自噬与衰老关系的研究进展

衰老是一种自然的、不可避免的生命过程,是一种复杂的自然现象,主要表现为机体结构和功能的衰退以及适应性和抵抗力的降低。衰老的进行性发展可引发多种疾病,使国家疾病负担日益加重,这已成为我国乃至全世界面临的重大问题。细胞自噬被认为与衰老有着密切的联系,通过干预细胞自噬改善衰老状态已成为近年研究的新方向。

1 衰老的概述及其相关学说

衰老是机体各种生化反应及体内外诸多因素综合作用的结果,表现为机体各器官、组织和细胞结构的退行性变及其机能的衰退。随着现代研究技术的不断发展,人们对于衰老的认识也逐渐深入,从自然界中寻找某些活性物质对衰老发生机制进行干预来延缓其进程已成为当下科学研究的一大热点[1]。

目前,人们普遍认可的有关衰老机制的学说主要有以下几种:基因学说、自由基学说、线粒体损伤学说、内分泌功能减退学说、免疫衰老学说、糖基化衰老学说、DNA损伤积累学说、端粒缩短学说等,其中对自由基学说和线粒体损伤学说的研究较多。自由基学说认为自由基具有极强的氧化能力,可使生物膜中不饱和脂类发生过氧化,使得生物膜硬化而影响细胞的物质交换[2],且自由基对生物大分子物质的氧化损伤也会加速衰老进程[3]。线粒体损伤学说认为老化组织细胞中线粒体烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)水平降低,而提高线粒体NAD+水平则可以延缓细胞衰老[4]。其他一些有关学说也分别从不同的角度对衰老的机制作出了合理的论述。

2 细胞自噬及调节自噬的几种通路和因子

细胞自噬是一个广泛存在于真核细胞生物内进化保守的分解代谢途径,主要分为两个步骤。首先,细胞内的目标物被膜结构包裹形成自噬小泡并与溶酶体结合形成自噬溶酶体。然后,自噬溶酶体将被包裹的物质进行降解[5]。在酵母菌和哺乳动物细胞中,当营养缺乏时自噬可以降解大分子物质生成营养物和能量供细胞利用。自噬还可以降解细胞内异常的蛋白质、脂质等维持细胞稳态,如实验已证明miR-124能通过靶向基因Bim调节自噬,下调与帕金森病(PD)相关的突变α-突触核蛋白(α-SYN)的表达而保护1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶(MPTP)诱导的慢性PD小鼠模型多巴胺神经元以改善小鼠的PD症状[6]。在氧化应激状态下,自噬可以缓解细胞的氧化损伤状态,起到保护细胞的作用,如提高自噬水平可以减轻对硝基酚(PNP)对雌性小鼠生殖细胞的氧化损伤[7]。不仅如此,自噬还影响着生物体的很多生理和病理活动,例如饥饿适应[8]、肿瘤抑制[9]、细胞的生存和死亡[10]等,自噬也可以促进多种细菌和病毒的降解,在感染性疾病中起到保护作用[11]。

细胞自噬的调节与多个通路和因子有关,目前研究比较透彻的是 Bcl-2蛋白家族、哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)通路、腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)通路和p53通路。还有一些自噬相关通路和因子近来也引起了研究者们的极大关注,如sirtuin type3(SIRT3)蛋白可以通过去乙酰化Forkhead box O3(FOXO3a)增加自噬相关蛋白 Bnip3和Nix的表达及LC3Ⅱ/Ⅰ的比值诱导线粒体自噬。有研究表明激活sirt3-foxo3a-parkin信号通路可以保护链脲佐菌素(STZ)诱发的糖尿病心肌病小鼠模型的心肌细胞[12]。微小RNA(miRNA)也可通过多种途径对自噬进行调控,如miR-30a,miR-376b和miR-216a可直接负性调控Beclin-1的表达降低自噬活性[13],miR-155可以沉默mTOR上游与3′-UTR结合的自噬负调控因子Rheb促进自噬来减轻细胞氧化损伤和衰老[14]。

3 自噬与衰老的关系

细胞自噬和细胞衰老都是细胞对刺激的应答方式,大量证据表明自噬可以调节细胞衰老进程并影响细胞的寿命。随着年龄的增大,机体自噬水平会下降,表现为老化的组织中自噬相关蛋白和其他诱导自噬的蛋白表达下降[15]。研究还发现,衰老模型小鼠自噬抑制因子miR-22表达增加,且miR-22能诱导心脏成纤维细胞的衰老和迁移,说明抑制自噬会加重衰老相关病理[16]。

3.1 自噬与老年病 细胞自噬不仅对衰老本身有重大意义,而且在衰老相关疾病中也起到重要作用。PD、阿尔茨海默病(AD)和亨廷顿病(HD)是一些与年龄相关的神经退行性病变,常伴有异常蛋白的积聚,其降解途径主要涉及泛素-蛋白酶体系统和自噬。

3.1.1 PD：PD是常见的年龄相关的神经系统退行性疾病,其发病机制主要是线粒体功能障碍,路易小体中的α-SYN的累积是加重线粒体功能障碍的因素之一,且功能障碍的线粒体需要向自噬体转移进行清除。自噬的几种类型中,主要是大自噬(包括线粒体自噬)和分子伴侣介导的自噬参与PD的发病过程[17]。现也有研究证明，miR-124通过靶基因Bim能有效促进MPTP诱导的PD小鼠模型的自噬过程而减少多巴胺能神经元的缺失[6]。这提示我们,改善细胞自噬水平可能是减轻PD症状的一个有效的神经保护措施。

3.1.2 AD：AD是发生于老年前期和老年期的一种蛋白异常折叠和聚积的疾病,主要病因是微管结合蛋白Tau过度磷酸化形式异常累积,导致神经纤维缠结以及神经斑块中β-淀粉样肽(Aβ)累积。自噬可以清除异常蛋白而对该疾病具有一定的保护作用,且Beclin-1被证明与这一机制密切相关。研究发现,模型小鼠AD早期受影响的脑区Beclin-1明显减少,而Beclin-1的过表达则可以减少模型小鼠 Aβ所致的病理结果,因此,通过某些途径提高Beclin-1水平来改善自噬可能成为治疗AD的新方法[18]。

3.1.3 HD:HD病人主要的病理变化是第四号染色体上的亨廷顿基因1号外显子5′端的CAG三核苷酸序列重复扩增导致突变的亨廷顿蛋白(mHtt)在神经元内聚集[19]。HD自噬改变的确切途径尚不完全清楚,但是增强自噬已被证明有助于清除mHtt。在典型的自噬途径中ULK1磷酸化Atg14促进Vps34脂质激酶活性,而在HD细胞模型和动物模型中发现Atg14磷酸化和Vps34活性受损,这表明激活ULK1和Vps34可能是治疗HD的潜在靶点[20]。

3.2 自噬与抗衰老药物的研究现状 近年来,人们对细胞自噬与衰老及衰老相关疾病的相互关系有了更加深入的研究,通过调节自噬来改善衰老或疾病状态逐渐成为人们所期待的延长寿命的可能方式。通过实验室细胞培养、动物模型和临床试验涌现出一大批调节细胞自噬的药物,被广泛关注的主要有以下几种。

3.2.1 雷帕霉素:雷帕霉素是吸水链霉菌产生的一种具有广泛抑制增殖作用的大环内酯类抗生素。在对自噬的调节中,哺乳动物mTOR通路及其相关因子发挥了直接的调节作用,雷帕霉素是mTOR通路最为直接的抑制剂,其通过与细胞内分子量12 kU的受体FKBP12(FKB506结合蛋白)结合形成 FKBP-雷帕霉素复合物,再与 mTOR的FRB区相结合,从而抑制mTOR的激酶活性,诱导自噬发生[21]。实验已发现雷帕霉素诱导自噬可激活PI3K/Akt1-mTOR-CREB信号通路而减轻AD大鼠模型的神经退行性损伤[22],提示我们,运用雷帕霉素可能成为治疗AD的一种新方式。

3.2.2 白藜芦醇:白藜芦醇是葡萄、虎杖、决明子、花生等天然植物合成的一种天然多酚化合物,是一种卡路里限制模仿物,有延长寿命的功效。现已证实,白藜芦醇对衰老的保护作用是基于SIRT1依赖性的自噬激活[23]。mTOR/Rictor、 Akt/m TOR、AMPK/SIRT1、ROS、P38 MAPK、JNK 等也可能是介导白藜芦醇调节自噬的重要分子,它还可以通过直接调节Atg7来调节自噬。在一项关于衰老C57小鼠心肌功能检测的研究中发现白藜芦醇能恢复SIRT1的活性,降低 Beclin-1乙酰化,提高衰老心肌的自噬水平,这也为白藜芦醇治疗衰老相关的心脏疾病提供了新的依据[24]。

3.2.3 其他有关自噬的抗衰老药物:亚精胺是一种天然存在的多胺,可调控多种不同的细胞生命活动,用其处理酵母细胞能够延长酵母细胞寿命，可能是由于影响了许多自噬蛋白的乙酰化状态而增强细胞自噬活性。海藻糖是一种天然非还原性双糖,其对多种生物活性物质具有非特异性保护作用。研究发现海藻糖能通过P38 MAPK依赖性信号传导途径促进大鼠瓣膜细胞自噬，比二甲基亚砜(DMSO)能更好地保持冻存大鼠瓣膜细胞功能,这为瓣膜移植物的储存提供了新的有意义的冷冻保存方法[25]。中药在抗衰老作用的研究中意义深远,某些中药对细胞自噬也有一定的调控作用,如枸杞多糖[26]、青蒿素[27]、姜黄素[28]等,这些将来也可能成为自噬相关抗衰老药物的研究对象。

4 结语

衰老过程中伴有自噬活性的减低,通过适度调节自噬可以延缓衰老、改善老年相关疾病。但是,人们对自噬的过程了解和掌控的还不够全面,对自噬的研究大多还是基于实验室细胞或动物模型。目前,影响自噬的化合物缺乏特异性和靶向性,因而调节自噬的药物在衰老相关疾病或者其它疾病的治疗中还没有被很广泛地应用。值得肯定的是,通过调节自噬延缓衰老的方法已经被越来越多的研究者所认同,从整体水平上调节自噬来改善衰老状态已成为一种可能,相信随着对衰老与自噬研究的不断深入,越来越多的自噬相关抗衰老药物会走进人们的生活中,使人们从中受益。