基因組不穩(wěn)定性與衰老關(guān)系研究進(jìn)展

張素琴 陳曉亮

衰老是指隨著年齡增長而產(chǎn)生的一系列生理和解剖學(xué)方面的變化，亦是人體對內(nèi)外環(huán)境適應(yīng)能力逐漸減退的表現(xiàn)，是生物體在其生命后期階段所出現(xiàn)的進(jìn)行性、全身性、多因素共同作用的循序漸進(jìn)的退化過程，是生命過程的必然規(guī)律。目前有關(guān)衰老的學(xué)說很多，包括自由基學(xué)說、遺傳程序?qū)W說、差錯(cuò)災(zāi)難學(xué)說、交聯(lián)學(xué)說、脂褐素累積學(xué)說、內(nèi)分泌功能減退學(xué)說、細(xì)胞凋亡學(xué)說、遺傳基因衰老學(xué)說等，分別從不同的角度探討了衰老發(fā)生的機(jī)制和對策。但概括起來主要包括以下兩個(gè)理論:衰老是機(jī)體生活過程中發(fā)生損傷累積的結(jié)果，所以通過損傷修復(fù)體系，也許有可能延長壽命或改善老年時(shí)期的身體適應(yīng)性;另一理論認(rèn)為衰老是由遺傳確定的一個(gè)有程序的過程，是由基因調(diào)控的，遺傳學(xué)規(guī)律可能影響損傷累積的速度及其功能損失的速度。而基因組的不穩(wěn)定性可以將衰老的兩大理論聯(lián)系起來，被認(rèn)為是衰老發(fā)生過程中的核心環(huán)節(jié)［1］。本文就基因組不穩(wěn)定性與衰老的關(guān)系做一綜述。

一、DNA損傷與衰老

基因組是攜帶有控制細(xì)胞生長、分化、發(fā)育等重要生命信息的生物高分子。維持基因組結(jié)構(gòu)、功能的相對穩(wěn)定是物種得以生存、延續(xù)的前提與保障。DNA是一重要的分子，它編碼有關(guān)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的重要信息。其作用的不可替代性也使得它是衰老變化的重要靶標(biāo)。近年來大量的證據(jù)表明DNA損傷是細(xì)胞復(fù)制性衰老和細(xì)胞過早老化的一個(gè)共同介質(zhì)。細(xì)胞高分子物質(zhì)經(jīng)常暴露于體內(nèi)外的各種損傷。體外的損傷包括紫外線的照射和其他環(huán)境中的有毒物質(zhì)，而體內(nèi)的損傷主要包括活性氧(ROS)和自發(fā)水解作用。ROS是在正常的細(xì)胞代謝過程特別是線粒體呼吸所產(chǎn)生的，當(dāng)ROS產(chǎn)物超過了機(jī)體的解毒能力，就會對高分子物質(zhì)包括DNA造成氧化損傷。衰老的DNA損傷理論認(rèn)為，隨增齡而發(fā)生的機(jī)體功能下降的主要原因是DNA損傷累積和由此而造成的細(xì)胞結(jié)構(gòu)、功能變化和組織動(dòng)態(tài)平衡的破壞。因此有一個(gè)共識就是漸進(jìn)的和不可逆的DNA損傷累積造成機(jī)體功能損害，增加發(fā)病率，從而影響衰老的過程［2］。盡管細(xì)胞內(nèi)其他高分子的損傷可能也會影響衰老，但是這些物質(zhì)更新很快，可能不會造成損傷的累積，因此也不會造成很嚴(yán)重的后果;但是DNA是細(xì)胞的主要信息分子，特別是核DNA必須貫穿整個(gè)細(xì)胞的生命時(shí)間，所以DNA損傷對細(xì)胞功能造成了一個(gè)重大威脅［3］。如果DNA損傷很嚴(yán)重或者損傷累積超過了DNA修復(fù)機(jī)制的清除能力，將會造成細(xì)胞老化或者凋亡，從而促進(jìn)了衰老過程。目前研究提示在衰老過程中可能隨著ROS產(chǎn)物的增加和機(jī)體DNA損傷修復(fù)能力的減退，DNA損傷累積也隨之增加，基因突變或者斷裂增加了DNA的損傷，從而導(dǎo)致過早衰老。如大部分的早衰綜合征是由于DNA修復(fù)基因缺陷造成DNA損傷和修復(fù)的失衡，從而導(dǎo)致衰老進(jìn)程的加速［4］。通過對年輕和老年個(gè)體來源的培養(yǎng)淋巴細(xì)胞的HPRT基因座的突變研究中發(fā)現(xiàn)人類和小鼠都存在隨著年齡增長的突變累積［5，6］。通過轉(zhuǎn)基因小鼠的研究發(fā)現(xiàn)點(diǎn)突變隨年齡增加而增加，而且在老年動(dòng)物中突變率更高［7］。老年個(gè)體不僅突變增加，而且表現(xiàn)出特征性的突變類型和基因重排類型［8］。多項(xiàng)研究已表明在老年機(jī)體中存在更高負(fù)荷的DNA損傷［9～11］。

端粒縮短是引起基因組不穩(wěn)定的重要原因，是衰老的生物標(biāo)記。染色體天然末端就如兩頂帽子一樣蓋在線形DNA的末端，雖然不含功能基因，但具有維持染色體穩(wěn)定性和基因組完整性的功能。研究顯示，正常人的組織和細(xì)胞在復(fù)制過程中均有端粒DNA的丟失，正常體細(xì)胞在體內(nèi)分裂或體外傳代過程中，細(xì)胞每分裂1次，端粒DNA減少50～200bp，當(dāng)端?？s短到一定程度時(shí)，便不能維持染色體的穩(wěn)定，因此細(xì)胞失去了分裂增殖能力而進(jìn)入衰亡過程。因此端?？s短被認(rèn)為是觸發(fā)細(xì)胞衰老的分子鐘，可作為衰老的生物標(biāo)記。正常情況下，端粒隨細(xì)胞分裂次數(shù)增加而不斷縮短，這是復(fù)制性衰老細(xì)胞的一種DNA損傷反應(yīng)［12］。在老化的人成纖維細(xì)胞中檢測到與DNA損傷誘導(dǎo)的相同分子標(biāo)志物，同時(shí)缺失了大部分端粒重復(fù)序列的端?？梢源侔l(fā)DNA損傷灶的形成，最終導(dǎo)致細(xì)胞周期阻滯，確實(shí)證明進(jìn)入臨界長度的端?？梢员徽J(rèn)為是DNA損傷［13］。

二、DNA修復(fù)系統(tǒng)與衰老

為了防止DNA損傷，細(xì)胞具有精細(xì)的DNA修復(fù)機(jī)制。這些途徑包括堿基切除修復(fù)(base excision repair，BER)、核苷酸切除修復(fù)(nucleotide excision repair，NER)、錯(cuò)配修復(fù)(mismatch repair，MMR)、非同源末端連接(non－h(huán)omologous end joining，NHEJ)和同源重組(homologous recombination，HR)等。DNA修復(fù)系統(tǒng)功能下降是引起年齡相關(guān)基因組不穩(wěn)定的重要原因［14］。DNA修復(fù)系統(tǒng)缺陷導(dǎo)致的DNA損傷累積亦是衰老過程的重要中間環(huán)節(jié)［15］。BER途徑主要參與不引起DNA螺旋破壞的堿基損傷和脫堿基位點(diǎn)的修復(fù)，被認(rèn)為是DNA氧化損傷中主要的修復(fù)途徑［16］。目前已有足夠證據(jù)證明BER活性水平隨增齡而降低，如有多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)BER途徑中的關(guān)鍵分子 Polβ、Polγ 的 活 性 隨 增 齡 而 下 降［17～19］。Chen等［20］的研究提示D－半乳糖致衰老小鼠的BER修復(fù)能力下降導(dǎo)致線粒體DNA損傷增加。線粒體DNA損傷累積在衰老過程中起到重要作用，而線粒體DNA修復(fù)機(jī)制特別是BER途徑是維持線粒體DNA完整性的重要機(jī)制。和BER相比，NER主要修復(fù)DNA螺旋的損傷，如由紫外線形成的二聚體等。人類NER途徑的遺傳缺陷將導(dǎo)致3種不同早衰綜合征即:著色性干皮病(xeroderma pigmentosum，XP)，科凱恩綜合征(cockayne's syndrome，CS)，毛發(fā)硫營養(yǎng)不良(trichothiodystrophy，TTD)。在小鼠研究中發(fā)現(xiàn)NER基因的多個(gè)突變將急劇加速老化表型。當(dāng)細(xì)胞中的BER和NER功能同時(shí)喪失時(shí)，細(xì)胞就會出現(xiàn)突變、高頻重組等遺傳上的不穩(wěn)定，胞內(nèi)的ROS升高，DNA出現(xiàn)多倍體，激活檢驗(yàn)點(diǎn)途徑等類似于癌細(xì)胞的特征，說明BER和NER途徑在細(xì)胞抗氧化脅迫，維持基因組穩(wěn)定性方面發(fā)揮著重要的作用。錯(cuò)配修復(fù)(MMR)幾乎可以糾正所有的錯(cuò)配，此外，對插入/刪除引起的DNA鏈中多出1～3個(gè)多余核苷酸時(shí)也有修復(fù)作用。在DNA的氧化損傷修復(fù)中，MMR被認(rèn)為是BER途徑的一個(gè)重要的候補(bǔ)修復(fù)途徑，主要負(fù)責(zé)修復(fù)新復(fù)制合成的DNA鏈。有研究利用錯(cuò)配誘導(dǎo)劑干預(yù)不同傳代次數(shù)的老年人T細(xì)胞克隆，然后檢測其錯(cuò)配概率，結(jié)果顯示MMR隨著傳代次數(shù)的增加而降低，而MMR功能與大量的微衛(wèi)星不穩(wěn)定有關(guān)，提示微衛(wèi)星不穩(wěn)定性隨衰老而增加可能與MMR功能隨增齡而降低密切相關(guān)。重組修復(fù)主要修復(fù)DNA單/雙鏈的斷裂，同時(shí)它也參與氧化DNA損傷和脫堿基位點(diǎn)的修復(fù)過程，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)的BER途徑受到破壞時(shí)，細(xì)胞傾向于利用重組修復(fù)來處理DNA損傷。DNA雙鏈斷裂作為最嚴(yán)重的損傷形式，主要激活同源重組(HR)和非同源末端連接(NHEJ)途徑。研究表明在老化過程中NHEJ效率下降且錯(cuò)誤機(jī)率增加。KU70是一種DNA修復(fù)蛋白，在NHEJ中起核心作用，研究發(fā)現(xiàn)隨年齡增長，人類造血干細(xì)胞和祖細(xì)胞中KU70mRNA的表達(dá)明顯下降。同時(shí)有研究還發(fā)現(xiàn)KU70蛋白水平和MER11蛋白水平(另一種NHEJ途徑中的DNA修復(fù)蛋白)都隨增齡而顯著下降。

三、DNA損傷檢驗(yàn)點(diǎn)體系與衰老

DNA損傷檢驗(yàn)點(diǎn)體系在細(xì)胞的抗氧化脅迫，維持基因組穩(wěn)定性方面發(fā)揮著重要的作用。DNA損傷檢驗(yàn)點(diǎn)體系是一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)體系，其功能主要是感受DNA損傷及異常DNA結(jié)構(gòu)的存在，并把這種損傷信號傳遞給下游的效應(yīng)因子，使細(xì)胞對DNA損傷或其他影響DNA復(fù)制的應(yīng)力做出各種反應(yīng)，即在DNA損傷的情況下，它不但可以延遲甚至終止細(xì)胞周期的轉(zhuǎn)換，而且還啟動(dòng)DNA修復(fù)系統(tǒng)，激活相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄，維持染色體端粒的正常結(jié)構(gòu)。因此DNA損傷檢驗(yàn)點(diǎn)通過對基因組完整性的監(jiān)視，幫助細(xì)胞對各種DNA損傷做出終止細(xì)胞周期以準(zhǔn)許細(xì)胞有足夠的時(shí)間來修復(fù)損傷，或最終讓細(xì)胞進(jìn)入衰老或凋亡的決定。DNA損傷檢驗(yàn)點(diǎn)途徑包括損傷感應(yīng)、信號傳遞和信號效應(yīng)。當(dāng)細(xì)胞DNA發(fā)生損傷，感受蛋白級聯(lián)(HUS1，RAD1，RAD9，RAD17，RAD26)通過 ATR 將損傷信號傳遞給CHK1;或其他感受蛋白級聯(lián)(NBS1，BRCA1，RAD50，53Bp1等)通過ATM將損傷信號傳遞給CHK2。其中ATM主要參與由DNA雙鏈斷裂損傷引發(fā)的信號反應(yīng)，而ATR則主要參與由DNA復(fù)制叉受阻或許多其他引起DNA損傷的信號反應(yīng)。因?yàn)樵S多DNA損傷在直接改變DNA結(jié)構(gòu)的同時(shí)，還會影響DNA復(fù)制叉的穩(wěn)定，因此在DNA損傷存在情況下，ATM和ATR大多會協(xié)同作用來起始這個(gè)檢驗(yàn)點(diǎn)反應(yīng)途徑。

對人類某些遺傳病以及模式動(dòng)物小鼠的研究中發(fā)現(xiàn)，DNA損傷修復(fù)(DNA damage repair)系統(tǒng)的缺陷可以大大加快衰老的進(jìn)程，在這一過程中，DNA損傷檢驗(yàn)點(diǎn)(DNA damage checkpoint)系統(tǒng)可能發(fā)揮著關(guān)鍵作用。如果這些檢驗(yàn)點(diǎn)被破壞或失活，則會導(dǎo)致細(xì)胞在基因組損傷的情況下仍繼續(xù)分裂增殖，最終引起整個(gè)染色體結(jié)構(gòu)的改變而大大增加基因組不穩(wěn)定性。目前研究發(fā)現(xiàn)衰老機(jī)體可能存在DNA損傷檢驗(yàn)點(diǎn)功能下降，如Suchismit Panda等發(fā)現(xiàn)與3月齡小鼠比較，22月齡小鼠肝組織p－ATM蛋白的表達(dá)明顯降低;Feng等發(fā)現(xiàn)老年小鼠ATM激酶功能降低，對各種壓力應(yīng)激的反應(yīng)能力下降。新近的研究發(fā)現(xiàn)參與ATM起始信號途徑的銜接因子53BP1在人類細(xì)胞和嚙齒類動(dòng)物細(xì)胞表達(dá)的差異影響到這兩類細(xì)胞的基因組穩(wěn)定性，可能是這兩類細(xì)胞壽限差異的重要原因。提示DNA損傷檢驗(yàn)點(diǎn)功能隨增齡而下降，從而導(dǎo)致隨增齡而發(fā)生的DNA損傷不能被有效修復(fù)，不斷累積，是造成基因組不穩(wěn)定的重要原因。

綜上所述，基因組不穩(wěn)定性在衰老發(fā)生過程中起到重要作用。而基因組不穩(wěn)定又與DNA修復(fù)體系功能和DNA損傷檢驗(yàn)點(diǎn)功能隨增齡而發(fā)生的變化密切相關(guān)。染色體DNA的損傷累積及端?？s短造成的基因組不穩(wěn)定性在衰老進(jìn)程中起到重要的作用;減少DNA損傷，增強(qiáng)DNA修復(fù)能力，從而增加基因組穩(wěn)定性，也許有可能延長壽命或改善老年時(shí)期的身體適應(yīng)性。

1 Vijg J，Suh Y．Ageing:chromatin unbound［J］．Nature，2006，440(7086):874－875

2 Kregel KC，Zhang HJ．An integrated view of oxidative stress in aging:basic mechanisms，functional effects，and pathological considerations［J］．Am JPhysiol Regul Integr Comp Physiol，2007，292(1):R18 －R36

3 Lombard DB．DNA repair，genome stability，and aging［J］．Cell，2005，120(4):497 －512

4 de Magalhaes JP，F(xiàn)aragher RG．Cell divisions and mammalian aging:integrative biology insights from genes that regulate longevity［J］．Bioessays，2008，30(6):567 －578

5 Gorbunova V，Seluanov A．Making ends meet in old age:DSB repair and aging［J］．Mech Ageing Dev，2005，126(6 －7):621 －628

6 Finette BA．Determination of hprt mutant frequencies in T－lymphocytes from a healthy pediatric population:statistical comparison between newborn，children and adult mutant frequencies，cloning efficiency and age［J］．Mutat Res，1994．308(2):223 －231

7 Woodruff RC，Thompson JN．The role of somatic and germline mutations in aging and a mutation interaction model of aging［J］．JAnti Aging Med，2003，6(1):29 －39

8 Stuart GR，Glickman BW．Through a glass，darkly:reflections of mutation from lacI transgenic mice［J］．Genetics，2000，155(3):1359 －1367

9 Chevanne M．Comparative levels of DNA breaks and sensitivity to oxidative stress in aged and senescent human fibroblasts:a distinctive pattern for centenarians［J］．Biogerontology，2003，4(2):97 － 104

10 Sedelnikova OA．Senescing human cells and ageing mice accumulate DNA lesions with unrepairable double － strand breaks［J］．Nat Cell Biol，2004，6(2):168 －170

11 Mladinic M．Genomic instability in a healthy elderly population:a pilot study of possible cytogenetic markers related to ageing［J］．Mutagenesis，25(5):455 －462

12 Kim NW．Specific association of human telomerase activity with immortal cells and cancer［J］．Science，1994，266(5193):2011 －2015

13 Herbig U．Telomere shortening triggers senescence of human cells through a pathway involving ATM，p53，and p21(CIP1)，but not p16(INK4a)［J］．Mol Cell，2004，14(4):501 －513

14 Salmon TB．Biological consequences of oxidative stress－induced DNA damage in Saccharomyces cerevisiae［J］．Nucleic Acids Res，2004，32(12):3712－3723

15 Diderich K，Alanazi M，Hoeijmakers JH．Premature aging and cancer in nucleotide excision repair － disorders［J］．DNA Repair(Amst)，2011，10(7):772－780

16 Maynard S．Base excision repair of oxidative DNA damage and association with cancer and aging［J］．Carcinogenesis，2009，30(1):2 －10 17 Rao KS．DNA repair in aging rat neurons［J］．Neuroscience，2007，145(4):1330－1340

18 Krishna TH．Reduced DNA gap repair in aging rat neuronal extracts and its restoration by DNA polymerase beta and DNA － ligase［J］．J Neurochem，2005，92(4):818－823

19 Graziewicz MA，Longley MJ，Copeland WC．DNA polymerase gamma in mitochondrial DNA replication and repair［J］．Chem Rev，2006，106(2):383－405

20 Chen B．Increased mitochondrial DNA damage and decreased base excision repair in the auditory cortex of D: －galactose－induced aging rats［J］．Mol Biol Rep，2011，38(6):3635 －3642