该研究由东京大学医科学研究所的Yoshikazu Johmura、Makoto Nakanishi等人主导，联合庆应义塾大学、九州大学、日本国立长寿医疗研究中心等多个研究机构共同完成。研究于2021年1月15日发表在国际顶级学术期刊《Science》上。
细胞衰老（cellular senescence）是一种由多种压力因素诱导的不可逆的细胞周期停滞状态。随着年龄的增长，衰老细胞（senescent cells, SNCs）在组织器官中积累。这些细胞虽然停止分裂，但并未凋亡，而是通过分泌大量促炎因子、趋化因子和蛋白酶等，形成所谓的衰老相关分泌表型（senescence-associated secretory phenotype, SASP），从而破坏周围组织的正常结构和功能，被认为是导致多种年龄相关病理状况和器官功能障碍的根源。因此，选择性清除衰老细胞的“衰老细胞裂解”（senolysis）疗法，被视为延缓衰老和治疗年龄相关疾病的一种极具潜力的策略。然而，实现这一目标的关键挑战在于，体内衰老细胞具有高度的异质性，难以找到一个普遍存在的分子靶点来诱导各种类型衰老细胞的死亡。该研究旨在寻找对衰老细胞存活至关重要的通用基因，并探索以此为靶点进行体内衰老细胞清除的可行性。
整个研究流程可以分为四个主要阶段：筛选关键的衰老细胞存活基因；探究该基因的作用机制；在体内验证该基因作为衰老标志物的情况；以及在多种小鼠模型中测试靶向该基因的衰老细胞裂解疗法效果。
第一阶段：关键靶点基因的筛选与验证 研究团队首先建立了一种长达数周的人衰老细胞高纯度体外长期培养体系。他们使用Nutlin3a对HHCA2人成纤维细胞进行短暂p53活化，诱导出高纯度（SA-β-gal阳性率接近100%）的衰老细胞模型（N-Sen），并证实其在转录组层面与其他方式诱导的衰老细胞（如DNA损伤诱导D-Sen、氧化诱导Ox-Sen、复制性衰老R-Sen）相似。随后，他们利用短发夹RNA（shRNA）文库在该衰老细胞模型中进行功能性筛选，寻找敲低后能特异性导致衰老细胞死亡的基因。通过比较1天和14天后的shRNA读数差异，鉴定出一个排名靠前的重要候选基因——谷氨酰胺酶1（glutaminase 1，GLS1）。通过蛋白绝对定量分析（iMPAQT）确认，在近100种代谢调控相关蛋白中，GLS1在衰老细胞中的表达量显著上调。使用GLS1抑制剂BPTES处理，或在多种衰老细胞（包括N-Sen, D-Sen, R-Sen HHCA2及O-Sen HIMR-90等）中直接敲低GLS1，均可特异性导致衰老细胞死亡，而对照增殖细胞不受影响，证实GLS1酶活性对多种类型衰老细胞的存活至关重要。
第二阶段：GLS1上调及衰老细胞死亡的分子机制研究 研究者进一步探究了衰老细胞为何依赖GLS1。他们发现，衰老细胞中特异性上调的是GLS1的同工型——肾脏型谷氨酰胺酶（kidney-type glutaminase, KGA）。其KGA转录本的3’非翻译区（3’UTR）含有一段富含AU的元件（ARE），在酸性环境下，RNA结合蛋白HuC与之结合，从而稳定KGA mRNA，导致KGA蛋白表达上调。抑制HuC可降低KGA水平并杀伤衰老细胞，证实了这条调控通路。 接下来，研究者探究了谷氨酰胺分解（glutaminolysis）产生的哪种代谢物对衰老细胞的存活是必需的。通过补充α-酮戊二酸（α-KG）和谷胱甘肽（GSH）均无法挽救GLS1抑制导致的细胞死亡，而补充氨（ammonia）或使用碱性培养基（pH 8.5）培养，则可有效阻止细胞死亡。这表明，谷氨酰胺分解的核心作用是产生氨来中和衰老细胞内的酸性环境，防止酸中毒是衰老细胞存活的关键。抑制谷氨酰胺分解导致细胞内酸中毒，进而诱导线粒体通透性转换孔（mitochondrial permeability transition pore, mPTP）的激活，启动了由BNIP3介导的细胞死亡通路。抑制BNIP3或mPTP均可拯救GLS1抑制引起的衰老细胞死亡。 那么，衰老细胞的胞内酸化从何而来？研究发现，衰老细胞的溶酶体中积累了大量的蛋白质聚集体，导致溶酶体膜损伤（galectin-3斑点的形成可作为标志），溶酶体内的氢离子（H+）泄漏到胞质中，从而引起细胞内酸化。通过敲低TBP1或RPL24来抑制RNA或蛋白质合成，可减少蛋白质聚集体、修复溶酶体膜损伤、缓解细胞内酸中毒，并提高衰老细胞在BPTES处理下的存活率。反之，用L-Leucyl-L-Leucine methyl ester (LLOMe)人为破坏溶酶体膜，则足以在年轻的非衰老细胞中诱导KGA表达，并使其对BPTES敏感。
第三阶段：体内小鼠衰老细胞的特征验证 研究团队利用已发表的人类皮肤成纤维细胞RNA测序数据进行分析，发现KGA转录本的水平与个体实际年龄呈正相关。为在体内追踪衰老细胞，他们利用CD26作为衰老细胞的表面标志物。研究发现，在老年小鼠（80周龄以上）的肺间充质细胞、脂肪组织等中，CD26阳性细胞群比例显著高于年轻小鼠。通过荧光激活细胞分选（FACS）从老年小鼠的脂肪、皮肤和肺中分离出CD45-CD326-CD31-CD140a+的间充质细胞群，再将其分为CD26高表达（CD26-high）和CD26阴性（CD26-negative）亚群。分析发现，CD26-high细胞群中SA-β-gal阳性率更高，溶酶体膜损伤标志物galectin-3阳性点更多，并且KGA和p16的表达水平也显著更高。这证实了体内的衰老细胞确实表现出溶酶体膜损伤介导的酸化特征，并伴随KGA的高表达。
第四阶段：靶向GLS1的体内Senolysis疗法效果测试 这是研究的核心验证部分。研究者对老年小鼠（80周龄雄性）进行了为期一个月的BPTES重复注射（每周三次），并系统评估了其对多种器官功能的影响。实验对象包括自然衰老小鼠、高脂饮食（HFD）诱导的肥胖小鼠、ApoE敲除动脉粥样硬化小鼠，以及非酒精性脂肪性肝炎（NASH）模型小鼠等多种疾病模型。 在老年小鼠中，BPTES给药显著改善了肾脏的肾小球硬化、肺纤维化、肝脏巨噬细胞浸润和血清白蛋白水平，并缓解了脂肪组织中衰老前体细胞堆积导致的萎缩与巨噬细胞浸润。同时，小鼠的握力、悬挂耐力等体格表现得到提升，血清中的炎症因子（如TNF-α, IL-6）水平也显著下降。在所有受检组织中，都观察到了p16、KGA和IL-6表达的下调，以及脂肪组织中Lamin B1阴性细胞群的减少，确认了体内衰老细胞被有效清除。在肥胖、动脉粥样硬化和NASH模型中，BPTES处理也同样减轻了与衰老相关的病理特征，如改善了糖耐量与胰岛素敏感性、减少了动脉粥样硬化斑块面积和肝脏纤维化程度。
该研究首次阐明了一条衰老细胞特有的生存通路：衰老细胞中错误堆积的蛋白质损坏溶酶体膜，导致胞质酸化，这种酸性环境通过HuC蛋白稳定KGA型谷氨酰胺酶1（GLS1）的mRNA，上调其蛋白表达，进而通过活跃的谷氨酰胺分解产生氨，以中和细胞内酸中毒，维持细胞存活。抑制GLS1酶活性可通过诱导致命性的细胞内酸中毒，从而选择性、广谱地清除不同类型的衰老细胞。研究证实，GLS1抑制剂BPTES能够在体内有效消除衰老细胞，并显著改善多器官的年龄相关性功能障碍以及年龄相关疾病（如肥胖、动脉粥样硬化、脂肪肝）的病理进程。
该研究的科学价值在于，首次揭示了细胞蛋白质稳态失控、溶酶体功能失调与谷氨酰胺代谢脆弱性三者之间的直接因果联系，为理解衰老细胞顽固存活的机制提供了全新范式。其应用价值在于，不仅发现了一个有前景的衰老细胞裂解药物通用靶点（GLS1），也为开发直接靶向谷氨酰胺分解来延缓衰老和治疗慢性病的创新药物奠定了坚实的理论基础和实验依据。