受体、载体、酶、转录因子、细胞支架等诸多重要角色。此外，蛋白质是细胞有机物的主要成分，同时也是自由基的主要攻击目标。公认的蛋白质不可逆的氧化修饰便是蛋白质的羰基化，自由基攻击蛋白质可导致蛋白质的羰基化，进而导致蛋白质的失活、水解、折叠和交联，影响蛋白质的功能和机体的代谢，改变对信号传导途径的影响及酶的活性，引发生物学效应，最终导致了衰老以及衰老相关多种慢性疾病的发生。

人体内自由基的来源主要有外源性自由基和内源性自由基两类。外源性自由基主要是从人体外界环境中吸收获得的，包括：①电离辐射（如γ-和α-射线、紫外线等）和大气污染（如烟雾中的氟利昂、臭氧、香烟产生的烟雾、汽车尾气等）均可使人体内产生自由基；②一些药物如抗结核药、硝基化合物、解热镇痛药、类固醇激素等在体内也可产生自由基；③其他一些水银等重金属离子污染、杀虫剂毒性与自由基相关，产业植物油等在空气中久置也会造成自由基含量增加。内源性自由基：在机体代谢过程中会不断产生多种自由基，其中以活性氧（ROS）最多。内源性自由基主要由线粒体产生，可产生活细胞内90%以上的自由基，线粒体中自由基浓度最高。机体中约有1%～4%的氧在线粒体氧化磷酸化生成ATP的过程中转化为活性氧。过氧化物酶体、脂氧合酶、NADPH氧化酶以及细胞色素P450都是线粒体外ROS的主要来源。此外，一些吞噬细胞、血红细胞、肌红细胞也可产生少量的自由基。

氧化还原反应在细胞正常的代谢过程中大量发生，由此产生少量性质活泼的氧自由基。在正常条件下，机体为维持生理平衡会随时通过酶和非酶两种防御系统清除多余的自由基。体内一些天然抗氧化剂如Vit A、Vit B族、Vit C、Vit E、β-胡萝卜素、微量元素硒、谷胱甘肽、半胱氨酸等属于非酶防御系统；而超氧化歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）、过氧化物酶（POD）、辅酶Q10等属于酶防御系统，通过酶解作用清除自由基，减轻自由基的损害作用；此外，自由基引起的DNA氧化损伤可以通过脱氧核糖核酸（DNA）修复系统进行修复，呼吸链通过自身的细胞色素C也可以清除·O ₂ ⁻和H ₂O ₂。

1990年美国衰老研究学者Sohal第一次提出了“氧化应激”的概念。机体在遭受有害刺激时，体内活性氧（ROS）产生过多，超出了机体的清除速度，氧化系统和抗氧化系统失衡，过剩的ROS参与细胞内反应，引起氧化应激。氧化应激通过损伤DNA使维持细胞基本生理功能的基因失去表达活性，进而导致细胞衰老，从而导致组织损伤。

正常的情况下，机体自由基的产生与自由基防御系统处于动态平衡状态。一旦机体暴露在有害因素中或者机体处于疾病和衰老状态下，体内活性氧自由基会不断产生，而此时机体清除能力却明显下降，不断产生的活性氧物质会修饰和干涉细胞蛋白质、脂质和DNA，从而引起细胞大分子的氧化损伤，细胞的氧化与抗氧化功能失衡，发生氧化应激。氧化应激对机体的影响有双重作用：首先，氧化应激可参与调节细胞膜的信号传导。如氧化应激通过影响细激发蛋白激酶C和MAP激酶活性作用于分子反应、酶的活化、增殖、分化。氧化应激引起的凋亡既可为分娩准备出生通道又可增强生物体的防御功能，因此从生理学角度来说，氧化应激是有益的。但是，氧化应激导致的氧化损伤的积累又会造成细胞损伤及癌症发生。

在生物体的衰老过程中，机体组织细胞不断产生的自由基逐渐累积，由于自由基反应能力较强，可氧化细胞中的多种物质，损伤生物膜，造成蛋白质、核酸等大分子交联，因而影响其正常功能。此后自由基学说被Helmut Sies等发展为“氧化应激假说”，该学说认为衰老过程中机体抗氧化成分的减少导致清除自由基的能力减弱，进而导致生物大分子结构损伤的增龄性累积。人体可以被理解成一个氧化与抗氧化的系统，随着年龄的增加，自由基不断累积机体平衡被打破倾向于氧化的系统，进而导致了疾病与衰老。尽管以上学说存在争议，但近年来，越来越多的研究证实生物大分子的氧化与癌症、心脑血管疾病、肾病、糖尿病、帕金森病、阿尔兹海默病等衰老相关疾病以及衰老本身密切相关，氧化应激即使不是诸多疾病的病因，但至少是一个重要的危险因素。

在机体随年龄增长的过程中，线粒体内的ROS也会随之不断累积增加。①线粒体电子传递链活性下降。线粒体呼吸链复合物随着年龄增长其活性会随之下降，尤其是复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ活性下降显著，导致电子传递受阻，氧不能被有效利用，氧自由基大量产生。②伴随年龄增长，线粒体的基因表达水平下降，衰老个体中缺乏代偿机制，无法通过增加电子传递链在内的蛋白质表达水平来维持生长需要，导致细胞出现衰老。另一方面，氧化产物的积累使得线粒体DNA（mtDNA）的缺失突变不断聚集，从而严重影响mtDNA重要功能，呼吸链复合物活性进一步降低，ROS持续升高，ATP合成减少。③线粒体内抗氧化酶活性也会随着年龄增长而不断下降。

①损伤生物膜：氧自由基能引起生物膜的脂质过氧化反应，使得其中的不饱和脂肪酸发生过氧化，生物膜结构被破坏，功能受损，细胞器发生功能障碍。在此过程中产生的脂质过氧化物发生降解产生丙二醛，它可与氨基酸、核酸等形成脂褐素，使生物分子内部或之间发生交联，DNA复制出现错误，从而引起细胞变性坏死、机体衰老。②损伤蛋白质：氧自由基能够直接氧化破坏蛋白质，引起酶蛋白失活；产生异质性蛋白质引起自身免疫反应；改变机体组织结构蛋白的理化性质，减少血液组织间的交换加速组织器官衰老退化；引起核酸的氧化和交联，遗传信息不能被正常转录和翻译，因此蛋白质的表达降低或者会有突变蛋白产生。③mtDNA氧化损伤：由于mtDNA是裸露的，缺乏修复系统，位置靠近自由基的产生部位，更易受到氧化损伤。且由于mtDNA无非编码区，在转录过程中，氧化损伤造成的突变会全部被转录，损伤因此而累积。

衰老的氧化应激理论认为，活性氧造成的DNA损伤是衰老的诱发事件。在衰老过程中一方面自由基的生成速率可能增加，另一方面机体氧化与抗氧化水平失衡。氧化应激对DNA的氧化损伤在正常代谢状况下以很高的频率发生，氧化应激导致DNA损伤最易发生的部位是碱基中的胸腺嘧啶和鸟嘌呤。

目前，公认的氧化应激引起细胞衰老的途径包括：

氧化应激造成的DNA损伤，通过启动DDR激活p53并在转录水平活化p21，引起细胞衰老。

正常情况下，抑制蛋白IκB与NF-κB二聚体结合，在胞质中形成无活性的三聚体形式。氧化应激条件下IκB被磷酸化，NF-κB被释放并激活后由胞质进入胞核与相应的DNA序列结合，增加白介素8表达并稳定p53蛋白，引发细胞衰老。

MAPK是哺乳细胞内广泛存在的一类丝氨酸/有丝分裂原激活蛋白激酶，是细胞重要的应激通路。Virginia Probin等人发现马利兰（Busulfan）诱导的细胞衰老依赖于ROS激活p38 MAPK通路，p38 MAPK抑制剂（SB203580）能降低衰老相关基因 p16的表达；Jang等发现ROS较低的造血干细胞功能较强 ，p38表达较低 ，p16基本不表达。这些提示在造血干/祖细胞的衰老中，p38 MAPKs起着非常重要的作用。

miRNA是一类单链小分子RNA，长度约为20～25nt，它能特异性结合靶mRNA在转录后水平上调控基因表达。目前，许多研究表明miRNA也参与了细胞衰老的进程。David Baltimore等最新研究表明Mirc19（microRNA-212/132 cluster）在衰老过程中调控造血干细胞的维持和生存。研究发现造血干细胞（hemopoietic stem cell，HSC）富含Mirc 19（microRNA-212/132 cluster），而且Mirc 19会随着年龄增长而上调。

衰老的氧化应激假说是建立于细胞内氧化损伤随年龄累积以及长寿命个体比短寿命个体的ROS和损伤积累更少的基础之上的。而随后研究发现抑制或者降低细胞内部ROS以及DNA损伤并不一定能延缓衰老。相反，线粒体的轻微功能缺陷能够延长生物寿命。而且更多的研究表明ROS一方面作为氧化还原信号参与细胞信号转导，另一方面，在一定范围内升高ROS或者抑制线粒体功能能够延缓衰老，延长寿命。

因此，近来一种新的渐进性的ROS衰老理论被提出：衰老早期阶段，衰老相关的DNA损伤产生的低剂量ROS，由于体内的抗氧化体系这些ROS并不会引起机体损伤，反而会触发机体保护性的压力应激反应，延缓衰老。当年龄增加，衰老相关的DNA损伤在体内持续聚集，ROS大量产生，超过了机体的清除能力，这些蓄积的ROS进一步造成DNA损伤，加剧衰老相关性DNA损伤，加速细胞的衰老，造成恶性循环。

综上所述，氧化应激不单是机体内氧化还原稳态的失衡，而是机体失去了对氧化还原信号的响应和对其状态的调控。此外，由于ROS的双重作用，衰老的氧化应激学说也不仅限于ROS的增加是促进衰老的主因。因此，如何在细胞内部将ROS维持在一个适当的生理水平，而不是单纯的降低细胞内的ROS，对于疾病预防、延缓衰老具有重要的研究意义。

端粒是真核生物染色体末端的一种特殊结构，在动植物及微生物的染色体中广泛存在，虽然端粒DNA序列是由简单的富含G的串联重复序列组成，但端粒长度及碱基组成具有种属特性（四膜虫端粒重复序列为GGGGTT，草履虫为TTGGGG，人类及哺乳动物为TTAGGG）。人类的端粒长度约为5～10kb，小鼠的端粒长度约为50kb，并且端粒的重复序列具有极性，一条链富含G称G链，而互补链富含C称C链。G链的3′末端为单链悬突，端粒的单链碱基序列高度保守，末端形成特殊的环状结构（D-loop；T-loop）也称为帽子结构，用以维持染色体的稳定。

端粒除了具有维持染色体稳定性和完整性的功能之外，还能防止染色体发生降解、重复、融合和丢失，抵御细胞内外核酸酶、拓扑异构酶、连接酶、蛋白酶等对染色体末端的损伤，进而保持物种遗传系统的稳定。近几年的研究表明，随着年龄的增长，体细胞不断的分裂增殖，端粒长度会逐渐缩短。从体外细胞培养实验中观察到，细胞每分裂一次大约丢失50～200个端粒核苷酸，至细胞死亡前大约丢失4000个核苷酸。当端粒核苷酸序列丢失至一定程度，细胞将停止分裂，进入静止状态（细胞周期被阻滞在G ₁期）。故有人称端粒为正常细胞的分裂时钟（mistosis clock）。因此端粒除与染色体的功能稳定性有关外，还涉及细胞的寿命、衰老、死亡以及肿瘤的发病与治疗。

端粒缩短到一定程度能够引起细胞衰老及细胞凋亡，而在某些细胞中，随着细胞不断分裂端粒的长度未发生改变，如永生细胞、癌细胞、干细胞以及某些生物如四膜虫等。这是因为端粒酶的存在，它能够补偿细胞分裂造成的染色体末端缩短的损伤。端粒酶首先在四膜虫中被发现，随后在人宫颈癌细胞株（HeLa细胞）中得到鉴定，并证明它是一种核糖核蛋白酶。端粒酶通过引物特异性识别位点，以自身的RNA为模板，在染色体末端合成端粒DNA序列，使端粒得以延长，为后续DNA聚合酶合成完整的染色体提供平台，进而维持了染色体的稳定性。人类端粒酶主要由RNA成分（hTR）、端粒酶反转录酶成分（hTERT）和端粒酶相关蛋白等组成。hTR具有560nt核苷酸，其中有11个碱基（5′-CUAACCCUAA-3′）与人类的端粒序列（5′-TTAGGG-3′）互补，然而与这个区互补的反义寡核苷酸序列能抑制端粒酶活性，若这段RNA序列的碱基发生突变会导致端粒酶活性的改变。而端粒酶相关蛋白的表达并不局限于具有端粒酶活性的组织和细胞中，且各组织间的表达差异与端粒酶活性无关，而hTERT是端粒酶活性所必需的组分。hTERT可识别富含G的寡核苷酸引物，以RNA组分为模板与端粒重复序列进行互补配对，在合成、延伸端粒序列中起重要作用。2009年诺贝尔奖获得者Skordalakes得到了端粒酶TERT的三维晶体结构。TERT的三维晶体结构由逆转录区（the reverse transcriptase domain）、RNA结合区（TRBD）和羧基末端延伸区（carboxy-terminal extension，CTE）组成。根据这一研究结果能从根本上理解端粒酶的作用以及在诱导细胞衰老和细胞凋亡中的调解机制。

1961年，Hayflick及其同事首次提出了Hayflick界限：即正常细胞在经历有限次的有丝分裂后，当分裂次数达到Hayflick界限时，染色体的长度就会缩短到一定程度，激活阻止细胞继续分裂的信号通路，有丝分裂被不可逆的阻滞在细胞周期的某一时期，随即引发细胞的衰老与凋亡。因此只要能增加染色体末端端粒的长度或端粒酶的活性就可以阻止端粒的缩短，进而控制细胞周期、延缓细胞衰老、延长细胞寿命等。Olovnikov也在20世纪70年代提出了衰老的端粒、端粒酶假说，首先明确末端复制问题及这一问题的解决办法。随后1991年美国的抗衰老学家Harley更为具体的描述了端粒、端粒酶假说：随着细胞分裂的进行，端粒缩短至一极限长度，DNA的损伤即将发生，细胞自身的DNA损伤应答系统被激活，进而启动终止细胞分裂的信号转导通路，抑癌基因 p53和（或）Rb表达量增加，细胞周期被阻滞，细胞进入第一死亡期M1期（mortality stage 1）。如果细胞受到病毒感染、抑癌基因发生突变或被封闭，则细胞顺利通过M1期。细胞继续分裂20～40代，同时端粒长度进一步缩短，直到发生基因组损伤，出现染色体融合、异位、丢失等，细胞生存出现危机，即细胞进入第二死亡期M2期（mortality stage 2）。

端粒缩短被认为是触发细胞衰老的生物标记，可作为衰老的生物钟。研究显示人的正常组织和细胞在复制过程中均会出现端粒缩短、DNA丢失的现象，当缩短至不能维持基因组稳定时细胞失去分裂增殖能力开始进入衰老阶段。端粒长度在细胞衰老的过程中处于一种竞争平衡的状态，端粒由于染色体末端复制、端粒重组加工等原因缩短，另一方面由于端粒特异性扩增、端粒酶的催化作用等又使其延长。首先，证明端粒长度和衰老有关的实验证据来源于人的成纤维细胞培养实验。年轻人成纤维细胞的端粒长度为18～25kb，而老年人成纤维细胞的端粒长度为8～10kb。其次，移植的造血干细胞由于快速的端粒缩短而引发细胞衰老的加速。Takasaki等的研究也表明，随着年龄的增长，牙髓DNA的端粒长度会逐渐缩短，所以能以此来预测机体的年龄与衰老的时间。然而，越来越多的研究表明，端粒的结构和功能与衰老密切相关。有实验数据表明，在哺乳动物细胞内，细胞衰老与端粒结构的改变有关。Rubio等的研究表明，对衰老起关键作用的是端粒的结构而不是端粒的长度。同时，Elmore的实验结果表明，衰老与端粒功能的失调有关。如前所述，衰老是一种受多因素复合调控的过程，以上的研究成果在某一方面都说明了端粒与衰老之间的关系，但对衰老过程起关键作用的因素还不是十分清楚，需要进一步的研究确定。

端粒酶的活性与细胞的增殖及细胞衰老有关，端粒酶以自身RNA为模板利用逆转录的方式合成并保护端粒，在调节寿命和细胞增殖方面起着重要作用。端粒酶的活性受多因素调节，包括端粒酶基因的表达调控、蛋白质之间的相互作用、蛋白磷酸化调节等。一些应激肿瘤抑制因子和原癌基因直接或间接参与端粒酶活性的调控，包括c-Myc、Bcl-2、p21waf1、 p53、Rb、Akt/PKB及蛋白磷酸酶2A。端粒酶活性可以通过端粒长度，进而控制细胞的分裂次数。实验结果显示端粒酶缺失或过表达小鼠模型由于其端粒缩短而导致过早衰老。在细胞衰老的过程中，人的端粒酶表达主要受控于端粒酶反转录酶（hTERT），而端粒酶的RNA组分（hTR）在各细胞中均有存在且含量比较恒定。Bodnar在人类端粒酶负表达的体细胞中观察到了 hTERT基因的表达。此研究主要说明，利用基因克隆的方法将外源hTERT基因克隆到端粒酶负表达的体细胞中，使细胞的端粒酶过表达，其细胞寿命至少延长20代，并且衰老的生物标记β-半乳糖的表达量也显著下降。然而，单纯引入hTERT基因对细胞正常的周期、黏附性、生长因子、接触抑制以及核型没有任何影响。相反有些实验证据表明，在体外培养的兔成纤维细胞和牛胸腺细胞中，转染由hTERT和端粒酶RNA杂交形成的异源端粒酶后，细胞的传代速度、贴壁速度、健康状况都具有优势，使细胞呈现出年轻化趋势。也有研究数据表明，删除 hTERT基因反而使细胞的寿命延长。虽然这些研究成果提出了端粒缩短可能引起衰老现象，然而关于衰老细胞的端粒和端粒酶假说的研究还存在更加复杂的机制。例如啮齿类动物的端粒长度终生保持不变，并不随细胞的分裂而缩短。端粒和端粒酶对人类的疾病和衰老有着很大影响。端粒酶在控制细胞的寿命中起着重要的作用，它在绝大多数的组织细胞中虽然不是普遍存在，但超过85%以上的癌细胞中均有存在并被激活，这就使得它在肿瘤治疗中成为了理想的癌细胞标记。在正常的细胞中，端粒酶可以延长细胞寿命而不会引起癌变，这一功能在正常人类细胞的组织工程中可以解决感应细胞衰老这一重要问题。

端粒结合蛋白包括TRF1、TRF2、Rap1、POT1等，近几年很多研究证实，端粒酶结合蛋白对细胞衰老的调节作用大于端粒长度对衰老的影响。这些端粒结合蛋白可能影响染色体末端结构的形成及稳定性。

Enomoto的研究表明，增加细胞中端粒酶结合蛋白的表达量可以通过不激活端粒酶而延缓细胞的衰老。也就是说，细胞衰老不完全依赖于端粒DNA的丢失导致，更多的是因为缩短端粒的保护状态发生改变而引起。TRF2这种端粒结合蛋白，对生物体的癌症和衰老有直接影响，其作用机制不依赖于端粒酶的活性。它可以与许多DNA损伤修复蛋白和DNA损伤信号蛋白相互作用，影响染色体的稳定性，导致早衰症及增加癌症的发病率。同时TRF2是端粒结构与功能的重要调控因子，TRF2的表达或基因发生异常可使DNA损伤增强、染色体的末端暴露，从而导致细胞衰老及凋亡。Karlseder等的研究发现，TRF2的过度表达可以加快端粒的缩短而不加速细胞衰老的进程，其主要原因是因为TRF2降低了衰老的调定点。Saldanha的实验表明，抑制TRF2与DNA的结合或封闭TRF2的结合位点将导致一些亚细胞株的衰老及一些细胞系的凋亡。也有一些研究证实，TRF1的表达可以促进双链DNA末端形成T环结构，一旦表达量下降端粒的末端暴露从而引发细胞的衰老和凋亡。在酵母细胞中Sgs1蛋白是RecQ DNA解旋酶蛋白的一种，其是同源重组所必需的，它和rad52的突变在衰老过程中处于上游位置，可通过参与rad52的重组途径来维护端粒，从而减缓衰老进程。Deflp是端粒维持中的重要调节因子，它的缺失能加速端粒缩短诱发衰老，同时发现它与端粒酶的补充路径无关，而与它对端粒的保护作用有关。

端粒酶在胚胎发育的增殖细胞、转化细胞和癌症中有较高水平的表达。在发育组织中，随着祖细胞分裂的停止，端粒酶的活性水平逐渐下降，细胞开始分化为组织中执行特定功能的细胞。利用端粒酶抑制剂、过表达TERT（端粒酶的催化亚基），及TERT的反义核苷酸技术，证明了端粒能够维持细胞的增殖状态，并且随着细胞的分化端粒酶的活性逐渐下降。端粒酶通过抑制细胞的程序性死亡（也称为凋亡）能够促进各种细胞的生存。有趣的是，TERT可不依赖其逆转录酶活性对细胞的增殖进行调节。尽管端粒酶调节细胞分化及细胞存活的分子机制还未建立，但TERT能与DNA损伤应答调控蛋白、应激反应蛋白、细胞程序性凋亡蛋白相互作用，进而发现其内在的调控机制。生长因子、细胞因子、固醇类激素等调节TERT表达及端粒酶活性的信号转导通路已被鉴定。利用缺失RNA组分的端粒酶小鼠或过表达TERT的转基因小鼠，能够确定正常组织和各种疾病中端粒酶的功能。

端粒酶能够抑制细胞分化促进细胞永生也可从以下事实说明，即在大多数肿瘤细胞中有较高的端粒酶活性；通过研究表明，生物体在持续生长时伴有轻微衰老，即在整个生命周期中，组织内的所有体细胞都展现出端粒酶活性。癌症的产生就是由于细胞增殖的失控以及细胞凋亡受到了抑制。药物抑制端粒酶的活性或用反义寡核苷酸处理能够抑制癌细胞的增殖及存活，表明在不衰老细胞表型中端粒酶具有重要作用。同时，神经细胞的研究也证明了，当细胞分化成神经元细胞时端粒酶的活性降低，同样细胞损伤的增加也能导致细胞凋亡。

近20年有关端粒和端粒酶的研究发现，使我们了解到端粒不仅与染色体的稳定性和特异性密切相关，而且它还与细胞寿命、衰老和死亡等有关。同时我们也已经认识到端粒和染色体虽然与细胞衰老有关，但不是诱导衰老的唯一因素。细胞衰老、器官衰老乃至机体衰老都是一个非常复杂的调控与诱发过程。它有许多不同的诱导因素，端粒和端粒酶只是其中之一。两者的发现只是干细胞、人类衰老、癌症等研究谜团中的一个重要部分，使我们对衰老的理解增加了新的维度，能够更加显示出衰老的发病机制，并促使我们开发出新的抗衰老及治疗早衰症的方法。

由于端粒酶在绝大多数正常细胞中不能检测到活性，因此端粒酶尤其是hTERT组分将有可能成为肿瘤治疗的理性靶点。越来越多的科研结果表明，有效抑制端粒酶的活性可导致肿瘤细胞的凋亡与衰老。但有一些问题还需要解决，例如端粒酶抑制剂是否对生殖细胞以及骨髓干细胞等具有端粒酶活性的正常细胞产生严重的毒副作用，端粒酶活性被抑制后肿瘤细胞是否存在其他旁路途径来维持端粒的长度。

将 hTERT基因转入细胞内既能延长细胞寿命又不影响细胞的其他正常功能，而寿命延长的细胞是否能延缓器官及机体的衰老还需进一步研究证实，例如能否解决皮肤松弛老化、动脉硬化、肌肉的退缩等问题。同时，在体外将细胞寿命延长同样具有非常重要的意义，经过端粒酶处理的细胞趋于年轻化，这种细胞在生物研究、制药和医学等方面都将具有广阔的应用前景。

尽管以上研究已经提出端粒缩短是衰老的生物标记，但关于衰老细胞中端粒和端粒酶的研究还存在更为复杂的调控机制。例如Susan等提出，在正常人口腔角化细胞衰老的进程中，细胞的复制衰老是由于端粒酶的失活造成并不存在端粒缩短的现象。随后Lundblad对出芽酵母的研究中发现，端粒严重的丢失可以通过RAD50和RAD51的融合途径补充富含G的DNA片段用以维持端粒的功能。综上所述，我们认为对衰老过程的研究，首先应该重视整体观，单个细胞寿命的延长并不代表人整体寿命的延长，同时在端粒、端粒酶与衰老关系的研究中更应考虑种属、组织、环境等特异因素。其次，随着研究途径的多元化，我们应重视体内外研究的差异，增加活体内端粒和端粒酶研究的客观性。最后，对端粒、端粒酶与衰老关系的深入研究可以揭示人类衰老的奥秘，为抗衰老治疗提供更有力的靶点和治疗方案。

遗传变异在解释人类长寿中的比例仅占20%～30%，但是大部分潜在的遗传学机制还并不清楚。表观遗传（epigenetics）修饰在基因调控的过程中起重要作用，抑制疾病发生的相关基因在健康长寿的个体中可能也受到表观遗传修饰，从而参与促进健康长寿的表型。DNA甲基化是表观遗传学的重要组成部分，在维持细胞功能、遗传印记、基因表达的时空特异性中起重要作用。年龄相关的DNA甲基化改变，涉及老年个体中的代谢性疾病、心血管疾病、肿瘤等增龄性疾病的发生与发展。通过全基因组的低甲基化和某些特定基因的高甲基化，除了有助于认识衰老过程中的机制，还有助于精准判断衰老和甲基化之间最佳的平衡关系，进一步延缓机体的衰老和阻止与衰老相关疾病的发生，也将具有重大临床应用前景。

DNA甲基化是表观遗传学的重要组成部分，是DNA化学修饰的一种形式，通过此修饰可以在不改变DNA碱基组成的前提下，改变遗传表型，它可以在转录水平抑制基因的表达。一般情况下，DNA甲基化可引起对应基因的表达失活，通过DNA甲基转移酶，形成5-甲基胞嘧啶（5-mC），主要集中在基因5′端的非编码区及启动子区，并成簇存在形成CpG岛，并可随DNA的复制而遗传。CpG岛是CpG二联核苷富集区域，CG含量大于50%，长约200～500bp。哺乳动物DNA甲基化的模式只有5mC这一形式，真核生物中大约2%～ 7%的胞嘧啶被甲基化修饰。发生甲基化后，相应的DNA序列因为与甲基化DNA结合蛋白相结合而呈高度的紧密排列，其他转录因子及RNA合成酶都无法再结合，导致对应基因无法表达。此外，DNA甲基化模式并非静态，其很不稳定，受内环境的改变也发生动态改变，DNA甲基化程度越高，其转录活性越低。和基因表达规律一致，总的来说，结构基因中看家基因的CpG呈现低甲基化模式，80%左右基因的CpG是高甲基化的。

随着增龄发展，个体功能出现减退，体现为虚弱（frailty）和代谢性疾病、心血管疾病、肿瘤等增龄性疾病，而仅极少数人能达到国际上认可的长寿标准（年龄> 90岁）。这种健康表型和寿限的个体差异，随着年龄的增长也逐渐更为显著。此外，长寿现象的家族聚集性也提示遗传因素在其中的作用。Haytlick提出的生物钟学说，以及后续一系列关于遗传方面的论述都认为衰老和遗传有直接联系。人类的自然寿限取决于先天遗传，是按遗传安排的程序逐步进行的。在模式动物中已经识别了 daf-2、 daf-16及 sir-2等许多长寿基因，它们在遗传上可以有利于延长模式动物的寿限，证明了长寿基因确实存在。对长寿基因的研究，让人们看到基因的生存调控机制如何延长寿命，以及如何增进健康。

但是，在人类百岁老人及其后代个体中发现现象，并不能很好的支持在模式生物中所发现的长寿基因的作用。但是，长寿老人，尤其是百岁老人，往往能逃避或延缓年龄相关疾病（如心血管疾病、老年痴呆、2型糖尿病及肿瘤等）的侵扰，且百岁老人的后代也能获得类似的生存优势，提示百岁老人可能具有独特的遗传模式逃避或延缓老年疾病的发生。目前认为，人类健康长寿的机制远比模式生物复杂，其长寿基因可能影响生命寿限，并且抑制疾病关联的基因功能；并且可能并非由常见基因变异发挥作用，起作用的可能是罕见变异。但是，不能忽视的是，虽然没有直接证据表明遗传变异和长寿及老年疾病的必然关系，但环境、生活方式等因素的改善却可以促进寿限的延长，外环境通过影响内环境，从而发挥对基因组的表观遗传修饰，动态贯穿人类生命全程，因而人类衰老和健康长寿可能同时受到DNA甲基化的表观遗传调控。

总的来说，全基因组范围的DNA甲基化水平随衰老的进展而呈下降趋势，个别基因座的甲基化水平增加，除此之外，心血管疾病、糖尿病和癌症等衰老相关疾病发生时也会出现DNA甲基化的改变，衰老和疾病伴随DNA甲基化改变的背后是否存在内在联系，这是目前研究的热点。

中国科学院昆明动物所孔庆鹏等，利用甲基化DNA免疫共沉淀测序的技术（methylated DNA immunoprecipitation sequencing，MeDIP-seq），对4对百岁老人和年轻对照的中国人进行全基因组DNA甲基化模式分析，通过5′-甲基胞嘧啶抗体特异性富集基因组上发生甲基化的DNA片段，然后通过高通量测序实现全基因组水平的高精度的CpG密集的高甲基化区域研究。结果发现626个具有显著甲基化差异的区域。进一步分析发现与这些差异甲基化区域相关的基因区域（DMRs）明显富集于衰老相关疾病，包括心血管疾病、2型糖尿病、脑卒中以及阿尔兹海默症等。课题组还比较分析了高加索百岁老人的全基因组甲基化数据，进一步验证了该发现。不同于之前寻找长寿和衰老相关疾病共有的基因组变异的科学角度，本项研究表明，长寿老人的确拥有特殊的DNA甲基化模式，可能通过抑制衰老相关疾病易感基因的表达，通过延缓这些疾病的发生，促进长寿性状的产生。

国家卫生和计划生育委员会（简称国家卫计委）老年医学所杨泽课题组，对中国长寿之乡广西巴马和广西永福的长寿老人也进行了健康长寿的遗传研究和全基因组DNA甲基化研究。除基因组方面的研究工作外，他们发现人类的百岁老人都有一个共同点，即超过90%的百岁老人都是女性，通过长期研究观察，当人们衰老时不同性别之间个体确实存在差异，但目前仍不清楚为何女性会活得更久一些。杨泽小组认为，性别在决定个体寿命和健康寿命上扮演着重要的角色，利用Illumina的全基因组450k甲基化芯片对比男性和女性长寿老人的全基因组甲基化差异，发现DNA甲基化模式随着衰老会以复杂形式发生改变，虽然在男女性长寿老人中平均CpG岛的甲基化水平没有显著性差异，但在特定染色体和基因中特征性识别了大量差异甲基化的探针信号（DMPs）。功能富集分析提示，这些DNA的高甲基化和低甲基化可能参与不同信号通路的生物学过程调节，包括激素调节、神经元投射和疾病相关的信号通路。此外，杨泽小组的研究还发现，除了特定基因和信号通路甲基化水平随衰老出现特征性改变之外，全基因组范围的个体的甲基化水平的评估，可能有助于进行人类实际年龄和衰老程度的个体化预测，从而督促人们及时转变生活方式以延缓分子老化，下一步他们将尝试通过甲基化水平预测特定疾病，并深入分析甲基化诊断是否比现有临床生理学指标更有优势，他们对研究结果表示乐观。

此外，加州大学圣迭戈分校张康教授的团队也针对个体化甲基化水平和衰老的密切联系得到突破性发现。他们也采用Illumina的全基因组450k的甲基化芯片，对19～101岁的426例高加索人群和230例西班牙人群外周血中甲基化水平进行了测定，特征性的评估了个体化的甲基化组的实际生物学年龄，并且发现其受性别和基因组遗传变异的影响。此外，他们还发现甲基化组水平的衰老速率的个体化差异，有助于解释表观遗传学的漂变，并且在转录组学的水平反映出来。他们通过甲基化指标在基因和分子水平上对衰老进行了定量，这项研究不仅能确定一个人的生物学年龄，更有望帮助人们治疗增龄性相关的疾病。该研究是通过甲基化组准确预测年龄，而非几个关键基因。从甲基化组的分子水平上看，不同人的衰老速度明显不同，而且不同器官的老化速度也不相同，此外癌细胞的老化也与周围细胞不同。研究者们认为甲基化组还能够显示不同个体衰老的快慢程度，而这类信息具有重要的医学价值，用于持续对患者进行评估，看治疗是否使患者更健康更“年轻”；也可以筛选能在组织或细胞水平上延缓衰老的药物分子。但是，未来需要进一步探索除外周血单个核细胞中甲基化组外，其余靶组织中随增龄出现的甲基化组的改变模式，这是未来的方向。

此外，由于衰老是贯穿人类生命全程的必然过程，因而，儿科研究领域中的结果也对全面认识衰老发展特征具有重要的提示和参考作用，Stephen的团队对儿童中DNA甲基化的变化趋势做了研究。虽然胚胎发育过程中的DNA甲基化有很强的可塑性，但同卵双生子研究却发现其在儿童期存在很相似的甲基化模式。通过Illumina全基因组27或450芯片，结合Pyrosequencing技术，对来自于美国13个研究中心的398例健康男性儿童（3～17岁，平均9.9岁）进行了全甲基化组分析，发现2078个位点上存在儿童时期的增龄性的DNA甲基化改变，并经另一个78例儿童的人群得到验证。进一步基因组注释分析发现，增龄相关的去甲基化位点位于CpG岛的外侧2kb的范围，并且X染色体上增龄相关的甲基化位点更少，可能是因为男性作为X连锁的半合子的特性，使得X染色体中不易出现DNA甲基化的变异。GO分析发现儿童期的高甲基化和低甲基化的基因功能均集中于发育、免疫系统，提示DNA甲基化可能在生命早期发育过程中起重要的动态调控作用。进一步结合两项成年人的研究结果进行meta分析后发现，虽然增龄相关的位点间存在显著的重叠，但是大多数甲基化改变并非遵从生命全程的线性模式，在儿童期甲基化的改变的倍数更大，较成年人相比高3～4倍。甲基化的改变可能对儿童的作用要更高于成年人，通过认识不同年龄段人群中DNA甲基化的改变特征和模式，将最终有希望进一步为揭示DNA甲基化在健康和疾病中的作用提供数据支持。

随着社会经济发展，生活水平的提高及生活方式的改变，我国目前人口呈加速老龄化。我国65岁及以上老人将从2010年的1.19亿（占总人口8.87%）增加到2050年的3.6亿（占总人口25.6%）。随着年龄不断增长，个体间的健康状态和生存期的差异也越加显著，主要受到遗传因素和环境因素的调节，因而，研究健康长寿潜在的规律和调控机制，具有重要意义。基于基因变异领域目前没有得到支持性的证据表明其对于长寿和延缓衰老的作用，但DNA甲基化的增龄性变化模式已经得到多个人群证实贯穿于生命全程而存在，其改变受到性别和年龄阶段影响，这将是我们认识生命发生发展的重要科学突破口。但是，目前对于DNA甲基化的研究还处在起步阶段，对于DNA甲基化的发生原因和确切机制还需要未来进一步研究，并逐步认识生理水平和病理水平下甲基化组的全面变化，并尝试结合转录组学和基因组的变异图谱，探索内在联系，未来对于认识衰老、延缓衰老，以及个体化“精准”监测衰老进程和干预疗效，将有望提供更为广阔的前景。