運(yùn)動(dòng)及限食對(duì)mTOR信號(hào)通路的影響及其與衰老關(guān)系的研究進(jìn)展

楊風(fēng)英 劉效磊 牛燕媚 傅力

1 天津醫(yī)科大學(xué)康復(fù)與運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)系（天津 300070）

2 天津體育學(xué)院研究生部

人口統(tǒng)計(jì)學(xué)研究顯示，到2050年，全世界60歲以上人口數(shù)量將達(dá)到20億，比2000年增長(zhǎng)逾3倍[1]。老齡人口的增多使與衰老相關(guān)疾病的發(fā)病率隨之增加，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)和醫(yī)療等方面帶來沉重負(fù)擔(dān)，因此對(duì)衰老及其相關(guān)疾病的研究越來越為人們所關(guān)注。目前，關(guān)于衰老過程調(diào)控的具體機(jī)制尚不明了，但可以確定的是，衰老的進(jìn)程不是由單一因素所調(diào)控，而是受遺傳和環(huán)境因素的共同影響。流行病學(xué)調(diào)查顯示，長(zhǎng)期高能量膳食以及缺乏適當(dāng)運(yùn)動(dòng)等不良生活習(xí)慣是肥胖、冠心病、2型糖尿病以及癌癥等與衰老密切相關(guān)疾病的重要誘發(fā)因素[2-4]。哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白（Mammalian Target of Rapamycin，mTOR）是機(jī)體細(xì)胞內(nèi)的一種絲/蘇氨酸蛋白激酶，能夠感受細(xì)胞外營(yíng)養(yǎng)、能量水平以及生長(zhǎng)因子等信號(hào)變化，并通過調(diào)控下游相應(yīng)效應(yīng)蛋白，參與調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)、分化、增殖以及蛋白質(zhì)合成等過程[5]。近年來研究表明，mTOR在機(jī)體細(xì)胞內(nèi)的異常表達(dá)可以引起癌癥、神經(jīng)退行性變以及代謝性相關(guān)疾病等，并且也與衰老過程密切相關(guān)[2-4]。研究顯示，飲食限制（Dietary Restriction，DR）以及適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)均能夠減少機(jī)體的能量供應(yīng)，進(jìn)而使機(jī)體通過調(diào)控能量敏感性相關(guān)信號(hào)通路的活性延緩衰老及預(yù)防衰老相關(guān)疾病的發(fā)生[1，6，7]。本文歸納和總結(jié)了有氧運(yùn)動(dòng)及DR對(duì)mTOR信號(hào)通路的影響機(jī)制及其與衰老關(guān)系的研究現(xiàn)狀，提出亟需解決的問題，為進(jìn)一步深入研究指出方向。

1 mTOR信號(hào)通路及其與衰老的關(guān)系

mTOR分子量為300 kDa，屬于磷脂酰肌醇激酶相關(guān)蛋白激酶家族。作為細(xì)胞內(nèi)高度保守的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)以及能量水平感受器，mTOR活性受細(xì)胞生長(zhǎng)因子、營(yíng)養(yǎng)素以及能量敏感相關(guān)信號(hào)通路的調(diào)節(jié)，并通過其下游效應(yīng)蛋白如S6K1（Ribosomal Protein S6 Kinase，Polypeptide 1）以及4E-BP1（Eukaryotic Initiation Factor eIF4E Binding Protein 1）參與調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)、分化、增殖以及蛋白合成等生物過程[7，8]。研究表明，能量過剩導(dǎo)致的mTOR過度激活可引起S6K1 Thr421/Ser424位點(diǎn)磷酸化活性增加，進(jìn)而提高胰島素受體底物1（Insulin Receptor Substrate 1，IRS-1）Ser636/639位點(diǎn)磷酸化水平，產(chǎn)生抑制胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的效應(yīng)[9]。因而，S6K1不僅可以通過mTOR 接受其上游營(yíng)養(yǎng)、能量、生長(zhǎng)因子等信號(hào)通路的調(diào)控，參與調(diào)節(jié)細(xì)胞蛋白質(zhì)合成，其本身還存在一種反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，即通過影響細(xì)胞內(nèi)胰島素的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，參與調(diào)節(jié)細(xì)胞糖、脂以及能量代謝過程。另外，當(dāng)mTOR/S6K1信號(hào)通路的活性過高時(shí)還能導(dǎo)致過氧化物酶體增殖物激活受體輔激活因子1-（Peroxisome Proliferator-Activated Receptor-Coactivator 1，PGC-1）活性下降，從而引起細(xì)胞線粒體功能紊亂、能源物質(zhì)氧化代謝功能下降，進(jìn)而誘發(fā)肥胖以及胰島素抵抗（Insulin Resistance，IR）[10]。由此可見，mTOR在細(xì)胞中主要發(fā)揮兩方面作用：一方面，作為營(yíng)養(yǎng)素、能量狀態(tài)的感受器參與調(diào)節(jié)細(xì)胞糖、脂等能量代謝；另一方面，促進(jìn)mRNA的翻譯，進(jìn)而促進(jìn)蛋白質(zhì)合成。

除此之外，mTOR信號(hào)通路還與衰老過程關(guān)系密切[11]。在以酵母、線蟲以及果蠅等無脊椎生物為模型的研究中發(fā)現(xiàn)，TOR可促進(jìn) mRNA 翻譯和細(xì)胞產(chǎn)生溶酶體小泡，這兩者均與衰老過程具有潛在的聯(lián)系[12]。無論采用基因工程手段還是藥物干預(yù)，對(duì)于TOR信號(hào)通路相關(guān)因子，如S6K1、翻譯起始因子、核糖體蛋白等的抑制均可以延長(zhǎng)機(jī)體壽命[13-15]。近期研究表明，哺乳動(dòng)物mTOR信號(hào)通路活性與其壽命同樣密切相關(guān)，并且發(fā)現(xiàn)當(dāng)使用mTOR抑制劑——雷帕霉素（Rapamycin） 以后，小鼠平均及最長(zhǎng)壽命均顯著延長(zhǎng)[16，17]。Selman等人的研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于野生型小鼠，S6K1基因敲除小鼠平均壽命延長(zhǎng)了80天，并且最長(zhǎng)壽命也顯著提高[18]。以上證據(jù)都支持mTOR及其下游效應(yīng)蛋白活性與機(jī)體衰老過程的調(diào)控具有密切關(guān)系。但是目前關(guān)于mTOR參與衰老過程調(diào)控的具體機(jī)制尚不明確。由于mTOR與機(jī)體腫瘤、神經(jīng)退行性變、代謝及各種心腦血管疾病等之間存在的密切聯(lián)系[4-6]，我們推測(cè)通過mTOR信號(hào)通路而延緩衰老的效用可能是通過改善各種與衰老相關(guān)疾病的進(jìn)程而實(shí)現(xiàn)的。

2 DR對(duì)mTOR信號(hào)通路的影響及其與衰老的關(guān)系

DR在大量動(dòng)物模型的研究中被認(rèn)為是延長(zhǎng)平均及最長(zhǎng)壽命最有效的干預(yù)手段，并且DR還可有效抑制衰老相關(guān)疾病的發(fā)生[2，3，19]。Colman[20]等人最近研究表明，DR顯著延緩了靈長(zhǎng)類動(dòng)物恒河猴的衰老過程，并且降低了糖尿病、癌癥、各種心血管疾病等與衰老密切相關(guān)疾病的發(fā)病率。DR降低了機(jī)體能量供應(yīng)，因而機(jī)體可能通過調(diào)節(jié)能量信號(hào)通路來影響衰老及其相關(guān)疾病的變化。胰島素信號(hào)通路是細(xì)胞感受并調(diào)節(jié)能量代謝的重要途徑[5，8，9]。研究表明，敲除胰島素樣生長(zhǎng)因子受體（IGF-1 Receptor，IGF-1R）基因的雜合子小鼠、脂肪組織胰島素受體（Insulin Receptor，IR）基因敲除小鼠、胰島素受體底物1（Insulin Receptor Substrate 1，IRS1）以及IRS2基因敲除小鼠模型的壽命均顯著長(zhǎng)于野生型對(duì)照組小鼠[21-23]。也有研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因長(zhǎng)壽模型小鼠常常伴有局部組織（如脂肪組織、大腦等）或系統(tǒng)的輕微胰島素抵抗，并出現(xiàn)葡萄糖耐量降低現(xiàn)象[24]。因此，胰島素信號(hào)通路與衰老過程密切相關(guān)。一磷酸腺苷活化蛋白激酶（AMP-activated Protein Kinase，AMPK）是另一個(gè)細(xì)胞內(nèi)高度保守的能量狀態(tài)感受器，AMPK 是異源三聚體蛋白激酶，由一個(gè)催化亞基（）和兩個(gè)調(diào)節(jié)亞基（和）構(gòu)成，可以在細(xì)胞高AMP狀態(tài)時(shí)被激活[25]，因而也可能是參與DR延緩衰老的重要介導(dǎo)信號(hào)分子。研究表明，AMPK催化亞基AAK-2基因敲除線蟲相對(duì)野生型壽命縮短12%，而其過表達(dá)轉(zhuǎn)基因生物模型壽命則顯著延長(zhǎng)[26]。Greer[27]等人的研究發(fā)現(xiàn)，DR顯著延長(zhǎng)了線蟲壽命，而對(duì)AAK-2基因敲除線蟲的壽命則沒有顯著影響。由此可見，AMPK在DR延緩衰老過程中發(fā)揮著重要作用。

衰老不僅受機(jī)體代謝相關(guān)途徑的影響，而且與細(xì)胞蛋白質(zhì)合成過程密切相關(guān)。研究表明，通過對(duì)轉(zhuǎn)錄起始因子、核糖體蛋白的抑制可顯著延長(zhǎng)線蟲的壽命[14，15，28，29]，因而推測(cè)，與蛋白質(zhì)合成以及代謝密切相關(guān)的mTOR信號(hào)通路可能在機(jī)體衰老過程中起關(guān)鍵調(diào)節(jié)作用。胰島素以及AMPK信號(hào)通路都是mTOR重要的上游調(diào)節(jié)通路。在基礎(chǔ)狀態(tài)下，胰島素以及生長(zhǎng)因子等通過調(diào)節(jié)mTOR活性而促進(jìn)蛋白質(zhì)合成；而在 DR 或能量供應(yīng)不足時(shí)，AMPK的激活又可以通過抑制mTOR活性，減少蛋白質(zhì)合成，從而使機(jī)體主要生命活動(dòng)由生長(zhǎng)轉(zhuǎn)向維持，以維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境能量穩(wěn)態(tài)[30]。另外的研究發(fā)現(xiàn)，S6K1基因敲除小鼠肌細(xì)胞AMPK活性顯著升高[31]，并且S6K1基因敲除長(zhǎng)壽小鼠與服用AMPK激活劑——AICAR小鼠的基因表達(dá)譜具有極高相似性[18]。

由此可見，長(zhǎng)期DR可以通過作用于胰島素以及AMPK信號(hào)通路抑制mTOR信號(hào)通路的活性，而在各種動(dòng)物模型的研究中已經(jīng)證實(shí)，mTOR活性下降可以明顯延緩衰老[16-18]。因而進(jìn)一步證明，mTOR信號(hào)通路可能在DR延緩機(jī)體衰老過程中發(fā)揮著核心作用。

3 有氧運(yùn)動(dòng)與mTOR信號(hào)通路的活性及衰老關(guān)系的研究

能量過剩及缺乏適當(dāng)運(yùn)動(dòng)被認(rèn)為是肥胖、冠心病、2型糖尿病以及癌癥等與衰老密切相關(guān)疾病的重要誘發(fā)因素[19]。DR已被廣泛證實(shí)可以通過作用于mTOR信號(hào)通路而顯著延緩衰老，大量研究證實(shí)運(yùn)動(dòng)也可以抑制mTOR信號(hào)通路的活性[32]，但對(duì)于運(yùn)動(dòng)在延緩衰老方面的作用效果則頗具爭(zhēng)議。Holloszy等人研究認(rèn)為，長(zhǎng)期有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)大鼠的最長(zhǎng)壽命無影響，但顯著延長(zhǎng)了其平均壽命，并且降低了與衰老相關(guān)疾病的發(fā)病率[33，34]。但Craig等人研究顯示，運(yùn)動(dòng)雖然使大鼠體脂含量明顯下降，但對(duì)其壽命并無明顯影響[35]。

mTOR是機(jī)體細(xì)胞內(nèi)相對(duì)保守的能量狀態(tài)感受器，其在細(xì)胞能量供應(yīng)不足狀態(tài)下，通過抑制其下游4E-BP1和S6K1活性而抑制細(xì)胞蛋白質(zhì)合成，從而維持細(xì)胞內(nèi)能量穩(wěn)態(tài)[8]。AMPK是 mTOR信號(hào)通路重要的上游調(diào)節(jié)因子，運(yùn)動(dòng)時(shí)細(xì)胞內(nèi)AMP/ADP明顯升高，AMPK被激活進(jìn)而抑制mTOR信號(hào)通路的活性[7，25，36]。此外，研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)可使小鼠骨骼肌AMPK基因表達(dá)及其Thr172位點(diǎn)磷酸化增加，進(jìn)而通過磷酸化mTOR Thr2446位點(diǎn)或磷酸化mTOR 結(jié)合蛋白R(shí)aptor的Ser722/792位點(diǎn)抑制mTOR/S6K1 信號(hào)通路的活性[32，37-39]。Yaspelkis等人的研究還發(fā)現(xiàn)，高脂飲食使得mTOR活性顯著增強(qiáng)，而有氧運(yùn)動(dòng)則完全逆轉(zhuǎn)了這一趨勢(shì)[40，41]。我們的前期研究也發(fā)現(xiàn)，6周有氧運(yùn)動(dòng)顯著降低了胰島素抵抗小鼠mTOR、S6K1 mRNA及蛋白表達(dá)水平，并且S6K1 Thr38位點(diǎn)磷酸化水平也顯著降低[32，42]。

由此可見，mTOR也是一條運(yùn)動(dòng)敏感型通路，有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)mTOR 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)起著負(fù)向調(diào)控作用。目前研究表明，mTOR信號(hào)通路在機(jī)體衰老過程中發(fā)揮核心作用[11-18]，而有氧運(yùn)動(dòng)則可以抑制 mTOR活性[32-41]，這提示有氧運(yùn)動(dòng)可能通過抑制mTOR活性而在一定程度上起到延緩衰老的作用，但這一研究假設(shè)還需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)來證實(shí)。

4 小結(jié)與展望

越來越多的證據(jù)表明，mTOR信號(hào)通路在機(jī)體衰老調(diào)控過程中起著核心作用，并已證實(shí)對(duì)mTOR信號(hào)活性的抑制可以有效延緩衰老。而mTOR作為細(xì)胞內(nèi)能量狀態(tài)重要的感受器，對(duì)機(jī)體的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)以及運(yùn)動(dòng)刺激非常敏感，因而其將成為研究限食與有氧運(yùn)動(dòng)延緩衰老的重要介導(dǎo)通路。對(duì)于限食及有氧運(yùn)動(dòng)與衰老以及mTOR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路相互關(guān)系的深入研究，不僅有助于我們對(duì)機(jī)體生命衰老機(jī)制的全面理解，還將為采用合理飲食和運(yùn)動(dòng)手段促進(jìn)健康、延緩衰老提供寶貴的理論依據(jù)。

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