营养与衰老关系研究

马 洁，赵鹏飞，张学娇

（内蒙古大学 生命科学学院，内蒙古 呼和浩特010021）

1 引言

营养与一个人的健康密切相关。人类的许多慢性疾病的发生发展，如心血管疾病、糖尿病、肿瘤等与营养息息相关。在全球范围，慢性疾病所造成的负担正在迅速加重。据2001年的统计，慢性疾病在世界所报道的5650万人死亡人数中约占60%，在全球疾病类型的总数中约占46%。如何预防和治疗慢性疾病成为全球关心的问题［1］。

2 饮食因素对表观遗传修饰的影响

2.1 饮食因素对DNA甲基化的影响

DNA甲基化是一种常见的表观遗传修饰，由DNA甲基转移酶（DNA methyl－transferase，DNMT）催化，以S－腺苷甲硫氨酸（SAM）作为甲基供体而发生反应。通常DNA的甲基化会抑制基因表达。DNA的甲基化状态对染色体的结构维持、X染色体失活、基因印记以及胚胎发育、正常细胞功能的维持，乃至疾病的发生是十分重要的［2］。

现在发现叶酸、维生素B12可以促进DNA甲基化，但是硒、绿茶多酚（表没食子儿茶素－3－没食子酸酯（EGCG），表儿茶酸，染料木素）和生物类黄酮（槲皮素，非瑟酮和杨梅酮）会抑制DNA甲基化［3］。

2.2 饮食因素对组蛋白修饰的影响

组蛋白修饰是指组蛋白的基础氨基末端尾部突出于核小体，常在转录后发生变化，包括甲基化、乙酰化、磷酸化和泛素化等翻译后的修饰，这些修饰构成了丰富的“组蛋白密码”，能影响染色质的压缩松紧程度，因此在基因表达中起重要的调节作用。蛋白乙酰转移酶（histone acetlytransferases ，HATs）、转 甲 基 酶（methyltransferases，HMTs）、组蛋白去乙酰化酶（deacetylases，HDACs）和组蛋白去甲基化酶（demethylases，HDMs）等参与组蛋白翻译后修饰过程［4］。研究发现大蒜和肉桂中的多酚抑制 HDAC活性，绿茶多酚和铜抑制HAT活性，EGCG抑制HMT活性［5］。

2.3 饮食因素对miRNA的影响

miRNAs是在真核生物中发现的一类内源性的具有调控功能的非编码RNA，其大小约为20～25个核苷酸。成熟的miRNAs是由较长的初级转录物经过一系列核酸酶的剪切加工而产生的，随后组装进RNA诱导的沉默复合体，通过碱基互补配对的方式识别靶mRNA最终降解靶mRNA或者阻遏靶mRNA的翻译［6］。

在人和动物模型实验中发现脂肪、蛋白质、乙醇或是维生素E可以影响miRNA的表达。多酚（花青素、姜黄色素和槲皮素）可以影响小鼠体内肝脏miRNA的表达。染料木黄酮、姜黄色素和鱼油可以调节miRNA的表达，因而具有预防癌症的作用［7］。不仅如此，一些营养物质摄入不足会改变miRNA的表达。比如叶酸摄取不足会导致人体细胞内miRNA－222的过表达［8］。

2.4 饮食因素对TOR信号途径的影响

mTOR信号通路是调控细胞生长与增殖的一个关键通路，该通路将从营养分子、能量状态以及生长因子传来的信号整合在一起，调控大量的生命过程，包括自我吞噬、核糖体的生物组合和代谢等。该通路的失调与多种人类疾病相关，包括癌症、糖尿病与心血管疾病［9］。

在哺乳动物中，mTOR与其他不同的蛋白质结合，形成了两种复合体—mTORC1和mTORC2。营养充足或细胞内ATP含量高会促进mTORC1磷酸化，当营养匮乏或细胞内AMP含量较多时会抑制mTORC1活性［10，11］。在婴儿食品中过量的亮氨酸会促进TORC1／S6K1信号转导使大量间充质干细胞分化为脂肪细胞诱发早期儿童肥胖［12］。

3 营养与衰老

1935年，McCay首次提出卡路里限制（caloric restriction，CR）的摄入可延长啮齿类动物的寿命［13］。CR是指一种营养俱全，但是含能量较低的营养条件，这种条件下饲养的大鼠寿命比高卡路里饲养条件下大鼠的寿命长，后续在酵母、线虫、果蝇等模式生物的研究中证实CR均有延缓衰老和延长寿命的效应［14］。美国威斯康星国家灵长类研究中心科学家，经过20年的连续观察研究，终于证明了CR对延长恒河猴的寿命和预防疾病有明显的作用。研究结果发现：自由饮食的猴子一半存活，CR组80%的猴子存活。CR组死于心脏病、癌症和糖尿病的几率也减至1／3，脑萎缩的症状也明显减轻。这项研究表明，降低食物中的热量摄取可以延缓灵长类动物恒河猴的衰老进程，降低它们患与衰老有关的一些疾病的风险，并延长其寿命［15］。这一项在最接近人类的动物上得到的实验结果成果，进一步奠定了人体抗衰老的科学基础。

4 卡路里限制对人类的影响

在人类的研究中，CR可能延缓癌症、糖尿病、心血管疾病和神经组织退化等多种与年龄相关的疾病，这预示着CR在人类寿命延长过程中也可能有重要作用［16］。目前主要是Fontana等人在研究CR对于人类的积极作用。

Fontana和他的同事发现，经过6年的热量限制后进行卡路里限制的实验组成员患有动脉粥样硬化的风险降低。实验组成员血清胆固醇水平、低密度脂蛋白胆固醇水平、总胆固醇与高密度脂蛋白比率、甘油三酸酯、空腹血糖值、空腹胰岛素含量、C－反应蛋白、血小板源生长因子AB、心脏收缩压和心脏舒张压水平较低。研究发现热量限制不仅能够预防动脉粥样硬化，还可以使人的心脏更加健康，心脏弹性和心律变异性更佳［17，18］。

5 卡路里限制的细胞机制

CR延长寿命的机制存在许多假设，普遍认为是CR通过调节mTOR信号途径、胰岛素样生长因子／胰岛素信号途径、脂肪细胞因子表达、DNA甲基化以及组蛋白乙酰化和去乙酰化作用实现的。

5.1 卡路里限制调节脂肪细胞因子分泌

CR可以减少生物体内的脂肪含量。脂肪组织不仅可以储存脂肪还可以分泌大量的脂肪细胞因子来调控血液葡萄糖动态平衡、免疫应答和炎症反应。现在发现，CR可以促进脂肪细胞因子的分泌。脂肪细胞因子抑制2型糖尿病、肥胖症、动脉粥样硬化等疾病的发生和发展。不仅如此，CR通过促进脂肪细胞因子分泌增强了AMPK活性因而具有保护心血管系统的作用。脂肪细胞因子会抑制TNFα释放和内皮细胞黏附分子的合成［19］。

5.2 卡路里限制调节胰岛素／胰岛素样生长因子信号途径

随着年龄的增加，胰岛素抵抗的发生率升高并且2型糖尿病能够加速衰老的症状。CR可以改善体内胰岛素抵抗状况。小鼠CR模型中，CR降低小鼠血浆中胰岛素样生长因子含量。胰岛素／胰岛素样生长因子可以抑制FOXOs活性。FOXOs参与调控哺乳动物细胞凋亡、细胞周期、分化以及参与DNA修复和抗氧化应激的基因表达。哺乳动物肥胖症和胰岛素抵抗与FOXOs信号失调有关［20］。不仅如此，CR抑制FOXOs活性可以减少Aβ产生。现认为Aβ与阿尔茨海默氏病型淀粉样蛋白的神经病理学和空间记忆力衰退有关［21］。

5.3 卡路里限制调节mTOR信号途径

实验发现用雷帕霉素抑制mTOR可以延长小鼠寿命。抑制mTORC1活性可以增强造血干细胞自我更新和造血功能、提高机体免疫并延长寿命。mTORC1信号途径下游效应器是S6K1和4E－BP1。Kapahi发现充足营养条件下过表达4E－BP1延长苍蝇寿命，抑制6K1活性可延长小鼠寿命。不仅如此，抑制mTORC1活性可以促进细胞自我吞噬。细胞吞噬可以将细胞内长时间积累的错误蛋白质和损伤细胞器进行降解延长寿命。CR还可以通过调节mTOR信号途径增强线粒体氧化还原功能［22］。

5.4 卡路里限制调节DNA甲基化

生物体在衰老过程中，其稳态会逐渐被破坏，染色质完整性也会由于不正常基因的表达而丧失。这个过程中5－甲基胞嘧啶在基因组上的分布发生显著改变，主要表现为DNA甲基化的总体减少和局部增加。甲基化增加的位置主要在一些基因的启动子区域，造成相应基因如一些肿瘤／衰老相关基因（p16INK4α、RUNX3和TIG1）的沉默。CR可以改变DNA甲基化增加基因组稳定性最终延长寿命。例如，CR促进p16INK4α启动子甲基化，抑制p16INK4α与E2F－1结合，导致p16INK4α的下调，延长细胞寿命［23］。

肥胖是一种严重的代谢紊乱疾病，可以加速衰老和死亡。CR可以延缓肥胖症的发展进程。临床观察发现，CR可以改变患者体内ATP10A，WT1和TNF－α基因甲基化状况。目前需要进一步研究基因甲基化状态改变与代谢途径的关系［24］。

5.5 卡路里限制调节组蛋白反应后修饰

5.5.1 组蛋白乙酰化与去乙酰化

组蛋白修饰是一种重要的影响染色质结构从而调节基因活性的修饰手段，包括乙酰化、甲基化、泛素化和ADP核糖基化等。乙酰化和去乙酰化是其中最普遍的两种形式。去乙酰化可以导致染色质结构更加紧密，从而抑制转录，而乙酰化则可以激活基因的转录活性。CR可增强去乙酰化酶活性。例如，CR增强p16INK4α和人端粒酶反转录酶 （hTERT）基因的启动子区内HDAC1活性，改变这两个基因的表达，延长寿命。

组蛋白去乙酰化酶中最引人注目的是一种代谢相关、NAD＋依赖的去乙酰化酶Sirtuins。SIRT1可以通过激活负调控促凋亡因子如p53和FOXO增加其对应激的抵抗能力［25］，二是SIRT1可调控机体能量代谢，通过关键的代谢相关基因如PGC－1α来抑制脂肪发生和增加胰岛β细胞的胰岛素分泌，进而增加应激的抵抗能力并延长寿命［26］。不仅如此，SIRT1还可以调控关键转录因子（FOXO））、调节蛋白（p53，p16INK4α）和DNA修复蛋白（Ku70）的去乙酰化作用。FOXO 在SIRT1作用下脱去乙酰基，由FOXO介导的细胞凋亡作用受到抑制。SIRT1能够催化p53去乙酰化，使p53激活下游目标基因转录的活性下降，阻止DNA损伤或环境压力所造成的细胞衰老或细胞凋亡，延长寿命。SIRT1介导DNA修复蛋白Ku70去乙酰化作用会抑制凋亡因子BAX活性抑制细胞凋亡［27］。最近发现，SIRT1可以调节新陈代谢基因的表达。CR通过SIRT1去乙酰化作用上调PGC－1α表达调节糖质新生和脂肪酸氧化过程［7］。

5.5.2 甲基化

甲基化是另一个重要的调控基因表达的组蛋白修饰。组蛋白残基的赖氨酸可以被单甲基化、二甲基化或三甲基化，依赖于特定的赖氨酸残基，基因可能被激活，也可能被抑制。CR可以促进组蛋白H3上赖氨酸3位或4位残基二甲基化或三甲基化来调控p16INK4α和hTERT基因的表达延长人细胞寿命［28］。

5.6 卡路里限制调节miRNA表达

随着年龄增长，miRNA表达会发生变化。现在发现人类肿瘤与整体miRNA表达减少有关。随着年龄增加，miRNA表达减少会增加细胞转化和肿瘤发生的频率，缩短人类寿命。在老年人体内miRNA表达减少与磷脂酰肌醇3－激酶、干细胞因子受体和组蛋白H2A等靶蛋白的表达增加有关。实验发现敲除miRNA－239秀丽隐杆线虫突变体比野生型对照组具有更长的寿命［29］。

CR可以改变miRNA表达情况。在CR条件下，小鼠乳腺组织中miR－203表达增加可以降低乳腺癌发生、发展和迁移频率。在实验组小鼠脑组织中发现miRNA－181a，miRNA－30e、miRNA－34a和BAX表达量减少，降低了Caspases 9和3活性抑制细胞凋亡。CR为老年痴呆症和帕金森疾病提供了一个潜在的治疗方法［30］。

6 结语

CR是目前公认的对不同生物广泛具有延缓衰老作用的机制。CR通过调节mTOR信号途径、胰岛素样生长因子／胰岛素信号途径、脂肪细胞因子表达、DNA甲基化以及组蛋白乙酰化和去乙酰化来实现其作用。通过对CR延长寿命机制的研究，为延缓心血管疾病、糖尿病、肿瘤的发生提供一个潜在的预防方法，并能为开发对抗由衰老所引起疾病的相关药物提供重要的理论支持。

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