生物鐘與衰老的研究進展

吳軍 姜蘇蓉

哺乳動物的許多生理活動具有晝夜節律性，比如睡眠-覺醒、血壓、血液激素水平以及能量代謝等都呈現出以24 h為周期的波動，這種周期性的節律稱為生物鐘節律。機體內在的生物節律是由生物鐘(circadian clock)周期振蕩所產生的。哺乳動物的生物鐘可分為中樞性和外周性兩大類，中樞性生物鐘位于下丘腦視交叉上核神經元(suprachiasmaticnucleus，SCN)內，它接受光線刺激并產生主要的時鐘信號，通過體液和神經內分泌通路傳遞到外周組織。中樞性生物鐘控制機體的行為和生理節律，包括運動、睡眠、體溫、血壓和內分泌等過程，SCN切除后生理的晝夜節律消失。外周生物鐘存在于除了SCN以外的多數組織，如心臟、肝臟、腎臟、外周血淋巴細胞等［1］。通常情況下，這兩大類生物鐘的運作是同步的，二者通過自主神經系統和內分泌激素(如褪黑素和5-羥色胺)作用等得以實現信號的準確傳遞和節律的精細調節，維持機體良好的生理狀態。研究表明，生物鐘與衰老關系密切。隨著機體的逐漸衰老，各種器官和組織發生變化，年老的動物更容易患一系列的疾病，如冠心病、高血壓、糖尿病、慢性腎病、腫瘤、骨質疏松、骨關節炎等。生物鐘功能的紊亂會嚴重影響機體的生理和行為節律，導致內分泌失調、免疫力下降等相關癥狀，并使機體更易患上上述疾病，加速衰老進程［2］。

1 生物鐘運行機制

若干基因組成了生物鐘分子振蕩器的基本元件，對其最初的探索始于模式生物擬南芥、鏈孢霉菌屬、果蠅和小鼠等，這些能主導、輸出機體節律振蕩的基因被稱為鐘基因(clock genes)，其發生缺陷或突變可使生理節律出現異常或喪失。哺乳動物的不同組織和細胞中大多存在鐘基因的表達，任何一個啟動或參與體內晝夜節律調節的基因，已被證明至少能在SCN中表達。目前已發現的哺乳動物鐘基因包括 Clock、Bmal1、Per、Cry、casein kinases Ieε (CKIε)、timeless(Tim)、frequency(Frq)等［3］。鐘基因啟動后，經轉錄、翻譯生成相應的蛋白質，當此蛋白質達到一定濃度，反饋作用于自身基因的啟動部位，抑制該基因的表達，使其濃度高低以24 h周期進行振蕩。在分子水平上，不同組織中生物鐘的振蕩在基因轉錄水平上具有類似的調節機制［4-5］。生物鐘的核心調節元件主要由轉錄激活子和抑制子組裝形成的自動調節環，使基因產生節律性的表達。Clock基因是哺乳動物晝夜節律的必要調控者，Bmal1是Clock基因的分子伴侶，二者互相作用，形成異二聚體，然后結合到 Period(Per1，Per2，Per3)、Cryptochrome(Cry1和 Cry2)、孤兒核受體(Rev-erbα)啟動子的E-box區從而激活它們的表達。Per和Cry蛋白的富集后，又會抑制Bmal1/Clock的活性，從而抑制其自身和 Rev-erbα的表達，當 Reverbα表達明顯下降或缺失后又會重新激活Clock與Bmal1，使其再次形成轉錄復合物，形成一種負反饋循環 (圖1)。這種負反饋調節機制在Bmal1和Clock調節的基因周期性活化上扮演了重要的角色。

圖1 生物鐘負反饋調控機制［6］

2 生物鐘對衰老的影響

2.1 隨著機體衰老，反應生物鐘輸出信號的生理晝夜節律在振蕩幅度、振蕩周期和表達時相等方面發生了相應的變化。同時，生物鐘控制的生理晝夜節律功能紊亂加速機體衰老的進程。

Bmal1基因是最重要的生物鐘基因之一，其蛋白產物具有堿性螺旋-環-螺旋結構(base helix-loop-helix，bHLH)域和PAS(PER-ASNT-SIM)結構域，分子伴侶蛋白為Clock蛋白。在哺乳動物生物鐘的轉錄-翻譯反饋環中，轉錄因子 Bmal1是最重要的啟動因子。另外，Bmal1也可以與Npas2形成異源二聚體，在端腦部位起到調控節律基因的作用。在視上核的神經元中，Bmal1基因在白晝開始時表達水平增高，而在夜晚時表達水平低，表現出晝夜節律。Bmal1基因與衰老有密切的聯系。Bmal1基因敲除鼠在16～18周齡時就出現生長發育遲緩、體質量下降等表現，至52周齡時體質量是同窩野生型的一半，出現皮下脂肪減少、肌肉重量減輕、骨質疏松及主要器官的萎縮等衰老和早衰的表現［7］，Bmal1-/-小鼠的一系列早衰表現提示Bmal1基因可調控衰老的進程。衰老的機制非常復雜，不是單一的學說可以完全解釋的。自由基學說是關于生物衰老機制的現代理論中最具有說服力的一種，組織中高濃度的自由基及其衍生物對生物大分子有損傷效應，這種氧化損傷會引起或加速機體衰老。實驗證明，40周齡的Bmal1突變小鼠在肝、心、腎中活性氧的濃度遠高于野生型小，Bmal1基因可能是通過阻止自由基及其衍生物在身體組織中的積聚而延緩衰老，也有可能是生物鐘系統本身具有使自由基在體內維持平衡的功能［8］。

2.2 Clock基因是另一個重要的生物鐘基因，當該基因發生突變或表達異常時會導致機體行為活動節律、睡眠-覺醒節律及體溫、血壓等發生紊亂，誘發心血管疾病、糖尿病、腫瘤等，加速機體衰老。Wang等［9］在光照 ∶黑暗(12 h ∶12 h)和持續黑暗條件下發現大鼠松果體中的Clock轉錄表現出節律性振蕩，峰值出現于夜晚或主觀黑夜，谷值位于光照期或主觀白天。Du等［10］報道大鼠外周血淋巴細胞中Clock基因具有明顯的晝夜節律性轉錄特征。Clock基因也可以控制機體食欲，影響能量和代謝平衡，研究表明，Clock純合的突變小鼠進食過量，身體肥胖，表現出高血脂、高血糖、肝脂肪變性、低胰島素血癥等代謝綜合癥的特征，提示Clock基因與早衰有關。此外，Clock基因還可以調控新陳代謝相關的酶，如肝臟內酰基輔酶A合酶、乙酰輔酶A羧化酶、ATP-檸檬酸裂解酶等，影響其晝夜節律表達［11］。年老的小鼠和倉鼠腦部SCN和非SCN區域的Clock mRNA表達水平是降低的。Clock基因敲除小鼠的平均壽命較野生型下降15%，最高達20%，且白內障和皮膚炎發生率明顯高于野生型小鼠［12］。

3 衰老對生物鐘的影響

3.1 衰老又稱老化，通常指生物體性成熟后開始或加速的，生物體各種功能的普遍衰弱，以及抵抗環境傷害和恢復體內平衡能力的降低，具有普遍性、累積性、漸進性、內生性等特點的基本生命過程。衰老是生命的基本現象，是所有生物的共同特征。生物體的分子水平、細胞水平、組織水平、個體水平、群體水平均可發生衰老。某些異常因素或疾病可引起病理性衰老，使衰老提早出現。由于衰老進程非常復雜，影響因素千變萬化，涉及諸多領域，現代生命科學有關衰老機制的研究也逐步深入，提出了許多有關衰老的學說，如自然演進衰老學說(程控學說)、代謝速率衰老學說、自由基學說、非酶糖基化衰老學說等等。

3.2 隨著衰老的發生和進展，哺乳動物出現了新陳代謝減退、免疫力下降、器官萎縮等，此外，運動和生理節律(包括體溫、睡眠-覺醒、血壓、激素水平等)振蕩幅度、振蕩周期和表達時相等方面也發生了不同程度的改變。在人類中，衰老與褪黑激素分泌、體溫節律相位前移有關［13］。與年輕人相比，老年人更易出現睡眠-覺醒的相位前移［14］。許多研究提示衰老與SCN可以相互影響。衰老與SCN的神經化學和電生理的變化是同步的，但SCN的細胞數量和大小并沒有發生改變［15］。衰老可使SCN中血管活性腸多肽(VIP)、精氨酸加壓素(AVP)、轉錄生長因子(TGF-β)數量和運轉周期發生改變。將大鼠胚胎SCN組織移植入雌性中年大鼠，雌性中年大鼠SCN恢復晝夜振蕩能力［16］。以上研究提示，衰老對SCN產生了明顯的影響。

總而言之，隨著現代生命科學的發展，人們對生物鐘節律的調控及與衰老的關系將更加清晰。生物鐘功能紊亂會導致機體晝夜節律失常、生理生化代謝失調，引起早衰和衰老。另一方面，衰老也會引起SCN和外周組織節律的振蕩幅度、相位、周期發生變化，導致組織和器官出現多種病理變化。人類今后或許能夠通過調整自己的生物鐘來防止衰老以及治療與衰老相關的病變。但生物鐘和衰老互相作用機制復雜，二者關系尚未闡明，還有待進一步探討和研究。

［1］Buijs RM，Kalsbeek A.Hypothalamic integration of central and peripheral clocks［J］.Nat Rev Neurosci，2001，2(7):521-526.

［2］Kinmonth-SchultzHA， Golembeski GS，Imaizumi T.Circadian clockregulated physiological outputs:Dynamic responses in nature［J］.Semin CellDevBiol， 2013，24(5):407-413.

［3］Ripperger JA，Schibler U.Circadian regulation of gene expression in animals［J］. Curr Opin Cell Biol，2001，13(3):357-362.

［4］Lowrey PL，Takahashi JS.Genetics of the mammalian circadian system:photic entrainment，circadian pacemaker mechanisms，and posttranslational regulation［J］.Annu Rev Genet，2000，34:533-562.

［5］Bass J.Circadian topology of metabolism ［J］. Nature， 2012， 491(7424):348-356.

［6］Albrecht U，Eichele G.The mammalian circadian clock［J］.Curr Opin Genet Dev，2003，13(3):271-277.

［7］Turek FW，Joshu C，Kohsaka A，et al.Obesity and metabolic syndrome in circadian Clock mutant mice［J］.Science， 2005， 308(5724):1043-1045.

［8］Kondratov RV，Kondratova AA，Gorbacheva VY，et al.Early aging and age related pathologies in mice defi-cient in BMAL1，the core component of the circadian clock［J］.Genes Dev，2006，20(14):1868-1873.

［9］Wang GQ，Du YZ，Tong J.Daily oscillation and photoresponses of clock gene， Clock， and clock-associated gene，arylalkylamine N-acetyltransferase gene transcriptions in the rat pineal gland［J］.Chronobiology Int，2007，24(1):9-20.

［10］Du YZ，Fan SJ，Meng QH，et al.Circadian expression of clock and screening of clock-controlled genes in peripheral lymphocytes of rat［J］.Biochem Biophys Res Commun.2005，336(4):1069-1073.

［11］Oishi K，Atsumi G，SugiyamaS，et al.Disrupted fat absorption attenuates obesity induced by a high-fat diet in Clock mutant mice［J］.FEBS Letters，2006，580(1):127-130.

［12］Dubrovsky YV，Samsa WE，Kondratov RV.Deficiency of circadian protein CLOCK reduces lifespan and increases age-related cataract development in mice［J］.Aging(Albany NY)，2010，2(12):936-944.

［13］GibsonEM， WilliamsWP 3rd，Kriegsfeld LJ.Aging in the circadian system:considerationsforhealth，disease prevention and longevity［J］.ExpGeronto， 2009， 44(1/2):51-56.

［14］Nakamura TJ，Nakamura W，Yamazaki S，et al.Age-related decline in circadian output［J］.J Neurosci，2011，31(28):10201-10205.

［15］Kori H，Kawamura Y，Masuda N.Structure of cell networks critically determines oscillation regularity［J］.J Theor Biol，2012，297:61-72.

［16］Beynon AL，Thome J，Coogan AN.Age and time of day influences on the expression of transforming growth factor-beta and phosphorylated SMAD3 in the mouse suprachiasmatic and paraventricular nuclei［J］.Neuroimmunomodulation， 2009， 16(6):392-399.