衰老相關(guān)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的研究進(jìn)展

細(xì)胞衰老是指細(xì)胞在生命的進(jìn)程中,隨著機(jī)體的不斷老化而出現(xiàn)的功能紊亂和分化增殖能力下降的過程,是細(xì)胞受到某種或多種特定的生理信號刺激后引起的一種常見的基本細(xì)胞應(yīng)答程序[1-3],這些信號刺激包括端粒酶縮短、絲裂原及增殖相關(guān)信號的活化、基因組損傷以及腫瘤抑制信號的激活等[4-5]。細(xì)胞發(fā)生衰老的同時還伴隨著分子、細(xì)胞、組織和器官損傷的不斷累積,最終導(dǎo)致機(jī)體整體功能減退,從而更易受疾病侵害甚至死亡。

細(xì)胞衰老的特征性改變包括細(xì)胞體積增大、外形變扁平、細(xì)胞增殖能力減弱、永久性的生長停滯、細(xì)胞周期停滯在G0期或G1期,即使在正常的生長條件下亦不能進(jìn)行分裂,任何生理信號刺激均不能使其再次增殖,同時伴隨細(xì)胞內(nèi)溶酶體活性升高,但細(xì)胞仍然能維持其自身的生長代謝[6-7]。細(xì)胞衰老與機(jī)體炎癥、纖維化、癌癥等多種疾病密切相關(guān),多種細(xì)胞在衰老后獲得對一些特定的凋亡信號的抵制能力,其具體作用機(jī)制目前尚未完全闡明,可能機(jī)制為細(xì)胞衰老與細(xì)胞凋亡之間存在共同的調(diào)控分子p53,衰老細(xì)胞的細(xì)胞周期抑制劑如p21和p16等表達(dá)顯著變化,而這些酶抑制劑又參與p53和pRb腫瘤抑制通路[8]。此外,細(xì)胞衰老還可抑制細(xì)胞周期蛋白A和細(xì)胞周期蛋白B等一些促進(jìn)細(xì)胞周期進(jìn)程的基因表達(dá)。目前人們認(rèn)為細(xì)胞衰老可以促進(jìn)機(jī)體受損細(xì)胞的清除,作為一種固有的細(xì)胞保護(hù)性機(jī)制來抵制外界壓力的刺激。促衰老已成為預(yù)防和治療纖維化等多種疾病的有效途徑,并在腫瘤的治療方面具有重要作用[9-10]。因此,研究細(xì)胞衰老的相關(guān)信號通路對疾病的研究具有重要的臨床意義。目前的研究已經(jīng)證實(shí)多種調(diào)節(jié)性蛋白均參與細(xì)胞衰老的信號轉(zhuǎn)導(dǎo),其中研究最多的是p53-p21和p16-Rb兩條經(jīng)典通路,此外,還有一些不依賴于p53和p16的其他信號通路。

1 p53-p21相關(guān)信號通路

p53是一種半衰期很短的腫瘤抑制因子,在細(xì)胞衰老過程中具有重要作用。p21抑制細(xì)胞生長是通過抑制細(xì)胞周期依賴性蛋白激酶(cyclin-dependent kinase, CDK),阻斷Rb和E2F磷酸化來實(shí)現(xiàn)的[11-12]。p53-p21主要通過以下兩種機(jī)制參與細(xì)胞衰老的過程。第一,p53在維持由端粒酶縮短引起的衰老過程中發(fā)揮重要作用,在由細(xì)胞過度增殖引起的細(xì)胞復(fù)制性衰老過程中,ATM激活可引起CHK2磷酸化和p53-p21表達(dá)上調(diào),而當(dāng)ATM缺乏的情況下,ATR將替代ATM通過CHK1誘導(dǎo)的p53在Ser-15位點(diǎn)的磷酸化來激活p53,從而激活細(xì)胞衰老進(jìn)程[13]。第二,細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境的損傷,尤其是DNA雙鏈的斷裂與衰老和腫瘤的發(fā)生息息相關(guān),腫瘤基因突變產(chǎn)生異常增殖信號引起細(xì)胞周期阻滯,與DNA損傷及其應(yīng)答通路的激活有關(guān),通過誘導(dǎo)DNA過度復(fù)制并激活DNA損傷應(yīng)答,引起細(xì)胞衰老,稱為癌基因誘導(dǎo)細(xì)胞衰老(oncogene-induced senescence, OIS)。在OIS中,癌基因Ras可激活衰老通路,這一過程受p53的影響,Ras的表達(dá)可促進(jìn)表達(dá)p53細(xì)胞的細(xì)胞周期停滯在G1期,而不表達(dá)p53的細(xì)胞則發(fā)生細(xì)胞轉(zhuǎn)化[14-15]。細(xì)胞周期分為分裂間期與分裂期,分裂間期又可分為G1期(DNA合成前期)、S期(DNA合成期)、G2期(DNA合成后期),細(xì)胞分裂前期即M期,為細(xì)胞由1個母細(xì)胞分裂成2個子細(xì)胞的過程。癌基因Ras激活衰老通路一方面是通過絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路促進(jìn)細(xì)胞周期在G1期停滯[16]。另一方面,癌基因Ras還可激活DNA損傷應(yīng)答(DDR),細(xì)胞中異常表達(dá)的Ras可直接或間接引起DNA雙鏈斷裂,雙鏈斷裂的DNA累積到一定程度即可激活A(yù)TM/ATR-p53通路,誘導(dǎo)細(xì)胞衰老,引起衰老相關(guān)的細(xì)胞生長停滯[17]。

2 p16-Rb相關(guān)信號通路

p16參與細(xì)胞衰老主要與Rb信號通路有關(guān),p16通過抑制細(xì)胞周期蛋白和CDK構(gòu)成的復(fù)合物對Rb蛋白的磷酸化作用,從而抑制Rb蛋白結(jié)合E2Fs轉(zhuǎn)錄因子,抑制DNA復(fù)制相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄。Rb信號通路抑制CDK的活性,誘導(dǎo)細(xì)胞周期在G1期停滯,這一轉(zhuǎn)錄過程對于細(xì)胞周期由G1期到S期的轉(zhuǎn)變至關(guān)重要[18]。此外,p16的表達(dá)受Rb的調(diào)控,Rb磷酸化會引起p16表達(dá)的上調(diào),而表達(dá)上調(diào)后的p16又會抑制CDK的活性,進(jìn)而引起去磷酸化的Rb增加,增加的去磷酸化的Rb又可引起p16表達(dá)下降,這樣在Rb與p16之間存在一種負(fù)反饋的調(diào)節(jié)機(jī)制[19-20]。多項(xiàng)研究還探討了除Rb以外是否還有其他機(jī)制調(diào)控p16的表達(dá),結(jié)果顯示，在不表達(dá)Rb的細(xì)胞中亦能檢測到p16表達(dá)增加[21],說明還有其他調(diào)控機(jī)制存在,但目前尚未完全闡明。

3 SKP2-p27相關(guān)信號通路

SKP2可誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生衰老,這一過程不依賴于p53或p16相關(guān)信號通路,SKP2的表達(dá)降低或失活通常伴隨著p27與FoxO3a的表達(dá)上調(diào),促進(jìn)細(xì)胞衰老。衰老刺激物視網(wǎng)膜血管瘤抑制因子(von hippel lindau tumor suppressor, VHL)失活可引起SKP2的表達(dá)降低,進(jìn)而增加p27的表達(dá),從而誘導(dǎo)細(xì)胞衰老[22]。第10號染色體缺失的磷酸酶和張力蛋白同源基因Pten蛋白與SKP2的共同失活可引起p27表達(dá)增加,誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生衰老。

4 核因子(NF)-κB信號通路

轉(zhuǎn)錄因子蛋白家族NF-κB激活后參與氧化應(yīng)激、免疫、炎癥、細(xì)胞增殖、凋亡、衰老等多種病理生理性的基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控過程。研究證實(shí)NF-κB有一個由300個氨基酸構(gòu)成的高度保守的REL同源結(jié)構(gòu)域,其蛋白家族成員包括p50、p52、rel、rel-A以及rel-B[23]。NF-κB信號通路在炎性衰老的發(fā)生發(fā)展中具有重要作用,當(dāng)細(xì)胞受到內(nèi)外界各種衰老相關(guān)刺激后,NF-κB信號通路被激活,活化的NF-κB進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)并與DNA結(jié)合,參與細(xì)胞內(nèi)的免疫反應(yīng)。研究證實(shí),多種老年退行性疾病的發(fā)生均與NF-κB調(diào)控的衰老信號通路密切相關(guān)。阿爾茨海默病的發(fā)生是由于沉默信息調(diào)節(jié)因子2相關(guān)酶1(Silent mating type information regulation 2 homolog-1, SIRT1)抑制NF-κB信號通路從而抑制小神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞對β-淀粉樣蛋白(Aβ)毒素的依賴,Aβ沉積是阿爾茨海默病的典型病理特征[24-25]。

5 雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信號通路

哺乳動物mTOR是一種高度保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶,是細(xì)胞內(nèi)重要的壽命調(diào)控信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。mTOR信號通路調(diào)控細(xì)胞生長增殖,分為PI3K/Akt/mTOR傳統(tǒng)信號途徑和LKB1/AMPK/mTOR非傳統(tǒng)信號途徑[26]。研究顯示,通過抑制mTOR信號通路,生物體對環(huán)境的抗壓能力增強(qiáng),可延長生物體壽命,并且mTOR信號通路在卡路里限制飲食所致的壽命延長過程中發(fā)揮重要作用。

總之,隨著社會人口老齡化的加劇,衰老相關(guān)性疾病發(fā)病率愈來愈高,給家庭、社會帶來極大的負(fù)擔(dān),積極探索衰老相關(guān)機(jī)制、探索延緩衰老的措施對于提高老年人的生活質(zhì)量具有重要意義。衰老是由多種因素共同作用的結(jié)果,近年來隨著人們對衰老及衰老相關(guān)機(jī)制的不斷研究,關(guān)于衰老的相關(guān)信號通路也得到了比較深入的研究,對臨床治療衰老相關(guān)性疾病具有重要的意義。