衰老機制研究進展

盧春雪 楊紹杰 陶薈竹 黃樹明 楊書彬

(黑龍江中醫藥大學藥學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

衰老與增齡相關的老年慢性病(如心腦血管疾病，中樞神經病，風濕免疫病、退行性骨關節炎)的發生、發展密切相關。因此，隨著人口老齡化的加劇，深入探索衰老機制，不但有助于機體抗衰老、保健的研究與實踐及延長壽命，而且對于防治與增齡相關的老年病具有重大意義。隨著包括自由基理論、“長壽基因”、端粒酶理論及表觀遺傳學等領域研究的進展,科學家們在衰老的內在和外在的機制上有了更深入的認識。本文對近年來有關衰老機制研究中具有代表性的學說進行歸納總結。

1 自由基學說與衰老

自由基是機體內一類能獨立存在、含活潑不成對電子的特殊物質，是機體生命活動中各種生化反應的中間代謝產物。機體防御系統具有高度化學活性，正常情況下，機體中各種抗氧化酶和小分子非酶抗氧化劑與自由基的產生處于動態平衡狀態，但隨著年齡增長，自由基過剩或抗氧化劑缺乏等使生物膜結構遭到破壞、細胞器功能出現障礙，繼而損傷蛋白質、脂質等生物大分子物質。衰老的自由基學說〔1〕認為，在機體衰老的有氧代謝過程中，自由基水平的增加或抗氧化劑的缺失使機體抗氧化能力下降和細胞毒性增加，最終造成生物膜、氨基酸鏈及DNA的分子結構的不可逆改變損傷，導致機體衰老相關退行性疾病的產生，加速衰老進程。

2 線粒體DNA(mtDNA)損傷與衰老

線粒體是活性氧(ROS)的主要來源，其產生的ROS對mtDNA造成氧化損傷，引發mtDNA突變而產生有缺陷的電子傳遞鏈(ETC)結合產生更多ROS，造成ROS積累和mtDNA突變的惡性循環，導致細胞損傷，加快衰老進程。

2.1線粒體和mtDNA 線粒體是真核細胞能量提供和儲存場所，含有核染色體外基因組mtDNA，具獨立的遺傳信息復制、轉錄和翻譯功能。mtDNA編碼蛋白多肽中復合體Ⅰ亞基有7個,而最易受氧自由基攻擊部位被認為是呼吸鏈復合物Ⅰ〔2〕。與核基因組不同，mtDNA只含有外顯子且缺乏組蛋白保護和有效的基因修復系統，使mtDNA比核基因組更易突變〔3〕。

2.2mtDNA突變與衰老 mtDNA突變與衰老關系研究已日益成為國內外衰老機制研究的熱點，與衰老相關的 mtDNA 突變主要有缺失、點突變和重排3種情況〔4〕。mtDNA缺失與衰老的相關性最早發現于鄭天勝等〔5〕對帕金森病患者的腦組織mtDNA缺失研究中，該類疾病患者均檢測到4 977 bp缺失。mtDNA點突變分為轉運核糖核酸(tRNA)的點突變和編碼蛋白基因的點突變，tRNA的點突變常見于mtRNA基因上3243位點的A突變成G可導致轉運核糖核酸(rRNA)轉錄終止〔6〕，并隨著年齡的增長不斷積累。Chinnery等〔7〕發現，健康老人大腦組織中存在著不同程度的線粒體DNA重排，并呈現增齡性積累趨勢。

3 長壽基因、衰老基因與衰老

3.1p16、p21、p53基因與衰老 p16是一種細胞周期負調控因子，是機體細胞衰老遺傳控制程序的重要一環。p16編碼的蛋白質與細胞周期蛋白D共同作用于細胞周期依賴蛋白激酶(CDK)4，對細胞起調節作用。p21是抑制cyclin-CDK復合物的調控因子，研究發現〔8〕，p16蛋白能增加p21蛋白的穩定性，轉錄因子Sp1經p21蛋白作用激活p16基因表達抑制細胞周期。p53基因是目前研究較清楚的一種抑癌基因，其控制的信號途徑對衰老具有重要作用。研究發現〔9〕，p53基因與細胞周期調控、DNA修復、細胞分化和細胞凋亡等有關，抑制腫瘤細胞的生長過程。

3.2抗衰老基因(Klotho)與衰老 Klotho及其表達產物能有效抵抗衰老性氧化應激及心血管、神經、腎臟等病理狀態〔10〕。作為新發現的與衰老相關的新型基因，Klotho基因影響多條信號通路，廣泛參與體內的各種生物學過程。Klotho基因的研究在深入探究衰老的分子機制、治療衰老相關性疾病、延長壽命等方面具有重要意義。

3.3沉默信息調節因子(Sirt)基因家族與衰老的關系 Sirt2基因家族是一類重要的調控壽限的基因，可從遺傳和限制熱量代謝兩個角度調節細胞壽命，Sirt2相關酶類(Sirtuins)是Sirt2的同源蛋白，是一種煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)依賴性去乙酰化酶，通過賴氨酸去乙酰化改變蛋白質活性調控衰老過程。哺乳動物Sirtuins蛋白家族包含7個成員(Sirt1～7)，其中Sirt1、Sirt3和Sirt6被證實與衰老有關。研究表明〔11〕，Sirt1可通過抑制細胞凋亡、調控新陳代謝(熱量消耗、脂肪貯存等)及抑制炎癥等延緩細胞衰老；Sirt6通過調節與新陳代謝和應激脅迫相關的基因，促進堿基及DNA損傷修復，提高染色體的穩定性，因此，Sirt1和Sirt6 成為了衰老機制與干預的研究熱點。

3.4載脂蛋白(Apo)E基因與衰老 ApoE 是唯一擁有共同變體基因表達的蛋白質，它的E2、E3和E4 3種亞型分別與特異脂蛋白受體作用，調控血循環中膽固醇的水平。越來越多的研究表明〔12〕，ApoE基因在人類衰老相關性疾病中發揮重要作用。

4 端粒、端粒酶與衰老

4.1端粒 端粒存在于真核細胞染色體末端，由端粒DNA和結合蛋白組成。端粒DNA是G的高度保守的重復核苷酸序列，端粒有兩種相關蛋白，能調節端粒長度，抑制端粒酶活性。端粒可減少核酸酶對染色體的降解及染色體間的相互融合，作為端粒酶作用的底物，保證染色體復制時的完整性，決定細胞的壽命〔13〕。Atzmon等〔14〕研究發現端粒長度與細胞分裂次數及壽命極限有關。因端粒能夠限制細胞的分裂次數，被稱為“生命時鐘”〔15〕。端粒長度與衰老的關系，作為反映衰老的綜合性指標受到越來越多的重視。

4.2端粒酶 端粒酶是一種自身攜帶模板的逆轉錄酶，是由RNA模板與具有催化和調控功能的各種蛋白亞基構成的核糖核蛋白復合體。端粒酶通過增加染色體末端富含G堿基的重復端粒序列，維持端粒長度的穩定〔16〕。衰老的調節有賴于端粒酶對端粒的調控及端粒和端粒酶的聯合作用〔17〕。端粒酶能夠以自身的 RNA 提供模板，維持端粒的結構和長度。

5 表觀遺傳修飾與衰老

表觀遺傳修飾在衰老進程中發生的復雜變化可能是衰老的決定性因素之一，DNA甲基化、組蛋白修飾及微小RNA(miRNAs)的表達〔18〕等表觀遺傳學因素使衰老的調控不只局限于“基因決定論”。

5.1DNA甲基化 DNA甲基化是指甲基化酶將甲基轉移到DNA序列的堿基上發生甲基化的過程。衰老過程中，5-甲基胞嘧啶(DNA甲基化的產物)的分布發生顯著改變，表現為DNA甲基化的總體減少和局部增加〔19〕。甲基化增加的位置主要在一些基因的啟動子區域，造成一些腫瘤或衰老相關基因(p16)的沉默。

5.2組蛋白的修飾 組蛋白修飾是一種重要的影響染色質結構的途徑，從而調節基因活性的修飾手段,乙酰化和去乙酰化是其中最普遍的兩種形式，可通過影響組蛋白賴氨酸殘基的帶電性質改變染色質的緊密程度〔20〕。甲基化是組蛋白修飾的另一重要調控基因表達的方式，與乙酰化修飾不同，組蛋白甲基化通過具體形態和結合的特定蛋白來決定基因激活或沉默。

5.3miRNAs的表達 miRNAs來源于RNA轉錄，調控靶標mRNA，通過直接或間接調節p53-p21、p16-pRb通路，調控基因表達、細胞衰老〔21〕，進而調節衰老進程及機體壽限。

6 復制性衰老理論

關于細胞復制性衰老的研究較多，細胞有絲分裂中細胞復制增殖壓力引起DNA損傷等，導致細胞周期停滯，通常是由于CDK抑制因子增加導致的。實驗表明〔22〕，不同的真核有絲分裂細胞中，端粒隨細胞分裂呈現周期性和漸進性縮短，最后引起細胞復制性衰老。端粒的DNA損傷激活DNA損傷反應激酶共濟失調-毛細血管擴張并張突變基因(ATM)和ATM相關蛋白(ATR)，激活CDK抑制因子，導致細胞周期永久抑制。細胞復制性衰老的不同模式有〔23〕：①癌基因突變導致原癌基因Ras相關核蛋白GTP酶(RasGTP)酶或原癌基因Ras相關的蛋白激酶(Raf)蛋白激酶激活，作用于細胞外信號調節激酶(MEK)，影響p38和p16基因表達，或作用于丙酮酸脫氫酶(PDH)，影響p21基因的表達，最終激活CDK抑制因子，引發細胞衰老。②DNA損失反應(DDR)激活ATM和ATR蛋白激酶，影響p53和p21基因，激活CDK抑制因子，引發復制性衰老。③轉化生長因子(TGF)-β或磷脂酰肌醇3激酶(PI3)動員信號轉導蛋白受體(Smad)，影響p21基因表達，激活CDK抑制因子，引發程序化衰老。

綜上，衰老機制本身的復雜性與不確定性致使衰老現象不能用單一機制進行闡釋，必須進行多方面多層次的深入探索。基于衰老這一共同點，各衰老機制的研究也必然存在某種內在聯系，對這種內在聯系進行深入拓展研究，將有利于加深對衰老現象及機制的進一步認識。鑒于學科交叉的重要性，抗衰老研究與細胞生物學、干細胞衰老與再生醫學、端粒生物學等科學相結合，將來必會在衰老機制的探索中取得不菲的研究成果。

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