天然藥物抗衰老的線粒體機制研究進展

康晶，孫魯寧

(中國醫科大學，沈陽110000)

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天然藥物抗衰老的線粒體機制研究進展

康晶，孫魯寧

(中國醫科大學，沈陽110000)

摘要：大量研究表明，衰老的發展過程與自由基增多、線粒體功能異常密切相關。天然抗衰老藥物能夠影響線粒體功能、減少自由基損傷，從而延緩衰老并預防衰老相關疾病的發生。影響線粒體功能的信號轉導通路主要包括TOR信號轉導通路、Insulin/IGF-1信號轉導通路和Sirtuin信號轉導通路，天然藥物主要通過上述3條信號轉導通路來改善線粒體功能。

關鍵詞：天然藥物；抗衰老；自由基；線粒體

衰老是指生物發育成熟后隨著年齡的增加，機體功能減退，內環境穩定能力與應激能力下降，機體結構、功能逐步發生退行性改變，并趨于死亡的不可逆現象。據WHO發布的《2014年世界衛生統計報告》顯示，最近20年來，全球人均預期壽命提高了6年。盡管如此，衰老本身仍然是威脅生命的最大危險因素，且衰老相關疾病患者將在未來的20 年里增加近1倍[1]。目前，臨床上逐漸提出了有關衰老原因的各種學說，自由基和線粒體DNA損傷學說是其中兩個極具代表性的學說，二者相互聯系、互相滲透，進而發展出衰老的線粒體自由基學說(MFRTA)。本研究以MFRTA為基礎，對天然藥物抗衰老的機制作一綜述，以期為延緩衰老及預防衰老相關疾病的發生提供依據。

1衰老的發生機制

大量研究表明，衰老的發展過程與自由基增多、線粒體功能異常密切相關[2]。早期“衰老的自由基學說”認為，在代謝過程中或一些外源性因素的作用下，機體將不可避免地產生自由基和活性氧(ROS)，它們會損傷生物分子，這種損傷的積累會導致衰老以及衰老相關疾病的發生[3]。ROS主要在線粒體內產生，是在生物通過線粒體電子傳遞鏈進行有氧代謝的過程中，由于電子傳遞效率低下而產生的以超氧化物形式存在的副產品。超氧化物自由基可以進一步形成其他形式的ROS，如氫過氧化物和羥自由基[4]。隨著年齡的增長，機體氧化與抗氧化系統失衡，導致ROS在體內蓄積。這些超氧化物和其他ROS可以損傷線粒體，進一步降低線粒體電子傳遞鏈效率，導致ROS產生增多和線粒體氧化損傷進一步加重的惡性循環[4]。

2天然藥物的抗衰老作用

正常人體內可以產生兩類內源性抗氧化物質，使ROS的產生和清除得以平衡，一類是非酶類物質，如尿酸、谷胱甘肽、膽紅素等；另一類是酶類物質，如超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(GPx)和過氧化氫酶(CAT)。盡管體內存在上述抗氧化系統，但仍有大約1%的ROS逃離抗氧化防御系統，造成機體的氧化損傷；同時影響線粒體的正常功能，干擾細胞的代謝過程，從而加快衰老進程。目前已經證實，很多天然藥物具有清除自由基、降低機體氧化損傷的作用，從而延長不同物種的壽命。已有實驗證明，維生素C和維生素E可以延長果蠅、秀麗隱桿線蟲和一些嚙齒類動物的壽命[5，6]。茶葉中的重要成分兒茶素除具有防治心血管疾病、預防癌癥等多種功能外，也可以延長秀麗隱桿線蟲的壽命[7]。其他一些天然化學成分被證實可以通過改善線粒體功能，延長物種的壽命。白藜蘆醇是一種天然的多酚類物質，除具有抗癌、抗炎癥、保護心血管等作用外，還可以延長衰老大鼠的壽命[8]。雷帕霉素是一種新型大環內酯類免疫抑制劑，除具有免疫抑制效應外，也具有延長酵母、小鼠、果蠅、線蟲壽命的作用[9]。

3天然藥物抗衰老的線粒體機制

3.1清除自由基天然藥物對自由基的清除作用主要通過其抗氧化活性來實現，不同類型的抗氧化劑作用機制不同，主要有：①直接中和自由基；②降低過氧化物濃度，修復氧化膜；③降低鐵離子濃度，減少活性氧產生；④通過脂質代謝、短鏈游離脂肪酸和膽固醇酯中和ROS[10]；⑤上調抗氧化物酶基因的表達，降低自由基對體內生物大分子和細胞器的損傷。

維生素C又名抗壞血酸，是一種主要的水溶性抗氧化劑，能夠快速減少膜成分中的α-酚氧自由基、LDL和再生α-生育酚，從而抑制自由基損傷的蔓延及脂質過氧化。維生素E是一種存在于細胞膜和循環脂蛋白中的脂溶性抗氧化劑，能夠抑制LDL的氧化修飾，防止動脈粥樣硬化的發生。此外，輔酶Q、還原形式的硫辛酸和褪黑素等也是高效的抗氧化劑[11]。吲哚丙酰胺是和褪黑素結構相似的另一種內源性抗氧化劑，能與呼吸鏈復合體Ⅰ氧化磷酸化的限速成分相結合，從而穩定能量代謝，減少ROS的產生[12]。

此外，一些植物中的天然化學成分也具有抗氧化效果。表沒食子兒茶素沒食子酸酯(EGCG)是一種綠茶兒茶素，具有抗氧化、抗炎、抗癌和免疫調節等多種治療效果[13]。EGCG能夠螯合二價過渡金屬離子，如Cu2+、Zn2+和Fe2+等，因此能抑制Fe2+介導的Fenton反應[14]，從而防止多聚不飽和脂肪酸的脂質過氧化[15]。蘋果多酚、大豆異黃酮則通過上調SOD、CAT等過氧化物酶基因的表達，增強機體的抗氧化防御能力，延長果蠅壽命[16]。

3.2改善線粒體功能天然藥物能夠改善線粒體功能的作用是通過以下通路來實現的。

3.2.1mTOR信號轉導通路雷帕霉素靶蛋白(mTOR)是一種能夠磷酸化蛋白底物Ser/Thr殘基的蛋白激酶，mTOR信號通路與生物壽命有直接的關系[17]。越來越多的研究證實，抑制mTOR信號轉導通路能夠延緩衰老并改善衰老相關疾病。mTOR作為飲食限制以及雷帕霉素的下游靶點，可通過降低mTOR活性來減少編碼過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子α(PGC-1α)、雌激素相關受體α、核呼吸因子和 Gabpa/b的mRNA表達, 降低線粒體基因表達和氧消耗, 并影響營養物質氧化速率以維持哺乳動物細胞的能量水平[18]。

Zid等[19]研究顯示，雷帕霉素可以通過抑制mTOR信號轉導，改變nDNA翻譯，誘導線粒體蛋白和核蛋白失衡，從而延長包括小鼠在內的不同物種的壽命。這可能和增加ATP水平，增加檸檬酸合成酶活性，改變nDNA/mtDNA編碼的氧化磷酸化蛋白亞基比率有關[20，21]。通過對酵母的研究發現，抑制雷帕霉素靶蛋白復合物1(mTORC1)有利于促進線粒體的呼吸功能，從而延長酵母的自然壽命[22]。雷帕霉素也可能通過抑制mTORC1而增加線粒體自噬[23]，有助于細胞清除體內損傷的線粒體，從而改善線粒體功能并維持自身穩態。

3.2.2Insulin/IGF-1信號轉導通路隨著年齡的增加，人體內胰島素作用靶器官對胰島素的敏感性會逐漸下降，而胰島素抵抗是高血壓、動脈粥樣硬化、肥胖等衰老相關疾病的重要危險因素。已有大量實驗表明，降低Insulin/IGF-I信號轉導通路可以顯著延長包括酵母、蠕蟲、果蠅、嚙齒類動物和人類在內的不同物種的壽命[24]。

Insulin和IGF-1可通過一系列的信號分子，如胰島素受體亞蛋白、3-磷酸肌醇依賴性蛋白激酶-1、磷脂酰肌醇3-激酶等，抑制叉頭轉錄因子FOXOs轉位至細胞核，從而發揮調控哺乳動物壽命的作用[25]。降低胰島素和生長因子含量可以使FOXO蛋白轉位至細胞核，進而上調一系列靶基因的表達。研究證明，肌肉組織中FOXO轉錄因子能夠通過過表達FOXO1或FOXO3而激活Mul1，促進線粒體自噬[26]。Mul1是一種線粒體E3泛素連接酶，能夠在線粒體自噬過程中幫助線粒體定位于自噬體，并靶向線粒體融合蛋白降解線粒體[27]。在神經元中，FOXO1基因轉位至細胞核能夠激活Bnip3、Beclin1和Atg5等基因的表達，促進自噬以及線粒體自噬。FOXO通過誘導線粒體自噬，清除衰老以及衰老相關疾病過程中受損的線粒體，從而減少因線粒體功能失調所產生的ROS，以保護細胞免受損傷[28]。

3.2.3Sirtuin信號轉導通路沉默子信息調控因子2(Sir2)是保守的尼克酰胺核苷酸脫乙?；赋聊有畔⒄{控因子Sirtuin家族中的一員，在采取飲食限制延長壽命的過程中具有重要作用。研究表明，白藜蘆醇能夠激活Sir2同系物1即SIRT1，起到和飲食限制同樣的代謝調節效應[29]。

Sirtuin通過翻譯后修飾能夠影響許多不同的下游靶點，如PGC-1α、PPARγ、NF-κB、ROS等，其中調節線粒體功能的很多效應來源于SIRT1激活的PGC-1α通路。PGC-1α是轉錄共激活劑，通過與轉錄因子相互作用增加轉錄速率，調控廣泛的生物效應。已知mtDNA編碼的13種蛋白質亞單位是線粒體電子傳遞鏈的重要組分,同時有大約1 500種核基因編碼的蛋白質對線粒體的生物合成起重要作用。很多受PGC-1α調節的核基因所編碼的蛋白質和酶都參與線粒體生物合成過程中mtDNA的復制、翻譯和轉錄[30]，進而調節線粒體功能。另有研究顯示，白藜蘆醇能夠上調人冠狀動脈內皮細胞抗氧化酶MnSOD的表達和細胞內還原型谷胱甘肽水平，從而激活抗氧化機制、降低線粒體內ROS的產生[31]，與PGC-1α誘導線粒體解耦聯作用一致。

近幾十年來，人們對于天然藥物抗衰老的機制已有了深層次的認識，本文僅闡述了其中的線粒體機制。線粒體作為細胞能量產生的動力工廠，同時也是自由基產生的主要場所，自由基與線粒體損傷的積累與衰老進程密切相關。天然抗衰老藥物能夠通過影響線粒體功能、減少自由基損傷，而延緩衰老并預防衰老相關疾病的發生，但其具體機制仍需要更深入的研究。

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收稿日期：(2015-04-29)

中圖分類號：R285

文獻標志碼：A

文章編號：1002-266X(2015)48-0102-03

doi:10.3969/j.issn.1002-266X.2015.48.039

通信作者：孫魯寧，E-mail: lnsun@mail.cmu.edu.cn

基金項目：國家自然科學基金資助項目(30900567)。