蔣國 高郡茹 楊柳

廣西師范大學生命科學學院（廣西桂林541004）

衰老是指生物體的生理器官隨著年齡的增長而發(fā)生不可避免的功能性下降，內環(huán)境穩(wěn)定能力與應激能力下降，結構、組分逐步退行性變化，趨向死亡且不可逆轉的現(xiàn)象。老齡化是癌癥、心血管疾病、糖尿病和神經(jīng)退行性疾病等人類疾病最主要的風險因素之一：全球每天大約有150 000 人死亡，其中約三分之二死于與年齡相關的原因［1］。然而，衰老又在機體正常發(fā)育、維持組織穩(wěn)態(tài)和抑制腫瘤細胞增殖中起重要作用。因此，了解衰老如何起作用，如何影響器官功能，以及如何預防、減緩衰老變得至關重要。在過去的幾十年中，已經(jīng)有許多相關研究報道了關于衰老過程中潛在分子機制的重要見解，如端?？s短、DNA 損傷積累、線粒體功能障礙和表觀遺傳改變等［2-3］，且調控衰老過程中相關信號通路可以改善許多與年齡相關的病理特征［4］。在這里，筆者綜述了目前已知的衰老分子機制及相關疾病，并回顧衰老和細胞衰老之間在細胞分子水平上的聯(lián)系，從而加深人們對衰老的理解以及為衰老相關疾病的防治提供新的依據(jù)。

1 衰老的分子機制

1.1 端粒縮短端粒是一類具有封閉染色體臂的末端并維持基因組穩(wěn)定性功能的DNA-蛋白質復合體結構。在所有哺乳動物中，端粒由高度保守的六聚體（TTAGGG）串聯(lián)重復DNA 序列形成。它被組織成一個稱為T 環(huán)的環(huán)狀結構，并與特殊蛋白質相關，其中包括構成Shelterin 復合物的蛋白質。端粒的兩個主要功能：（1）保護染色體臂的末端免受不適當?shù)腄NA 修復機制的影響，否則DNA修復機制可能會將松散的DNA 鏈識別為雙鏈斷裂并導致染色體融合事件的發(fā)生。（2）這種加帽結構可防止由于DNA 復制不完整而導致染色體臂末端附近基因的降解［5］。因此，在人類和其他動物的細胞分裂過程中，隨著DNA 不斷的復制，端粒為保護染色體末端而不斷地被消耗，長度逐漸變短。當端粒長度變得非常短時，維持Shelterin復合體的能力就會喪失。反過來，Shelterin 復合物對DNA 損傷反應途徑的抑制作用被釋放，細胞周期離開G1 期并進入G0 期。這是由共濟失調毛細血管擴張癥突變或共濟失調毛細血管擴張癥和Rad3 相關蛋白途徑引發(fā)的，這兩者都導致p53的磷酸化、p21 的表達和細胞周期蛋白依賴性激酶的抑制［6］。當離開細胞周期后，細胞進入衰老或細胞凋亡，而決定衰老或細胞凋亡的機制目前尚未明確。

最近有研究發(fā)現(xiàn)，在小鼠皮質神經(jīng)細胞中與年齡相關的端?？s短不是由細胞組分的變化引起的，而由G2/M 期皮質神經(jīng)細胞代表的細胞周期活性是年齡依賴性端?？s短的主要驅動力，且在此過程中端粒酶的活性沒有改變，端粒逆轉錄酶蛋白的亞細胞含量隨著衰老而變化［7］。此外，神經(jīng)細胞和亞神經(jīng)元中的端粒隨細胞周期依賴性和非依賴性方式的衰老而縮短，非復制性神經(jīng)元被證明參與大腦中與年齡相關的端粒損耗過程，核因子（NF-κB）的亞基Rela 的敲減也不影響端粒酶活性或端粒長度，盡管它在老化條件下選擇性地上調。BOCCARDI 等［8］通過對來自35 例年齡在23～101 歲范圍內的健康受試者的外周血單核細胞分析發(fā)現(xiàn)，端粒隨著供體年齡的增長而呈現(xiàn)出越來越多的異常結構。盡管脆弱端粒的比例直到成年才會增加，但姐妹端粒缺失和姐妹端粒染色單體融合的染色體比例在整個人類壽命中持續(xù)增加，端粒復制缺陷（而非最終復制問題）會導致衰老相關的人類端粒侵蝕。

1.2 DNA 損傷積累DNA 損傷是復制過程中發(fā)生的DNA 核苷酸序列永久性改變，并導致遺傳特征改變的現(xiàn)象。研究表明，DNA 損傷是癌癥和衰老發(fā)生的共同基礎，并且其內在原因是衰老最重要的驅動因素［9-10］?；蚪M不斷暴露于各種類型的DNA 損傷，如果沒有得到正確的修復，DNA 損傷的不斷積累直接涉及癌發(fā)生和其他與年齡相關的疾病，如神經(jīng)退行性疾病和誘導促炎性細胞因子的分泌等。DNA 損傷導致細胞停止分裂或誘導細胞凋亡，從而進一步加速細胞衰老。研究證明，小鼠中大多數(shù)突變發(fā)生在胚胎和幼年發(fā)育期間，因為每次細胞分裂都可能會出現(xiàn)DNA 復制錯誤，而當細胞頻繁分裂時，DNA 損傷水平升高［11］。此外，小鼠中自發(fā)性DNA 損傷可驅動ROS 水平升高、細胞衰老以及與年齡相關的生理功能衰退［12］。

為了減弱DNA 損傷的有害影響，細胞已經(jīng)進化出多種DNA 修復機制，其中核苷酸切除修復（NER）是最通用的DNA 修復途徑之一。STEURER 等［13］發(fā)現(xiàn)熒光標記的光裂合酶（PLs）能夠有效識別UV 誘導的DNA 損傷而不阻斷NER 活性，且PLs 以高度敏感和劑量依賴的方式與受損DNA結合，可用于量化DNA 損傷負荷并實時確定修復動力學。PLs可以在活細胞成像過程中通過405 nm激光照相再激活立即逆轉DNA 損傷，為研究病變特異性NER 動力學和細胞對損傷清除的反應開辟了新的可能性。此外，有研究發(fā)現(xiàn)脫嘌呤/脫嘧啶核酸內切酶1 的（APE1）缺乏可抑制BER 的進行，同時促進人成纖維細胞衰老［14］。DNA 損傷應答（DDR）是一種進化上保守的信號級聯(lián)反應，由DNA損傷激活，指導細胞進行DNA 修復、衰老或凋亡。在高等生物中，DDR 通過準確去除嚴重受損的細胞并以細胞自主方式阻止腫瘤轉化。然而，新出現(xiàn)的數(shù)據(jù)表明DDR 信號傳導也可以通過旁分泌/系統(tǒng)機制發(fā)揮作用，通過調節(jié)組織修復和免疫反應來塑造系統(tǒng)環(huán)境。持續(xù)的DNA 損傷信號傳導可能導致DDR 發(fā)送“早期”和“晚期”細胞外信號，以及誘導衰老相關的分泌表型［15］。此外，DNA 損傷誘導的細胞衰老由腫瘤抑制因子p53 和p16INK4A 強烈介導，并且?guī)缀蹩偸桥c稱為DNASCARS 的核DDR 信號結構的存在相關。

1.3 線粒體功能障礙線粒體通過氧化磷酸化（OXPHOS）在線粒體內膜產生質子梯度，然后被ATP 合成酶利用以氧依賴性方式產生ATP。線粒體具有調節(jié)糖異生，脂肪酸氧化，細胞內鈣水平和細胞凋亡的功能，它也是細胞進行有氧呼吸的場所，被喻為細胞的“動力工廠”［16］。長期以來，維持線粒體功能正常對于細胞和生物體健康至關重要，線粒體功能障礙被認為是衰老和與年齡有關的疾病的主要原因，例如代謝綜合征和神經(jīng)退行性心血管疾病。線粒體的完整性在衰老期間受到損害，如跨膜電位降低、以ATP 合成為代價增加氧自由基（ROS）形成、鈣失調、誘導細胞凋亡和線粒體DNA 突變增加。因此，衰老過程中功能失調的線粒體的累積可產生大量的ROS 和氧化應激反應。KUBBEN 等［17］在表達mtDNA 聚合酶POLGα的校正缺陷型的敲入小鼠中證明了線粒體完整性和衰老之間的聯(lián)系，在這些小鼠中，由于mtDNA突變的累積，OXPHOS 效率降低，并且以ATP 的產生為代價增加ROS 形成而導致加速老化。UZHACHENKO 等［18］在Fus1 敲出的小鼠中發(fā)現(xiàn)維持線粒體穩(wěn)態(tài)的小線粒體蛋白Fus1 的缺失導致過早衰老和生存率降低，證明了Fus1 敲除的細胞的線粒體具有低儲備呼吸能力（在突然的能量需求情況下產生額外能量的能力），并且有調節(jié)線粒體鈣穩(wěn)態(tài)的作用。由Fus1 控制的鈣和能量穩(wěn)態(tài)可能是其衰老調節(jié)活動的核心，因此，F(xiàn)us1 蛋白和Fus1 依賴性途徑和過程可能代表抗衰老策略的新工具和靶點。此外，細胞可以通過激活具有降低ROS 水平的抗氧化機制來破壞有害的ROS-線粒體的相互作用，通過過表達線粒體靶向的過氧化氫酶抗氧化劑來恢復線粒體完整性延長了小鼠的壽命，并防止了神經(jīng)退行性心臟病和癌癥的發(fā)生［19］。線粒體可能在衰老的病理生理學中或在導致衰老表型的某些事件的早期階段中起關鍵作用，因此，線粒體將越來越多地成為預防和治療慢性疾病并促進健康老齡化的靶點。

1.4 表觀遺傳調控生物遺傳信息表達正確與否，既受控于DNA 序列，又受制于表觀遺傳學信息。表觀遺傳改變是指在不影響堿基對水平的DNA 序列的情況下實現(xiàn)的基因表達調控，包括DNA 甲基化，染色質重塑（由組蛋白的翻譯后修飾和ATP 依賴的染色質重塑復合物引起）和非編碼RNA。這些表觀遺傳機制的改變可影響絕大多數(shù)分子進化過程，包括基因轉錄和沉默、DNA 復制和修復、細胞周期進展、端粒和著絲粒結構和功能等［20］。衰老是一個多元化的過程，其特征在于基因組中的遺傳和表觀遺傳變化，而表觀遺傳機制現(xiàn)已成為衰老的基因組結構和功能改變的關鍵因素，也與HGPS、動脈粥樣硬化等衰老相關疾病的發(fā)生密切相關［21-22］。研究發(fā)現(xiàn)，含有轉座子和其他重復元件的染色質區(qū)域的表觀遺傳改變以及轉座因子的轉錄激活似乎是真核生物中衰老細胞的保守特征，而Sirtuins 對DNA 損傷的重新定位則可能會導致衰老期間的表觀遺傳變化和基因組不穩(wěn)定。關于表觀遺傳學與衰老之間關系的廣泛證據(jù)確實表明，人類壽命主要取決于表觀遺傳調控，而不是基因預測，同時飲食和其他環(huán)境影響可以通過改變表觀遺傳來影響壽命［23］。對于衰老和細胞衰老相關的表觀遺傳機制的探討，不能僅限于蛋白質編碼基因試驗，仔細研究基因組非遺傳部分的表觀遺傳修飾也是必需的。

1.5 其他衰老與細胞衰老的分子機制是一個極其復雜化的級聯(lián)反應過程，涉及多方面的影響因素。除上述分子機制外，還有許多因素能夠加速機體衰老。如p53 和Rb 等腫瘤抑制基因的激活、LMNA 基因點突變、內分泌功能減退、免疫系統(tǒng)和蛋白質穩(wěn)態(tài)破壞、飲食控制和mTOR 信號通路等均與衰老發(fā)生密切相關。此外，ZHU 等［24］研究發(fā)現(xiàn)FasL/Fas 信號傳導促進了卵母細胞的衰老。FU 等［25］證明在嚴重的退行性椎間盤中，其酸性環(huán)境可通過調節(jié)p38 MAPK 途徑促進髓核細胞衰老，該研究提供了一種在椎間盤退變過程中驅動髓核細胞衰老的新機制。SONG 等［26］報道17β-雌二醇能夠通過p53 信號通路調節(jié)自噬，從而抑制人臍帶血管內皮細胞的衰老。另有研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群依賴性代謝物三甲胺-N-氧化物通過氧化應激加速內皮細胞衰老和血管老化［27］。

2 衰老相關疾病

隨著對衰老機制的深入研究，已經(jīng)證實了多種與衰老相關的疾病，包括Hutchinson-Gilford 早衰綜合征、神經(jīng)退行性疾病、心血管疾病、慢性腎病、少肌癥、2 型-糖尿病、慢性阻塞性肺疾病和癌癥等。

2.1 Hutchinson-Gilford 早衰綜合征Hutchinson-Gilford 早衰綜合征（HGPS）是一種罕見的致命遺傳性疾病，一般發(fā)生在幼年兒童時期，患病的兒童過早表現(xiàn)出衰老的特征，例如皮膚異常、生長遲緩、脫發(fā)、關節(jié)活動度低、小頜畸形和骨密度降低。HGPS 主要是由于LMNA 基因異常剪接和點突變而引起，如位于LMNA 基因第11 號外顯子中的G608G 突變（c.1824C ＞T），即LMNA 基因第1 824 位的堿基發(fā)生了由胞嘧啶C 變?yōu)樾叵汆奏的點突變，導致prelamin A 的C 末端附近50 個氨基酸的缺失，從而保留Prelamin A 的C-末端-CAAX 基序且被法呢基化和羧甲基化，產生異常的蛋白質progerin。然而，progerin 缺乏內切蛋白水解切割的第2 個位點，因此Prelamin A 的C-末端-CAAX 基序保持永久性法呢基化和羧甲基化，最終導致細胞和生物體的功能衰退［28］。Progerin 積累引起核形態(tài)學異常、基因表達失調、DNA 修復缺陷、端?？s短和基因組不穩(wěn)定性，所有這些都限制了細胞增殖能力。有趣的是，progerin 也在衰老細胞和老年人細胞中產生，表明progerin 積累可能是生理衰老的一個因素。解讀progerin 表達導致HGPS 的分子機制是一個新興的研究領域，它可以使我們更完全地理解衰老的病理學。另有研究證明，加速動脈粥樣硬化是HGPS 的一個關鍵特征，盡管大多數(shù)HGPS 患者缺乏典型的心血管危險因素，但他們通常死于動脈粥樣硬化并發(fā)癥，平均年齡為14.6歲。此外，盡管DNA 損傷水平很高，但患有HGPS的兒童不會發(fā)生腫瘤，且發(fā)生糖尿病和慢性腎功能衰竭的風險并未增加［29-30］。研究［31-32］發(fā)現(xiàn)，HGPS iPS 衍生細胞具有進行高通量藥物篩選的潛力，且揭示了progerin 在調節(jié)黑素生成中的直接作用，這些結果為找到HGPS 的治療化合物提供了依據(jù)，開辟了與正常和病理性衰老相關的色素沉著表型研究的新觀點。

2.2 神經(jīng)退行性疾病神經(jīng)退行性疾?。∟D）是一類常發(fā)生于老齡人群中的大腦和脊髓的細胞神經(jīng)元功能障礙和喪失引起的疾病，主要包括阿爾茨海默?。ˋD）和帕金森疾?。≒D）。AD 是一種慢性神經(jīng)退行性疾病，其特征為癡呆、定向障礙、情緒波動、食欲不振、言語混亂以及無法協(xié)調運動。AD 與突觸缺失、線粒體功能障礙、淀粉樣蛋白β（Aβ）產生和累積、炎癥反應、磷酸化tau 形成和積累、細胞周期失調、膽堿酯酶傳遞受損、神經(jīng)傳遞缺陷和激素失衡、神經(jīng)元丟失和老年斑累積有關，而且還與骨質疏松癥和肌肉萎縮的風險增加有關。此外，miRNA 調節(jié)負責Aβ產生和磷酸化tau的基因，包括淀粉樣前體蛋白、早老素1 和早老素2［33］。而PD 則是一種影響運動系統(tǒng)功能的長期性神經(jīng)退行性疾病，它使患者肢體僵硬、行走困難，并且在許多情況下導致癡呆和抑郁。PD 的遺傳形式包括α-突觸核蛋白、帕金蛋白、LRRK2、PINK1、DJ1 和ATP13A2 的突變。PD 的典型標志包括路易體形式的α-突觸核蛋白的積累，其促成多巴胺能神經(jīng)支配的黑質中的細胞死亡［17］。然而，導致這些疾病中神經(jīng)元功能障礙和死亡的確切機制仍然知之甚少。最近，MASS 等［34］證明小鼠EMP 譜系中的體細胞突變可以驅動遲發(fā)性神經(jīng)變性，而且小膠質細胞中MAP 激酶途徑的激活也是神經(jīng)變性的原因。有人提出，準確的遺傳ND 蠕蟲模型與高通量自動化藥物篩選平臺的結合是ND的早期治療藥物發(fā)現(xiàn)的潛在非常有效的策略［35］。

2.3 心血管疾病心血管疾病（CVDs）是指包括冠狀動脈疾病、高血壓、心肌病、心律失常、心力衰竭和其他涉及心臟或血管的疾病，常發(fā)生于中老年人群中。動脈粥樣硬化是引起CVDs 的主要原因之一，其特征是高水平的低密度脂蛋白攜帶氧化修飾物在血管壁中積聚，吸引吞噬免疫細胞形成斑塊，導致血流阻塞。在斑塊形成和擴張期間，平滑肌增殖和內皮NO 合酶水平下降可分別導致端?？s短和氧化應激。衰老細胞可能導致斑塊不穩(wěn)定且更容易破裂，從而導致中風和心肌梗塞等急性并發(fā)癥［36］。研究發(fā)現(xiàn)，肽基脯氨酰異構酶（Pin1）通過影響pRb 通路以及cyclin 通路調控血管平滑肌細胞（VSMCs）衰老，是VSMCs 衰老調節(jié)機制中的關鍵因子，同時可能提供了一個調控動脈粥樣硬化病理過程的新靶點［37］。此外，細胞信號轉導和基因表達的功能障礙最近已被證明是CVDs 發(fā)展的關鍵分子機制，其中激活轉錄因子3可能是CVDs 的潛在治療靶點［38］。迄今為止，除了ESCs 和iPSCs 外，所有干細胞類型都已用于臨床試驗，相信干細胞療法可能會為CVDs 患者提供有效的治療方法［39］。

3 總結與展望

近年來，科學家們對衰老機制不斷深入研究，提出了各種新穎的理論觀點。雖然這些理論觀點對于衰老機制的認識取得了有意義的進展，但同時也存在許多局限性和不確定性。如許多已被證明與衰老發(fā)生相關的分子機制，它們相互關聯(lián)并不意味著因果關系；同時任何研究設計中的技術因素也可能在研究結果的解釋中帶來重大問題，如端粒長度的測量。生理衰老和衰老相關疾病反映了真正的衰老過程，但研究方法因其生理和環(huán)境背景的混雜影響而變得復雜。未來幾年，進一步研究開發(fā)新的實驗模型系統(tǒng)和實驗手段，將有助于增加對衰老過程的理解，為檢測和治療衰老相關疾病提供新的依據(jù)。