運動及限食對mTOR信號通路的影響及其與衰老關系的研究進展

楊風英 劉效磊 牛燕媚 傅力

1 天津醫科大學康復與運動醫學系（天津 300070）

2 天津體育學院研究生部

人口統計學研究顯示，到2050年，全世界60歲以上人口數量將達到20億，比2000年增長逾3倍[1]。老齡人口的增多使與衰老相關疾病的發病率隨之增加，給社會經濟和醫療等方面帶來沉重負擔，因此對衰老及其相關疾病的研究越來越為人們所關注。目前，關于衰老過程調控的具體機制尚不明了，但可以確定的是，衰老的進程不是由單一因素所調控，而是受遺傳和環境因素的共同影響。流行病學調查顯示，長期高能量膳食以及缺乏適當運動等不良生活習慣是肥胖、冠心病、2型糖尿病以及癌癥等與衰老密切相關疾病的重要誘發因素[2-4]。哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（Mammalian Target of Rapamycin，mTOR）是機體細胞內的一種絲/蘇氨酸蛋白激酶，能夠感受細胞外營養、能量水平以及生長因子等信號變化，并通過調控下游相應效應蛋白，參與調節細胞生長、分化、增殖以及蛋白質合成等過程[5]。近年來研究表明，mTOR在機體細胞內的異常表達可以引起癌癥、神經退行性變以及代謝性相關疾病等，并且也與衰老過程密切相關[2-4]。研究顯示，飲食限制（Dietary Restriction，DR）以及適當的運動均能夠減少機體的能量供應，進而使機體通過調控能量敏感性相關信號通路的活性延緩衰老及預防衰老相關疾病的發生[1，6，7]。本文歸納和總結了有氧運動及DR對mTOR信號通路的影響機制及其與衰老關系的研究現狀，提出亟需解決的問題，為進一步深入研究指出方向。

1 mTOR信號通路及其與衰老的關系

mTOR分子量為300 kDa，屬于磷脂酰肌醇激酶相關蛋白激酶家族。作為細胞內高度保守的營養狀態以及能量水平感受器，mTOR活性受細胞生長因子、營養素以及能量敏感相關信號通路的調節，并通過其下游效應蛋白如S6K1（Ribosomal Protein S6 Kinase，Polypeptide 1）以及4E-BP1（Eukaryotic Initiation Factor eIF4E Binding Protein 1）參與調節細胞生長、分化、增殖以及蛋白合成等生物過程[7，8]。研究表明，能量過剩導致的mTOR過度激活可引起S6K1 Thr421/Ser424位點磷酸化活性增加，進而提高胰島素受體底物1（Insulin Receptor Substrate 1，IRS-1）Ser636/639位點磷酸化水平，產生抑制胰島素信號轉導的效應[9]。因而，S6K1不僅可以通過mTOR 接受其上游營養、能量、生長因子等信號通路的調控，參與調節細胞蛋白質合成，其本身還存在一種反饋調節機制，即通過影響細胞內胰島素的信號轉導，參與調節細胞糖、脂以及能量代謝過程。另外，當mTOR/S6K1信號通路的活性過高時還能導致過氧化物酶體增殖物激活受體輔激活因子1-（Peroxisome Proliferator-Activated Receptor-Coactivator 1，PGC-1）活性下降，從而引起細胞線粒體功能紊亂、能源物質氧化代謝功能下降，進而誘發肥胖以及胰島素抵抗（Insulin Resistance，IR）[10]。由此可見，mTOR在細胞中主要發揮兩方面作用：一方面，作為營養素、能量狀態的感受器參與調節細胞糖、脂等能量代謝；另一方面，促進mRNA的翻譯，進而促進蛋白質合成。

除此之外，mTOR信號通路還與衰老過程關系密切[11]。在以酵母、線蟲以及果蠅等無脊椎生物為模型的研究中發現，TOR可促進 mRNA 翻譯和細胞產生溶酶體小泡，這兩者均與衰老過程具有潛在的聯系[12]。無論采用基因工程手段還是藥物干預，對于TOR信號通路相關因子，如S6K1、翻譯起始因子、核糖體蛋白等的抑制均可以延長機體壽命[13-15]。近期研究表明，哺乳動物mTOR信號通路活性與其壽命同樣密切相關，并且發現當使用mTOR抑制劑——雷帕霉素（Rapamycin） 以后，小鼠平均及最長壽命均顯著延長[16，17]。Selman等人的研究發現，相對于野生型小鼠，S6K1基因敲除小鼠平均壽命延長了80天，并且最長壽命也顯著提高[18]。以上證據都支持mTOR及其下游效應蛋白活性與機體衰老過程的調控具有密切關系。但是目前關于mTOR參與衰老過程調控的具體機制尚不明確。由于mTOR與機體腫瘤、神經退行性變、代謝及各種心腦血管疾病等之間存在的密切聯系[4-6]，我們推測通過mTOR信號通路而延緩衰老的效用可能是通過改善各種與衰老相關疾病的進程而實現的。

2 DR對mTOR信號通路的影響及其與衰老的關系

DR在大量動物模型的研究中被認為是延長平均及最長壽命最有效的干預手段，并且DR還可有效抑制衰老相關疾病的發生[2，3，19]。Colman[20]等人最近研究表明，DR顯著延緩了靈長類動物恒河猴的衰老過程，并且降低了糖尿病、癌癥、各種心血管疾病等與衰老密切相關疾病的發病率。DR降低了機體能量供應，因而機體可能通過調節能量信號通路來影響衰老及其相關疾病的變化。胰島素信號通路是細胞感受并調節能量代謝的重要途徑[5，8，9]。研究表明，敲除胰島素樣生長因子受體（IGF-1 Receptor，IGF-1R）基因的雜合子小鼠、脂肪組織胰島素受體（Insulin Receptor，IR）基因敲除小鼠、胰島素受體底物1（Insulin Receptor Substrate 1，IRS1）以及IRS2基因敲除小鼠模型的壽命均顯著長于野生型對照組小鼠[21-23]。也有研究發現，轉基因長壽模型小鼠常常伴有局部組織（如脂肪組織、大腦等）或系統的輕微胰島素抵抗，并出現葡萄糖耐量降低現象[24]。因此，胰島素信號通路與衰老過程密切相關。一磷酸腺苷活化蛋白激酶（AMP-activated Protein Kinase，AMPK）是另一個細胞內高度保守的能量狀態感受器，AMPK 是異源三聚體蛋白激酶，由一個催化亞基（）和兩個調節亞基（和）構成，可以在細胞高AMP狀態時被激活[25]，因而也可能是參與DR延緩衰老的重要介導信號分子。研究表明，AMPK催化亞基AAK-2基因敲除線蟲相對野生型壽命縮短12%，而其過表達轉基因生物模型壽命則顯著延長[26]。Greer[27]等人的研究發現，DR顯著延長了線蟲壽命，而對AAK-2基因敲除線蟲的壽命則沒有顯著影響。由此可見，AMPK在DR延緩衰老過程中發揮著重要作用。

衰老不僅受機體代謝相關途徑的影響，而且與細胞蛋白質合成過程密切相關。研究表明，通過對轉錄起始因子、核糖體蛋白的抑制可顯著延長線蟲的壽命[14，15，28，29]，因而推測，與蛋白質合成以及代謝密切相關的mTOR信號通路可能在機體衰老過程中起關鍵調節作用。胰島素以及AMPK信號通路都是mTOR重要的上游調節通路。在基礎狀態下，胰島素以及生長因子等通過調節mTOR活性而促進蛋白質合成；而在 DR 或能量供應不足時，AMPK的激活又可以通過抑制mTOR活性，減少蛋白質合成，從而使機體主要生命活動由生長轉向維持，以維持機體內環境能量穩態[30]。另外的研究發現，S6K1基因敲除小鼠肌細胞AMPK活性顯著升高[31]，并且S6K1基因敲除長壽小鼠與服用AMPK激活劑——AICAR小鼠的基因表達譜具有極高相似性[18]。

由此可見，長期DR可以通過作用于胰島素以及AMPK信號通路抑制mTOR信號通路的活性，而在各種動物模型的研究中已經證實，mTOR活性下降可以明顯延緩衰老[16-18]。因而進一步證明，mTOR信號通路可能在DR延緩機體衰老過程中發揮著核心作用。

3 有氧運動與mTOR信號通路的活性及衰老關系的研究

能量過剩及缺乏適當運動被認為是肥胖、冠心病、2型糖尿病以及癌癥等與衰老密切相關疾病的重要誘發因素[19]。DR已被廣泛證實可以通過作用于mTOR信號通路而顯著延緩衰老，大量研究證實運動也可以抑制mTOR信號通路的活性[32]，但對于運動在延緩衰老方面的作用效果則頗具爭議。Holloszy等人研究認為，長期有氧運動對大鼠的最長壽命無影響，但顯著延長了其平均壽命，并且降低了與衰老相關疾病的發病率[33，34]。但Craig等人研究顯示，運動雖然使大鼠體脂含量明顯下降，但對其壽命并無明顯影響[35]。

mTOR是機體細胞內相對保守的能量狀態感受器，其在細胞能量供應不足狀態下，通過抑制其下游4E-BP1和S6K1活性而抑制細胞蛋白質合成，從而維持細胞內能量穩態[8]。AMPK是 mTOR信號通路重要的上游調節因子，運動時細胞內AMP/ADP明顯升高，AMPK被激活進而抑制mTOR信號通路的活性[7，25，36]。此外，研究發現，運動可使小鼠骨骼肌AMPK基因表達及其Thr172位點磷酸化增加，進而通過磷酸化mTOR Thr2446位點或磷酸化mTOR 結合蛋白Raptor的Ser722/792位點抑制mTOR/S6K1 信號通路的活性[32，37-39]。Yaspelkis等人的研究還發現，高脂飲食使得mTOR活性顯著增強，而有氧運動則完全逆轉了這一趨勢[40，41]。我們的前期研究也發現，6周有氧運動顯著降低了胰島素抵抗小鼠mTOR、S6K1 mRNA及蛋白表達水平，并且S6K1 Thr38位點磷酸化水平也顯著降低[32，42]。

由此可見，mTOR也是一條運動敏感型通路，有氧運動對mTOR 信號轉導起著負向調控作用。目前研究表明，mTOR信號通路在機體衰老過程中發揮核心作用[11-18]，而有氧運動則可以抑制 mTOR活性[32-41]，這提示有氧運動可能通過抑制mTOR活性而在一定程度上起到延緩衰老的作用，但這一研究假設還需要進一步實驗來證實。

4 小結與展望

越來越多的證據表明，mTOR信號通路在機體衰老調控過程中起著核心作用，并已證實對mTOR信號活性的抑制可以有效延緩衰老。而mTOR作為細胞內能量狀態重要的感受器，對機體的營養狀態以及運動刺激非常敏感，因而其將成為研究限食與有氧運動延緩衰老的重要介導通路。對于限食及有氧運動與衰老以及mTOR信號轉導通路相互關系的深入研究，不僅有助于我們對機體生命衰老機制的全面理解，還將為采用合理飲食和運動手段促進健康、延緩衰老提供寶貴的理論依據。

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