衰老機(jī)制研究進(jìn)展

盧春雪 楊紹杰 陶薈竹 黃樹明 楊書彬

(黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

衰老與增齡相關(guān)的老年慢性病(如心腦血管疾病，中樞神經(jīng)病，風(fēng)濕免疫病、退行性骨關(guān)節(jié)炎)的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。因此，隨著人口老齡化的加劇，深入探索衰老機(jī)制，不但有助于機(jī)體抗衰老、保健的研究與實踐及延長壽命，而且對于防治與增齡相關(guān)的老年病具有重大意義。隨著包括自由基理論、“長壽基因”、端粒酶理論及表觀遺傳學(xué)等領(lǐng)域研究的進(jìn)展,科學(xué)家們在衰老的內(nèi)在和外在的機(jī)制上有了更深入的認(rèn)識。本文對近年來有關(guān)衰老機(jī)制研究中具有代表性的學(xué)說進(jìn)行歸納總結(jié)。

1 自由基學(xué)說與衰老

自由基是機(jī)體內(nèi)一類能獨立存在、含活潑不成對電子的特殊物質(zhì)，是機(jī)體生命活動中各種生化反應(yīng)的中間代謝產(chǎn)物。機(jī)體防御系統(tǒng)具有高度化學(xué)活性，正常情況下，機(jī)體中各種抗氧化酶和小分子非酶抗氧化劑與自由基的產(chǎn)生處于動態(tài)平衡狀態(tài)，但隨著年齡增長，自由基過?；蚩寡趸瘎┤狈Φ仁股锬そY(jié)構(gòu)遭到破壞、細(xì)胞器功能出現(xiàn)障礙，繼而損傷蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等生物大分子物質(zhì)。衰老的自由基學(xué)說〔1〕認(rèn)為，在機(jī)體衰老的有氧代謝過程中，自由基水平的增加或抗氧化劑的缺失使機(jī)體抗氧化能力下降和細(xì)胞毒性增加，最終造成生物膜、氨基酸鏈及DNA的分子結(jié)構(gòu)的不可逆改變損傷，導(dǎo)致機(jī)體衰老相關(guān)退行性疾病的產(chǎn)生，加速衰老進(jìn)程。

2 線粒體DNA(mtDNA)損傷與衰老

線粒體是活性氧(ROS)的主要來源，其產(chǎn)生的ROS對mtDNA造成氧化損傷，引發(fā)mtDNA突變而產(chǎn)生有缺陷的電子傳遞鏈(ETC)結(jié)合產(chǎn)生更多ROS，造成ROS積累和mtDNA突變的惡性循環(huán)，導(dǎo)致細(xì)胞損傷，加快衰老進(jìn)程。

2.1線粒體和mtDNA 線粒體是真核細(xì)胞能量提供和儲存場所，含有核染色體外基因組mtDNA，具獨立的遺傳信息復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和翻譯功能。mtDNA編碼蛋白多肽中復(fù)合體Ⅰ亞基有7個,而最易受氧自由基攻擊部位被認(rèn)為是呼吸鏈復(fù)合物Ⅰ〔2〕。與核基因組不同，mtDNA只含有外顯子且缺乏組蛋白保護(hù)和有效的基因修復(fù)系統(tǒng)，使mtDNA比核基因組更易突變〔3〕。

2.2mtDNA突變與衰老 mtDNA突變與衰老關(guān)系研究已日益成為國內(nèi)外衰老機(jī)制研究的熱點，與衰老相關(guān)的 mtDNA 突變主要有缺失、點突變和重排3種情況〔4〕。mtDNA缺失與衰老的相關(guān)性最早發(fā)現(xiàn)于鄭天勝等〔5〕對帕金森病患者的腦組織mtDNA缺失研究中，該類疾病患者均檢測到4 977 bp缺失。mtDNA點突變分為轉(zhuǎn)運(yùn)核糖核酸(tRNA)的點突變和編碼蛋白基因的點突變，tRNA的點突變常見于mtRNA基因上3243位點的A突變成G可導(dǎo)致轉(zhuǎn)運(yùn)核糖核酸(rRNA)轉(zhuǎn)錄終止〔6〕，并隨著年齡的增長不斷積累。Chinnery等〔7〕發(fā)現(xiàn)，健康老人大腦組織中存在著不同程度的線粒體DNA重排，并呈現(xiàn)增齡性積累趨勢。

3 長壽基因、衰老基因與衰老

3.1p16、p21、p53基因與衰老 p16是一種細(xì)胞周期負(fù)調(diào)控因子，是機(jī)體細(xì)胞衰老遺傳控制程序的重要一環(huán)。p16編碼的蛋白質(zhì)與細(xì)胞周期蛋白D共同作用于細(xì)胞周期依賴蛋白激酶(CDK)4，對細(xì)胞起調(diào)節(jié)作用。p21是抑制cyclin-CDK復(fù)合物的調(diào)控因子，研究發(fā)現(xiàn)〔8〕，p16蛋白能增加p21蛋白的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)錄因子Sp1經(jīng)p21蛋白作用激活p16基因表達(dá)抑制細(xì)胞周期。p53基因是目前研究較清楚的一種抑癌基因，其控制的信號途徑對衰老具有重要作用。研究發(fā)現(xiàn)〔9〕，p53基因與細(xì)胞周期調(diào)控、DNA修復(fù)、細(xì)胞分化和細(xì)胞凋亡等有關(guān)，抑制腫瘤細(xì)胞的生長過程。

3.2抗衰老基因(Klotho)與衰老 Klotho及其表達(dá)產(chǎn)物能有效抵抗衰老性氧化應(yīng)激及心血管、神經(jīng)、腎臟等病理狀態(tài)〔10〕。作為新發(fā)現(xiàn)的與衰老相關(guān)的新型基因，Klotho基因影響多條信號通路，廣泛參與體內(nèi)的各種生物學(xué)過程。Klotho基因的研究在深入探究衰老的分子機(jī)制、治療衰老相關(guān)性疾病、延長壽命等方面具有重要意義。

3.3沉默信息調(diào)節(jié)因子(Sirt)基因家族與衰老的關(guān)系 Sirt2基因家族是一類重要的調(diào)控壽限的基因，可從遺傳和限制熱量代謝兩個角度調(diào)節(jié)細(xì)胞壽命，Sirt2相關(guān)酶類(Sirtuins)是Sirt2的同源蛋白，是一種煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)依賴性去乙?；?，通過賴氨酸去乙酰化改變蛋白質(zhì)活性調(diào)控衰老過程。哺乳動物Sirtuins蛋白家族包含7個成員(Sirt1～7)，其中Sirt1、Sirt3和Sirt6被證實與衰老有關(guān)。研究表明〔11〕，Sirt1可通過抑制細(xì)胞凋亡、調(diào)控新陳代謝(熱量消耗、脂肪貯存等)及抑制炎癥等延緩細(xì)胞衰老；Sirt6通過調(diào)節(jié)與新陳代謝和應(yīng)激脅迫相關(guān)的基因，促進(jìn)堿基及DNA損傷修復(fù)，提高染色體的穩(wěn)定性，因此，Sirt1和Sirt6 成為了衰老機(jī)制與干預(yù)的研究熱點。

3.4載脂蛋白(Apo)E基因與衰老 ApoE 是唯一擁有共同變體基因表達(dá)的蛋白質(zhì)，它的E2、E3和E4 3種亞型分別與特異脂蛋白受體作用，調(diào)控血循環(huán)中膽固醇的水平。越來越多的研究表明〔12〕，ApoE基因在人類衰老相關(guān)性疾病中發(fā)揮重要作用。

4 端粒、端粒酶與衰老

4.1端粒 端粒存在于真核細(xì)胞染色體末端，由端粒DNA和結(jié)合蛋白組成。端粒DNA是G的高度保守的重復(fù)核苷酸序列，端粒有兩種相關(guān)蛋白，能調(diào)節(jié)端粒長度，抑制端粒酶活性。端?？蓽p少核酸酶對染色體的降解及染色體間的相互融合，作為端粒酶作用的底物，保證染色體復(fù)制時的完整性，決定細(xì)胞的壽命〔13〕。Atzmon等〔14〕研究發(fā)現(xiàn)端粒長度與細(xì)胞分裂次數(shù)及壽命極限有關(guān)。因端粒能夠限制細(xì)胞的分裂次數(shù)，被稱為“生命時鐘”〔15〕。端粒長度與衰老的關(guān)系，作為反映衰老的綜合性指標(biāo)受到越來越多的重視。

4.2端粒酶 端粒酶是一種自身攜帶模板的逆轉(zhuǎn)錄酶，是由RNA模板與具有催化和調(diào)控功能的各種蛋白亞基構(gòu)成的核糖核蛋白復(fù)合體。端粒酶通過增加染色體末端富含G堿基的重復(fù)端粒序列，維持端粒長度的穩(wěn)定〔16〕。衰老的調(diào)節(jié)有賴于端粒酶對端粒的調(diào)控及端粒和端粒酶的聯(lián)合作用〔17〕。端粒酶能夠以自身的 RNA 提供模板，維持端粒的結(jié)構(gòu)和長度。

5 表觀遺傳修飾與衰老

表觀遺傳修飾在衰老進(jìn)程中發(fā)生的復(fù)雜變化可能是衰老的決定性因素之一，DNA甲基化、組蛋白修飾及微小RNA(miRNAs)的表達(dá)〔18〕等表觀遺傳學(xué)因素使衰老的調(diào)控不只局限于“基因決定論”。

5.1DNA甲基化 DNA甲基化是指甲基化酶將甲基轉(zhuǎn)移到DNA序列的堿基上發(fā)生甲基化的過程。衰老過程中，5-甲基胞嘧啶(DNA甲基化的產(chǎn)物)的分布發(fā)生顯著改變，表現(xiàn)為DNA甲基化的總體減少和局部增加〔19〕。甲基化增加的位置主要在一些基因的啟動子區(qū)域，造成一些腫瘤或衰老相關(guān)基因(p16)的沉默。

5.2組蛋白的修飾 組蛋白修飾是一種重要的影響染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的途徑，從而調(diào)節(jié)基因活性的修飾手段,乙?；腿ヒ阴；瞧渲凶钇毡榈膬煞N形式，可通過影響組蛋白賴氨酸殘基的帶電性質(zhì)改變?nèi)旧|(zhì)的緊密程度〔20〕。甲基化是組蛋白修飾的另一重要調(diào)控基因表達(dá)的方式，與乙?；揎棽煌M蛋白甲基化通過具體形態(tài)和結(jié)合的特定蛋白來決定基因激活或沉默。

5.3miRNAs的表達(dá) miRNAs來源于RNA轉(zhuǎn)錄，調(diào)控靶標(biāo)mRNA，通過直接或間接調(diào)節(jié)p53-p21、p16-pRb通路，調(diào)控基因表達(dá)、細(xì)胞衰老〔21〕，進(jìn)而調(diào)節(jié)衰老進(jìn)程及機(jī)體壽限。

6 復(fù)制性衰老理論

關(guān)于細(xì)胞復(fù)制性衰老的研究較多，細(xì)胞有絲分裂中細(xì)胞復(fù)制增殖壓力引起DNA損傷等，導(dǎo)致細(xì)胞周期停滯，通常是由于CDK抑制因子增加導(dǎo)致的。實驗表明〔22〕，不同的真核有絲分裂細(xì)胞中，端粒隨細(xì)胞分裂呈現(xiàn)周期性和漸進(jìn)性縮短，最后引起細(xì)胞復(fù)制性衰老。端粒的DNA損傷激活DNA損傷反應(yīng)激酶共濟(jì)失調(diào)-毛細(xì)血管擴(kuò)張并張突變基因(ATM)和ATM相關(guān)蛋白(ATR)，激活CDK抑制因子，導(dǎo)致細(xì)胞周期永久抑制。細(xì)胞復(fù)制性衰老的不同模式有〔23〕：①癌基因突變導(dǎo)致原癌基因Ras相關(guān)核蛋白GTP酶(RasGTP)酶或原癌基因Ras相關(guān)的蛋白激酶(Raf)蛋白激酶激活，作用于細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(MEK)，影響p38和p16基因表達(dá)，或作用于丙酮酸脫氫酶(PDH)，影響p21基因的表達(dá)，最終激活CDK抑制因子，引發(fā)細(xì)胞衰老。②DNA損失反應(yīng)(DDR)激活A(yù)TM和ATR蛋白激酶，影響p53和p21基因，激活CDK抑制因子，引發(fā)復(fù)制性衰老。③轉(zhuǎn)化生長因子(TGF)-β或磷脂酰肌醇3激酶(PI3)動員信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白受體(Smad)，影響p21基因表達(dá)，激活CDK抑制因子，引發(fā)程序化衰老。

綜上，衰老機(jī)制本身的復(fù)雜性與不確定性致使衰老現(xiàn)象不能用單一機(jī)制進(jìn)行闡釋，必須進(jìn)行多方面多層次的深入探索?；谒ダ线@一共同點，各衰老機(jī)制的研究也必然存在某種內(nèi)在聯(lián)系，對這種內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行深入拓展研究，將有利于加深對衰老現(xiàn)象及機(jī)制的進(jìn)一步認(rèn)識。鑒于學(xué)科交叉的重要性，抗衰老研究與細(xì)胞生物學(xué)、干細(xì)胞衰老與再生醫(yī)學(xué)、端粒生物學(xué)等科學(xué)相結(jié)合，將來必會在衰老機(jī)制的探索中取得不菲的研究成果。

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