細胞衰老機制與臨床表現(xiàn)的相關研究進展

沈翌軒 田瑞娟 胡 璐 肖家元 鄭 凌

(武漢市第六中學 武漢 430000)

細胞衰老是自然界的普遍現(xiàn)象，從受精卵開始，通過分裂、分化出執(zhí)行不同功能的細胞，同時伴隨著細胞的衰老，直至凋亡。1961年Hayflick[1]等研究發(fā)現(xiàn)，細胞存在增殖極限[2]，即正常細胞不會無限增殖；另有研究顯示[3]，人成纖維細胞的增殖能力在經(jīng)過初期的有絲分裂后會逐漸減弱，但在有絲分裂停止后，細胞仍能維持一段時間的生長代謝并存活數(shù)周，這一細胞生命過程稱為細胞衰老[3]。可見細胞衰老是一種應激行為，它是由于細胞受到一些特定刺激而誘發(fā)產(chǎn)生的。本研究將對細胞衰老的誘因、信號通路、應答機制、微觀過程和宏觀表現(xiàn)等相關研究進行綜述，將對開辟抵抗衰老的新途徑產(chǎn)生積極意義。

1 細胞衰老概述

生物體的衰老定義是指與年齡相關的內(nèi)在生理功能下降，細胞衰老則是與時間相關的細胞固有功能(如細胞內(nèi)、細胞間通訊運輸和細胞分裂復制等)功能喪失，以致衰老的細胞死亡或被其他細胞清除[4～6]。幾乎所有類型的細胞均會發(fā)生衰老，而不同類型的細胞其衰老表現(xiàn)亦是不同的，如有絲分裂細胞復制性衰老[7]則表現(xiàn)為分裂停止，終末期分化的細胞(如神經(jīng)元、吞噬細胞、骨細胞等)則表現(xiàn)為一些特定功能的喪失。

在研究過程中，我們常將細胞衰老分為復制性衰老和非復制性衰老。我們常見的復制性衰老是細胞復制性衰老，生物的復制性衰老[7]、器官復制性衰老[8～9]和細胞器的復制性衰老[10]，其復制能力喪失主要因為細胞復制困難導致染色體損傷和細胞復制障礙所致[11]；而非復制性衰老主要是由于細胞加工、運輸、分泌功能的障礙，引起細胞膜性結構損傷和代謝障礙，導致細胞特殊分化動能的喪失。

2 細胞衰老誘因及相關理論

半個世紀以來，相關研究者們致力于研究衰老發(fā)生的原因及機制，然而細胞衰老是一個復雜的過程，單一學說尚不能闡明細胞衰老的病理生理過程。近年來，多個有關衰老起因的觀點或學說被學者提出，如衰老的損傷積累理論，細胞衰老的端粒假說，細胞衰老的線粒體損傷論等。

2.1 衰老的基因損傷累積理論

該理論是指維持和修復功能不能滿足無限存活需求而引起的。這里最具代表性的理論是錯誤成災理論，即細胞內(nèi)的蛋白質和核酸在細胞內(nèi)外各種理化因素發(fā)生改變的情況下合成錯誤，這些錯誤會逐漸累積，并不斷擴大，進而導致細胞代謝功能大幅降低，引起細胞衰老，甚至開啟凋亡程序。

2.2 細胞衰老端粒假說

Harley于1990年提出細胞衰老端粒假說[12]，他認為生殖細胞的端粒相當穩(wěn)定，不會衰老是由于端粒酶的存在所致；同時具有這種端粒的細胞會因為P53的活化和DDR 信號的持久表現(xiàn)而促進衰老相關的停滯[13]。有研究表明，少數(shù)長壽物種除基因控制外，其壽命長也可能因為其細胞內(nèi)的端粒酶在一定程度上表達了活性。

2.3 細胞衰老的線粒體損傷論

Amteim通過PCR研究發(fā)現(xiàn)胎腦和胎心沒有線粒體的損傷，而成人神經(jīng)細胞、骨骼肌細胞和心肌細胞的線粒體則有DNA片段的丟失。研究發(fā)現(xiàn)老齡人各種mtDNA缺失突變存在突變“熱點”，即缺失突變片段5'端和3'端斷裂位點的側翼有4～13bp同向重復序列，如5kb常見的側翼為13bp的5'端ACCTCCCTCACCA重復序列。動物實驗中也證明了隨著年齡增加，線粒體DNA的丟失頻率也相應增高。如果人體組織器官在同一細胞內(nèi)發(fā)生多次突變并產(chǎn)生時間性累積，會導致生物化學缺陷，同時隨著其比例的增加，最終加速了老化過程[14]。

3 細胞衰老相關信號通路

目前有多條和細胞衰老緊密相關的信號通路，人們研究最多的包括p16通路、mTOR通路、P53通路等。人類P16Ink4a基因全稱為周期素依賴性蛋白激酶抑制劑2A(cyclin-dependent kinase inhibitor 2A，CDKN2A),研究表明P16、P14等基因在哺乳動物衰老中有著一定作用，其信號通路參與了細胞衰老的調控過程[15]。P16基因的過量表達導致了具有自我更新能力的細胞修復潛能下降，如造血干細胞(HSCs)，具有遺傳毒性的刺激(如電離輻射)，可以有效誘導造血干細胞(HSCs)中P16基因的表達，如果敲除P16和ARF，則增強了被輻射誘導的小鼠HSCs細胞的再生，結果證明P16的表達是HSCs的衰老機制之一[16]。

mTOR是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，mTOR信號通路[17]在誘導衰老過程中起到重要作用。mTOR的分子量為289kd，在進化中高度保守，細胞內(nèi)存在mTORC1和mTORC2兩種不同的復合物，其中mTORC1主要抑制溶酶體形成，促進脂肪生成、蛋白質合成和能量代謝；mTORC2則在骨架細胞和肌動蛋白細胞的存活、代謝等方面發(fā)揮重要作用[18]。近年來，通過基因敲除、雷帕霉素處理或飲食限制等手段可激活相應通路保留細胞及組織功能以延長壽命[19～22]。當能量攝取減少10%～50%時，mTORC1通路會直接受到抑制[23]。因此，如果能根據(jù)不同組織的特點，通過靶向作用手段而不是全面抑制mTOR信號通路，我們可以建立抗衰老的有效手段[24]。

4 細胞衰老的生物學特征

衰老的細胞在應對內(nèi)環(huán)境的刺激或者壓力的能力降低，其生理生化功能隨之發(fā)生改變，從而導致其形態(tài)結構和功能發(fā)生變化。

4.1 細胞內(nèi)水分減少

由于構成蛋白質親水膠體系統(tǒng)的膠粒受時間或其他因素的影響，逐漸失去電荷相互聚集、膠粒分散度降低及不溶性蛋白增多等原因，導致衰老的細胞內(nèi)水分減少，結果使細胞收縮、體積減小、核質比增大，失去正常球形。

4.2 色素生成和色素顆粒沉積

在分裂指數(shù)低或不分裂的細胞如干細胞、肌細胞和神經(jīng)細胞中色素沉積較為明顯，可能導致細胞內(nèi)物質運輸或信號交流受阻。

4.3 細胞膜流動性降低

隨著年齡的增大，膜結構中的磷脂含量降低，膽固醇與磷脂的比值逐漸升高，但不飽和脂肪酸含量及卵、鞘磷脂的比值卻下降，這就導致了質膜黏性升高，流動性降低。再加上質膜上發(fā)生的過氧化反應，使細胞的興奮性降低，離子轉運下降以及對內(nèi)、外源性的刺激敏感度也隨之降低。

4.4 蛋白質合成速率降低及錯誤增多

因為核糖體的準確性和效率降低導致細胞合成蛋白質速率下降，有研究顯示蛋白質合成折疊因子活性下降也是一個重要因素，同時最新研究亦發(fā)現(xiàn)腦衰老與蛋白質折疊錯誤和內(nèi)質網(wǎng)壓力密切相關[25]。

5 細胞衰老在臨床上的表現(xiàn)

5.1 神經(jīng)退行性疾病

一些以ATP為主要能源且代謝較為旺盛的區(qū)域如腦、肌肉、心臟等較為容易發(fā)生mtDNA突變及自由基的累積，其表現(xiàn)即為帕金森氏病、阿茲海默病等。

帕金森氏病(PD)主要是因為大腦黑質中的多巴胺(DA)神經(jīng)元變性導致紋狀體系統(tǒng)DA含量降低引起震蕩麻痹等癥狀的疾病。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，PD患者大腦黑質區(qū)的鐵蛋白含量明顯低于正常人，而其鐵的含量卻較高[26]，這說明其不穩(wěn)定狀態(tài)即還原態(tài)的鐵濃度較高，易于催化氧化反應，所以PD病人體內(nèi)的H2O2可經(jīng)低價鐵的催化產(chǎn)生更具破壞性的羥自由基，加劇其體內(nèi)脂質的過氧化和生物膜的破壞，進而加速相關細胞的衰老，引發(fā)PD等病癥。

5.2 代謝綜合征

代謝綜合征是一種代謝紊亂癥候群，由多種代謝成分聚集所導致，是老年人常見疾病的主要危險因素，如糖尿病、冠心病、腦卒中等器官損害與高血壓、肥胖及糖脂代謝紊亂等密切相關。冠心病，主要病因包括由于冠狀動脈堵塞導致某些心肌細胞供氧不足，進而引發(fā)細胞衰老；幽門螺桿菌(HP)感染使患者血甘油三酯升高，高密度脂蛋白含量降低，并可能激活動脈內(nèi)膜炎癥反應和自身免疫反應，進而引起動脈粥樣硬化(AS)損傷，致使冠心病發(fā)病率升高[27]；另外，包括巨細胞病毒、低濃度的血清總膽紅素、肺炎衣原體感染等因素，將引起心肌細胞的損傷衰老甚至壞死，引發(fā)冠心病[28～32]。

5.3 黃斑病變

老年性黃斑變性是黃斑區(qū)結構的衰老性改變，是致盲的重要原因[33～34]。糖尿病相關性黃斑病變是指黃斑水腫、滲出及增殖型糖尿病視網(wǎng)膜病變對黃斑的侵犯，其主要表現(xiàn)為黃斑水腫。

隨著對細胞及生物體衰老的深入認識，人們將更加清楚地了解到衰老發(fā)生的病理生理機制，從基因水平上進行調控和干預病理性衰老過程，這將為今后研發(fā)更加有效治療衰老相關疾病的藥物提供新思路，為生命科學的發(fā)展做出重大貢獻。