衰老分子机制及相关疾病的研究进展

蒋国 高郡茹 杨柳

广西师范大学生命科学学院（广西桂林541004）

衰老是指生物体的生理器官随着年龄的增长而发生不可避免的功能性下降，内环境稳定能力与应激能力下降，结构、组分逐步退行性变化，趋向死亡且不可逆转的现象。老龄化是癌症、心血管疾病、糖尿病和神经退行性疾病等人类疾病最主要的风险因素之一：全球每天大约有150 000 人死亡，其中约三分之二死于与年龄相关的原因［1］。然而，衰老又在机体正常发育、维持组织稳态和抑制肿瘤细胞增殖中起重要作用。因此，了解衰老如何起作用，如何影响器官功能，以及如何预防、减缓衰老变得至关重要。在过去的几十年中，已经有许多相关研究报道了关于衰老过程中潜在分子机制的重要见解，如端粒缩短、DNA 损伤积累、线粒体功能障碍和表观遗传改变等［2-3］，且调控衰老过程中相关信号通路可以改善许多与年龄相关的病理特征［4］。在这里，笔者综述了目前已知的衰老分子机制及相关疾病，并回顾衰老和细胞衰老之间在细胞分子水平上的联系，从而加深人们对衰老的理解以及为衰老相关疾病的防治提供新的依据。

1 衰老的分子机制

1.1 端粒缩短端粒是一类具有封闭染色体臂的末端并维持基因组稳定性功能的DNA-蛋白质复合体结构。在所有哺乳动物中，端粒由高度保守的六聚体（TTAGGG）串联重复DNA 序列形成。它被组织成一个称为T 环的环状结构，并与特殊蛋白质相关，其中包括构成Shelterin 复合物的蛋白质。端粒的两个主要功能：（1）保护染色体臂的末端免受不适当的DNA 修复机制的影响，否则DNA修复机制可能会将松散的DNA 链识别为双链断裂并导致染色体融合事件的发生。（2）这种加帽结构可防止由于DNA 复制不完整而导致染色体臂末端附近基因的降解［5］。因此，在人类和其他动物的细胞分裂过程中，随着DNA 不断的复制，端粒为保护染色体末端而不断地被消耗，长度逐渐变短。当端粒长度变得非常短时，维持Shelterin复合体的能力就会丧失。反过来，Shelterin 复合物对DNA 损伤反应途径的抑制作用被释放，细胞周期离开G1 期并进入G0 期。这是由共济失调毛细血管扩张症突变或共济失调毛细血管扩张症和Rad3 相关蛋白途径引发的，这两者都导致p53的磷酸化、p21 的表达和细胞周期蛋白依赖性激酶的抑制［6］。当离开细胞周期后，细胞进入衰老或细胞凋亡，而决定衰老或细胞凋亡的机制目前尚未明确。

最近有研究发现，在小鼠皮质神经细胞中与年龄相关的端粒缩短不是由细胞组分的变化引起的，而由G2/M 期皮质神经细胞代表的细胞周期活性是年龄依赖性端粒缩短的主要驱动力，且在此过程中端粒酶的活性没有改变，端粒逆转录酶蛋白的亚细胞含量随着衰老而变化［7］。此外，神经细胞和亚神经元中的端粒随细胞周期依赖性和非依赖性方式的衰老而缩短，非复制性神经元被证明参与大脑中与年龄相关的端粒损耗过程，核因子（NF-κB）的亚基Rela 的敲减也不影响端粒酶活性或端粒长度，尽管它在老化条件下选择性地上调。BOCCARDI 等［8］通过对来自35 例年龄在23～101 岁范围内的健康受试者的外周血单核细胞分析发现，端粒随着供体年龄的增长而呈现出越来越多的异常结构。尽管脆弱端粒的比例直到成年才会增加，但姐妹端粒缺失和姐妹端粒染色单体融合的染色体比例在整个人类寿命中持续增加，端粒复制缺陷（而非最终复制问题）会导致衰老相关的人类端粒侵蚀。

1.2 DNA 损伤积累DNA 损伤是复制过程中发生的DNA 核苷酸序列永久性改变，并导致遗传特征改变的现象。研究表明，DNA 损伤是癌症和衰老发生的共同基础，并且其内在原因是衰老最重要的驱动因素［9-10］。基因组不断暴露于各种类型的DNA 损伤，如果没有得到正确的修复，DNA 损伤的不断积累直接涉及癌发生和其他与年龄相关的疾病，如神经退行性疾病和诱导促炎性细胞因子的分泌等。DNA 损伤导致细胞停止分裂或诱导细胞凋亡，从而进一步加速细胞衰老。研究证明，小鼠中大多数突变发生在胚胎和幼年发育期间，因为每次细胞分裂都可能会出现DNA 复制错误，而当细胞频繁分裂时，DNA 损伤水平升高［11］。此外，小鼠中自发性DNA 损伤可驱动ROS 水平升高、细胞衰老以及与年龄相关的生理功能衰退［12］。

为了减弱DNA 损伤的有害影响，细胞已经进化出多种DNA 修复机制，其中核苷酸切除修复（NER）是最通用的DNA 修复途径之一。STEURER 等［13］发现荧光标记的光裂合酶（PLs）能够有效识别UV 诱导的DNA 损伤而不阻断NER 活性，且PLs 以高度敏感和剂量依赖的方式与受损DNA结合，可用于量化DNA 损伤负荷并实时确定修复动力学。PLs可以在活细胞成像过程中通过405 nm激光照相再激活立即逆转DNA 损伤，为研究病变特异性NER 动力学和细胞对损伤清除的反应开辟了新的可能性。此外，有研究发现脱嘌呤/脱嘧啶核酸内切酶1 的（APE1）缺乏可抑制BER 的进行，同时促进人成纤维细胞衰老［14］。DNA 损伤应答（DDR）是一种进化上保守的信号级联反应，由DNA损伤激活，指导细胞进行DNA 修复、衰老或凋亡。在高等生物中，DDR 通过准确去除严重受损的细胞并以细胞自主方式阻止肿瘤转化。然而，新出现的数据表明DDR 信号传导也可以通过旁分泌/系统机制发挥作用，通过调节组织修复和免疫反应来塑造系统环境。持续的DNA 损伤信号传导可能导致DDR 发送“早期”和“晚期”细胞外信号，以及诱导衰老相关的分泌表型［15］。此外，DNA 损伤诱导的细胞衰老由肿瘤抑制因子p53 和p16INK4A 强烈介导，并且几乎总是与称为DNASCARS 的核DDR 信号结构的存在相关。

1.3 线粒体功能障碍线粒体通过氧化磷酸化（OXPHOS）在线粒体内膜产生质子梯度，然后被ATP 合成酶利用以氧依赖性方式产生ATP。线粒体具有调节糖异生，脂肪酸氧化，细胞内钙水平和细胞凋亡的功能，它也是细胞进行有氧呼吸的场所，被喻为细胞的“动力工厂”［16］。长期以来，维持线粒体功能正常对于细胞和生物体健康至关重要，线粒体功能障碍被认为是衰老和与年龄有关的疾病的主要原因，例如代谢综合征和神经退行性心血管疾病。线粒体的完整性在衰老期间受到损害，如跨膜电位降低、以ATP 合成为代价增加氧自由基（ROS）形成、钙失调、诱导细胞凋亡和线粒体DNA 突变增加。因此，衰老过程中功能失调的线粒体的累积可产生大量的ROS 和氧化应激反应。KUBBEN 等［17］在表达mtDNA 聚合酶POLGα的校正缺陷型的敲入小鼠中证明了线粒体完整性和衰老之间的联系，在这些小鼠中，由于mtDNA突变的累积，OXPHOS 效率降低，并且以ATP 的产生为代价增加ROS 形成而导致加速老化。UZHACHENKO 等［18］在Fus1 敲出的小鼠中发现维持线粒体稳态的小线粒体蛋白Fus1 的缺失导致过早衰老和生存率降低，证明了Fus1 敲除的细胞的线粒体具有低储备呼吸能力（在突然的能量需求情况下产生额外能量的能力），并且有调节线粒体钙稳态的作用。由Fus1 控制的钙和能量稳态可能是其衰老调节活动的核心，因此，Fus1 蛋白和Fus1 依赖性途径和过程可能代表抗衰老策略的新工具和靶点。此外，细胞可以通过激活具有降低ROS 水平的抗氧化机制来破坏有害的ROS-线粒体的相互作用，通过过表达线粒体靶向的过氧化氢酶抗氧化剂来恢复线粒体完整性延长了小鼠的寿命，并防止了神经退行性心脏病和癌症的发生［19］。线粒体可能在衰老的病理生理学中或在导致衰老表型的某些事件的早期阶段中起关键作用，因此，线粒体将越来越多地成为预防和治疗慢性疾病并促进健康老龄化的靶点。

1.4 表观遗传调控生物遗传信息表达正确与否，既受控于DNA 序列，又受制于表观遗传学信息。表观遗传改变是指在不影响碱基对水平的DNA 序列的情况下实现的基因表达调控，包括DNA 甲基化，染色质重塑（由组蛋白的翻译后修饰和ATP 依赖的染色质重塑复合物引起）和非编码RNA。这些表观遗传机制的改变可影响绝大多数分子进化过程，包括基因转录和沉默、DNA 复制和修复、细胞周期进展、端粒和着丝粒结构和功能等［20］。衰老是一个多元化的过程，其特征在于基因组中的遗传和表观遗传变化，而表观遗传机制现已成为衰老的基因组结构和功能改变的关键因素，也与HGPS、动脉粥样硬化等衰老相关疾病的发生密切相关［21-22］。研究发现，含有转座子和其他重复元件的染色质区域的表观遗传改变以及转座因子的转录激活似乎是真核生物中衰老细胞的保守特征，而Sirtuins 对DNA 损伤的重新定位则可能会导致衰老期间的表观遗传变化和基因组不稳定。关于表观遗传学与衰老之间关系的广泛证据确实表明，人类寿命主要取决于表观遗传调控，而不是基因预测，同时饮食和其他环境影响可以通过改变表观遗传来影响寿命［23］。对于衰老和细胞衰老相关的表观遗传机制的探讨，不能仅限于蛋白质编码基因试验，仔细研究基因组非遗传部分的表观遗传修饰也是必需的。

1.5 其他衰老与细胞衰老的分子机制是一个极其复杂化的级联反应过程，涉及多方面的影响因素。除上述分子机制外，还有许多因素能够加速机体衰老。如p53 和Rb 等肿瘤抑制基因的激活、LMNA 基因点突变、内分泌功能减退、免疫系统和蛋白质稳态破坏、饮食控制和mTOR 信号通路等均与衰老发生密切相关。此外，ZHU 等［24］研究发现FasL/Fas 信号传导促进了卵母细胞的衰老。FU 等［25］证明在严重的退行性椎间盘中，其酸性环境可通过调节p38 MAPK 途径促进髓核细胞衰老，该研究提供了一种在椎间盘退变过程中驱动髓核细胞衰老的新机制。SONG 等［26］报道17β-雌二醇能够通过p53 信号通路调节自噬，从而抑制人脐带血管内皮细胞的衰老。另有研究发现，肠道菌群依赖性代谢物三甲胺-N-氧化物通过氧化应激加速内皮细胞衰老和血管老化［27］。

2 衰老相关疾病

随着对衰老机制的深入研究，已经证实了多种与衰老相关的疾病，包括Hutchinson-Gilford 早衰综合征、神经退行性疾病、心血管疾病、慢性肾病、少肌症、2 型-糖尿病、慢性阻塞性肺疾病和癌症等。

2.1 Hutchinson-Gilford 早衰综合征Hutchinson-Gilford 早衰综合征（HGPS）是一种罕见的致命遗传性疾病，一般发生在幼年儿童时期，患病的儿童过早表现出衰老的特征，例如皮肤异常、生长迟缓、脱发、关节活动度低、小颌畸形和骨密度降低。HGPS 主要是由于LMNA 基因异常剪接和点突变而引起，如位于LMNA 基因第11 号外显子中的G608G 突变（c.1824C ＞T），即LMNA 基因第1 824 位的碱基发生了由胞嘧啶C 变为胸腺嘧啶T的点突变，导致prelamin A 的C 末端附近50 个氨基酸的缺失，从而保留Prelamin A 的C-末端-CAAX 基序且被法呢基化和羧甲基化，产生异常的蛋白质progerin。然而，progerin 缺乏内切蛋白水解切割的第2 个位点，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，最终导致细胞和生物体的功能衰退［28］。Progerin 积累引起核形态学异常、基因表达失调、DNA 修复缺陷、端粒缩短和基因组不稳定性，所有这些都限制了细胞增殖能力。有趣的是，progerin 也在衰老细胞和老年人细胞中产生，表明progerin 积累可能是生理衰老的一个因素。解读progerin 表达导致HGPS 的分子机制是一个新兴的研究领域，它可以使我们更完全地理解衰老的病理学。另有研究证明，加速动脉粥样硬化是HGPS 的一个关键特征，尽管大多数HGPS 患者缺乏典型的心血管危险因素，但他们通常死于动脉粥样硬化并发症，平均年龄为14.6岁。此外，尽管DNA 损伤水平很高，但患有HGPS的儿童不会发生肿瘤，且发生糖尿病和慢性肾功能衰竭的风险并未增加［29-30］。研究［31-32］发现，HGPS iPS 衍生细胞具有进行高通量药物筛选的潜力，且揭示了progerin 在调节黑素生成中的直接作用，这些结果为找到HGPS 的治疗化合物提供了依据，开辟了与正常和病理性衰老相关的色素沉着表型研究的新观点。

2.2 神经退行性疾病神经退行性疾病（ND）是一类常发生于老龄人群中的大脑和脊髓的细胞神经元功能障碍和丧失引起的疾病，主要包括阿尔茨海默病（AD）和帕金森疾病（PD）。AD 是一种慢性神经退行性疾病，其特征为痴呆、定向障碍、情绪波动、食欲不振、言语混乱以及无法协调运动。AD 与突触缺失、线粒体功能障碍、淀粉样蛋白β（Aβ）产生和累积、炎症反应、磷酸化tau 形成和积累、细胞周期失调、胆碱酯酶传递受损、神经传递缺陷和激素失衡、神经元丢失和老年斑累积有关，而且还与骨质疏松症和肌肉萎缩的风险增加有关。此外，miRNA 调节负责Aβ产生和磷酸化tau的基因，包括淀粉样前体蛋白、早老素1 和早老素2［33］。而PD 则是一种影响运动系统功能的长期性神经退行性疾病，它使患者肢体僵硬、行走困难，并且在许多情况下导致痴呆和抑郁。PD 的遗传形式包括α-突触核蛋白、帕金蛋白、LRRK2、PINK1、DJ1 和ATP13A2 的突变。PD 的典型标志包括路易体形式的α-突触核蛋白的积累，其促成多巴胺能神经支配的黑质中的细胞死亡［17］。然而，导致这些疾病中神经元功能障碍和死亡的确切机制仍然知之甚少。最近，MASS 等［34］证明小鼠EMP 谱系中的体细胞突变可以驱动迟发性神经变性，而且小胶质细胞中MAP 激酶途径的激活也是神经变性的原因。有人提出，准确的遗传ND 蠕虫模型与高通量自动化药物筛选平台的结合是ND的早期治疗药物发现的潜在非常有效的策略［35］。

2.3 心血管疾病心血管疾病（CVDs）是指包括冠状动脉疾病、高血压、心肌病、心律失常、心力衰竭和其他涉及心脏或血管的疾病，常发生于中老年人群中。动脉粥样硬化是引起CVDs 的主要原因之一，其特征是高水平的低密度脂蛋白携带氧化修饰物在血管壁中积聚，吸引吞噬免疫细胞形成斑块，导致血流阻塞。在斑块形成和扩张期间，平滑肌增殖和内皮NO 合酶水平下降可分别导致端粒缩短和氧化应激。衰老细胞可能导致斑块不稳定且更容易破裂，从而导致中风和心肌梗塞等急性并发症［36］。研究发现，肽基脯氨酰异构酶（Pin1）通过影响pRb 通路以及cyclin 通路调控血管平滑肌细胞（VSMCs）衰老，是VSMCs 衰老调节机制中的关键因子，同时可能提供了一个调控动脉粥样硬化病理过程的新靶点［37］。此外，细胞信号转导和基因表达的功能障碍最近已被证明是CVDs 发展的关键分子机制，其中激活转录因子3可能是CVDs 的潜在治疗靶点［38］。迄今为止，除了ESCs 和iPSCs 外，所有干细胞类型都已用于临床试验，相信干细胞疗法可能会为CVDs 患者提供有效的治疗方法［39］。

3 总结与展望

近年来，科学家们对衰老机制不断深入研究，提出了各种新颖的理论观点。虽然这些理论观点对于衰老机制的认识取得了有意义的进展，但同时也存在许多局限性和不确定性。如许多已被证明与衰老发生相关的分子机制，它们相互关联并不意味着因果关系；同时任何研究设计中的技术因素也可能在研究结果的解释中带来重大问题，如端粒长度的测量。生理衰老和衰老相关疾病反映了真正的衰老过程，但研究方法因其生理和环境背景的混杂影响而变得复杂。未来几年，进一步研究开发新的实验模型系统和实验手段，将有助于增加对衰老过程的理解，为检测和治疗衰老相关疾病提供新的依据。