運動抗衰老：端粒機制的研究進展

董云峰，邱俊強

隨著人類壽命的延長，與年齡相關疾病的患病率呈上升趨勢，因此，迫切需要找到適當的干預措施來延緩衰老，同時減少與衰老有關疾病的發病率。近年，研究揭示了端粒長度及其完整性在衰老過程中的重要性，以及延緩衰老的潛在干預措施，如體育鍛煉和健康飲食（Mercken et al.，2012）。由于端粒長度在細胞衰老中具有關鍵作用，同時端粒縮短與預期壽命下降和慢性疾病風險增加有關，因此，端粒磨損已被描述為衰老重要的生物學特征之一（Lópezotín et al.，2013）。

1 衰老與端粒

1.1 衰老

研究表明，世界上60歲及以上人口的比例正在迅速增加，預計到2050年將上升20%，超過世界兒童的數量，說明大多數國家的人口結構正在趨于老齡化（Stambler，2017）。因此，開發能夠延緩衰老速度或減少與衰老相關疾病發生的干預措施，已成為當務之急，同時這對于提高生活質量和降低醫療成本具有巨大的應用價值（Chakrabarti et al.，2016；Konar et al.，2016）。針對人和動物模型的研究表明，多種遺傳、飲食、運動和藥物干預可以延長壽命，同時這些延長壽命的方法也有助于延緩與年齡有關疾病的發生（Kenyon，2010；Robi et al.，2013）。

1.2 端粒

端粒是線性染色體末端的特殊結構，即染色體（DNA分子）末端重復核苷酸序列區域，哺乳動物端粒由重復的富含G和C的DNA序列（5’-TTAGGG-3’/3’-CCCTAA-5’）組成，染色體末端沿著 5’到 3’方向的鏈富含GT（De Lange，2005）。雙鏈端粒DNA與6個亞單元端粒蛋白復合物（shelterin）結合，6個亞單位包括：端粒重復序列結合因子 1（telomeric repeat binding factor 1，TRF1）、端粒重復序列結合因子2（telomeric repeat binding factor 2，TRF2）、端粒保護蛋白1（protection of telomeres 1 protein，POT1）、TRF1和TRF2相互作用的核蛋白2（TRF1-and TRF2-interacting nuclear protein 2，TIN2）、TIN2和POT1相互作用蛋白 1（TIN2 and POT1 interacting protein 1，TPP1)和阻遏物激活蛋白1（repressor activator protein 1，RAP1），它們之間相互連接（圖1），其中TRF1、TRF2和POT1可直接識別TTAGGG重復序列（Blackburn et al.，2015）。同時，Shelterin復合物也有助于形成帶有T環和D環的套索狀結構，從而可以隱藏端粒末端（Balan et al.，2018）（圖1）。這種構象可抑制端粒處的DNA損傷反應（DNA damage response，DDR），從而阻止共濟失調的毛細血管擴張突變（ataxia-telangiectasiamutation，ATM）和 RAD3相 關（RAD3-related,ATR）激酶的激活，這些激酶可誘導細胞周期停滯，以應對DNA雙鏈斷裂和其他類型的DNA損傷。

圖1 端粒DNA與Shelterin復合物促進D和T環的形成（Balan et al.，2018）Figure 1. Telomeric DNAwith the Shelterin Complex Facilitating the Formation of D-and T-loop

1.3 端粒酶

端粒酶是一種負責在染色體末端合成DNA的酶，通過在RNA模板上添加重復序列來延長端粒DNA的末端區域，是一種依賴RNA的DNA聚合酶（核糖核酸蛋白），能夠合成端粒DNA序列，為無限的增殖潛能提供分子基礎（Blackburn，2001；Cong et al.，2002）。由于“末端復制問題”，DNA聚合酶在細胞分裂過程中無法維持端粒長度，體細胞端粒會隨著年齡的增長而逐漸縮短，此時端粒酶會起到延緩端粒縮短的作用（Harley et al.，1990；Odile et al.，2005；Starkweather et al.，2014）。端粒酶由兩個核心組成：催化亞基端粒酶逆轉錄酶（telomerase reverse transcriptase，TERT）和 RNA 模板（telomerase RNA template,TERC），其中TERT中的核苷酸多態性與降低乳腺癌風險密切相關（Helbig et al.，2017）。許多類型的人類細胞缺乏端粒酶，它可通過在染色體末端添加核苷酸來負責端粒的合成（Zhang et al.，2016）。此外，端粒酶可以抵消端粒侵蝕，在某些情況下還可以延長端粒長度，而且端粒酶活性的調節在抗衰老以及治療癌癥方面有著重要作用（Aviv，2002；Cong et al.，2002）。

1.4 端粒長度與衰老

端粒有重要的生物學功能，可穩定染色體，防止染色體DNA降解、末端融合，保護染色體結構基因DNA，調節正常細胞生長，同時也起著有絲分裂時鐘的作用，因為其在每一次體細胞分裂時都會發生磨損，所以端粒的長度可以作為這些細胞復制潛能的一個指標（Arnoult et al.，2015；Blackburn，2010）。細胞分裂越多，端粒越短，隨著年齡的增長，端粒DNA在體細胞分裂過程中自然縮短，當端粒長度變得非常短時，端粒功能受損，導致基因組不穩定、細胞衰老和凋亡（Blackburn et al.，2015）。

生物老化指的是獨立于時間老化的過程，其降低了機體的生存能力，增加了機體的脆弱性，而端粒長度被認為是生物衰老的標記物，因為其記錄了時間和生物年齡（Brown et al.，2017）。當端粒長度縮短到閾值以下時，會導致端粒長度極度變短，易于染色體端粒融合，融合的染色體在有絲分裂過程中分裂不均勻，導致細胞分裂過程中基因組的不穩定和染色體重排，對DNA造成損傷，進而導致細胞產生非功能蛋白，這些蛋白可能會以兩種不同的方式產生作用（Cleal et al.，2018；Hemann et al.，2001；Maciejowski et al.，2017）：1）非功能性細胞導致凋亡，凋亡是人類衰老的大致過程；2）非功能細胞繼續產生非功能蛋白，這些蛋白可能成為非功能細胞，最終成為癌癥。雖然端粒縮短被認為是一種防止腫瘤發展的措施，但端粒功能的喪失會導致細胞衰老，破壞組織的更替，導致整個機體衰老（Vakonaki et al.，2018）。因此，維持端粒長度，延緩端粒磨損，對于防止機體衰老具有重要意義。

2 運動與端粒長度

隨著生活方式的改變，老年人的壽命和生活質量有所提高，尤其是規律的體育鍛煉，但這其中的相關機制還不清楚，這也在一定程度上促使了對運動與端粒生物學關系的研究，如運動是否能夠延緩衰老和改善疾病等問題。從目前的研究表明（表1），運動對維持端粒長度的確有一定保護作用，但同時又存在兩種關系：正相關關系和倒U型關系，這可能與具體的運動處方有關，包括運動強度、運動類型、運動持續時間等（Chilton et al.，2017；Ludlow et al.，2013）。

表1 運動與端粒長度顯著相關的研究Table 1 ASummary of Studies Showing PositiveAssociations between PhysicalActivity and Telomere Length

續表1

2.1 運動強度對端粒的影響

有研究顯示，久坐行為會增加端粒的損耗，而進行一定程度的體育鍛煉能夠更好地延緩端粒磨損，這提示運動強度在運動與端粒長度的關系中有一定作用（Puterman et al.，2010；Sj?gren et al.，2014）。Kim 等（2012）在研究定期的體育鍛煉對絕經后婦女端粒長度的影響時發現，絕經后婦女在平均19個月內每周進行3次以上的60 min器械抗阻練習和有氧運動后，其外周血單個核細胞（peripheral blood mononuclear Cell，PBMC）端粒長度明顯長于久坐的同齡人。處于I—III期乳腺癌的絕經后婦女參加中等強度到高強度的體力活動時，PBMC端粒長度也明顯長于不運動的婦女（Garland et al.，2014）。Denham等（2013）的研究也表明，高強度的運動（75%O2max）比相同時間的中等強度運動（50%O2max）更能促進骨骼肌端粒的轉錄。以上研究表明，運動強度可能是運動影響端粒長度的一個重要決定因素，同時推測對于端粒長度的維持，是否存在一個理想的運動強度閾值，而且只有到達閾值后，運動才會對端粒長度起作用，但此閾值是否與年齡、性別、自身健康情況等有關，尚待進一步研究。

2.2 運動類型對端粒的影響

目前在運動與端粒長度關系的研究中，大部分的運動類型以耐力運動為主，少數為抗阻運動。耐力運動員由于大量的有氧運動訓練而具有較高的心肺功能，其心血管疾病和癌癥死亡率也比久坐的人低，同時壽命比久坐的人長（Garatachea et al.，2014）。研究發現，在平均每周跑80 km的中年（51歲）田徑運動員中，端粒長度磨損減弱，且PBMC端粒長度與年輕（21歲）運動員相似（Werner et al.，2009），Larocca等（2010）的研究也發現了同樣的結果。也有數據表明，平均每周跑40～100 km的超耐力運動員的白細胞端粒比正常人長11%，在另一組耐力（鐵人三項、長跑和騎自行車）受試者中，耐力運動員的白細胞端粒更長，生物老化減弱（Denham et al.，2013）。基于以上，耐力運動訓練可以保護端粒長度、延緩端粒磨損，同時，為了取得顯著效果，建議堅持定期運動訓練（Laine et al.，2015）。盡管目前還不清楚端粒長度在耐力運動員中有所保持的原因，但有證據顯示，這可能是因為端粒長度對心肺功能的適應有一定作用。此外，抗阻訓練對端粒長度的影響相對未知，值得進一步關注。

2.3 運動持續時間對端粒的影響

有研究顯示，運動時間控制在每周至少4 h及以上的情況下，端粒長度變化與身體活動有關，同時久坐在屏幕前（看電視、玩電子游戲、使用電腦）每增加1 h，端粒縮短的概率就會增加7%，提示，運動持續時間在運動對端粒長度的影響中有著重要作用（Loprinzi et al.，2015b；Weischer et al.，2014）。Ornish等（2008）研究也發現，30名經活檢診斷為低風險前列腺癌的男性進行每次30 min，每周6天，共3個月的步行活動后，端粒酶活性有顯著增加。此外，一項667名青少年參與者的研究顯示，通過佩戴7天的加速計來客觀評估體力活動與白細胞端粒長度關系，發現兩者并無關聯，經過相關變量模型調整后顯示，端粒長度與運動強度呈正相關，這提示對于年輕人而言，運動強度可能比運動持續時間更重要（Zhu et al.，2011）。綜上所述，目前鮮見關于單獨運動持續時間對端粒影響的研究，但結合已有的研究可看出，大部分的運動為長時間的有氧運動，而且通過對實驗方案進一步的總結后發現，運動持續時間多為每次30 min或以上，每周3～6天，總持續時間3～12個月，甚至更長，這說明了運動持續時間的重要性（Denham et al.，2016）。結合相關研究（表1），推測運動持續時間所起的作用是否與年齡有關，目前還不確定，尚待進一步關注。

影響運動與端粒長度關系的因素除了上述幾點，可能還與一些可控制因素（如受試者的年齡、體力活動的范圍、端粒長度的測量）和不可控制的因素（如飲食和心理壓力）有關（Mason et al.，2013；Mathur et al.，2013）。

3 運動延緩端粒長度磨損的可能機制

雖然目前的研究表明，運動可以延緩端粒磨損（Chilton et al.，2017；Denham et al.，2013），但運動對端粒發揮作用的機制尚未可知，目前關于運動影響端粒長度的作用機制存在如下解釋。

3.1 端粒酶活性

端粒長度主要由端粒酶調節，端粒酶是一種催化端粒重復添加到染色體末端并促進基因組完整性和穩定性的酶，目前端粒酶已被證明可以增加端粒長度，促進細胞生長和壽命。作為端粒酶復合物的催化亞基TERT，它被認為是限制人體體細胞端粒酶活性的重要因素，運動后端粒酶活性的增加可以減少端粒長度的耗損（Aviv，2002）。Cluckey等（2017）對11名年輕人（男性5人、女性6人）和8名老年人（男性4人、女性4人）進行了高強度間歇騎車鍛煉研究，測試他們對端粒酶活性的不同反應，以及這種反應是否具有性別特異性，結果表明，年輕人比老年人在運動后端粒酶活性有更大的增加；同時還發現，與女性相比，男性對急性耐力訓練的TERT反應更高，而女性的這種反應與年齡無關。Zietzer等（2017）的研究表明，30 min的跑步時間足以增加22名年輕健康受試者外周血單核細胞端粒酶活性。因此推測，運動后端粒酶活性的增加可能是運動防止衰老的機制之一。

但有部分研究表明，端粒酶活性的增加在急性運動后似乎是短暫的。Puterman等（2018）對68名女性和男性護理人員的端粒酶活性和端粒長度進行了研究，結果發現，在有氧訓練組中，訓練后白細胞端粒長度增加，而非運動組的端粒長度則略有縮短，同時干預后兩組PBMC端粒酶活性均無變化。因此可以推測，運動誘導的PBMC端粒酶活性升高可能是一種短暫的機制，并且在運動幾小時后恢復到基礎水平，但確切的動力學機制仍然需要確定（Puterman et al.，2018）。

3.2 炎癥

炎癥是機體對內源性和外源性損傷因子所作出的一種防御反應。Nimmo等（2013）研究發現，體力活動水平與炎癥標志物之間成反比關系。Khan等（2012）研究表明，白細胞端粒長度縮短與促炎細胞因子白介素-6（Interleukin 6，IL-6）和腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor-α，TNF-α）濃度升高有關，同時慢性炎癥也可提高白細胞的周轉率，從而增加端粒消耗率。因此推測，體育鍛煉可能通過減輕炎癥來保護端粒長度磨損。Parish等（2009）在研究中指出，運動訓練可引起炎癥標志物的下降，同時慢性炎癥也可引起衰老、氧化應激和端粒酶活性的下調，如促炎細胞因子TNF-α可能通過下調端粒酶活性從而使端粒長度縮短（Khan et al.，2012）。因此，炎癥的減弱可能是體育鍛煉對端粒長度起保護作用的一種潛在作用機制。

3.3 氧化應激

氧化應激誘導的DNA損傷是細胞功能障礙、機體衰老、動脈粥樣硬化、糖尿病和癌變的關鍵因素，尤其端粒DNA更容易受到氧化損傷（Hewitt et al.，2012），而大部分研究已證實，適當的體育鍛煉可以改善機體的氧化應激反應（Sallam et al.，2016），因此從氧化應激角度探討運動對端粒長度的影響，顯得尤為必要。Rosado-Perez等（2018）在研究有氧能力和血液中氧化應激生物標志物之間的關系時發現，氧化應激會降低端粒酶活性，加速端粒磨損。Sallam等（2016）研究表明，適度、有規律的體育鍛煉可以通過減輕氧化應激水平來延緩衰老。從機制上講，這種抗氧化反應會導致氧化還原敏感轉錄因子的活化，如NF-kB、活化蛋白1和過氧化物酶體增殖物激活受體 γ共激活因子-1α（peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α）（Meyer et al.，1994）。其具體過程為運動激活AMP活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）并通過核易位激活PGC-1α的轉錄和活化（Sallam et al.，2016；Wu et al.，1999），進入細胞核后PGC-1再誘導核呼吸因子1（nuclear respiratory factor 1，NRF1）的轉錄。因此推測，運動可通過激活PGC-1α氧化還原信號通路，刺激線粒體發生，進而改善線粒體隨年齡增長而下降的抗氧化能力（Wu et al.，1999）。Chilton等（2017）研究證實，通過有規律的運動可以有效調節機體的內源性抗氧化能力，維持端粒長度進而降低癌癥發生的風險，而且氧化應激似乎在端粒長度增加癌癥風險的過程中發揮了重要作用，因此推測，運動可以通過減弱機體的氧化應激反應來維持端粒長度，但具體作用機制還有待深入研究。

3.4 TERRA調節

目前在研究運動對端粒長度影響的機制中，含有RNA的端粒重復序列（telomeric repeat-containing RNA，TERRA）。Azzalin等（2007）實驗表明，端粒可以被轉錄成TERRA分子，一旦轉錄完成，TERRA仍與部分端粒相關，并發揮著保護端粒等重要功能（Rippe et al.，2015）。Denham等（2013）在細胞培養中發現，NFR1是人類端粒轉錄的重要調控因子，而PGC-1和AMPK是端粒轉錄的重要分子中間體。由于AMPK可以通過高強度或長期耐力運動被激活，因此有研究者進行了急性耐力訓練能否上調人類骨骼肌端粒轉錄的實驗，結果發現，AMPK活化的標志物乙酰輔酶A羧化酶（acetyl-CoA carboxylase，ACC）在運動后被誘導磷酸化，尤其是在高強度組更明顯。同時發現在PGC-1易位到細胞核和TERRA誘導的過程中也存在同樣的活化模式，而且由于NRF1能夠激活端粒轉錄，因此推測，在運動誘導生成活性氧（reactive oxygen species，ROS）使機體產生氧化應激時，TERRA的上調則可能成為骨骼肌抗氧化反應的一部分（Denhamet al.，2013）。此外，由于TERRA在容易氧化的鳥嘌呤殘基中含量較高，這也可能為TTAGGG端粒重復序列免受ROS的侵害起到一定保護作用。綜上所述，運動可以誘導端粒轉錄，而且從長期來看，這可能為TERRA更新和保護骨骼肌端粒提供一種解釋機制。

3.5 microRNAs調節機制

端粒長度受一系列表觀遺傳因素的影響，包括亞端粒DNA的甲基化、組蛋白修飾、端粒蛋白復合體的翻譯修 飾 和 小 RNA（microRNAs，miRNAs）（Chilton et al.，2017），其中miRNAs在調節一系列不同生物學過程（癌癥和衰老）中發揮著重要作用。有研究表明，miRNAs參與了運動后端粒酶活性和端粒長度的功能調節（Chilton et al.，2014）。Chilton等（2014）研究表明，急性運動誘導miR-186和miR-96在跑步后顯著上調，同時下調與其結合的靶向端粒重復結合因子2相互作用蛋白（telomeric repeat binding factor 2 interacting protein，TERF2IP）。急性運動也會導致miR-15a在運動后顯著上調，miR-15a的過度表達與其靶向腫瘤抑制因子TP53基因的抑制表達有關，這表明TP53作為端粒酶逆轉錄酶（telomerase reverse transcriptase，TERT）啟動子的重要抑制因子，其C末端與端粒酶活性相互作用并抑制其活性（Rampazzo et al.，2017）。Chilton等（2017）的研究表明，在跑步運動后miR-155的表達下降，而miR-155的主要作用是抑制端粒重復因子1的翻譯，因此推測運動可能通過促進TRF1的翻譯，進而激活端粒酶活性，延緩端粒磨損。綜上所述，目前的研究主要說明了miRNAs與端粒酶活性和端粒長度之間的相關性，同時這些研究結果更有助于理解運動對端粒酶活性和端粒長度的影響以及miRNAs的調控作用，但是對miRNAs介導的端粒內環境穩定作用的明確認識仍處于起步階段，并且關于運動-miRNAs-端粒相互作用的具體途徑，尚待進一步探索。

3.6 調節端粒長度的相關蛋白信號機制

為了闡明運動對端粒長度的保護作用機制以及更好地理解端粒如何響應生理應激等問題，有研究對運動如何改變嚙齒動物組織中端粒相關蛋白的表達進行了探析。Werner等（2009）研究了端粒和端粒相關蛋白在左心室、主動脈、血管和免疫組織中的作用，以闡明運動如何使細胞產生適應性，以及是如何抵抗內環境變化。在研究C57BL/6小鼠的短期訓練效果中（21天的自主跑），他們觀察到與久坐對照組相比，運動組TERT蛋白、TRF2、Ku70和Ku80 mRNA表達水平升高，這些數據說明，嚙齒類動物的短期運動訓練與端粒長度和衰老保護表達譜的增加有關。為了確定21天的運動效果是否依賴于TERT蛋白，給予TERT基因敲除動物組3周跑步。結果發現，與野生型運動動物相比，運動對TRF2、p16、Chk2和p53的影響在運動敲除的動物中不存在（Werner et al.，2009）。這些數據提供了運動通過端粒相關蛋白（TERT蛋白）使機體產生適應的證據，同時表明在嚙齒動物組織中TERT可能具有端粒外功能，如作為轉錄因子或染色質重塑復合物的一部分。

在不同品系的小鼠（CAST/Ei）中，Ludlow等（2012b）觀察到，44周的自主跑時，端粒蛋白復合體（shelterin）和端粒酶的組織特異性反應。在骨骼肌中，運動導致端粒縮短，但端粒酶活性增加。在心肌中，運動可以減弱shelterin基因表達的年齡相關性降低，而在肝組織中則沒有觀察到明顯的變化。這些數據表明，雖然運動對骨骼肌、心肌和肝臟3種組織都有益，但端粒長度調節蛋白的適應性反應是有組織特異性的。

綜上所述，運動可以保護細胞環境，防止端粒縮短，進而保護心臟、血管和免疫細胞的衰老表型，同時shelterin和端粒酶以一種組織特異性的方式適應運動訓練，運動可能導致端粒維持途徑的組織特異性適應，然而，無論組織特異性如何變化，運動引起的組織表型都具有端粒保護作用。但是目前鮮見與端粒生物學改變有關的運動特異性信號傳導機制的研究，對于這些機制的詳細作用途徑還需要進一步研究。

4 結論與展望

端粒縮短導致的細胞衰老可以通過運動來減緩，但維持端粒長度的最佳運動處方（運動強度、運動類型、運動持續時間）仍需進一步研究。運動對端粒長度的有益影響可能是通過端粒酶活性的增加、氧化應激的減輕、炎癥的減輕和骨骼肌的TERRA上調等條件來介導的，同時還有miRNAs的調控及端粒相關蛋白的作用，但更為具體的作用機制仍有待進一步探究。