衰老分子機(jī)制及相關(guān)疾病的研究進(jìn)展

蔣國 高郡茹 楊柳

廣西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院（廣西桂林541004）

衰老是指生物體的生理器官隨著年齡的增長而發(fā)生不可避免的功能性下降，內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定能力與應(yīng)激能力下降，結(jié)構(gòu)、組分逐步退行性變化，趨向死亡且不可逆轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。老齡化是癌癥、心血管疾病、糖尿病和神經(jīng)退行性疾病等人類疾病最主要的風(fēng)險(xiǎn)因素之一：全球每天大約有150 000 人死亡，其中約三分之二死于與年齡相關(guān)的原因［1］。然而，衰老又在機(jī)體正常發(fā)育、維持組織穩(wěn)態(tài)和抑制腫瘤細(xì)胞增殖中起重要作用。因此，了解衰老如何起作用，如何影響器官功能，以及如何預(yù)防、減緩衰老變得至關(guān)重要。在過去的幾十年中，已經(jīng)有許多相關(guān)研究報(bào)道了關(guān)于衰老過程中潛在分子機(jī)制的重要見解，如端?？s短、DNA 損傷積累、線粒體功能障礙和表觀遺傳改變等［2-3］，且調(diào)控衰老過程中相關(guān)信號(hào)通路可以改善許多與年齡相關(guān)的病理特征［4］。在這里，筆者綜述了目前已知的衰老分子機(jī)制及相關(guān)疾病，并回顧衰老和細(xì)胞衰老之間在細(xì)胞分子水平上的聯(lián)系，從而加深人們對衰老的理解以及為衰老相關(guān)疾病的防治提供新的依據(jù)。

1 衰老的分子機(jī)制

1.1 端?？s短端粒是一類具有封閉染色體臂的末端并維持基因組穩(wěn)定性功能的DNA-蛋白質(zhì)復(fù)合體結(jié)構(gòu)。在所有哺乳動(dòng)物中，端粒由高度保守的六聚體（TTAGGG）串聯(lián)重復(fù)DNA 序列形成。它被組織成一個(gè)稱為T 環(huán)的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，并與特殊蛋白質(zhì)相關(guān)，其中包括構(gòu)成Shelterin 復(fù)合物的蛋白質(zhì)。端粒的兩個(gè)主要功能：（1）保護(hù)染色體臂的末端免受不適當(dāng)?shù)腄NA 修復(fù)機(jī)制的影響，否則DNA修復(fù)機(jī)制可能會(huì)將松散的DNA 鏈識(shí)別為雙鏈斷裂并導(dǎo)致染色體融合事件的發(fā)生。（2）這種加帽結(jié)構(gòu)可防止由于DNA 復(fù)制不完整而導(dǎo)致染色體臂末端附近基因的降解［5］。因此，在人類和其他動(dòng)物的細(xì)胞分裂過程中，隨著DNA 不斷的復(fù)制，端粒為保護(hù)染色體末端而不斷地被消耗，長度逐漸變短。當(dāng)端粒長度變得非常短時(shí)，維持Shelterin復(fù)合體的能力就會(huì)喪失。反過來，Shelterin 復(fù)合物對DNA 損傷反應(yīng)途徑的抑制作用被釋放，細(xì)胞周期離開G1 期并進(jìn)入G0 期。這是由共濟(jì)失調(diào)毛細(xì)血管擴(kuò)張癥突變或共濟(jì)失調(diào)毛細(xì)血管擴(kuò)張癥和Rad3 相關(guān)蛋白途徑引發(fā)的，這兩者都導(dǎo)致p53的磷酸化、p21 的表達(dá)和細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶的抑制［6］。當(dāng)離開細(xì)胞周期后，細(xì)胞進(jìn)入衰老或細(xì)胞凋亡，而決定衰老或細(xì)胞凋亡的機(jī)制目前尚未明確。

最近有研究發(fā)現(xiàn)，在小鼠皮質(zhì)神經(jīng)細(xì)胞中與年齡相關(guān)的端?？s短不是由細(xì)胞組分的變化引起的，而由G2/M 期皮質(zhì)神經(jīng)細(xì)胞代表的細(xì)胞周期活性是年齡依賴性端?？s短的主要驅(qū)動(dòng)力，且在此過程中端粒酶的活性沒有改變，端粒逆轉(zhuǎn)錄酶蛋白的亞細(xì)胞含量隨著衰老而變化［7］。此外，神經(jīng)細(xì)胞和亞神經(jīng)元中的端粒隨細(xì)胞周期依賴性和非依賴性方式的衰老而縮短，非復(fù)制性神經(jīng)元被證明參與大腦中與年齡相關(guān)的端粒損耗過程，核因子（NF-κB）的亞基Rela 的敲減也不影響端粒酶活性或端粒長度，盡管它在老化條件下選擇性地上調(diào)。BOCCARDI 等［8］通過對來自35 例年齡在23～101 歲范圍內(nèi)的健康受試者的外周血單核細(xì)胞分析發(fā)現(xiàn)，端粒隨著供體年齡的增長而呈現(xiàn)出越來越多的異常結(jié)構(gòu)。盡管脆弱端粒的比例直到成年才會(huì)增加，但姐妹端粒缺失和姐妹端粒染色單體融合的染色體比例在整個(gè)人類壽命中持續(xù)增加，端粒復(fù)制缺陷（而非最終復(fù)制問題）會(huì)導(dǎo)致衰老相關(guān)的人類端粒侵蝕。

1.2 DNA 損傷積累DNA 損傷是復(fù)制過程中發(fā)生的DNA 核苷酸序列永久性改變，并導(dǎo)致遺傳特征改變的現(xiàn)象。研究表明，DNA 損傷是癌癥和衰老發(fā)生的共同基礎(chǔ)，并且其內(nèi)在原因是衰老最重要的驅(qū)動(dòng)因素［9-10］。基因組不斷暴露于各種類型的DNA 損傷，如果沒有得到正確的修復(fù)，DNA 損傷的不斷積累直接涉及癌發(fā)生和其他與年齡相關(guān)的疾病，如神經(jīng)退行性疾病和誘導(dǎo)促炎性細(xì)胞因子的分泌等。DNA 損傷導(dǎo)致細(xì)胞停止分裂或誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，從而進(jìn)一步加速細(xì)胞衰老。研究證明，小鼠中大多數(shù)突變發(fā)生在胚胎和幼年發(fā)育期間，因?yàn)槊看渭?xì)胞分裂都可能會(huì)出現(xiàn)DNA 復(fù)制錯(cuò)誤，而當(dāng)細(xì)胞頻繁分裂時(shí)，DNA 損傷水平升高［11］。此外，小鼠中自發(fā)性DNA 損傷可驅(qū)動(dòng)ROS 水平升高、細(xì)胞衰老以及與年齡相關(guān)的生理功能衰退［12］。

為了減弱DNA 損傷的有害影響，細(xì)胞已經(jīng)進(jìn)化出多種DNA 修復(fù)機(jī)制，其中核苷酸切除修復(fù)（NER）是最通用的DNA 修復(fù)途徑之一。STEURER 等［13］發(fā)現(xiàn)熒光標(biāo)記的光裂合酶（PLs）能夠有效識(shí)別UV 誘導(dǎo)的DNA 損傷而不阻斷NER 活性，且PLs 以高度敏感和劑量依賴的方式與受損DNA結(jié)合，可用于量化DNA 損傷負(fù)荷并實(shí)時(shí)確定修復(fù)動(dòng)力學(xué)。PLs可以在活細(xì)胞成像過程中通過405 nm激光照相再激活立即逆轉(zhuǎn)DNA 損傷，為研究病變特異性NER 動(dòng)力學(xué)和細(xì)胞對損傷清除的反應(yīng)開辟了新的可能性。此外，有研究發(fā)現(xiàn)脫嘌呤/脫嘧啶核酸內(nèi)切酶1 的（APE1）缺乏可抑制BER 的進(jìn)行，同時(shí)促進(jìn)人成纖維細(xì)胞衰老［14］。DNA 損傷應(yīng)答（DDR）是一種進(jìn)化上保守的信號(hào)級聯(lián)反應(yīng)，由DNA損傷激活，指導(dǎo)細(xì)胞進(jìn)行DNA 修復(fù)、衰老或凋亡。在高等生物中，DDR 通過準(zhǔn)確去除嚴(yán)重受損的細(xì)胞并以細(xì)胞自主方式阻止腫瘤轉(zhuǎn)化。然而，新出現(xiàn)的數(shù)據(jù)表明DDR 信號(hào)傳導(dǎo)也可以通過旁分泌/系統(tǒng)機(jī)制發(fā)揮作用，通過調(diào)節(jié)組織修復(fù)和免疫反應(yīng)來塑造系統(tǒng)環(huán)境。持續(xù)的DNA 損傷信號(hào)傳導(dǎo)可能導(dǎo)致DDR 發(fā)送“早期”和“晚期”細(xì)胞外信號(hào)，以及誘導(dǎo)衰老相關(guān)的分泌表型［15］。此外，DNA 損傷誘導(dǎo)的細(xì)胞衰老由腫瘤抑制因子p53 和p16INK4A 強(qiáng)烈介導(dǎo)，并且?guī)缀蹩偸桥c稱為DNASCARS 的核DDR 信號(hào)結(jié)構(gòu)的存在相關(guān)。

1.3 線粒體功能障礙線粒體通過氧化磷酸化（OXPHOS）在線粒體內(nèi)膜產(chǎn)生質(zhì)子梯度，然后被ATP 合成酶利用以氧依賴性方式產(chǎn)生ATP。線粒體具有調(diào)節(jié)糖異生，脂肪酸氧化，細(xì)胞內(nèi)鈣水平和細(xì)胞凋亡的功能，它也是細(xì)胞進(jìn)行有氧呼吸的場所，被喻為細(xì)胞的“動(dòng)力工廠”［16］。長期以來，維持線粒體功能正常對于細(xì)胞和生物體健康至關(guān)重要，線粒體功能障礙被認(rèn)為是衰老和與年齡有關(guān)的疾病的主要原因，例如代謝綜合征和神經(jīng)退行性心血管疾病。線粒體的完整性在衰老期間受到損害，如跨膜電位降低、以ATP 合成為代價(jià)增加氧自由基（ROS）形成、鈣失調(diào)、誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡和線粒體DNA 突變增加。因此，衰老過程中功能失調(diào)的線粒體的累積可產(chǎn)生大量的ROS 和氧化應(yīng)激反應(yīng)。KUBBEN 等［17］在表達(dá)mtDNA 聚合酶POLGα的校正缺陷型的敲入小鼠中證明了線粒體完整性和衰老之間的聯(lián)系，在這些小鼠中，由于mtDNA突變的累積，OXPHOS 效率降低，并且以ATP 的產(chǎn)生為代價(jià)增加ROS 形成而導(dǎo)致加速老化。UZHACHENKO 等［18］在Fus1 敲出的小鼠中發(fā)現(xiàn)維持線粒體穩(wěn)態(tài)的小線粒體蛋白Fus1 的缺失導(dǎo)致過早衰老和生存率降低，證明了Fus1 敲除的細(xì)胞的線粒體具有低儲(chǔ)備呼吸能力（在突然的能量需求情況下產(chǎn)生額外能量的能力），并且有調(diào)節(jié)線粒體鈣穩(wěn)態(tài)的作用。由Fus1 控制的鈣和能量穩(wěn)態(tài)可能是其衰老調(diào)節(jié)活動(dòng)的核心，因此，F(xiàn)us1 蛋白和Fus1 依賴性途徑和過程可能代表抗衰老策略的新工具和靶點(diǎn)。此外，細(xì)胞可以通過激活具有降低ROS 水平的抗氧化機(jī)制來破壞有害的ROS-線粒體的相互作用，通過過表達(dá)線粒體靶向的過氧化氫酶抗氧化劑來恢復(fù)線粒體完整性延長了小鼠的壽命，并防止了神經(jīng)退行性心臟病和癌癥的發(fā)生［19］。線粒體可能在衰老的病理生理學(xué)中或在導(dǎo)致衰老表型的某些事件的早期階段中起關(guān)鍵作用，因此，線粒體將越來越多地成為預(yù)防和治療慢性疾病并促進(jìn)健康老齡化的靶點(diǎn)。

1.4 表觀遺傳調(diào)控生物遺傳信息表達(dá)正確與否，既受控于DNA 序列，又受制于表觀遺傳學(xué)信息。表觀遺傳改變是指在不影響堿基對水平的DNA 序列的情況下實(shí)現(xiàn)的基因表達(dá)調(diào)控，包括DNA 甲基化，染色質(zhì)重塑（由組蛋白的翻譯后修飾和ATP 依賴的染色質(zhì)重塑復(fù)合物引起）和非編碼RNA。這些表觀遺傳機(jī)制的改變可影響絕大多數(shù)分子進(jìn)化過程，包括基因轉(zhuǎn)錄和沉默、DNA 復(fù)制和修復(fù)、細(xì)胞周期進(jìn)展、端粒和著絲粒結(jié)構(gòu)和功能等［20］。衰老是一個(gè)多元化的過程，其特征在于基因組中的遺傳和表觀遺傳變化，而表觀遺傳機(jī)制現(xiàn)已成為衰老的基因組結(jié)構(gòu)和功能改變的關(guān)鍵因素，也與HGPS、動(dòng)脈粥樣硬化等衰老相關(guān)疾病的發(fā)生密切相關(guān)［21-22］。研究發(fā)現(xiàn)，含有轉(zhuǎn)座子和其他重復(fù)元件的染色質(zhì)區(qū)域的表觀遺傳改變以及轉(zhuǎn)座因子的轉(zhuǎn)錄激活似乎是真核生物中衰老細(xì)胞的保守特征，而Sirtuins 對DNA 損傷的重新定位則可能會(huì)導(dǎo)致衰老期間的表觀遺傳變化和基因組不穩(wěn)定。關(guān)于表觀遺傳學(xué)與衰老之間關(guān)系的廣泛證據(jù)確實(shí)表明，人類壽命主要取決于表觀遺傳調(diào)控，而不是基因預(yù)測，同時(shí)飲食和其他環(huán)境影響可以通過改變表觀遺傳來影響壽命［23］。對于衰老和細(xì)胞衰老相關(guān)的表觀遺傳機(jī)制的探討，不能僅限于蛋白質(zhì)編碼基因試驗(yàn)，仔細(xì)研究基因組非遺傳部分的表觀遺傳修飾也是必需的。

1.5 其他衰老與細(xì)胞衰老的分子機(jī)制是一個(gè)極其復(fù)雜化的級聯(lián)反應(yīng)過程，涉及多方面的影響因素。除上述分子機(jī)制外，還有許多因素能夠加速機(jī)體衰老。如p53 和Rb 等腫瘤抑制基因的激活、LMNA 基因點(diǎn)突變、內(nèi)分泌功能減退、免疫系統(tǒng)和蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)破壞、飲食控制和mTOR 信號(hào)通路等均與衰老發(fā)生密切相關(guān)。此外，ZHU 等［24］研究發(fā)現(xiàn)FasL/Fas 信號(hào)傳導(dǎo)促進(jìn)了卵母細(xì)胞的衰老。FU 等［25］證明在嚴(yán)重的退行性椎間盤中，其酸性環(huán)境可通過調(diào)節(jié)p38 MAPK 途徑促進(jìn)髓核細(xì)胞衰老，該研究提供了一種在椎間盤退變過程中驅(qū)動(dòng)髓核細(xì)胞衰老的新機(jī)制。SONG 等［26］報(bào)道17β-雌二醇能夠通過p53 信號(hào)通路調(diào)節(jié)自噬，從而抑制人臍帶血管內(nèi)皮細(xì)胞的衰老。另有研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群依賴性代謝物三甲胺-N-氧化物通過氧化應(yīng)激加速內(nèi)皮細(xì)胞衰老和血管老化［27］。

2 衰老相關(guān)疾病

隨著對衰老機(jī)制的深入研究，已經(jīng)證實(shí)了多種與衰老相關(guān)的疾病，包括Hutchinson-Gilford 早衰綜合征、神經(jīng)退行性疾病、心血管疾病、慢性腎病、少肌癥、2 型-糖尿病、慢性阻塞性肺疾病和癌癥等。

2.1 Hutchinson-Gilford 早衰綜合征Hutchinson-Gilford 早衰綜合征（HGPS）是一種罕見的致命遺傳性疾病，一般發(fā)生在幼年兒童時(shí)期，患病的兒童過早表現(xiàn)出衰老的特征，例如皮膚異常、生長遲緩、脫發(fā)、關(guān)節(jié)活動(dòng)度低、小頜畸形和骨密度降低。HGPS 主要是由于LMNA 基因異常剪接和點(diǎn)突變而引起，如位于LMNA 基因第11 號(hào)外顯子中的G608G 突變（c.1824C ＞T），即LMNA 基因第1 824 位的堿基發(fā)生了由胞嘧啶C 變?yōu)樾叵汆奏的點(diǎn)突變，導(dǎo)致prelamin A 的C 末端附近50 個(gè)氨基酸的缺失，從而保留Prelamin A 的C-末端-CAAX 基序且被法呢基化和羧甲基化，產(chǎn)生異常的蛋白質(zhì)progerin。然而，progerin 缺乏內(nèi)切蛋白水解切割的第2 個(gè)位點(diǎn)，因此Prelamin A 的C-末端-CAAX 基序保持永久性法呢基化和羧甲基化，最終導(dǎo)致細(xì)胞和生物體的功能衰退［28］。Progerin 積累引起核形態(tài)學(xué)異常、基因表達(dá)失調(diào)、DNA 修復(fù)缺陷、端?？s短和基因組不穩(wěn)定性，所有這些都限制了細(xì)胞增殖能力。有趣的是，progerin 也在衰老細(xì)胞和老年人細(xì)胞中產(chǎn)生，表明progerin 積累可能是生理衰老的一個(gè)因素。解讀progerin 表達(dá)導(dǎo)致HGPS 的分子機(jī)制是一個(gè)新興的研究領(lǐng)域，它可以使我們更完全地理解衰老的病理學(xué)。另有研究證明，加速動(dòng)脈粥樣硬化是HGPS 的一個(gè)關(guān)鍵特征，盡管大多數(shù)HGPS 患者缺乏典型的心血管危險(xiǎn)因素，但他們通常死于動(dòng)脈粥樣硬化并發(fā)癥，平均年齡為14.6歲。此外，盡管DNA 損傷水平很高，但患有HGPS的兒童不會(huì)發(fā)生腫瘤，且發(fā)生糖尿病和慢性腎功能衰竭的風(fēng)險(xiǎn)并未增加［29-30］。研究［31-32］發(fā)現(xiàn)，HGPS iPS 衍生細(xì)胞具有進(jìn)行高通量藥物篩選的潛力，且揭示了progerin 在調(diào)節(jié)黑素生成中的直接作用，這些結(jié)果為找到HGPS 的治療化合物提供了依據(jù)，開辟了與正常和病理性衰老相關(guān)的色素沉著表型研究的新觀點(diǎn)。

2.2 神經(jīng)退行性疾病神經(jīng)退行性疾?。∟D）是一類常發(fā)生于老齡人群中的大腦和脊髓的細(xì)胞神經(jīng)元功能障礙和喪失引起的疾病，主要包括阿爾茨海默?。ˋD）和帕金森疾病（PD）。AD 是一種慢性神經(jīng)退行性疾病，其特征為癡呆、定向障礙、情緒波動(dòng)、食欲不振、言語混亂以及無法協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。AD 與突觸缺失、線粒體功能障礙、淀粉樣蛋白β（Aβ）產(chǎn)生和累積、炎癥反應(yīng)、磷酸化tau 形成和積累、細(xì)胞周期失調(diào)、膽堿酯酶傳遞受損、神經(jīng)傳遞缺陷和激素失衡、神經(jīng)元丟失和老年斑累積有關(guān)，而且還與骨質(zhì)疏松癥和肌肉萎縮的風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)。此外，miRNA 調(diào)節(jié)負(fù)責(zé)Aβ產(chǎn)生和磷酸化tau的基因，包括淀粉樣前體蛋白、早老素1 和早老素2［33］。而PD 則是一種影響運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)功能的長期性神經(jīng)退行性疾病，它使患者肢體僵硬、行走困難，并且在許多情況下導(dǎo)致癡呆和抑郁。PD 的遺傳形式包括α-突觸核蛋白、帕金蛋白、LRRK2、PINK1、DJ1 和ATP13A2 的突變。PD 的典型標(biāo)志包括路易體形式的α-突觸核蛋白的積累，其促成多巴胺能神經(jīng)支配的黑質(zhì)中的細(xì)胞死亡［17］。然而，導(dǎo)致這些疾病中神經(jīng)元功能障礙和死亡的確切機(jī)制仍然知之甚少。最近，MASS 等［34］證明小鼠EMP 譜系中的體細(xì)胞突變可以驅(qū)動(dòng)遲發(fā)性神經(jīng)變性，而且小膠質(zhì)細(xì)胞中MAP 激酶途徑的激活也是神經(jīng)變性的原因。有人提出，準(zhǔn)確的遺傳ND 蠕蟲模型與高通量自動(dòng)化藥物篩選平臺(tái)的結(jié)合是ND的早期治療藥物發(fā)現(xiàn)的潛在非常有效的策略［35］。

2.3 心血管疾病心血管疾病（CVDs）是指包括冠狀動(dòng)脈疾病、高血壓、心肌病、心律失常、心力衰竭和其他涉及心臟或血管的疾病，常發(fā)生于中老年人群中。動(dòng)脈粥樣硬化是引起CVDs 的主要原因之一，其特征是高水平的低密度脂蛋白攜帶氧化修飾物在血管壁中積聚，吸引吞噬免疫細(xì)胞形成斑塊，導(dǎo)致血流阻塞。在斑塊形成和擴(kuò)張期間，平滑肌增殖和內(nèi)皮NO 合酶水平下降可分別導(dǎo)致端?？s短和氧化應(yīng)激。衰老細(xì)胞可能導(dǎo)致斑塊不穩(wěn)定且更容易破裂，從而導(dǎo)致中風(fēng)和心肌梗塞等急性并發(fā)癥［36］。研究發(fā)現(xiàn)，肽基脯氨酰異構(gòu)酶（Pin1）通過影響pRb 通路以及cyclin 通路調(diào)控血管平滑肌細(xì)胞（VSMCs）衰老，是VSMCs 衰老調(diào)節(jié)機(jī)制中的關(guān)鍵因子，同時(shí)可能提供了一個(gè)調(diào)控動(dòng)脈粥樣硬化病理過程的新靶點(diǎn)［37］。此外，細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和基因表達(dá)的功能障礙最近已被證明是CVDs 發(fā)展的關(guān)鍵分子機(jī)制，其中激活轉(zhuǎn)錄因子3可能是CVDs 的潛在治療靶點(diǎn)［38］。迄今為止，除了ESCs 和iPSCs 外，所有干細(xì)胞類型都已用于臨床試驗(yàn)，相信干細(xì)胞療法可能會(huì)為CVDs 患者提供有效的治療方法［39］。

3 總結(jié)與展望

近年來，科學(xué)家們對衰老機(jī)制不斷深入研究，提出了各種新穎的理論觀點(diǎn)。雖然這些理論觀點(diǎn)對于衰老機(jī)制的認(rèn)識(shí)取得了有意義的進(jìn)展，但同時(shí)也存在許多局限性和不確定性。如許多已被證明與衰老發(fā)生相關(guān)的分子機(jī)制，它們相互關(guān)聯(lián)并不意味著因果關(guān)系；同時(shí)任何研究設(shè)計(jì)中的技術(shù)因素也可能在研究結(jié)果的解釋中帶來重大問題，如端粒長度的測量。生理衰老和衰老相關(guān)疾病反映了真正的衰老過程，但研究方法因其生理和環(huán)境背景的混雜影響而變得復(fù)雜。未來幾年，進(jìn)一步研究開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)和實(shí)驗(yàn)手段，將有助于增加對衰老過程的理解，為檢測和治療衰老相關(guān)疾病提供新的依據(jù)。