溫度對生命體壽命的影響

趙佐舜，劉寶林

（上海理工大學 醫療器械與食品學院，上海 200093）

衰老是生命體的內在固有過程，是對外源因素和內源因素的處理和反應，衰老損傷體內分子和細胞的功能和結構，最終導致疾病或死亡。衰老的特征在于生理功能受損并逐漸喪失，無法維持生命體內環境穩態（homeostasis）。衰老也是導致許多疾病的主要因素，包括癌癥、心血管疾病、糖尿病及神經退行性疾病等[1]。生命速率理論（rate-of-living theory）常被用于解釋溫度對壽命的影響[2]，即低溫減慢了生化反應速率，從而減緩衰老的進行，而高溫則加速衰老。由阿倫尼烏斯方程k=Aexp（-Ea/（RT））可以知道，生化反應速率常數k隨著溫度T的降低而下降，體溫降低可以減少生命體正常生化反應中有毒物質生成，減少這類物質積累引起的各類損傷，進而延緩衰老[3]。A表示指前因子，Ea表示表觀活化能，R表示摩爾氣體常數。溫度是生物系統的基本特性，許多物種的研究都將溫度與衰老、壽命聯系起來。早期的研究主要集中于變溫動物，因為，變溫動物的體溫會隨著環境溫度變化，一個世紀前的研究證明了果蠅的壽命與溫度呈負相關[4]。針對恒溫動物的研究表明，其可以依據環境溫度的變化而調節自身產熱，使體溫穩定在一個狹窄的范圍內。Ames侏儒小鼠的壽命比野生型長1年左右，可能因為其體溫較低[5]。恒溫動物攝入較少卡路里熱量時，則體溫也降低，這一現象常被用來研究核心體溫對壽命的影響[6]。自從上述溫度與壽命關系的早期開創性研究以來，隨著該領域研究的不斷發展，近期研究的模型已經擴展到其他物種，并探討了延長壽命的影響因素之間的關系。

本文綜述了溫度對生命體壽命的影響，包括溫度通過基因表達影響細胞信號傳導通路的壽命調節作用、生化反應對溫度的響應。這些機制可能相互影響、相互作用，所以，長壽的溫度調節比人們預想的更復雜。

1 溫度通過基因表達影響壽命

對衰老的研究由于發現了影響壽命的特定細胞信號傳導通路得到了進一步發展[7-8]。文獻[7]總結的信號傳導通路包括瞬時感受器電位（transient receptor potential, TRP）通 路、生 長 激 素（growth hormone, GH）、胰島素/類胰島素樣生長因子（the insulin/insulin-like growth factor, IGF-I）通路。在對輪蟲壽命的研究中發現，雖然低溫延長了所有品系輪蟲的壽命，但在不同遺傳背景下，壽命延長效果具有顯著性差異[9]。這表明生物對低溫的響應取決于遺傳因素，并且可能由特定的遺傳通路驅動，如TRP通路影響細胞死亡率，延長或縮短細胞存活。TRP通路介導的鈣離子內流產生不同的細胞內鈣離子信號，其調節下游通路誘導細胞凋亡或存活，進而影響心血管、神經、代謝或腫瘤疾病的發生[10]。其中，TRPA-1是一種在線蟲中存在的冷敏感TRP通路，可以檢測環境中的溫度下降，從而啟動基因程序以延長壽命[11-12]。在小鼠實驗中，遺傳性GH缺乏或抗性導致壽命的顯著延長，伴隨著衰老減緩的跡象。在其他哺乳動物中也顯示了GH信號傳導通路和IGF-1相關機制與長壽的負相關。在人類中，GH抗性或缺乏的綜合征對長壽沒有類似的顯著影響，但可以提供對癌癥、糖尿病和動脈粥樣硬化的抵抗[13-14]。

最近的研究[12]表明，特定的機制可以響應較低的溫度來延緩衰老，如圖1所示，在秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis elegans, C.elegans）中，已發現其冷敏感TRP通路TRPA-1可通過誘導鈣離子流入細胞依次激活PKC-2（一種鈣離子敏感的蛋白激酶C）和SGK-1（DAF-16 / FOXO激酶），通過SGK-1激活DAF-16 / FOXO 轉錄因子（一種壽命調控因子），該遺傳程序有助于在低溫下延長壽命[11]。但是，DAF-16可能在幼蟲階段和成蟲階段以相反的效果影響線蟲的壽命，結果是在低溫條件下，DAF-16調節基因表達使幼蟲壽命縮短，延長成蟲壽命[11]。總的來說，溫度對秀麗隱桿線蟲壽命的影響不是一個被動的過程，這個結果對以熱力學為基礎的生命速率理論是一個挑戰。

圖1 冷敏感TRPA-1通路激活遺傳程序以延長壽命Fig. 1 Cold sensitive pathway TRPA-1 activation genetic programs to extend life

由于Ames和Snell侏儒小鼠缺乏促甲狀腺激素和GH，所以，它們的體溫較低[15]。Ames和Snell侏儒小鼠分別在Prop-1和Pit-1基因座中發生突變，導致促甲狀腺激素、催乳素和GH缺乏以及胰島素水平降低[7]。GH受體敲除的小鼠和侏儒小鼠，具有較低水平的胰島素和循環IGF-1，因此，與GH和促甲狀腺激素相關的胰島素通路可能是嚙齒動物體溫調節的潛在機制。同時，GH和IGF-1循環水平的降低可能導致衰老期間的功能缺陷。IGF-1/胰島素通路還控制從線蟲到哺乳動物的許多生命體的壽命和衰老，雖然減少IGF-1信號不利于生長和增殖，但可以延長壽命[14]。

類似于低體溫對生命體的影響，GH相關突變體壽命延長的機制可能包括抗氧化防御改善、胰島素敏感性增強、胰島素水平降低、炎癥反應和細胞衰老減少、線粒體功能和能量代謝變化以及更強的應激抵抗力[13-14]。

熱量限制（caloric restriction, CR）是一種通過在確保營養的情況下減少熱量攝入，延長物種壽命的干預措施。在大部分實驗中都觀察到CR導致包括小鼠、靈長類動物和人類在內的恒溫動物的核心體溫降低[16]。在熱量限制條件下，動物基因表達的變化或某些細胞信號傳導通路的激活可能影響壽命，例如，葡萄糖轉運蛋白4、胰島素激活的氨基酸轉運蛋白和脂肪酸轉運蛋白受到長期CR的影響上調[17]。同時，參與糖酵解和脂解通路，氨基酸代謝和線粒體能量代謝的基因的表達受到長期CR的影響上調[17]。這表明經歷長期CR的小鼠，其葡萄糖、氨基酸和脂肪酸的效率和攝取能力增強了，相反，在長期CR的小鼠的白色脂肪組織中，參與炎癥的基因表達顯著降低[18]。因此，CR動物較好的健康狀況是由于基因表達活性的增強而引起的脂肪減少。

2 溫度對生命體生化反應的影響

早期的研究集中在溫度對無脊椎變溫動物的壽命的影響，因為，它們的體溫由周圍環境決定，在實驗室條件下比恒溫動物更容易操作。其中一項早期研究表明[19]，黑腹果蠅在21 ℃時的壽命大約是27 ℃時的2倍。其他研究也得到相似的結果[20]，表明溫度對黑腹果蠅和秀麗隱桿線蟲的壽命和衰老速率有顯著影響。在有脊椎變溫動物實驗中也獲得了類似結果[21-22]，兩項關于短壽鳉魚壽命的研究表明，溫度分別下降5 ℃和6 ℃時，它們的壽命對應增加了43%和75%。環境溫度的變化對拉氏假鰓鳉的壽命影響更大，從30 ℃降低到25 ℃，其壽命增加了50%，而從25 ℃降低到20 ℃，壽命增加了64%[23]。目前的數據表明[24]，在較低的環境溫度下，兩棲動物表現出與其他變溫動物一樣的壽命延長。

與變溫動物相比，恒溫動物具有更強的產熱能力、更穩定的體溫。低溫對恒溫動物的壽命也有影響，例如，在一年中較冷的季節出生的嬰兒體重、孕齡和壽命增加，并且胎兒發育缺陷和早產的風險較低，而在溫暖的季節出生的嬰兒中得到了相反的結果[25-26]。冷暴露實驗中[27]，小鼠暴露在較低環境溫度中，慢性低溫誘導肩胛間棕色脂肪組織（brown adipose tissue, BAT）增加，細胞增殖和解偶聯蛋白1（uncoupling protein1, UCP1）增加，以應對低溫環境。如果人類暴露在冷的環境中，在短時間內引起急性生理反應，增加產熱并減少散熱，長期冷暴露會促使人體通過自身生理生化調節過程，形成冷馴化，可以改善心血管功能、免疫功能[28]。對非人類靈長動物和人類的CR實驗結果[29-30]表現出與嚙齒動物相同的現象，都出現了體溫降低，血液膽固醇、血壓、空腹血糖和白細胞計數降低。轉基因“冷鼠”實驗[31]得到了僅在下視丘分泌素（Hcrt）神經元中過表達解偶聯蛋白2（UCP2）的Hcrt-UCP2小鼠，與野生型相比，轉基因雌性小鼠核心體溫平均減少0.34 ℃，預期壽命提高了20%，轉基因雄性小鼠的核心體溫平均減少0.3 ℃，預期壽命提高了12%。這些實驗結果表明，對恒溫動物和變溫動物，體溫或者環境溫度在壽命調節中具有普遍作用。

2.1 能量代謝

長期以來，人們都應用熱力學理論來解釋衰老現象，認為衰老是分子紊亂增加和代謝穩定性降低的結果。低體溫的情況下，體內生化反應的速度和代謝率降低，延緩了衰老[4,32]。在熱力學第二定律適用于開放系統的條件下，代謝穩定性下降使生命體內分子熵隨時間增加，提高了患年齡相關性疾病的可能性，這樣的過程基本上等同于衰老過程[33]。由于代謝率隨溫度呈指數增加，因此，在較小的溫度范圍內，低體溫使壽命呈指數級增長[34]。盡管低體溫小鼠長壽的具體機制仍然未知，但代謝需求因維持較低的體溫而下降，導致能量代謝效率上升，這可能影響各種形式的分子損傷，包括減輕氧化應激和DNA損傷。

早期的冷暴露實驗可以支持生命速率理論，確定了低體溫是否會影響壽命。相對于變溫動物的冷暴露實驗，一項小鼠實驗研究結果表明[35]，冷暴露中或冷暴露后小鼠的核心體溫沒有變化，但食物攝入量增加44%，平均每日能量消耗顯著升高，并且與對照組相比具有顯著的低體重，研究結果沒有顯示出壽命差異，但冷暴露小鼠的惡性腫瘤發生率顯著降低。這些研究結果揭示了低溫引起的代謝變化對壽命影響的現象。

冷暴露動物的脂肪含量降低具有重要的健康意義，例如，脂肪含量增加與炎癥有關，而炎癥又與幾種慢性疾病相關，因為，分泌的脂肪因子與免疫細胞相互作用以釋放炎癥蛋白并將免疫細胞聚集到脂肪組織中，隨后產生并釋放促炎介質[36-37]。

2.2 氧化還原水平

在恒溫動物中，BAT起到產生熱量的作用，目的是在寒冷環境中維持體溫。BAT在動物幼體、成年嚙齒類及冬眠哺乳動物的頸部和腋部分布較多，其數量與動物的體型大小成反比，脂肪細胞之間的疏松結締組織中有較豐富的毛細血管和神經纖維，能產生大量熱量流經其周圍的血流，對維持初生和冬眠動物的體溫有重要意義[38]。

解偶聯蛋白，特別是UCP1，是位于BAT線粒體內膜中的線粒體轉運蛋白，可增強質子傳導性，使三磷酸腺苷（ATP）的產生與氧化磷酸化過程分離，從而產生熱量。有證據表明UCP家族中的幾種其他蛋白質（UCP2，UCP3，UCP4和UCP5）在產熱、抵抗活性氧（reactive oxygen species, ROS）和長壽中起作用[39]。在冷暴露和低體溫期間，去甲腎上腺素和甲狀腺激素通過UCP刺激BAT產熱，這表示冷暴露嚙齒動物中BAT的UCP表達增加[40]。反過來，由于UCP將氧化磷酸化過程與ATP產生分離導致ROS的產生減少。基于以上所述，UCP現在被廣泛認為在生物的抗氧化防御系統中發揮作用。

UCP表達上調時引起的ROS產生減少，可能是較低體溫和長壽之間相關性的因素之一。傳統的自由基衰老學說（the free radical theory of aging）認為氧化應激損傷細胞，當這種氧化損傷積累到體內穩態無法修復時，就會引起衰老。然而，在線蟲實驗中發現[41]，幼蟲階段經歷的高溫暴露反而延長了壽命，這可能是因為高溫引起的氧化應激在幼蟲中積累了高水平的抗氧化物質。因此，尚不清楚ROS誘導的損傷是否是衰老的主要原因。嚙齒動物實驗發現[42]，在低溫環境中蒙古沙鼠不同器官中的抗氧化防御能力和氧化損傷有顯著差異。隨著年齡的增大，ROS會提高某些疾病的發病率，原因可能是隨著衰老的進行，生物的氧化還原應激反應能力降低，包括產生適量ROS激活細胞信號通路的能力、激活抗氧化系統維持氧化還原平衡的能力和降解氧化損傷蛋白的能力，生物無法將體內的氧化還原水平維持穩態[43]。

2.3 免疫功能

研究已經證明[44-45]，在不同的哺乳動物模型中，低體溫會誘導免疫功能細胞和體液免疫功能的變化，包括淋巴細胞增殖的減少，以及自然殺傷細胞數量和其細胞毒性的降低。人類實驗表明[46]，低體溫可能對免疫功能有利，例如，核心溫度降低0.8 ℃不會改變白細胞總數，而手術期間核心溫度降低1 ℃會導致手術后24 h和48 h淋巴細胞增殖和白介素2產生減少。此外，核心溫度降低0.5 ℃和0.6 ℃導致自然殺傷細胞活性降低。體外實驗的結果支持了這些發現[46]，與在37 ℃孵育1 h相比，在34 ℃下孵育1 h的單核細胞，能夠殺死更多的大腸桿菌，這有利于宿主防御。更重要的是，體溫的緩慢降低，與CR期間觀察到的相似，已被證明可以提高免疫反應性，特別是T淋巴細胞、T輔助細胞和T抑制細胞數量增加以及活化的T淋巴細胞和B淋巴細胞的表達增加[28]。但是，持續冷暴露對不同個體的影響仍不明確，甚至可能抑制免疫反應，未來的工作可以關注冷暴露引起的應激水平與免疫功能變化的關系。

2.4 熱量限制

CR中的嚙齒動物減少30%~40%的食物攝入量，會使壽命增加約50%~65%[47]。CR會改變核心體溫并通過抗衰老基因表達促進物種壽命[48]。如圖2所示，經歷CR的哺乳動物脂肪量顯著減少，導致脂肪因子（adipokines）的循環水平發生顯著變化[2,49-50]。脂肪組織的改變以及生長激素釋放肽（ghrelin）水平的改變，導致CR期間觀察到的循環促炎性細胞因子水平降低[50]。如上文所述，CR的抗衰老機制也涉及基因表達和細胞信號傳導通路[17-18]，以及BAT激活引起的UCP1表達上調導致ROS水平下降[39]。低體溫對調節由CR引起的生理變化具有重要作用，為了節約能量，在響應甲狀腺激素和代謝率降低的CR哺乳動物中出現體溫降低[2]。低體溫不僅是CR的結果，文獻[7]總結了低體溫對壽命的獨立影響，同時低體溫和CR在對壽命的延長機制上有部分重疊，包括降低脂肪量、影響氧化損傷程度、影響包括GH / IGF-1途徑在內的壽命的內分泌調節。溫度也對CR有重要影響，實驗證明，經歷CR的小鼠在高溫環境下，一些CR的效果減弱[51]。

圖2 熱量限制與體溫之間的關系及其對壽命的影響Fig.2 Relationship between caloric restriction and body temperature and their influence on longevity

2.5 溫度與死亡率

人類死亡率基本符合1825年Benjamin Gompertz提出的指數公式，這個指數公式被稱為Gompertz的“死亡率定律”：嬰兒時期具有較高的死亡率，隨著年齡增長死亡率下降，直到10~15歲時死亡率降至最低點。之后，死亡率急劇增加，每10年死亡率都會翻倍。這個趨勢將會一直持續到80歲。但因為溫度不是Gompertz函數的變量或參數，所以，死亡率定律不能預測溫度對壽命的影響，可以通過引入一個假設的活化能E1來解決這個問題[3]。假設活化能El是保護生命體內重要的化學物質免受自生或其他分子損害的能量，并且E1與一個重要的分子單位的數量成正比，這個分子單位隨時間線性減少。這個分子單位沒有被確定，目前端粒是最好的選擇。

端粒是真核生物染色體末端的DNA-蛋白質復合物，具有保持基因組穩定性的作用[52]。最短端粒的長度是衰老開始的主要決定因素[3,52-53]。端粒的縮短速率滿足阿倫尼烏斯公式。文獻[3]通過在死亡率定律中加入阿倫尼烏斯公式和一級動力學公式，將活化能E1、分子單位的消除速率與溫度聯系在一起。最終得到了一個關系式：

式中：θ表示生命體的溫度系數；LE0表示出生預期壽命；T表示體溫；g2表示一個與T無關的常數。

式（1）中的負號表明，隨著T的增加，LE0減小。通過實驗數據[54-55]確定g2大約為10000 K，可得θ=?0.12LE0，即溫度下降1 ℃，壽命會增長出生預期壽命的12%，當溫度降低8 ℃時，平均壽命將會翻倍[3]。

3 結 論

溫度能明顯地影響變溫動物和恒溫動物的壽命，最初人們認為是熱力學效應和低代謝的影響，如減少的氧化損傷、DNA損傷及脂肪量。現在的一些研究表明，溫度對壽命的影響不能簡單地使用熱力學效應來解釋。本文綜述了特定基因表達和細胞信號傳導通路通過響應低溫環境影響衰老過程并延長壽命的機制。溫度對生化反應的影響并不能僅用溫度定律解釋，體溫降低會改變能量代謝和氧化還原水平，改變免疫功能。低體溫和CR在對壽命的延長機制上有部分類似。低溫對衰老的延緩是許多生化反應相互影響、相互作用的最終結果，其具體機制還尚不明確。同時，將溫度系數引入死亡率定律的研究，也提出了溫度變化能改變重要分子單位數量的假設，這種改變可能引起人體器官生理活動的變化，為研究溫度對壽命的直接影響提供了理論基礎。