长期热量限制延长预期寿命及信号通路的研究述评

马逸丹,常 杰(苏州大学医学部公共卫生学院劳动与环境卫生学教研室,苏州 215123;通信作者,E-mail:jchang@suda.edu.cn)

近20年来,我国居民的生活水平显著提高,饮食方式的变化使得城乡居民的热量摄入已超标准。过度摄入热量会使体内细胞耗氧增加,细胞氧化损伤,加速衰老[1]。热量限制(caloric restriction,CR)是唯一延缓衰老和老年病的饮食干预。CR是指在保证食物营养成分充足、生物体不会发生营养不良的情况下,限制每日摄取的总热量[2]。从20世纪30年代到现在,科学家一直对CR与预期寿命的关系及其机制进行着研究,本文着重对这些研究成果进行综述。

1 长期CR对预期寿命及老龄化疾病的影响

早在1935年美国科学家McCay等[3]研究发现,分别在断奶和断奶2周后,用减少30%-50%热量的食物喂养大鼠,最大寿命可增加50%。CR小鼠与衰老相关的疾病发病率降低,其中包括癌症、动脉粥样硬化、糖尿病、肾炎、神经变性和呼吸系统疾病[4]。但McCay等[3]的研究也显示,对年幼大鼠(大鼠发育成熟在断奶后5周左右)进行CR,大鼠发育减缓、个体瘦小,成熟延迟。CR可使酵母的繁殖周期延长、使果蝇对有害蛋白的抵抗力增强,从而延长其预期寿命[5]。

对成年恒河猴长达25年的CR(热量摄入减少30%)研究发现,CR组恒河猴的预期寿命提高了15%,甚至有超过60%的CR组恒河猴顺利活到了30岁(一般为27岁);CR组恒河猴出现老龄化疾病,包括糖尿病、癌症、心血管和神经系统疾病的概率仅为对照组恒河猴的1/3,大脑萎缩程度也较轻;与之相比,自由采食的恒河猴发病风险增加2.9倍,由于高胰岛素血症导致死亡的风险增加3.7倍[3,6,7]。2006年启动了一项对成年鼠狐猴的CR研究,追踪观察它们的寿命、与年龄相关的病理学、认知能力、运动技能和脑萎缩等直到自然死亡。当对照组全部死亡时,仍有26%的CR组鼠狐猴存活,统计数据显示CR组的中位寿命增加了50%,最大寿命达13.8年(对照组为11.3年)。CR个体癌症和慢性肾炎等与年龄相关疾病的发病率降低,与年龄相关疾病的死亡率下降了60%。此外,CR组动物运动能力也较强,跳跃高度高出对照组5.6 cm[8]。

基于以上研究,美国多个临床中心联合开展了对人类为期两年的短期CR临床试验,受试对象为健康瘦削或轻微超重的中青年男女(21-50岁)。研究发现,减少25%的热量摄入,可以降低心血管疾病风险,CR组所有常规心血管代谢危险因素持续显著降低,包括低密度脂蛋白、总胆固醇与高密度脂蛋白胆固醇比值、收缩压和舒张压。此外,C反应蛋白、胰岛素敏感性指数、代谢综合征评分也有显著改善[9]。饮食约束较好和自我效能增加的CR受试者,体重会下降。CR组曾出现短暂的饥饿感升高状态,去抑制进食(disinhibited eating)情况,但最终得以控制[10]。研究还发现,减少15%的热量摄入,可以降低能量消耗和氧化应激。CR组活性氧水平降低,甲状腺激素T3、T4水平降低(衰老减慢的生物标志),24 h能量消耗减少80-120 cal/d,平均体重下降8.7 kg(其中70%为体脂)[11]。

以上研究提示,长期CR对短寿命物种、非人类灵长类动物以及人类的身体健康都有极大益处,可能通过降低衰老相关疾病的发病风险而延长预期寿命。但是CR不适于年幼者,适合健康青壮年。并且,对不同个体减少多少百分比热量才可产生益处,尚无定论。

2 延长预期寿命的信号通路

随着近年组学、生物信息学和个体水平遗传干扰分析技术的进展,对CR延长预期寿命的分子机制有了更多发现。预期寿命的延长是通过延缓衰老实现的。衰老的机制有“代谢理论”和“自由基理论”两个理论。“代谢理论”认为哺乳动物的代谢活性与寿命成反比。“自由基理论”认为,在生理条件下,好氧生物细胞在氧化过程中线粒体会产生潜在有害的活性氧代谢物,从而引起机体的氧化损伤如脂质过氧化、DNA损伤、细胞凋亡等。氧化损伤的细胞数量随机体年龄的增长而增加,最终导致肿瘤、动脉粥样硬化、关节炎、糖尿病、骨骼肌减少症等疾病的发生,是衰老的主要原因[12,13]。目前认为,CR起作用的信号通路包括IIS/FOXO,TOR,AMPK,Sirtuins,NRF2和自噬,这些通路可以独立调节CR,也可相互交叉反应。

2.1 胰岛素/胰岛素样生长因子-1信号通路

胰岛素/胰岛素样生长因子-1信号(insulin/insulin-like growth factors-1 signaling,IIS)通路是一个古老的、高度保守的通路,协调机体的生长、分化和代谢,以响应环境条件和养分供应的变化[14]。研究发现,CR大鼠体重减轻,IGF-1和胰岛素水平在进行CR的前5 d内迅速下降,之后持续降低;CR小鼠肝脏IGF-1mRNA水平降低,血浆IGF-1降低明显,IGF-1结合蛋白的相对浓度也随着年龄的增长而进一步降低。CR降低了人体循环IGF-1、胰岛素或者血糖的水平[15-17]。40%CR可以逆转年老大鼠对垂体生长激素释放激素受体(GHRH-R)的影响以及对生长素释放激素(GHRH)的敏感性[18]。对正常小鼠和GH受体敲除(GHRKO)的长寿小鼠进行为期20个月的CR实验,两组小鼠胰岛素和IGF-1水平均下降或几乎检测不到,肝脏AKT磷酸化水平降低[19]。对正常小鼠和先天缺乏生长激素的Ames侏儒小鼠CR实验发现,CR降低了正常小鼠胰岛素和葡萄糖水平、诱导胰岛素受体磷酸化增加,增加了肌肉中葡萄糖转运蛋白GLUT4的丰度,减少了PI3K亚单位p85,而对Ames侏儒小鼠只影响了p85,其他参数都没有改变;CR使两组小鼠的寿命都有延长[15]。因此推测,CR的影响可能是模拟了GHRKO和Ames小鼠的基因突变影响。GH通过激活下游激素信号如IIS促进体细胞生长,GH激活的IIS信号经PI3K/AKT途径,介导其主要的下游靶点叉头框蛋白O(forkhead box O,FOXO)转录因子从细胞核转位到细胞质。在GH/IIS信号缺失或减弱的情况下,FOXO转录因子转位进入细胞核促进其靶基因表达,这些基因涉及细胞死亡、细胞周期停滞、DNA修复、抗应激和解毒,有利于延长预期寿命[20,21]。

对巴西105名促生长激素释放激素(GHRH)基因突变人群的研究发现,他们中没有人患癌症,衰老延迟并且长寿,各年龄阶段的人血液中均检测不到IGF-1,提示降低IGF-1的含量对延长人类的寿命存在着积极作用[22]。对日本和德国的百岁人群研究发现,FOXO3A基因变异是人类长寿的基因因素,有多个单核苷酸多态性位点与长寿关联,FOXO3A基因变异的个体对IIS-PI3K-Akt信号通路的响应减弱,可能会减缓细胞衰老的速度,增加对环境压力的抵抗力,如感染和损伤,并减少许多与年龄有关的疾病的风险,延长个体预期寿命。据估计,60岁以后的人类寿命总差异中大约有25%-32%是由基因多态性的个体所决定的[23,24]。

2.2 Sirtuin

Sirtuin,沉默信息调节器2(silent information regulator 2,sir2)蛋白,是一种从细菌到人类高度保守的去乙酰化酶类,依赖NAD+作为脱乙酰反应的辅助因子。因为NAD+及其还原形式NADH参与许多重要的细胞代谢途径,所以Sirtuin蛋白家族起到代谢传感器的作用,反映细胞的新陈代谢状态。哺乳动物Sirtuin可与p53、FOXO、PGC-1α、NF-κB、Ku70等蛋白相互作用,调控细胞应激反应、代谢、衰老和凋亡等过程[25]。Sirtuin与酵母、线虫、果蝇以及小鼠的寿命延长有关,当生物体过度制造Sirtuin时,其寿命会显著增加。CR时NAD+蓄积,可激活更多的Sirtuin,使寿命延长[26]。但也有研究者提出了质疑,他们发现在低等真核生物,寿命延长与Sirtuin的表达量、CR的方案等有关,适当水平的Sirtuin可以延长预期寿命,高浓度的Sirtuin具有细胞毒性[27]。因此,不同CR方案下Sirtuin的表达水平与预期寿命的关系亟待进一步研究。

2.3 TOR通路

雷帕霉素靶点蛋白(target of rapamycin,TOR)是一种存在于真核生物中进化保守的丝氨酸/苏氨酸激酶,感应营养、能量(ATP)、生长因子(如胰岛素、IGF-1)变化来调控细胞和机体的生长。TOR在抑制自噬、促进蛋白合成、调节细胞生长和分裂中起关键作用,其主要作用的下游靶点是核糖体蛋白S6激酶1(S6K1)。S6K1可磷酸化下游底物e1F-4B促进蛋白合成,也可通过磷酸化胰岛素受体底物IRS1和IRS2实现与IIS信号途径的交互联系[28]。CR时蛋白质摄入减少、体内胰岛素和IGF-1水平下降、ATP生成减少激活AMP依赖激酶(AMP-dependent protein kinase,AMPK),都可以下调TOR信号级联,遗传学研究表明,抑制或下调TOR途径可以延长酵母、线虫、果蝇以及小鼠的寿命[29],但对TOR1敲基因、S6K突变等TOR通路基因突变生物实施CR,并不能延长寿命[30],表明TOR通路在CR作用中的重要性。但也有文献报道,哺乳动物CR时AMPK活性下降[31],表明TOR通路并不是全面受到下调。

综上所述,CR发挥作用的主要机制是降低胰岛素和IGF-1水平。CR是营造出食物缺乏的生理状态。前述IIS通路相关的基因突变实际上也是为机体营造出一种食物缺乏的生理状态,使机体的IGF-1含量下降,从而使细胞分裂减缓并转而修复现有细胞,使生物体的寿命延长和主要疾病的发生率下降。由此可见,IIS通路是CR导致寿命延长的一条重要的信号通路。

3 展望

CR通过降低衰老相关疾病的发病风险而延长人类的预期寿命,进化保守的IIS通路是CR延长预期寿命的重要信号通路,也是最好的研究寿命途径。但长期CR最佳摄入量和持续时间、IGF-1受体的敏感性和受体后途径的活化程度仍有待进一步研究确定。CR重要信号通路的发现和确认使得CR从一种“经验”转为一个有理论依据的能够延缓衰老的科学方法。对于各种衰老相关疾病的高危人群,针对CR分子通路靶向药物的研发可以降低他们的患病风险。同时,如果可以证明CR对健康人有益而无害,就可以预防衰老相关疾病的发生,从而进一步提高人均寿命,推动健康中国战略的实现。