衰老机制研究进展

卢春雪 杨绍杰 陶荟竹 黄树明 杨书彬

(黑龙江中医药大学药学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

衰老与增龄相关的老年慢性病(如心脑血管疾病，中枢神经病，风湿免疫病、退行性骨关节炎)的发生、发展密切相关。因此，随着人口老龄化的加剧，深入探索衰老机制，不但有助于机体抗衰老、保健的研究与实践及延长寿命，而且对于防治与增龄相关的老年病具有重大意义。随着包括自由基理论、“长寿基因”、端粒酶理论及表观遗传学等领域研究的进展,科学家们在衰老的内在和外在的机制上有了更深入的认识。本文对近年来有关衰老机制研究中具有代表性的学说进行归纳总结。

1 自由基学说与衰老

自由基是机体内一类能独立存在、含活泼不成对电子的特殊物质，是机体生命活动中各种生化反应的中间代谢产物。机体防御系统具有高度化学活性，正常情况下，机体中各种抗氧化酶和小分子非酶抗氧化剂与自由基的产生处于动态平衡状态，但随着年龄增长，自由基过剩或抗氧化剂缺乏等使生物膜结构遭到破坏、细胞器功能出现障碍，继而损伤蛋白质、脂质等生物大分子物质。衰老的自由基学说〔1〕认为，在机体衰老的有氧代谢过程中，自由基水平的增加或抗氧化剂的缺失使机体抗氧化能力下降和细胞毒性增加，最终造成生物膜、氨基酸链及DNA的分子结构的不可逆改变损伤，导致机体衰老相关退行性疾病的产生，加速衰老进程。

2 线粒体DNA(mtDNA)损伤与衰老

线粒体是活性氧(ROS)的主要来源，其产生的ROS对mtDNA造成氧化损伤，引发mtDNA突变而产生有缺陷的电子传递链(ETC)结合产生更多ROS，造成ROS积累和mtDNA突变的恶性循环，导致细胞损伤，加快衰老进程。

2.1线粒体和mtDNA 线粒体是真核细胞能量提供和储存场所，含有核染色体外基因组mtDNA，具独立的遗传信息复制、转录和翻译功能。mtDNA编码蛋白多肽中复合体Ⅰ亚基有7个,而最易受氧自由基攻击部位被认为是呼吸链复合物Ⅰ〔2〕。与核基因组不同，mtDNA只含有外显子且缺乏组蛋白保护和有效的基因修复系统，使mtDNA比核基因组更易突变〔3〕。

2.2mtDNA突变与衰老 mtDNA突变与衰老关系研究已日益成为国内外衰老机制研究的热点，与衰老相关的 mtDNA 突变主要有缺失、点突变和重排3种情况〔4〕。mtDNA缺失与衰老的相关性最早发现于郑天胜等〔5〕对帕金森病患者的脑组织mtDNA缺失研究中，该类疾病患者均检测到4 977 bp缺失。mtDNA点突变分为转运核糖核酸(tRNA)的点突变和编码蛋白基因的点突变，tRNA的点突变常见于mtRNA基因上3243位点的A突变成G可导致转运核糖核酸(rRNA)转录终止〔6〕，并随着年龄的增长不断积累。Chinnery等〔7〕发现，健康老人大脑组织中存在着不同程度的线粒体DNA重排，并呈现增龄性积累趋势。

3 长寿基因、衰老基因与衰老

3.1p16、p21、p53基因与衰老 p16是一种细胞周期负调控因子，是机体细胞衰老遗传控制程序的重要一环。p16编码的蛋白质与细胞周期蛋白D共同作用于细胞周期依赖蛋白激酶(CDK)4，对细胞起调节作用。p21是抑制cyclin-CDK复合物的调控因子，研究发现〔8〕，p16蛋白能增加p21蛋白的稳定性，转录因子Sp1经p21蛋白作用激活p16基因表达抑制细胞周期。p53基因是目前研究较清楚的一种抑癌基因，其控制的信号途径对衰老具有重要作用。研究发现〔9〕，p53基因与细胞周期调控、DNA修复、细胞分化和细胞凋亡等有关，抑制肿瘤细胞的生长过程。

3.2抗衰老基因(Klotho)与衰老 Klotho及其表达产物能有效抵抗衰老性氧化应激及心血管、神经、肾脏等病理状态〔10〕。作为新发现的与衰老相关的新型基因，Klotho基因影响多条信号通路，广泛参与体内的各种生物学过程。Klotho基因的研究在深入探究衰老的分子机制、治疗衰老相关性疾病、延长寿命等方面具有重要意义。

3.3沉默信息调节因子(Sirt)基因家族与衰老的关系 Sirt2基因家族是一类重要的调控寿限的基因，可从遗传和限制热量代谢两个角度调节细胞寿命，Sirt2相关酶类(Sirtuins)是Sirt2的同源蛋白，是一种烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)依赖性去乙酰化酶，通过赖氨酸去乙酰化改变蛋白质活性调控衰老过程。哺乳动物Sirtuins蛋白家族包含7个成员(Sirt1～7)，其中Sirt1、Sirt3和Sirt6被证实与衰老有关。研究表明〔11〕，Sirt1可通过抑制细胞凋亡、调控新陈代谢(热量消耗、脂肪贮存等)及抑制炎症等延缓细胞衰老；Sirt6通过调节与新陈代谢和应激胁迫相关的基因，促进碱基及DNA损伤修复，提高染色体的稳定性，因此，Sirt1和Sirt6 成为了衰老机制与干预的研究热点。

3.4载脂蛋白(Apo)E基因与衰老 ApoE 是唯一拥有共同变体基因表达的蛋白质，它的E2、E3和E4 3种亚型分别与特异脂蛋白受体作用，调控血循环中胆固醇的水平。越来越多的研究表明〔12〕，ApoE基因在人类衰老相关性疾病中发挥重要作用。

4 端粒、端粒酶与衰老

4.1端粒 端粒存在于真核细胞染色体末端，由端粒DNA和结合蛋白组成。端粒DNA是G的高度保守的重复核苷酸序列，端粒有两种相关蛋白，能调节端粒长度，抑制端粒酶活性。端粒可减少核酸酶对染色体的降解及染色体间的相互融合，作为端粒酶作用的底物，保证染色体复制时的完整性，决定细胞的寿命〔13〕。Atzmon等〔14〕研究发现端粒长度与细胞分裂次数及寿命极限有关。因端粒能够限制细胞的分裂次数，被称为“生命时钟”〔15〕。端粒长度与衰老的关系，作为反映衰老的综合性指标受到越来越多的重视。

4.2端粒酶 端粒酶是一种自身携带模板的逆转录酶，是由RNA模板与具有催化和调控功能的各种蛋白亚基构成的核糖核蛋白复合体。端粒酶通过增加染色体末端富含G碱基的重复端粒序列，维持端粒长度的稳定〔16〕。衰老的调节有赖于端粒酶对端粒的调控及端粒和端粒酶的联合作用〔17〕。端粒酶能够以自身的 RNA 提供模板，维持端粒的结构和长度。

5 表观遗传修饰与衰老

表观遗传修饰在衰老进程中发生的复杂变化可能是衰老的决定性因素之一，DNA甲基化、组蛋白修饰及微小RNA(miRNAs)的表达〔18〕等表观遗传学因素使衰老的调控不只局限于“基因决定论”。

5.1DNA甲基化 DNA甲基化是指甲基化酶将甲基转移到DNA序列的碱基上发生甲基化的过程。衰老过程中，5-甲基胞嘧啶(DNA甲基化的产物)的分布发生显著改变，表现为DNA甲基化的总体减少和局部增加〔19〕。甲基化增加的位置主要在一些基因的启动子区域，造成一些肿瘤或衰老相关基因(p16)的沉默。

5.2组蛋白的修饰 组蛋白修饰是一种重要的影响染色质结构的途径，从而调节基因活性的修饰手段,乙酰化和去乙酰化是其中最普遍的两种形式，可通过影响组蛋白赖氨酸残基的带电性质改变染色质的紧密程度〔20〕。甲基化是组蛋白修饰的另一重要调控基因表达的方式，与乙酰化修饰不同，组蛋白甲基化通过具体形态和结合的特定蛋白来决定基因激活或沉默。

5.3miRNAs的表达 miRNAs来源于RNA转录，调控靶标mRNA，通过直接或间接调节p53-p21、p16-pRb通路，调控基因表达、细胞衰老〔21〕，进而调节衰老进程及机体寿限。

6 复制性衰老理论

关于细胞复制性衰老的研究较多，细胞有丝分裂中细胞复制增殖压力引起DNA损伤等，导致细胞周期停滞，通常是由于CDK抑制因子增加导致的。实验表明〔22〕，不同的真核有丝分裂细胞中，端粒随细胞分裂呈现周期性和渐进性缩短，最后引起细胞复制性衰老。端粒的DNA损伤激活DNA损伤反应激酶共济失调-毛细血管扩张并张突变基因(ATM)和ATM相关蛋白(ATR)，激活CDK抑制因子，导致细胞周期永久抑制。细胞复制性衰老的不同模式有〔23〕：①癌基因突变导致原癌基因Ras相关核蛋白GTP酶(RasGTP)酶或原癌基因Ras相关的蛋白激酶(Raf)蛋白激酶激活，作用于细胞外信号调节激酶(MEK)，影响p38和p16基因表达，或作用于丙酮酸脱氢酶(PDH)，影响p21基因的表达，最终激活CDK抑制因子，引发细胞衰老。②DNA损失反应(DDR)激活ATM和ATR蛋白激酶，影响p53和p21基因，激活CDK抑制因子，引发复制性衰老。③转化生长因子(TGF)-β或磷脂酰肌醇3激酶(PI3)动员信号转导蛋白受体(Smad)，影响p21基因表达，激活CDK抑制因子，引发程序化衰老。

综上，衰老机制本身的复杂性与不确定性致使衰老现象不能用单一机制进行阐释，必须进行多方面多层次的深入探索。基于衰老这一共同点，各衰老机制的研究也必然存在某种内在联系，对这种内在联系进行深入拓展研究，将有利于加深对衰老现象及机制的进一步认识。鉴于学科交叉的重要性，抗衰老研究与细胞生物学、干细胞衰老与再生医学、端粒生物学等科学相结合，将来必会在衰老机制的探索中取得不菲的研究成果。

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