我们为什么会变老？（3）

朱钦士 （美国南加州大学医学院）

（上接2020年第11 期第20 页）

6 程序性衰老和非程序性（随机性）衰老

衰老过程是程序决定的（programmed aging），即由生物内部的“时间表”控制，还是衰老是损伤随机积累的结果，即非程序控制（non-programmed aging）的，这是衰老研究中两派激烈争论的问题。

两派均同意，生长发育的速度和性成熟的时间是由程序控制的。不同生物的生长发育速度不同，但对于同一物种，生长发育和性成熟的时间则是高度一致的。例如，不同民族性成熟的时间（14～15 岁）相差无几，但与猕猴（Macaca mulatta）的性成熟期3.5～5 岁则明显不同，与兔子的性成熟期（4～5 个月）差别更大。如果没有精密的程序控制，性成熟在物种之内高度一致而在物种之间差异巨大是不可想象的。

但在衰老问题上，两派的意见则不同。反对衰老是程序控制的学者认为，生长发育和性成熟对生物是正面的发展，自然可由程序控制；而衰老对个体的作用是负面的，由于自然选择只能对个体起作用，因此，个体不可能发展出并且保持对自身不利的程序，衰老只能是身体受到随机发生的损害且逐渐积累的结果，即没有一个控制程序。

但是，随机损害积累的理论无法解释为何不同物种之间，衰老的速度（对于缓慢衰老的生物反映在寿命上）差异如此之大。与不同物种之间生长发育的速度差别极大，但在物种内性成熟的时间高度一致的情形类似，不同物种之间寿命也差别极大，但在物种内寿命也高度一致。从线虫的19 d到北极蛤（Arctica islandica）有记录的507年，动物的寿命可相差1 万倍。同为哺乳动物，小鼠的寿命是2～3年，狗的寿命是10～13年，大象是60～70年，差别也有几十倍。

动物的形态虽然千差万别，但在分子结构上却高度一致，例如，DNA 都是由4 种脱氧核苷酸组成的双螺旋，蛋白质都是由20 种氨基酸线性相连组成，而且，同样功能的蛋白质在不同生物中的结构高度相似，故受活性氧的损害机制也类似。如果动物衰老主要是由活性氧引起的，又如何解释生物衰老的快慢有如此大的差别，生物的寿命能如此不同？

主张衰老过程是由程序控制的学者则认为，自然选择可对群体起作用，因而可发展出对群体有利、而对部分个体（主要是生殖以后的个体）不利的特性。衰老速度在不同物种之间的巨大差异和在同一物种中的高度一致性，正是程序控制衰老速度的证据。之所以不同生物衰老的速度不同，是因为每种生物衰老的速度最适合该物种的生存。

一个有趣的例子是非洲一类美丽的小鱼，在分类学上都属于鱂属（Nothobranchius），但不同种鱂鱼的寿命可相差5 倍之多。生活在津巴布韦（Zimbabwe）的物种N.furzeri，由于此地只有短暂的雨季，雨季过后水塘很快干涸，这种鱂鱼的寿命只有3 个月，相当于雨季的长度。莫桑比克（Mozambeque）的雨季比津巴布韦长4 倍，此地的N.rachovii则可活9 个月。另一个物种N.guentheri，生活在有2 个雨季的地方，寿命可长达16 个月。

只能活3 个月的N.furzeri生长极为迅速，1 个月即达到性成熟，然后多次交配产卵，直至第3 个月末水塘干涸为止。即使寿命如此短的鱂鱼也在生命后期显出衰老迹象：运动变慢、骨质疏松、肝脏中脂褐素（lipofuscin）颗粒增加。脂褐素由溶酶体中不能被消化的物质组成，相当于是细胞无法清除的“废物”，随年龄增长而增多，是衰老的重要指征之一，人类的“老年斑”中就含有脂褐素。这说明这种鱂鱼的衰老过程与人类相似，只是要快很多，1～2 个月就可在肝脏中长出“老年斑”，衰老速度比鲑鱼还快。

如果衰老是随机损伤积累的结果，如何解释这3 种同一属的鱼（身体结构极为相似）寿命差别却如此之大，而且“碰巧”与雨季的长度相符合？更合理的解释是鱂鱼的衰老速度是由程序控制的，是雨季的长短选择了由程序控制的寿命正好符合这个长短的鱼类。由程序控制的寿命过长或过短，与雨季的长度不匹配，就会被自然选择所淘汰，所以，现在发现的都是寿命与雨季长短相匹配的物种。将这3 种鱂鱼在人工条件下饲养，外部条件相同，其寿命的差别仍然存在，说明体内控制衰老的程序仍然在起作用。

将生命缩短，看似对个体不利，但正是这种在寿命上的牺牲换取了物种的生存。非洲鱂鱼的例子也再次证明自然选择可对群体起作用，而且是最重要的作用。

如果衰老过程是程序控制的，该程序是什么？生物的生理功能是由蛋白质分子执行的，在什么时候生产什么蛋白、生产多少，就是生物控制生理功能，包括维持和修复功能的主要手段。因此，若想了解控制衰老的程序，则需了解控制蛋白质生产的基因。

7 寻找控制衰老速度的基因

要研究基因在衰老控制中的作用，一个办法是寻找自然发生的寿命异常的个体，找出引起寿命异常的基因。例如，“维尔纳综合征”（Werner syndrome） 就是在人群中自然发生的一种非常罕见的提前衰老病症。患者很早就发生衰老现象，皮肤如老人状、毛发灰白脱落、肌肉丧失、骨质疏松、血管硬化、性腺萎缩、眼睛出现白内障、心脏病和癌症发生率增加等。研究表明，患者的一个称为WRN的基因发生了突变。WRN基因编码一种称为DNA 解螺旋酶（helicase）的蛋白，与DNA 的复制过程有关。维尔纳综合征的例子说明，单个基因就能影响人的衰老过程。

但自然产生的寿命异常的个体毕竟很稀少，要研究基因与衰老的关系，更有效的办法是在实验动物中引起大规模的基因突变，找到能影响寿命的基因。例如，使用能引起基因突变的化合物甲基磺酸乙脂（ethyl methane sulfonate，EMS），在生物中进行“饱和突变”，再筛选寿命发生改变（延长或缩短）的突变种，找出有关基因。

在过去的几十年中，由于分子生物学技术的迅猛进展，科学家已可根据需要改变单个基因的表达状况，即进行“精准打击”。例如，通过基因突变使某个基因的功能失活（称为“敲除”，knockout），用抑制性RNA（iRNA）降低基因的表达效率，或将某个基因“放入”细胞，增加某个基因的表达（称为“超量表达”，overexpression）。这样即可观察单个基因表达状况的改变（提高或降低）对衰老过程的影响。

“饱和突变”和“精准打击”的方法都很有效，科学家也用这些方法得到了大量的研究结果，揭示了与衰老过程有关的基因和由这些基因产物（蛋白质）组成的信号通路。

8 胰岛素／类胰岛素生长因子通路（Insulin/IGF-1 pathway）

与动物寿命有关的信号通路最先是在秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans，在下文中简称“线虫”）中发现的。线虫身体结构简单，呈两头尖的线型，长1 mm 左右，只有1 000 多个细胞，生命史短（约20 d），容易培育，且雌雄同体，自我交配即能产受精卵，是科学研究的模型动物之一。

线虫从受精卵孵化后，会经历4 个幼虫期（L1～L4），3.5 d 即长成为性成熟的成体。产卵期约3～4 d，然后线虫还可生活10～15 d，具有相对“漫长”的衰老期。

在幼虫密度过大、食物不足的情况下，线虫会进入另一种幼虫期，称为dauer 幼虫。dauer 在德文中是耐久（enduring）的意思。进入dauer 状态的幼虫停止进食，体瘦且身体密度变大，能在饥饿、失水、温度的极端变化等逆境中存活120 d 左右，类似于单细胞生物抵抗逆境的孢子。在环境条件适宜时，dauer 幼虫又会返回正常的生理周期，而且在dauer 状态下度过的时间不会“算”在线虫的寿命上，类似于播放时“暂停”的时间不会影响视频的长度。

由于dauer 状态相当于是线虫的“不老”状态，而且能抵抗各种逆境，科学家就想了解线虫进入dauer 状态的机制。为此，科学家使用突变剂甲基磺酸乙脂对线虫进行“饱和突变”，以找出与形成dauer 幼虫有关的基因。这些突变种中的基因都用daf命名，是dauer formation 中dauer 的前2 个字母和formation 中的第1 个字母组成的。

这样的基因共有36 个，从daf-1到daf-36。直至今天，还有相当数量的daf基因的功能没有弄清楚，dauer 形成的机制也不完全清楚，但这些实验的“副产品”却极有价值，有几个daf基因与线虫的寿命有关，并由此揭示了动物控制衰老过程的重要信号通路。

例如，daf-2基因的突变能使线虫的寿命加倍。另一个基因，daf-23的突变，也能使线虫的寿命加倍。后来发现，daf-23基因和另一组科学家在筛选长寿线虫时发现的age-1基因是同一个基因。如果将daf-2基因和daf-23基因都进行突变，线虫的寿命并不会进一步延长；而且突变daf-2基因和daf-23基因延长线虫寿命的效果都需要daf-16基因的功能。在daf-16基因功能缺失的线虫中，无论是daf-2基因的突变或daf-23基因的突变都没有延长线虫寿命的效果。这说明daf-2和daf-23（即age-1基因）的产物作用在同一个信号传递链上，它们的效应不能叠加。

与daf-2和daf-23基因的突变延长线虫的寿命相反，突变daf-16基因并不延长，反而缩短线虫的寿命，要在线虫中超量表达daf-16基因才能延长线虫的寿命。daf-16基因的产物，DAF-16 蛋白（蛋白质用大写字母表示）是一个转录因子（结合在基因的启动子上，控制基因表达的蛋白质），它所启动的基因能使线虫在饥饿的状况下存活得更久，并且增加线虫对活性氧和极端温度变化的抵抗能力。因此，daf-16是线虫的“长寿基因”；而daf-2和daf-23（age-1）则是线虫的“短寿基因”。

既然这3 个基因都位于同一条信息传递链中，为什么daf-2和daf-23基因的突变延长线虫的寿命，而daf-16基因的突变却缩短线虫的寿命？ 进一步的研究表明，daf-2基因位于信息传递链的“上游”，通过daf-23基因抑制daf-16基因的作用，因此，daf-2和daf-23基因的作用与daf-16基因的作用是相反的。

daf-2基因的产物，DAF-2 蛋白，位于细胞膜上，类似于高等动物的胰岛素受体；daf-23（age-1）基因的产物，DAF-23 蛋白（AGE-1 蛋白），是一个激酶（在其他分子上添加磷酸根的酶），称为“磷脂酰心肌醇-3 激酶”（phosphatidylinositol 3-kinase），简称PI3K。它在4，5-二磷酸磷脂酰肌醇（简称PIP2）上加一个磷酸根，使其变成3，4，5-三磷酸磷脂酰肌醇（简称PIP3）。

在食物充足时，线虫能分泌类似胰岛素的物质，这些物质结合在DAF-2 蛋白受体上，使其酪氨酸激酶的活性被活化。这个信息被传递到DAF-23（AGE-1）蛋白，即PI3K 上，使其激酶的活性被活 化，将PIP2变 成PIP3。PIP3能使“依赖于PIP3的蛋白激酶”（3- phosphoinositide dependent protein kinase-1，PDK1）被活化，活化的PKD1 又通过AKT-1 激酶使DAF-16 蛋白磷酸化。磷酸化的DAF-16 蛋白会从细胞核内转移至细胞核外，进入细胞质，失去转录因子的功能。即DAF-2 蛋白接收食物充足的信息，通过DAF-2（AGE-1）蛋白使DAF-16 蛋白失去作用。

DAF-16 的作用是增加线虫度过逆境的能力，延长线虫的寿命。由于进入成年期的线虫不再能进入dauer 状态，DAF-16 的功能就是使成年线虫也有机会“熬”过逆境。在食物匮乏时，DAF-2 和DAF-23 蛋白不起作用，它们对DAF-16 的抑制作用解除，使DAF-16 能在细胞核中发挥抗逆境的作用。而在食物充足时，DAF-2 和DAF-23 被活化，DAF-16 的功能被抑制，线虫就快速生长繁殖。因此，线虫寿命的延长，是在到达成年后用“拖”的办法应付逆境的一种方式。

这种“顺境时快速生长繁殖，但是抵抗力较差，寿命较短；逆境时寿命延长，抵抗力增加，以度过逆境”的方式对动物的生存很有好处，所以这种做法也被更高等的动物，例如模型动物果蝇和小鼠，继承下来以应付逆境；线虫的DAF-2—DAF－23—DAF－16 这一套信号控制系统也被更高等的动物（包括人类）继续使用。

在哺乳动物例如小鼠和人类中，对应DAF-2蛋白的是胰岛素受体。但与线虫只有1 个胰岛素样物质的受体不同，小鼠和人类接受胰岛素样物质的受体不止1 个。在哺乳动物中，胰岛素的一个重要功能是促进葡萄糖的利用，降低血液中葡萄糖的水平，因此，哺乳动物还另外发展出了类似于胰岛素的物质“胰岛素样的生长激素”（insulin-like growth factor-1，IGF-1），用于传递食物状况的信息。胰岛素和IGF-1 也不使用共同的受体，而使用各自的受体，但这些受体的“中、下游”成分是类似的，作用也相似，因此,这类信息传递链也被统称为“胰岛素／IGF-1 信号通路”（insulin／IGF-1 signaling pathway，IIS）。

对应线虫的DAF-23（AGE-1），即PI3K 激酶的，在果蝇和哺乳动物中仍然是PI3K 激酶，即传递胰岛素类物质信息的PI3K 激酶，在线虫、果蝇和哺乳动物中都是一样的。

在果蝇和哺乳动物中，对应于DAF-16 转录因子的是FOX（forkhead box）家族中的转录因子FOXO。在哺乳动物中，FOX 转录因子有100 多个，分为若干大类，从FOXA 到FOXR，各有不同的功能。其中的O 型，即FOXO 转录因子，受胰岛素／胰岛素样的生长激素的控制。哺乳动物有4 种FOXO基因，分别是FOXO1，FOXO3A，FOXO4和FOXO6。FOXO2曾经被称为FOXO3B，以与FOXO3A相区别，但实际上是个伪基因；FOXO5相当于鱼的FOXO3，因此FOXO2和FOXO5的名称就被放弃了，但是FOXO3A的名称却被保留。

与线虫的DAF-16 蛋白能帮助线虫抵抗逆境一样，FOXO 蛋白是哺乳动物抵抗逆境的 “主控开关”。例如，FOXO 蛋白能增加超氧化物歧化酶2（superoxide dismutase 2，SOD2）和过氧化氢酶（catalase）这2 种抗氧化酶的生产，使动物更有效地对抗活性氧的破坏作用。FOXO 蛋白能增加与DNA 损伤修复有关的蛋白，例如GADD45（growth arrest and DNA damage 45）和DDB1（DNA damage binding 1） 的产生，提高细胞修复DNA 损伤的能力。FOXO 蛋白能促进细胞的自噬活动（autophage，即用一种称为“自噬体”的细胞器将细胞内的一些内容物“吃掉”，消化后形成的氨基酸和脂肪酸等重新被利用），加快细胞除去受损和不再需要的蛋白，将资源用于细胞的存活上。FOXO 蛋白能促进受损细胞通过程序性凋亡（apoptosis）而被去除。FOXO蛋白能将葡萄糖的代谢方式从酵解转换为氧化磷酸化，增加葡萄糖利用的效率，并且动用脂肪酸作为细胞的能源。FOXO 蛋白还能延缓细胞进入分裂周期，降低细胞繁殖的速度。所有这些作用都能增加哺乳动物抵抗逆境的能力，并且延长寿命，所以FOXO 真正是动物的“长寿蛋白”。

因此，胰岛素／IGF-1 信号通路是控制动物寿命的重要信号通路，从线虫到果蝇，再到小鼠这样的哺乳动物一脉相承，高度保守。在营养充足时，胰岛素和胰岛素样物质分泌较多，这条通路被激活，FOXO 蛋白的功能被抑制，动物快速生长繁殖，但抵抗力较低，寿命较短；破坏这条通路的胰岛素受体部分或PI3K 激酶部分，对FOXO 蛋白的抑制就被解除，动物的生长和繁殖变慢，抵抗力增强，寿命较长。

这条通路中许多成分的活性就与动物的寿命有关。例如，在果蝇中，胰岛素受体基因（InR）的突变就能延长寿命。降低PI3K 中起催化作用的亚基蛋白的水平能延长线虫和小鼠的寿命。FOXO基因的突变降低果蝇对抗活性氧的能力，而超量表达FOXO 蛋白又能延长果蝇的寿命。

小型狗比大型狗寿命长，血液中IGF-1 的浓度也比较低。类似的情形在小鼠中也被发现，例如，在2009年，美国的Jackson 实验室比较了31个品种小鼠的寿命和血液中IGF-1 的水平。这些小鼠的寿命可相差近4 倍（从251 d～964 d），而寿命的长度与血液中IGF-1 的浓度成反比，寿命最长的小鼠，血液中IGF-1 的浓度也最低。IGF-1受体失活的小鼠也比正常小鼠活得长。

在人类中，由于不可能进行基因敲除实验，这些基因对寿命的影响不能通过基因工程进行研究，但可通过对基因多态性的比较观察这条信号通路对人寿命的影响。每个人都具有同样的基因（男、女在性染色体上的一些基因除外），但基因中核苷酸的序列并不完全一样，常在单个核苷酸上有所不同，称为 “单核苷酸多态性”（single nucleotide polymorphism，SNP），例如，在基因的某个位置上，一些人是A（核苷酸中的碱基为腺嘌呤），另一些人是T（碱基为胸腺嘧啶）；一些人是C（碱基为胞嘧啶），另一些人是G（碱基为鸟嘌呤）等。如果这些变化发生在为蛋白质中氨基酸编码的三联码中，就有可能导致在该位置氨基酸的种类不同，使蛋白的活性变高或变低。如果这些差异发生在基因启动子中结合转录因子的序列上，就有可能改变启动子对这些转录因子的结合强度，启动子的活性也会有变化，使蛋白生成的量增多或减少。这些细微的变化可使胰岛素／IGF-1 信号通路中不同部分的活性增高或降低，影响人的寿命。

例如，在2003年，意大利科学家研究了496 位意大利人（364 位女性和132 位男性）中胰岛素／IGF-1 信号通路中基因多态性与寿命的关系。IGF-1受体（IGF-1R）的基因中，在密码子第1 013 位上有一个G／A 的多态性，即有些人在这个位置是G，另一些人是A。由于每个人都有2 份IGF-1R基因，所以有GG、GA、AA 3 种组合。研究表明，在长寿的人中，AA 组合的比例比在一般人群中多，血液中IGF-1 浓度最低；而GG 组合在寿命较短的人中比例较高，血液中IGF-1 浓度最高。在人的一种PI3K基因（PI3KCB）中，在-359 bp（即在基因转录起始点前第359 对碱基）的位置上有T／C 的多态性，在长寿的人中TT 组合的比例比在一般人群中高，血液中IGF-1 浓度最低；而CC 组合在寿命较短的人中比例较高，血液中IGF-1 的浓度也最高。

2008年，美国科学家和日本科学家合作，研究了615 位居住在夏威夷的日裔男性中FOXO3A基因多态性与寿命的关系，其中213 位寿命在95岁以上，为长寿组；402 位死于81 岁之前，为对照组。FOXO3A基因在内含子1（intron 1，即为蛋白质编码的序列之间的非编码DNA 序列1） 中有一处多态性，有TT、TG、GG 3 种组合。研究结果发现，在长寿组中，GG 组合的比例比对照组多1 倍，TG 组合的比例也比对照组高31%，而TT 组合的比例比对照组低31%，所以，G 型有增加人寿命的效果，其中有2 个G 的人（GG 组合，即2 份GG 型FOXO）的人的寿命最长，有1 个G 的人（TG）组合的人寿命居间，而没有G 的人（TT 组合）寿命最短。

这项研究的结果也得到一项对德国人口研究结果的支持。2008年，德国和法国的科学家合作，研究了1 762 位德国人FOXO3A基因的多态性与寿命的关系，其中包括338 位百岁以上老人（平均年龄101.6 岁）和731 位对照（平均年龄67.2岁），也发现FOXO3A基因的多态性与寿命之间的关系。东方人和西方人都显示FOXO3A基因变种与寿命的关系，说明FOXO3A基因确实与人的寿命有关。

胰岛素／IGF-1 信号通路中3 个关键的蛋白（IGF-1 受体、PI3KCB、FOXO3A）的多态性都与人的寿命有关，证明这条通路也是影响人寿命的信号传递链。

在脊椎动物中，还有一个因素与胰岛素／IGF-1信号通路密切有关，从而与动物的寿命有关，这就是生长激素。

（待续）