細(xì)胞衰老的機制概述

馮春艷 陳旭遠(yuǎn) 林 闖 周海城

(1 東北師范大學(xué)教育學(xué)部 長春 130024； 2 吉林省實驗中學(xué) 長春 130022)

衰老的細(xì)胞通常具備核膜內(nèi)折、染色質(zhì)收縮、脂褐質(zhì)增多、膜結(jié)構(gòu)改變、物質(zhì)運輸功能降低、細(xì)胞器結(jié)構(gòu)和功能異常等特征，而這些相對于健康的細(xì)胞而言都是損傷，也就是說細(xì)胞衰老是損傷通過時間的累積而使之熵變再經(jīng)過自然選擇的結(jié)果。目前，對細(xì)胞衰老原因的討論主要集中在氧化應(yīng)激產(chǎn)生自由基、端粒縮短、DNA損傷反應(yīng)(DDR)、胰島素/IGF-1代謝異常、細(xì)胞自噬異常這幾個方面。從各種衰老機制的發(fā)生序列和損傷累積的視角來看，自由基和端粒縮短對細(xì)胞的損傷是衰老的伊始，DDR和胰島素/IGF-1代謝途徑是稀釋損傷的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，細(xì)胞自噬則是清除損傷的過程。

1 細(xì)胞損傷： 衰老伊始

當(dāng)外界壓力因素，如輻射、紫外線、重金屬作用于細(xì)胞時，細(xì)胞中的DNA、蛋白質(zhì)、膜結(jié)構(gòu)或細(xì)胞器可能會受到損傷。這些因應(yīng)激反應(yīng)產(chǎn)生的變化不斷增加，成為“損傷累積”，進(jìn)而導(dǎo)致有機體無序性的增加，即熵增。任何生物都存在著產(chǎn)生有缺陷產(chǎn)品的風(fēng)險，細(xì)胞代謝過程中產(chǎn)生自由基等有毒的副產(chǎn)物，如氧在正常的代謝過程中產(chǎn)生包括過氧化物、超氧化物等活性氧(ROS)，應(yīng)激條件下ROS會增多，進(jìn)而損害脂質(zhì)、核酸、蛋白質(zhì)和細(xì)胞器，觸發(fā)相應(yīng)修復(fù)反應(yīng)[1]。

端粒是存在于真核生物染色體兩端高度保守的非編碼重復(fù)DNA序列。端粒DNA與Shelterin蛋白(包括TRF1、 TRF2、 Rap1、 TIN2、 TPP1、 POT1)一起存在于真核染色體的末端形成“帽”，從某種意義上來看，端粒是在用重復(fù)序列封閉每條染色體，保護染色體免受縮短造成的損害[2]，同時也能夠避免染色體之間錯亂的融合。研究發(fā)現(xiàn)： 隨著細(xì)胞復(fù)制次數(shù)的增加，端粒DNA就會縮短一截，使細(xì)胞復(fù)制達(dá)到海弗利克極限(Hayflick limitation)，最終導(dǎo)致細(xì)胞衰老和死亡。端粒長度與潛在的壽命變化有關(guān)，端粒的縮短會使染色體對輻射的敏感度增加，從而增加了變異的可能性[3]。端粒酶可以阻止端粒丟失，但端粒酶在大多數(shù)體細(xì)胞組織中都處于失活狀態(tài)。從生命進(jìn)化的視角來看，端粒的縮短、細(xì)胞的衰老都是最終所選擇下來的生存機制，細(xì)胞衰老雖然限制了細(xì)胞分裂的次數(shù)，但避免了細(xì)胞無限分裂成為癌細(xì)胞。

2 稀釋損傷： 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)

當(dāng)細(xì)胞受到損傷之時，細(xì)胞內(nèi)便會啟動DNA的受損修復(fù)機制、蛋白質(zhì)等分子結(jié)構(gòu)的修飾以稀釋損傷。損傷稀釋可以抵消有害變化的累積，特別是當(dāng)細(xì)胞分裂非常迅速并且它們獲得的損傷相對溫和時[4]。當(dāng)損傷變得難以稀釋時，損傷就會更容易附著到某個細(xì)胞結(jié)構(gòu)上，從而隨著細(xì)胞分裂而不對稱的分散它們[5]。通常來說，在轉(zhuǎn)錄水平通過高度保守的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑是協(xié)調(diào)許多基因激活以延長壽命的關(guān)鍵[6]。當(dāng)前研究中對細(xì)胞內(nèi)損傷稀釋的機制主要包括DDR和胰島素/IGF-1信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。

2.1 DDR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路 DDR是一個由眾多蛋白質(zhì)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)路徑，能夠感應(yīng)由不同刺激引發(fā)的細(xì)胞損傷，阻滯細(xì)胞周期的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。當(dāng)DNA損傷發(fā)生時就會啟動DDR，引發(fā)激酶級聯(lián)增強反應(yīng)，通過效應(yīng)器p53、細(xì)胞分裂周期蛋白25(cell division cycle 25， CDC25)、染色體結(jié)構(gòu)維持蛋白1(structural maintenance of chromosomes proteins 1， SMC1)等使細(xì)胞周期停滯,DNA損傷修復(fù)通路活化，細(xì)胞衰老或死亡[7]。

圖1 DDR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路

細(xì)胞內(nèi)的p21是由Cdknla編碼的細(xì)胞周期調(diào)控產(chǎn)物，是轉(zhuǎn)錄因子p53基因的下游產(chǎn)物。當(dāng)DDR發(fā)生時，誘導(dǎo)p53的表達(dá)，p53通過識別失去功能的端粒，繼而誘導(dǎo)p21的表達(dá)，p21使得若干cyclin依賴性的激酶(CDK)，如CDK2、 CDK4、 CDK6等失活，從而阻止Rb蛋白的磷酸化，Rb蛋白不能與E2F分離，E2F處于持續(xù)失活狀態(tài)，不能起始G1/S轉(zhuǎn)換過程中若干關(guān)鍵因子的轉(zhuǎn)錄，導(dǎo)致細(xì)胞周期停滯在G1/S期，最終引發(fā)細(xì)胞衰老(圖1)[8]。除了p21抑制CDK磷酸化的路徑外，在一些研究中表明p16也能抑制CDK4和CDK6的活性，并且DDR能夠獨立激活p16基因的表達(dá)[9]。當(dāng)DNA受損或DNA復(fù)制造成端?？s短時，就會被機體識別為DNA雙鏈斷裂(DNA double-strand breaks， DSBs)損傷，啟動DDR，阻滯細(xì)胞周期在G1/S期，導(dǎo)致細(xì)胞衰老或死亡，還可能在表現(xiàn)型上發(fā)生改變，如個體衰老、疾病產(chǎn)生等。

2.2 胰島素/IGF-1途徑 近些年的研究發(fā)現(xiàn)，影響動物衰老的一個重要的代謝途徑是胰島素/IGF-1。IGF-1又被稱為胰島素樣生長因子1，由肝臟產(chǎn)生，調(diào)節(jié)DNA的合成、刺激全身細(xì)胞生長[10]。胰島素/IGF-1信號(IIS)是生長和代謝的核心，在秀麗隱桿線蟲中，IIS的減少增加了抗逆性和壽命。有研究顯示胰島素/IGF-1途徑感知營養(yǎng)素、飲食限制和降低IIS被認(rèn)為是促進(jìn)蛋白水解、延緩細(xì)胞損傷累積的重要途徑。改變胰島素/IGF-1代謝途徑可導(dǎo)致細(xì)胞或生物體代謝狀態(tài)的全局變化，在已有大量損傷的前提下，通過減慢代謝來改變總體損傷累積速率。研究表明通過胰島素/IGF-1樣受體途徑發(fā)出信號是許多生物衰老的重要原因[11]。長壽命的IIS突變體在整個生命過程中顯示出非常低的蛋白質(zhì)合成和降解水平，這種突變體壽命的延長強烈依賴于自噬途徑。

3 清除損傷： 細(xì)胞自噬

自噬是細(xì)胞維持內(nèi)部穩(wěn)態(tài)的一種方式，也是保證細(xì)胞長壽的重要機制之一，細(xì)胞內(nèi)損傷的蛋白質(zhì)、細(xì)胞器、脂質(zhì)如果不能被自噬所清除，就無法為細(xì)胞代謝活動和新原料的存儲提供場所。自噬分為巨自噬(macroautophagy， MA)、微自噬(microautophagy)、伴侶蛋白介導(dǎo)自噬(chaperone-mediated autophagy， CMA)三種，巨自噬指的是損傷的細(xì)胞器形成自噬體最后被溶酶體降解，微自噬指的是溶酶體直接吸收細(xì)胞溶質(zhì)并將其分解，分子伴侶介導(dǎo)的自噬(CMA)則是特定蛋白被靶向運輸?shù)饺苊阁w[12]。在CMA中，熱休克蛋HSC70、Hsp90和小的熱休克蛋白家族作為分子伴侶參與自噬過程，HSC70識別帶有KFERQ序列的可溶性胞質(zhì)蛋白底物，引導(dǎo)底物進(jìn)入溶酶體。如果HSC70受損，其執(zhí)行的自噬功能就會降低，細(xì)胞衰老的風(fēng)險就會增加。同樣，如果衰老的線粒體不能順利被自噬，將會使細(xì)胞處于高濃度的有毒物質(zhì)(包括ROS)的風(fēng)險之中，影響細(xì)胞的代謝和壽命。研究發(fā)現(xiàn)有缺陷的線粒體很少自噬，從而ATP產(chǎn)生減少，細(xì)胞分解代謝機制崩潰，最終細(xì)胞衰老和死亡[13]。一般細(xì)胞自噬功能降低會引起各器官功能衰退、機體老化及相關(guān)疾病發(fā)生，增強細(xì)胞自噬功能可延緩衰老。所以，衰老細(xì)胞器的自噬是減弱氧化應(yīng)激反應(yīng)對細(xì)胞結(jié)構(gòu)造成傷害的過程，也是細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)得以維持的重要機制。

當(dāng)細(xì)胞受到損傷之初，如果衰老細(xì)胞通過細(xì)胞凋亡去除，則很難看出衰老細(xì)胞如何導(dǎo)致長期損傷。如果生物體不能進(jìn)行及時地迭代更新或稀釋損傷的話，細(xì)胞內(nèi)損傷就會累積。一旦細(xì)胞內(nèi)的損傷繼續(xù)累積，就必然會對細(xì)胞產(chǎn)生有害的影響，并可能累及其他細(xì)胞；如若無法通過細(xì)胞自噬及時清除損傷，那么最終將會導(dǎo)致生物體衰老或者疾病。