自噬調(diào)控衰老的研究進展

牟婕，馮文靜，王珊，馮美蘋，毛擁軍

(青島大學(xué)附屬醫(yī)院老年醫(yī)學(xué)科，青島 266000)

衰老是影響老年人健康的重要危險因素，與許多慢性疾病的發(fā)生密切相關(guān)。近30年世界人口平均預(yù)期壽命增加了6歲，預(yù)計到2050年，全球>60歲人口比例將達(dá)22%，衰老相關(guān)疾病的發(fā)病率也隨之升高[1]。隨著人口老齡化日益加劇，衰老及抗衰老相關(guān)機制的研究已成為醫(yī)學(xué)界的重大任務(wù)。自噬是存在于細(xì)胞內(nèi)的一種高度保守的降解機制，可以清除受損的細(xì)胞器和生物大分子，從而維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)[2]。研究表明自噬水平隨年齡增長而逐漸降低，增強機體自噬水平可抑制受損蛋白質(zhì)積累，延緩?fù)诵行愿淖兊陌l(fā)生，從而延長壽命[3]。自噬調(diào)節(jié)在衰老的發(fā)生和發(fā)展中起重要的作用，本文就自噬調(diào)節(jié)對衰老相關(guān)疾病的影響進行了綜述。

1 自噬概述

自噬是生物進化中一種高度保守的分解代謝過程，可將細(xì)胞內(nèi)受損的細(xì)胞器和大分子物質(zhì)降解并循環(huán)利用，通過多種途徑將胞質(zhì)中的受損物質(zhì)運送至溶酶體進行降解，根據(jù)降解途徑不同，分為微自噬、分子伴侶介導(dǎo)的自噬和巨自噬3種類型[4]。微自噬相對簡單，激活后溶酶體膜可直接突出，將細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的物質(zhì)內(nèi)陷包裹從而降解[5]。目前對微自噬的研究相對較少[6]。

1.1 分子伴侶介導(dǎo)的自噬

分子伴侶介導(dǎo)的自噬是一種具有高度選擇性的降解途徑，只能降解一些具有5個短肽序列的蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)的5個短肽序列可被分子伴侶熱休克蛋白70(heat shock cognate protein 70, HSP70)識別，靶向運送至溶酶體并與溶酶體相關(guān)膜蛋白2A(lysosomal-associated membrane protein 2A,LAMP2A)結(jié)合，最終進入溶酶體而被溶酶體酶降解[7]。分子伴侶介導(dǎo)的自噬可清除錯誤折疊的蛋白質(zhì)， 控制蛋白質(zhì)質(zhì)量，也是胞質(zhì)中能量和氨基酸的來源之一。

1.2 巨自噬

巨自噬是最常見且研究最多的一種類型。其自噬過程可分為以下幾步：(1)刺激信號誘導(dǎo)自噬啟動；(2)胞質(zhì)中出現(xiàn)雙層膜結(jié)構(gòu)；(3)雙層膜逐漸擴展延伸將受損物質(zhì)及細(xì)胞碎片包裹，形成自噬小體；(4)自噬小體與溶酶體融合；(5)溶酶體釋放溶酶體酶將被包裹的物質(zhì)降解并循環(huán)利用[4]。巨自噬的降解過程存在于大多數(shù)真核生物內(nèi)，本文講述的與衰老相關(guān)疾病的自噬主要是巨自噬。

1.3 衰老

衰老是一個復(fù)雜的過程，是多種疾病發(fā)生的重要危險因素，衰老相關(guān)性器官退行性變可引起多種疾病的發(fā)生[8, 9]。具體機制可能是機體細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)失衡導(dǎo)致異常生物大分子和細(xì)胞器逐漸累積，堆積的異常物質(zhì)損害細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)和組織器官的完整性，從而引起機體功能紊亂，最終導(dǎo)致疾病甚至死亡[6]。

2 自噬與衰老相關(guān)疾病

自噬是衰老進程中的重要調(diào)節(jié)機制之一。在哺乳動物中，自噬蛋白缺失可導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)錯誤折疊的蛋白質(zhì)和異常線粒體積累，從而引起早衰和器官功能障礙[10]。自噬在衰老相關(guān)慢性疾病中扮演著重要角色，自噬能力降低可導(dǎo)致神經(jīng)退行性疾病、癌癥、心血管疾病、代謝綜合征、骨關(guān)節(jié)炎、以及感染和炎癥等[10, 11]。

2.1 自噬與阿爾茨海默病

大腦是人體中的高耗能器官，腦組織需要大量能量進行生物合成和新陳代謝，機體衰老后新陳代謝降低可導(dǎo)致認(rèn)知功能減退，這是神經(jīng)退行性疾病的重要危險因素[12]。阿爾茨海默病(Alzheimer disease,AD)是老年癡呆最常見的一種類型。AD的病理特征為大腦中β淀粉樣蛋白(amyloid β-protein,Aβ)沉積，特別是Aβ1-42沉積。研究表明，衰老機體自噬標(biāo)志物微管相關(guān)蛋白輕鏈3(microtubule-associated protein-light-chain-3, LC3)表達(dá)減少，自噬水平下降，導(dǎo)致Aβ1-42沉積增加；提高機體自噬水平可減少Aβ1-42沉積，延緩認(rèn)知功能障礙[13]。雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)是自噬調(diào)節(jié)中的關(guān)鍵因子，mTOR分為mTORC1和mTORC2，mTORC1通過抑制ULK1活化而抑制自噬形成；mTORC2使Akt磷酸化，磷酸化的Akt可激活mTORC1通路抑制自噬，也可抑制核轉(zhuǎn)錄因子FoxO3的活化從而抑制自噬。Spilman 等[14]提出，雷帕霉素可能通過阻斷mTOR對FoxO3的抑制，激活自噬，延緩AD小鼠的認(rèn)知功能障礙。

2.2 自噬與衰老相關(guān)性心功能不全

心血管疾病是導(dǎo)致老年人死亡的主要原因，而衰老是心血管疾病發(fā)生和發(fā)展的獨立危險因素。近年隨著人口老齡化加劇，心血管疾病給人類和社會帶來了巨大的精神和經(jīng)濟負(fù)擔(dān)。衰老心臟會發(fā)生一系列病理性改變，包括舒張功能不全、心肌肥厚、左心室肥大以及心肌纖維化等[15]。大量實驗證明，增強衰老機體的自噬水平，可以改善心功能不全、心肌肥厚和心肌纖維化等，達(dá)到心臟保護的作用。Ren等[16]的研究顯示，衰老的小鼠可出現(xiàn)心室重構(gòu)和心肌纖維化，長壽基因Sirt1、自噬標(biāo)志蛋白LC3B、Beclin-1表達(dá)下調(diào)，衰老增加Akt磷酸化和核轉(zhuǎn)錄因子FoxO1的乙酰化，而Akt2基因敲除的衰老小鼠與正常衰老小鼠相比，Sirt1、LC3B、Beclin-1表達(dá)增加，自噬水平增強，線粒體形態(tài)完整，心肌纖維化減少?？诜喚房梢匝娱L小鼠壽命，防止衰老小鼠心肌肥大，保護其心肌舒張功能，并增強小鼠心臟自噬和線粒體自噬水平；而亞精胺對自噬相關(guān)基因5(autophagy-related gene 5, Atg 5)敲除的小鼠則沒有這種心臟保護作用[17]，該研究結(jié)果證明亞精胺可能通過增強心臟和線粒體自噬水平而延緩心臟衰老，延長小鼠壽命。機體老化后可出現(xiàn)動脈硬化及內(nèi)皮細(xì)胞功能紊亂，增加心血管疾病風(fēng)險。LaRocca等[18]發(fā)現(xiàn)C57BL/6衰老小鼠主動脈氧化應(yīng)激增加，超氧化物及蛋白質(zhì)交聯(lián)增多，LC3-Ⅱ表達(dá)下調(diào)，自噬小體降解相關(guān)蛋白p62/SQSTM1表達(dá)上調(diào)，給予亞精胺后，LC3-Ⅱ表達(dá)上調(diào)，p62/SQSTM1表達(dá)下調(diào)，同時可逆轉(zhuǎn)動脈硬化并恢復(fù)內(nèi)皮細(xì)胞功能，該結(jié)果表明亞精胺可能通過激活自噬而延緩動脈老化，并預(yù)防衰老相關(guān)性心血管疾病的發(fā)生。

2.3 自噬與衰老相關(guān)性骨關(guān)節(jié)炎

骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis,OA)是最常見的關(guān)節(jié)疾病，也是引起慢性疼痛和致殘的主要原因[19]。隨著年齡增長，OA發(fā)病率逐漸升高[20]。在氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的衰老模型中伴隨大量活性氧(reactive oxygen species,ROS)的產(chǎn)生，ROS可改變軟骨細(xì)胞線粒體膜通透性，使大量的細(xì)胞色素C(cytochrome，C)釋放入胞質(zhì)，同時激活caspase-3等凋亡相關(guān)蛋白，引起軟骨細(xì)胞凋亡，而軟骨細(xì)胞凋亡可促進OA的發(fā)生和發(fā)展。已有證據(jù)表明，自噬激活后可抑制Bax、caspase-8等凋亡蛋白的表達(dá)，防止細(xì)胞凋亡。用球形脂聯(lián)素預(yù)處理大鼠軟骨細(xì)胞24 h后給予過氧化氫誘導(dǎo)其凋亡，可觀察到球形脂聯(lián)素通過AMPK/mTOR信號通路激活自噬，增強LC3-Ⅱ、Beclin-1的表達(dá)，抑制凋亡相關(guān)蛋白的表達(dá)，防止軟骨細(xì)胞凋亡，從而延緩OA的發(fā)生和發(fā)展[21]。

2.4 自噬與衰老相關(guān)慢性腎功能衰竭

隨著年齡增長，腎臟可出現(xiàn)多種病理生理改變，如自我保護能力下降、對腎毒性損害的敏感性增加等[22]。自噬與維持腎臟正常功能關(guān)系密切。隨著年齡增長，腎臟中自噬相關(guān)基因Atg7的表達(dá)顯著降低，LC3表達(dá)減少，p62/SQSTM1在衰老腎臟中表達(dá)增加，提示衰老腎臟中自噬減少，通過電鏡可觀察到衰老腎臟細(xì)胞的線粒體腫脹，線粒體嵴消失，這些結(jié)果表明，自噬可能參與調(diào)控腎臟衰老[23]。

2.5 自噬與其他衰老相關(guān)疾病

自噬與多種衰老相關(guān)疾病關(guān)系密切。機體衰老后肝臟發(fā)生一系列病理改變，如脂肪變性、脂褐素沉積、纖維化等。研究顯示，年輕大鼠的血漿注射到老年大鼠體內(nèi)，可激活自噬，延緩老年大鼠的肝細(xì)胞衰老[24]。特發(fā)性肺纖維化是一種慢性肺間質(zhì)疾病，其發(fā)病率隨著年齡增長而增高，大量研究表明自噬與衰老引起的特發(fā)性肺纖維化有關(guān)。肺纖維化發(fā)生時，肺成纖維細(xì)胞線粒體損傷，線粒體的自噬調(diào)節(jié)能力下降；轉(zhuǎn)化生長因子β表達(dá)上調(diào)，激活mTOR而抑制細(xì)胞自噬。研究結(jié)果顯示激活自噬可能延緩特發(fā)性肺纖維化的進展，從而提高患者生活質(zhì)量[25-27]。肌少癥與衰老也密切相關(guān)，隨著年齡增加，人體肌肉含量及功能逐漸下降。對15個月齡小鼠進行阻力訓(xùn)練，持續(xù)34周后與對照組相比，長期阻力訓(xùn)練使小鼠肌肉線粒體數(shù)量及氧化能力增加，LC3-Ⅱ表達(dá)上調(diào)，該研究表明長期阻力訓(xùn)練可顯著改善線粒體損傷，激活自噬，從而預(yù)防衰老性肌少癥[28]。

總之，衰老是一個永恒話題，發(fā)生機制復(fù)雜，一直是研究熱點與焦點。自噬作為一種重要的代謝調(diào)節(jié)機制，已引起廣大研究者的關(guān)注。大量研究表明自噬與衰老密切相關(guān)，自噬調(diào)節(jié)可促進健康并延長壽命，但其作用機制仍不明確[29]。近年正在進一步研究自噬在多種衰老相關(guān)疾病中的作用，明確自噬調(diào)控衰老的機制。自噬調(diào)節(jié)作為治療衰老相關(guān)疾病的重要靶點，將有助于抗衰老藥物的研發(fā)，對抗衰老研究有重要意義。