运动及限食对mTOR信号通路的影响及其与衰老关系的研究进展

杨风英 刘效磊 牛燕媚 傅力

1 天津医科大学康复与运动医学系（天津 300070）

2 天津体育学院研究生部

人口统计学研究显示，到2050年，全世界60岁以上人口数量将达到20亿，比2000年增长逾3倍[1]。老龄人口的增多使与衰老相关疾病的发病率随之增加，给社会经济和医疗等方面带来沉重负担，因此对衰老及其相关疾病的研究越来越为人们所关注。目前，关于衰老过程调控的具体机制尚不明了，但可以确定的是，衰老的进程不是由单一因素所调控，而是受遗传和环境因素的共同影响。流行病学调查显示，长期高能量膳食以及缺乏适当运动等不良生活习惯是肥胖、冠心病、2型糖尿病以及癌症等与衰老密切相关疾病的重要诱发因素[2-4]。哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（Mammalian Target of Rapamycin，mTOR）是机体细胞内的一种丝/苏氨酸蛋白激酶，能够感受细胞外营养、能量水平以及生长因子等信号变化，并通过调控下游相应效应蛋白，参与调节细胞生长、分化、增殖以及蛋白质合成等过程[5]。近年来研究表明，mTOR在机体细胞内的异常表达可以引起癌症、神经退行性变以及代谢性相关疾病等，并且也与衰老过程密切相关[2-4]。研究显示，饮食限制（Dietary Restriction，DR）以及适当的运动均能够减少机体的能量供应，进而使机体通过调控能量敏感性相关信号通路的活性延缓衰老及预防衰老相关疾病的发生[1，6，7]。本文归纳和总结了有氧运动及DR对mTOR信号通路的影响机制及其与衰老关系的研究现状，提出亟需解决的问题，为进一步深入研究指出方向。

1 mTOR信号通路及其与衰老的关系

mTOR分子量为300 kDa，属于磷脂酰肌醇激酶相关蛋白激酶家族。作为细胞内高度保守的营养状态以及能量水平感受器，mTOR活性受细胞生长因子、营养素以及能量敏感相关信号通路的调节，并通过其下游效应蛋白如S6K1（Ribosomal Protein S6 Kinase，Polypeptide 1）以及4E-BP1（Eukaryotic Initiation Factor eIF4E Binding Protein 1）参与调节细胞生长、分化、增殖以及蛋白合成等生物过程[7，8]。研究表明，能量过剩导致的mTOR过度激活可引起S6K1 Thr421/Ser424位点磷酸化活性增加，进而提高胰岛素受体底物1（Insulin Receptor Substrate 1，IRS-1）Ser636/639位点磷酸化水平，产生抑制胰岛素信号转导的效应[9]。因而，S6K1不仅可以通过mTOR 接受其上游营养、能量、生长因子等信号通路的调控，参与调节细胞蛋白质合成，其本身还存在一种反馈调节机制，即通过影响细胞内胰岛素的信号转导，参与调节细胞糖、脂以及能量代谢过程。另外，当mTOR/S6K1信号通路的活性过高时还能导致过氧化物酶体增殖物激活受体辅激活因子1-（Peroxisome Proliferator-Activated Receptor-Coactivator 1，PGC-1）活性下降，从而引起细胞线粒体功能紊乱、能源物质氧化代谢功能下降，进而诱发肥胖以及胰岛素抵抗（Insulin Resistance，IR）[10]。由此可见，mTOR在细胞中主要发挥两方面作用：一方面，作为营养素、能量状态的感受器参与调节细胞糖、脂等能量代谢；另一方面，促进mRNA的翻译，进而促进蛋白质合成。

除此之外，mTOR信号通路还与衰老过程关系密切[11]。在以酵母、线虫以及果蝇等无脊椎生物为模型的研究中发现，TOR可促进 mRNA 翻译和细胞产生溶酶体小泡，这两者均与衰老过程具有潜在的联系[12]。无论采用基因工程手段还是药物干预，对于TOR信号通路相关因子，如S6K1、翻译起始因子、核糖体蛋白等的抑制均可以延长机体寿命[13-15]。近期研究表明，哺乳动物mTOR信号通路活性与其寿命同样密切相关，并且发现当使用mTOR抑制剂——雷帕霉素（Rapamycin） 以后，小鼠平均及最长寿命均显著延长[16，17]。Selman等人的研究发现，相对于野生型小鼠，S6K1基因敲除小鼠平均寿命延长了80天，并且最长寿命也显著提高[18]。以上证据都支持mTOR及其下游效应蛋白活性与机体衰老过程的调控具有密切关系。但是目前关于mTOR参与衰老过程调控的具体机制尚不明确。由于mTOR与机体肿瘤、神经退行性变、代谢及各种心脑血管疾病等之间存在的密切联系[4-6]，我们推测通过mTOR信号通路而延缓衰老的效用可能是通过改善各种与衰老相关疾病的进程而实现的。

2 DR对mTOR信号通路的影响及其与衰老的关系

DR在大量动物模型的研究中被认为是延长平均及最长寿命最有效的干预手段，并且DR还可有效抑制衰老相关疾病的发生[2，3，19]。Colman[20]等人最近研究表明，DR显著延缓了灵长类动物恒河猴的衰老过程，并且降低了糖尿病、癌症、各种心血管疾病等与衰老密切相关疾病的发病率。DR降低了机体能量供应，因而机体可能通过调节能量信号通路来影响衰老及其相关疾病的变化。胰岛素信号通路是细胞感受并调节能量代谢的重要途径[5，8，9]。研究表明，敲除胰岛素样生长因子受体（IGF-1 Receptor，IGF-1R）基因的杂合子小鼠、脂肪组织胰岛素受体（Insulin Receptor，IR）基因敲除小鼠、胰岛素受体底物1（Insulin Receptor Substrate 1，IRS1）以及IRS2基因敲除小鼠模型的寿命均显著长于野生型对照组小鼠[21-23]。也有研究发现，转基因长寿模型小鼠常常伴有局部组织（如脂肪组织、大脑等）或系统的轻微胰岛素抵抗，并出现葡萄糖耐量降低现象[24]。因此，胰岛素信号通路与衰老过程密切相关。一磷酸腺苷活化蛋白激酶（AMP-activated Protein Kinase，AMPK）是另一个细胞内高度保守的能量状态感受器，AMPK 是异源三聚体蛋白激酶，由一个催化亚基（）和两个调节亚基（和）构成，可以在细胞高AMP状态时被激活[25]，因而也可能是参与DR延缓衰老的重要介导信号分子。研究表明，AMPK催化亚基AAK-2基因敲除线虫相对野生型寿命缩短12%，而其过表达转基因生物模型寿命则显著延长[26]。Greer[27]等人的研究发现，DR显著延长了线虫寿命，而对AAK-2基因敲除线虫的寿命则没有显著影响。由此可见，AMPK在DR延缓衰老过程中发挥着重要作用。

衰老不仅受机体代谢相关途径的影响，而且与细胞蛋白质合成过程密切相关。研究表明，通过对转录起始因子、核糖体蛋白的抑制可显著延长线虫的寿命[14，15，28，29]，因而推测，与蛋白质合成以及代谢密切相关的mTOR信号通路可能在机体衰老过程中起关键调节作用。胰岛素以及AMPK信号通路都是mTOR重要的上游调节通路。在基础状态下，胰岛素以及生长因子等通过调节mTOR活性而促进蛋白质合成；而在 DR 或能量供应不足时，AMPK的激活又可以通过抑制mTOR活性，减少蛋白质合成，从而使机体主要生命活动由生长转向维持，以维持机体内环境能量稳态[30]。另外的研究发现，S6K1基因敲除小鼠肌细胞AMPK活性显著升高[31]，并且S6K1基因敲除长寿小鼠与服用AMPK激活剂——AICAR小鼠的基因表达谱具有极高相似性[18]。

由此可见，长期DR可以通过作用于胰岛素以及AMPK信号通路抑制mTOR信号通路的活性，而在各种动物模型的研究中已经证实，mTOR活性下降可以明显延缓衰老[16-18]。因而进一步证明，mTOR信号通路可能在DR延缓机体衰老过程中发挥着核心作用。

3 有氧运动与mTOR信号通路的活性及衰老关系的研究

能量过剩及缺乏适当运动被认为是肥胖、冠心病、2型糖尿病以及癌症等与衰老密切相关疾病的重要诱发因素[19]。DR已被广泛证实可以通过作用于mTOR信号通路而显著延缓衰老，大量研究证实运动也可以抑制mTOR信号通路的活性[32]，但对于运动在延缓衰老方面的作用效果则颇具争议。Holloszy等人研究认为，长期有氧运动对大鼠的最长寿命无影响，但显著延长了其平均寿命，并且降低了与衰老相关疾病的发病率[33，34]。但Craig等人研究显示，运动虽然使大鼠体脂含量明显下降，但对其寿命并无明显影响[35]。

mTOR是机体细胞内相对保守的能量状态感受器，其在细胞能量供应不足状态下，通过抑制其下游4E-BP1和S6K1活性而抑制细胞蛋白质合成，从而维持细胞内能量稳态[8]。AMPK是 mTOR信号通路重要的上游调节因子，运动时细胞内AMP/ADP明显升高，AMPK被激活进而抑制mTOR信号通路的活性[7，25，36]。此外，研究发现，运动可使小鼠骨骼肌AMPK基因表达及其Thr172位点磷酸化增加，进而通过磷酸化mTOR Thr2446位点或磷酸化mTOR 结合蛋白Raptor的Ser722/792位点抑制mTOR/S6K1 信号通路的活性[32，37-39]。Yaspelkis等人的研究还发现，高脂饮食使得mTOR活性显著增强，而有氧运动则完全逆转了这一趋势[40，41]。我们的前期研究也发现，6周有氧运动显著降低了胰岛素抵抗小鼠mTOR、S6K1 mRNA及蛋白表达水平，并且S6K1 Thr38位点磷酸化水平也显著降低[32，42]。

由此可见，mTOR也是一条运动敏感型通路，有氧运动对mTOR 信号转导起着负向调控作用。目前研究表明，mTOR信号通路在机体衰老过程中发挥核心作用[11-18]，而有氧运动则可以抑制 mTOR活性[32-41]，这提示有氧运动可能通过抑制mTOR活性而在一定程度上起到延缓衰老的作用，但这一研究假设还需要进一步实验来证实。

4 小结与展望

越来越多的证据表明，mTOR信号通路在机体衰老调控过程中起着核心作用，并已证实对mTOR信号活性的抑制可以有效延缓衰老。而mTOR作为细胞内能量状态重要的感受器，对机体的营养状态以及运动刺激非常敏感，因而其将成为研究限食与有氧运动延缓衰老的重要介导通路。对于限食及有氧运动与衰老以及mTOR信号转导通路相互关系的深入研究，不仅有助于我们对机体生命衰老机制的全面理解，还将为采用合理饮食和运动手段促进健康、延缓衰老提供宝贵的理论依据。

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