生物鐘與衰老的研究進(jìn)展

吳軍 姜蘇蓉

哺乳動(dòng)物的許多生理活動(dòng)具有晝夜節(jié)律性，比如睡眠-覺醒、血壓、血液激素水平以及能量代謝等都呈現(xiàn)出以24 h為周期的波動(dòng)，這種周期性的節(jié)律稱為生物鐘節(jié)律。機(jī)體內(nèi)在的生物節(jié)律是由生物鐘(circadian clock)周期振蕩所產(chǎn)生的。哺乳動(dòng)物的生物鐘可分為中樞性和外周性兩大類，中樞性生物鐘位于下丘腦視交叉上核神經(jīng)元(suprachiasmaticnucleus，SCN)內(nèi)，它接受光線刺激并產(chǎn)生主要的時(shí)鐘信號(hào)，通過體液和神經(jīng)內(nèi)分泌通路傳遞到外周組織。中樞性生物鐘控制機(jī)體的行為和生理節(jié)律，包括運(yùn)動(dòng)、睡眠、體溫、血壓和內(nèi)分泌等過程，SCN切除后生理的晝夜節(jié)律消失。外周生物鐘存在于除了SCN以外的多數(shù)組織，如心臟、肝臟、腎臟、外周血淋巴細(xì)胞等［1］。通常情況下，這兩大類生物鐘的運(yùn)作是同步的，二者通過自主神經(jīng)系統(tǒng)和內(nèi)分泌激素(如褪黑素和5-羥色胺)作用等得以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的準(zhǔn)確傳遞和節(jié)律的精細(xì)調(diào)節(jié)，維持機(jī)體良好的生理狀態(tài)。研究表明，生物鐘與衰老關(guān)系密切。隨著機(jī)體的逐漸衰老，各種器官和組織發(fā)生變化，年老的動(dòng)物更容易患一系列的疾病，如冠心病、高血壓、糖尿病、慢性腎病、腫瘤、骨質(zhì)疏松、骨關(guān)節(jié)炎等。生物鐘功能的紊亂會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)體的生理和行為節(jié)律，導(dǎo)致內(nèi)分泌失調(diào)、免疫力下降等相關(guān)癥狀，并使機(jī)體更易患上上述疾病，加速衰老進(jìn)程［2］。

1 生物鐘運(yùn)行機(jī)制

若干基因組成了生物鐘分子振蕩器的基本元件，對(duì)其最初的探索始于模式生物擬南芥、鏈孢霉菌屬、果蠅和小鼠等，這些能主導(dǎo)、輸出機(jī)體節(jié)律振蕩的基因被稱為鐘基因(clock genes)，其發(fā)生缺陷或突變可使生理節(jié)律出現(xiàn)異?；騿适?。哺乳動(dòng)物的不同組織和細(xì)胞中大多存在鐘基因的表達(dá)，任何一個(gè)啟動(dòng)或參與體內(nèi)晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)的基因，已被證明至少能在SCN中表達(dá)。目前已發(fā)現(xiàn)的哺乳動(dòng)物鐘基因包括 Clock、Bmal1、Per、Cry、casein kinases Ieε (CKIε)、timeless(Tim)、frequency(Frq)等［3］。鐘基因啟動(dòng)后，經(jīng)轉(zhuǎn)錄、翻譯生成相應(yīng)的蛋白質(zhì)，當(dāng)此蛋白質(zhì)達(dá)到一定濃度，反饋?zhàn)饔糜谧陨砘虻膯?dòng)部位，抑制該基因的表達(dá)，使其濃度高低以24 h周期進(jìn)行振蕩。在分子水平上，不同組織中生物鐘的振蕩在基因轉(zhuǎn)錄水平上具有類似的調(diào)節(jié)機(jī)制［4-5］。生物鐘的核心調(diào)節(jié)元件主要由轉(zhuǎn)錄激活子和抑制子組裝形成的自動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)，使基因產(chǎn)生節(jié)律性的表達(dá)。Clock基因是哺乳動(dòng)物晝夜節(jié)律的必要調(diào)控者，Bmal1是Clock基因的分子伴侶，二者互相作用，形成異二聚體，然后結(jié)合到 Period(Per1，Per2，Per3)、Cryptochrome(Cry1和 Cry2)、孤兒核受體(Rev-erbα)啟動(dòng)子的E-box區(qū)從而激活它們的表達(dá)。Per和Cry蛋白的富集后，又會(huì)抑制Bmal1/Clock的活性，從而抑制其自身和 Rev-erbα的表達(dá)，當(dāng) Reverbα表達(dá)明顯下降或缺失后又會(huì)重新激活Clock與Bmal1，使其再次形成轉(zhuǎn)錄復(fù)合物，形成一種負(fù)反饋循環(huán) (圖1)。這種負(fù)反饋調(diào)節(jié)機(jī)制在Bmal1和Clock調(diào)節(jié)的基因周期性活化上扮演了重要的角色。

圖1 生物鐘負(fù)反饋調(diào)控機(jī)制［6］

2 生物鐘對(duì)衰老的影響

2.1 隨著機(jī)體衰老，反應(yīng)生物鐘輸出信號(hào)的生理晝夜節(jié)律在振蕩幅度、振蕩周期和表達(dá)時(shí)相等方面發(fā)生了相應(yīng)的變化。同時(shí)，生物鐘控制的生理晝夜節(jié)律功能紊亂加速機(jī)體衰老的進(jìn)程。

Bmal1基因是最重要的生物鐘基因之一，其蛋白產(chǎn)物具有堿性螺旋-環(huán)-螺旋結(jié)構(gòu)(base helix-loop-helix，bHLH)域和PAS(PER-ASNT-SIM)結(jié)構(gòu)域，分子伴侶蛋白為Clock蛋白。在哺乳動(dòng)物生物鐘的轉(zhuǎn)錄-翻譯反饋環(huán)中，轉(zhuǎn)錄因子 Bmal1是最重要的啟動(dòng)因子。另外，Bmal1也可以與Npas2形成異源二聚體，在端腦部位起到調(diào)控節(jié)律基因的作用。在視上核的神經(jīng)元中，Bmal1基因在白晝開始時(shí)表達(dá)水平增高，而在夜晚時(shí)表達(dá)水平低，表現(xiàn)出晝夜節(jié)律。Bmal1基因與衰老有密切的聯(lián)系。Bmal1基因敲除鼠在16～18周齡時(shí)就出現(xiàn)生長(zhǎng)發(fā)育遲緩、體質(zhì)量下降等表現(xiàn)，至52周齡時(shí)體質(zhì)量是同窩野生型的一半，出現(xiàn)皮下脂肪減少、肌肉重量減輕、骨質(zhì)疏松及主要器官的萎縮等衰老和早衰的表現(xiàn)［7］，Bmal1-/-小鼠的一系列早衰表現(xiàn)提示Bmal1基因可調(diào)控衰老的進(jìn)程。衰老的機(jī)制非常復(fù)雜，不是單一的學(xué)說可以完全解釋的。自由基學(xué)說是關(guān)于生物衰老機(jī)制的現(xiàn)代理論中最具有說服力的一種，組織中高濃度的自由基及其衍生物對(duì)生物大分子有損傷效應(yīng)，這種氧化損傷會(huì)引起或加速機(jī)體衰老。實(shí)驗(yàn)證明，40周齡的Bmal1突變小鼠在肝、心、腎中活性氧的濃度遠(yuǎn)高于野生型小，Bmal1基因可能是通過阻止自由基及其衍生物在身體組織中的積聚而延緩衰老，也有可能是生物鐘系統(tǒng)本身具有使自由基在體內(nèi)維持平衡的功能［8］。

2.2 Clock基因是另一個(gè)重要的生物鐘基因，當(dāng)該基因發(fā)生突變或表達(dá)異常時(shí)會(huì)導(dǎo)致機(jī)體行為活動(dòng)節(jié)律、睡眠-覺醒節(jié)律及體溫、血壓等發(fā)生紊亂，誘發(fā)心血管疾病、糖尿病、腫瘤等，加速機(jī)體衰老。Wang等［9］在光照 ∶黑暗(12 h ∶12 h)和持續(xù)黑暗條件下發(fā)現(xiàn)大鼠松果體中的Clock轉(zhuǎn)錄表現(xiàn)出節(jié)律性振蕩，峰值出現(xiàn)于夜晚或主觀黑夜，谷值位于光照期或主觀白天。Du等［10］報(bào)道大鼠外周血淋巴細(xì)胞中Clock基因具有明顯的晝夜節(jié)律性轉(zhuǎn)錄特征。Clock基因也可以控制機(jī)體食欲，影響能量和代謝平衡，研究表明，Clock純合的突變小鼠進(jìn)食過量，身體肥胖，表現(xiàn)出高血脂、高血糖、肝脂肪變性、低胰島素血癥等代謝綜合癥的特征，提示Clock基因與早衰有關(guān)。此外，Clock基因還可以調(diào)控新陳代謝相關(guān)的酶，如肝臟內(nèi)酰基輔酶A合酶、乙酰輔酶A羧化酶、ATP-檸檬酸裂解酶等，影響其晝夜節(jié)律表達(dá)［11］。年老的小鼠和倉鼠腦部SCN和非SCN區(qū)域的Clock mRNA表達(dá)水平是降低的。Clock基因敲除小鼠的平均壽命較野生型下降15%，最高達(dá)20%，且白內(nèi)障和皮膚炎發(fā)生率明顯高于野生型小鼠［12］。

3 衰老對(duì)生物鐘的影響

3.1 衰老又稱老化，通常指生物體性成熟后開始或加速的，生物體各種功能的普遍衰弱，以及抵抗環(huán)境傷害和恢復(fù)體內(nèi)平衡能力的降低，具有普遍性、累積性、漸進(jìn)性、內(nèi)生性等特點(diǎn)的基本生命過程。衰老是生命的基本現(xiàn)象，是所有生物的共同特征。生物體的分子水平、細(xì)胞水平、組織水平、個(gè)體水平、群體水平均可發(fā)生衰老。某些異常因素或疾病可引起病理性衰老，使衰老提早出現(xiàn)。由于衰老進(jìn)程非常復(fù)雜，影響因素千變?nèi)f化，涉及諸多領(lǐng)域，現(xiàn)代生命科學(xué)有關(guān)衰老機(jī)制的研究也逐步深入，提出了許多有關(guān)衰老的學(xué)說，如自然演進(jìn)衰老學(xué)說(程控學(xué)說)、代謝速率衰老學(xué)說、自由基學(xué)說、非酶糖基化衰老學(xué)說等等。

3.2 隨著衰老的發(fā)生和進(jìn)展，哺乳動(dòng)物出現(xiàn)了新陳代謝減退、免疫力下降、器官萎縮等，此外，運(yùn)動(dòng)和生理節(jié)律(包括體溫、睡眠-覺醒、血壓、激素水平等)振蕩幅度、振蕩周期和表達(dá)時(shí)相等方面也發(fā)生了不同程度的改變。在人類中，衰老與褪黑激素分泌、體溫節(jié)律相位前移有關(guān)［13］。與年輕人相比，老年人更易出現(xiàn)睡眠-覺醒的相位前移［14］。許多研究提示衰老與SCN可以相互影響。衰老與SCN的神經(jīng)化學(xué)和電生理的變化是同步的，但SCN的細(xì)胞數(shù)量和大小并沒有發(fā)生改變［15］。衰老可使SCN中血管活性腸多肽(VIP)、精氨酸加壓素(AVP)、轉(zhuǎn)錄生長(zhǎng)因子(TGF-β)數(shù)量和運(yùn)轉(zhuǎn)周期發(fā)生改變。將大鼠胚胎SCN組織移植入雌性中年大鼠，雌性中年大鼠SCN恢復(fù)晝夜振蕩能力［16］。以上研究提示，衰老對(duì)SCN產(chǎn)生了明顯的影響。

總而言之，隨著現(xiàn)代生命科學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)生物鐘節(jié)律的調(diào)控及與衰老的關(guān)系將更加清晰。生物鐘功能紊亂會(huì)導(dǎo)致機(jī)體晝夜節(jié)律失常、生理生化代謝失調(diào)，引起早衰和衰老。另一方面，衰老也會(huì)引起SCN和外周組織節(jié)律的振蕩幅度、相位、周期發(fā)生變化，導(dǎo)致組織和器官出現(xiàn)多種病理變化。人類今后或許能夠通過調(diào)整自己的生物鐘來防止衰老以及治療與衰老相關(guān)的病變。但生物鐘和衰老互相作用機(jī)制復(fù)雜，二者關(guān)系尚未闡明，還有待進(jìn)一步探討和研究。

［1］Buijs RM，Kalsbeek A.Hypothalamic integration of central and peripheral clocks［J］.Nat Rev Neurosci，2001，2(7):521-526.

［2］Kinmonth-SchultzHA， Golembeski GS，Imaizumi T.Circadian clockregulated physiological outputs:Dynamic responses in nature［J］.Semin CellDevBiol， 2013，24(5):407-413.

［3］Ripperger JA，Schibler U.Circadian regulation of gene expression in animals［J］. Curr Opin Cell Biol，2001，13(3):357-362.

［4］Lowrey PL，Takahashi JS.Genetics of the mammalian circadian system:photic entrainment，circadian pacemaker mechanisms，and posttranslational regulation［J］.Annu Rev Genet，2000，34:533-562.

［5］Bass J.Circadian topology of metabolism ［J］. Nature， 2012， 491(7424):348-356.

［6］Albrecht U，Eichele G.The mammalian circadian clock［J］.Curr Opin Genet Dev，2003，13(3):271-277.

［7］Turek FW，Joshu C，Kohsaka A，et al.Obesity and metabolic syndrome in circadian Clock mutant mice［J］.Science， 2005， 308(5724):1043-1045.

［8］Kondratov RV，Kondratova AA，Gorbacheva VY，et al.Early aging and age related pathologies in mice defi-cient in BMAL1，the core component of the circadian clock［J］.Genes Dev，2006，20(14):1868-1873.

［9］Wang GQ，Du YZ，Tong J.Daily oscillation and photoresponses of clock gene， Clock， and clock-associated gene，arylalkylamine N-acetyltransferase gene transcriptions in the rat pineal gland［J］.Chronobiology Int，2007，24(1):9-20.

［10］Du YZ，F(xiàn)an SJ，Meng QH，et al.Circadian expression of clock and screening of clock-controlled genes in peripheral lymphocytes of rat［J］.Biochem Biophys Res Commun.2005，336(4):1069-1073.

［11］Oishi K，Atsumi G，SugiyamaS，et al.Disrupted fat absorption attenuates obesity induced by a high-fat diet in Clock mutant mice［J］.FEBS Letters，2006，580(1):127-130.

［12］Dubrovsky YV，Samsa WE，Kondratov RV.Deficiency of circadian protein CLOCK reduces lifespan and increases age-related cataract development in mice［J］.Aging(Albany NY)，2010，2(12):936-944.

［13］GibsonEM， WilliamsWP 3rd，Kriegsfeld LJ.Aging in the circadian system:considerationsforhealth，disease prevention and longevity［J］.ExpGeronto， 2009， 44(1/2):51-56.

［14］Nakamura TJ，Nakamura W，Yamazaki S，et al.Age-related decline in circadian output［J］.J Neurosci，2011，31(28):10201-10205.

［15］Kori H，Kawamura Y，Masuda N.Structure of cell networks critically determines oscillation regularity［J］.J Theor Biol，2012，297:61-72.

［16］Beynon AL，Thome J，Coogan AN.Age and time of day influences on the expression of transforming growth factor-beta and phosphorylated SMAD3 in the mouse suprachiasmatic and paraventricular nuclei［J］.Neuroimmunomodulation， 2009， 16(6):392-399.