自噬與衰老關(guān)系的研究進(jìn)展

衰老是一種自然的、不可避免的生命過程,是一種復(fù)雜的自然現(xiàn)象,主要表現(xiàn)為機(jī)體結(jié)構(gòu)和功能的衰退以及適應(yīng)性和抵抗力的降低。衰老的進(jìn)行性發(fā)展可引發(fā)多種疾病,使國家疾病負(fù)擔(dān)日益加重,這已成為我國乃至全世界面臨的重大問題。細(xì)胞自噬被認(rèn)為與衰老有著密切的聯(lián)系,通過干預(yù)細(xì)胞自噬改善衰老狀態(tài)已成為近年研究的新方向。

1 衰老的概述及其相關(guān)學(xué)說

衰老是機(jī)體各種生化反應(yīng)及體內(nèi)外諸多因素綜合作用的結(jié)果,表現(xiàn)為機(jī)體各器官、組織和細(xì)胞結(jié)構(gòu)的退行性變及其機(jī)能的衰退。隨著現(xiàn)代研究技術(shù)的不斷發(fā)展,人們對于衰老的認(rèn)識(shí)也逐漸深入,從自然界中尋找某些活性物質(zhì)對衰老發(fā)生機(jī)制進(jìn)行干預(yù)來延緩其進(jìn)程已成為當(dāng)下科學(xué)研究的一大熱點(diǎn)[1]。

目前,人們普遍認(rèn)可的有關(guān)衰老機(jī)制的學(xué)說主要有以下幾種:基因?qū)W說、自由基學(xué)說、線粒體損傷學(xué)說、內(nèi)分泌功能減退學(xué)說、免疫衰老學(xué)說、糖基化衰老學(xué)說、DNA損傷積累學(xué)說、端粒縮短學(xué)說等,其中對自由基學(xué)說和線粒體損傷學(xué)說的研究較多。自由基學(xué)說認(rèn)為自由基具有極強(qiáng)的氧化能力,可使生物膜中不飽和脂類發(fā)生過氧化,使得生物膜硬化而影響細(xì)胞的物質(zhì)交換[2],且自由基對生物大分子物質(zhì)的氧化損傷也會(huì)加速衰老進(jìn)程[3]。線粒體損傷學(xué)說認(rèn)為老化組織細(xì)胞中線粒體煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)水平降低,而提高線粒體NAD+水平則可以延緩細(xì)胞衰老[4]。其他一些有關(guān)學(xué)說也分別從不同的角度對衰老的機(jī)制作出了合理的論述。

2 細(xì)胞自噬及調(diào)節(jié)自噬的幾種通路和因子

細(xì)胞自噬是一個(gè)廣泛存在于真核細(xì)胞生物內(nèi)進(jìn)化保守的分解代謝途徑,主要分為兩個(gè)步驟。首先,細(xì)胞內(nèi)的目標(biāo)物被膜結(jié)構(gòu)包裹形成自噬小泡并與溶酶體結(jié)合形成自噬溶酶體。然后,自噬溶酶體將被包裹的物質(zhì)進(jìn)行降解[5]。在酵母菌和哺乳動(dòng)物細(xì)胞中,當(dāng)營養(yǎng)缺乏時(shí)自噬可以降解大分子物質(zhì)生成營養(yǎng)物和能量供細(xì)胞利用。自噬還可以降解細(xì)胞內(nèi)異常的蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài),如實(shí)驗(yàn)已證明miR-124能通過靶向基因Bim調(diào)節(jié)自噬,下調(diào)與帕金森病(PD)相關(guān)的突變?chǔ)?突觸核蛋白(α-SYN)的表達(dá)而保護(hù)1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶(MPTP)誘導(dǎo)的慢性PD小鼠模型多巴胺神經(jīng)元以改善小鼠的PD癥狀[6]。在氧化應(yīng)激狀態(tài)下,自噬可以緩解細(xì)胞的氧化損傷狀態(tài),起到保護(hù)細(xì)胞的作用,如提高自噬水平可以減輕對硝基酚(PNP)對雌性小鼠生殖細(xì)胞的氧化損傷[7]。不僅如此,自噬還影響著生物體的很多生理和病理活動(dòng),例如饑餓適應(yīng)[8]、腫瘤抑制[9]、細(xì)胞的生存和死亡[10]等,自噬也可以促進(jìn)多種細(xì)菌和病毒的降解,在感染性疾病中起到保護(hù)作用[11]。

細(xì)胞自噬的調(diào)節(jié)與多個(gè)通路和因子有關(guān),目前研究比較透徹的是 Bcl-2蛋白家族、哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)通路、腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)通路和p53通路。還有一些自噬相關(guān)通路和因子近來也引起了研究者們的極大關(guān)注,如sirtuin type3(SIRT3)蛋白可以通過去乙?；疐orkhead box O3(FOXO3a)增加自噬相關(guān)蛋白 Bnip3和Nix的表達(dá)及LC3Ⅱ/Ⅰ的比值誘導(dǎo)線粒體自噬。有研究表明激活sirt3-foxo3a-parkin信號通路可以保護(hù)鏈脲佐菌素(STZ)誘發(fā)的糖尿病心肌病小鼠模型的心肌細(xì)胞[12]。微小RNA(miRNA)也可通過多種途徑對自噬進(jìn)行調(diào)控,如miR-30a,miR-376b和miR-216a可直接負(fù)性調(diào)控Beclin-1的表達(dá)降低自噬活性[13],miR-155可以沉默mTOR上游與3′-UTR結(jié)合的自噬負(fù)調(diào)控因子Rheb促進(jìn)自噬來減輕細(xì)胞氧化損傷和衰老[14]。

3 自噬與衰老的關(guān)系

細(xì)胞自噬和細(xì)胞衰老都是細(xì)胞對刺激的應(yīng)答方式,大量證據(jù)表明自噬可以調(diào)節(jié)細(xì)胞衰老進(jìn)程并影響細(xì)胞的壽命。隨著年齡的增大,機(jī)體自噬水平會(huì)下降,表現(xiàn)為老化的組織中自噬相關(guān)蛋白和其他誘導(dǎo)自噬的蛋白表達(dá)下降[15]。研究還發(fā)現(xiàn),衰老模型小鼠自噬抑制因子miR-22表達(dá)增加,且miR-22能誘導(dǎo)心臟成纖維細(xì)胞的衰老和遷移,說明抑制自噬會(huì)加重衰老相關(guān)病理[16]。

3.1 自噬與老年病 細(xì)胞自噬不僅對衰老本身有重大意義,而且在衰老相關(guān)疾病中也起到重要作用。PD、阿爾茨海默病(AD)和亨廷頓病(HD)是一些與年齡相關(guān)的神經(jīng)退行性病變,常伴有異常蛋白的積聚,其降解途徑主要涉及泛素-蛋白酶體系統(tǒng)和自噬。

3.1.1 PD：PD是常見的年齡相關(guān)的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病,其發(fā)病機(jī)制主要是線粒體功能障礙,路易小體中的α-SYN的累積是加重線粒體功能障礙的因素之一,且功能障礙的線粒體需要向自噬體轉(zhuǎn)移進(jìn)行清除。自噬的幾種類型中,主要是大自噬(包括線粒體自噬)和分子伴侶介導(dǎo)的自噬參與PD的發(fā)病過程[17]?，F(xiàn)也有研究證明，miR-124通過靶基因Bim能有效促進(jìn)MPTP誘導(dǎo)的PD小鼠模型的自噬過程而減少多巴胺能神經(jīng)元的缺失[6]。這提示我們,改善細(xì)胞自噬水平可能是減輕PD癥狀的一個(gè)有效的神經(jīng)保護(hù)措施。

3.1.2 AD：AD是發(fā)生于老年前期和老年期的一種蛋白異常折疊和聚積的疾病,主要病因是微管結(jié)合蛋白Tau過度磷酸化形式異常累積,導(dǎo)致神經(jīng)纖維纏結(jié)以及神經(jīng)斑塊中β-淀粉樣肽(Aβ)累積。自噬可以清除異常蛋白而對該疾病具有一定的保護(hù)作用,且Beclin-1被證明與這一機(jī)制密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn),模型小鼠AD早期受影響的腦區(qū)Beclin-1明顯減少,而Beclin-1的過表達(dá)則可以減少模型小鼠 Aβ所致的病理結(jié)果,因此,通過某些途徑提高Beclin-1水平來改善自噬可能成為治療AD的新方法[18]。

3.1.3 HD:HD病人主要的病理變化是第四號染色體上的亨廷頓基因1號外顯子5′端的CAG三核苷酸序列重復(fù)擴(kuò)增導(dǎo)致突變的亨廷頓蛋白(mHtt)在神經(jīng)元內(nèi)聚集[19]。HD自噬改變的確切途徑尚不完全清楚,但是增強(qiáng)自噬已被證明有助于清除mHtt。在典型的自噬途徑中ULK1磷酸化Atg14促進(jìn)Vps34脂質(zhì)激酶活性,而在HD細(xì)胞模型和動(dòng)物模型中發(fā)現(xiàn)Atg14磷酸化和Vps34活性受損,這表明激活ULK1和Vps34可能是治療HD的潛在靶點(diǎn)[20]。

3.2 自噬與抗衰老藥物的研究現(xiàn)狀 近年來,人們對細(xì)胞自噬與衰老及衰老相關(guān)疾病的相互關(guān)系有了更加深入的研究,通過調(diào)節(jié)自噬來改善衰老或疾病狀態(tài)逐漸成為人們所期待的延長壽命的可能方式。通過實(shí)驗(yàn)室細(xì)胞培養(yǎng)、動(dòng)物模型和臨床試驗(yàn)涌現(xiàn)出一大批調(diào)節(jié)細(xì)胞自噬的藥物,被廣泛關(guān)注的主要有以下幾種。

3.2.1 雷帕霉素:雷帕霉素是吸水鏈霉菌產(chǎn)生的一種具有廣泛抑制增殖作用的大環(huán)內(nèi)酯類抗生素。在對自噬的調(diào)節(jié)中,哺乳動(dòng)物mTOR通路及其相關(guān)因子發(fā)揮了直接的調(diào)節(jié)作用,雷帕霉素是mTOR通路最為直接的抑制劑,其通過與細(xì)胞內(nèi)分子量12 kU的受體FKBP12(FKB506結(jié)合蛋白)結(jié)合形成 FKBP-雷帕霉素復(fù)合物,再與 mTOR的FRB區(qū)相結(jié)合,從而抑制mTOR的激酶活性,誘導(dǎo)自噬發(fā)生[21]。實(shí)驗(yàn)已發(fā)現(xiàn)雷帕霉素誘導(dǎo)自噬可激活PI3K/Akt1-mTOR-CREB信號通路而減輕AD大鼠模型的神經(jīng)退行性損傷[22],提示我們,運(yùn)用雷帕霉素可能成為治療AD的一種新方式。

3.2.2 白藜蘆醇:白藜蘆醇是葡萄、虎杖、決明子、花生等天然植物合成的一種天然多酚化合物,是一種卡路里限制模仿物,有延長壽命的功效?，F(xiàn)已證實(shí),白藜蘆醇對衰老的保護(hù)作用是基于SIRT1依賴性的自噬激活[23]。mTOR/Rictor、 Akt/m TOR、AMPK/SIRT1、ROS、P38 MAPK、JNK 等也可能是介導(dǎo)白藜蘆醇調(diào)節(jié)自噬的重要分子,它還可以通過直接調(diào)節(jié)Atg7來調(diào)節(jié)自噬。在一項(xiàng)關(guān)于衰老C57小鼠心肌功能檢測的研究中發(fā)現(xiàn)白藜蘆醇能恢復(fù)SIRT1的活性,降低 Beclin-1乙?；?提高衰老心肌的自噬水平,這也為白藜蘆醇治療衰老相關(guān)的心臟疾病提供了新的依據(jù)[24]。

3.2.3 其他有關(guān)自噬的抗衰老藥物:亞精胺是一種天然存在的多胺,可調(diào)控多種不同的細(xì)胞生命活動(dòng),用其處理酵母細(xì)胞能夠延長酵母細(xì)胞壽命，可能是由于影響了許多自噬蛋白的乙?；癄顟B(tài)而增強(qiáng)細(xì)胞自噬活性。海藻糖是一種天然非還原性雙糖,其對多種生物活性物質(zhì)具有非特異性保護(hù)作用。研究發(fā)現(xiàn)海藻糖能通過P38 MAPK依賴性信號傳導(dǎo)途徑促進(jìn)大鼠瓣膜細(xì)胞自噬，比二甲基亞砜(DMSO)能更好地保持凍存大鼠瓣膜細(xì)胞功能,這為瓣膜移植物的儲(chǔ)存提供了新的有意義的冷凍保存方法[25]。中藥在抗衰老作用的研究中意義深遠(yuǎn),某些中藥對細(xì)胞自噬也有一定的調(diào)控作用,如枸杞多糖[26]、青蒿素[27]、姜黃素[28]等,這些將來也可能成為自噬相關(guān)抗衰老藥物的研究對象。

4 結(jié)語

衰老過程中伴有自噬活性的減低,通過適度調(diào)節(jié)自噬可以延緩衰老、改善老年相關(guān)疾病。但是,人們對自噬的過程了解和掌控的還不夠全面,對自噬的研究大多還是基于實(shí)驗(yàn)室細(xì)胞或動(dòng)物模型。目前,影響自噬的化合物缺乏特異性和靶向性,因而調(diào)節(jié)自噬的藥物在衰老相關(guān)疾病或者其它疾病的治療中還沒有被很廣泛地應(yīng)用。值得肯定的是,通過調(diào)節(jié)自噬延緩衰老的方法已經(jīng)被越來越多的研究者所認(rèn)同,從整體水平上調(diào)節(jié)自噬來改善衰老狀態(tài)已成為一種可能,相信隨著對衰老與自噬研究的不斷深入,越來越多的自噬相關(guān)抗衰老藥物會(huì)走進(jìn)人們的生活中,使人們從中受益。