陳福軍 楊澤

老化和衰老相關(guān)疾病的機制研究進展

陳福軍1楊澤2※

自然衰老的主因有二，一為進行性DNA損傷;二為線粒體功能下降。通常認為，這兩條通路相互隔離，然而最近的研究顯示，DNA損傷，p53的分子環(huán)路激活，線粒體的生物合成和功能損傷三者聯(lián)動引起了衰老，這一衰老分子軸線為闡明器官衰退和老齡關(guān)聯(lián)疾病發(fā)生機理，為研發(fā)新的藥物具有較大的價值。

衰老機制 DNA損傷 線粒體功能下降 p53

雖然人類數(shù)千年來一直在尋求青春永駐，但是人們普遍認為，衰老必然與疾病和死亡相伴，是不可改變的。盡管在過去的半個世紀中，得益于醫(yī)學(xué)科學(xué)的進步、衛(wèi)生和營養(yǎng)的改善，以及青少年人群死亡率的顯著下降，使我們的預(yù)期壽命和健康壽命均得到了大幅度的增長。然而，現(xiàn)在面臨的問題是:是否人類的壽命還可進一步增長，或者是否現(xiàn)在我們的壽命已經(jīng)到達了生物學(xué)限定的最大壽命?

科學(xué)研究人員長期以來一直在試圖發(fā)現(xiàn)衰老相關(guān)的通路，但直到1990年，Jonhson首先確定了衰老與遺傳關(guān)系的第一個證據(jù)，他發(fā)現(xiàn):daf-2(編碼胰島素/胰島素樣生長因子1 (IGF-1)受體)基因的一個功能喪失(loss-of-function，LOF)突變，可使線蟲的壽命延長2倍［1］。此后，研究控制衰老分子通路的興趣大漲，從酵母到小鼠不同模型系統(tǒng)的研究均觀察到，代謝通路的很多突變在影響著壽命［2］。雖然研究表明這些通路也同樣影響著人類的壽命，但其如何延長人類的壽命并不完全清楚。另一方面，人們也觀察到維護線粒體功能是延長壽命的一個重要機制，如線粒體功能下降，包括ATP的生成受損和活性氧(ROS)的水平增加，都涉及到驅(qū)動衰老進程的發(fā)生［3］。在本文我們介紹了不同通路-DNA損傷和代謝通路-交叉匯聚于線粒體，減少能量維護的機制并驅(qū)動衰老的模型。我們系統(tǒng)地提供了更好的理解控制衰老過程機制的基礎(chǔ)知識，并開啟了用于治療性干預(yù)衰老和與年齡相關(guān)疾病的新通路。

1．衰老的代謝通路

1.1 胰島素和IGF-1信號通路 進化上保守的胰島素和IGF-1通路是第一個證明可調(diào)節(jié)秀麗隱桿線蟲壽命，在進化上保守的通路。該通路的組分包括磷酸肌醇3-激酶(PI3K，線蟲亦稱AGE-1)，3’-磷酸肌醇依賴性激酶-1(PDK-1)，AKT(亦稱PKB)和FOXO(線蟲亦稱DAF-16)家族轉(zhuǎn)錄因子。胰島素和IGF-1刺激PI3K激活，PI3K激活PDK-1，PDK-1激活A(yù)KT。AKT磷酸化多個下游靶分子(見圖1a)，以促進細胞存活和細胞增殖。由于編碼該通路的關(guān)鍵組分或調(diào)節(jié)該通路激活的蛋白，如生長激素的基因發(fā)生了LOF突變，降低了胰島素和IGF-1通路的活性，導(dǎo)致了許多物種壽命的延長。這些突變延長壽命的作用是由幾個轉(zhuǎn)錄因子和它們的轉(zhuǎn)錄靶分子介導(dǎo)的，包括DAF-16，熱休克因子1(HSF-1)和SKN-1 (參與氧化應(yīng)激反應(yīng)的轉(zhuǎn)錄因子)，這些因子刺激抗應(yīng)激，氧化防御和線粒體功能基因的表達增加［2］。

圖1 衰老的代謝通路及其功能

1.2 mTOR信號通路 哺乳動物mTOR靶分子是進化上保守的蛋白激酶，mTOR有兩個復(fù)合物，mTORC1(見圖1b)和mTORC2。mTORC2參與細胞骨架重構(gòu)(未列出)，而mTORC1是細胞生長和壽命的重要調(diào)節(jié)因子。mTORC1激活核糖體蛋白S6激酶(S6K)并抑制真核翻譯起始因子4E結(jié)合蛋白1(4EBP1)，4EBP1為真核翻譯的負調(diào)節(jié)因子，從而刺激真核翻譯和細胞生長。

通過熱量限制，雷帕霉素藥物或基因手段抑制mTOR信號，可延長從酵母到小鼠的壽命［3］。同樣，抑制S6K，延長了蠕蟲、果蠅的壽命和缺乏S6K雌性小鼠的壽命，防止了年齡相關(guān)疾病如胰島素抵抗、免疫能力降低以及運動功能障礙［2，4］。S6K缺乏小鼠壽命延長似乎是通過能量平衡的中央傳感器AMPK36，AMPK通過增加cAMP/ATP比值，通過間接抑制mTORC1關(guān)閉了對合成代謝通路的抑制，并打開了分解代謝的通路，生產(chǎn)能量ATP。AMPK通過刺激線粒體生物合成和功能，以及脂肪酸氧化等，增加ATP水平。給予激活A(yù)MPK的小鼠飼喂二甲雙胍可以延長壽命，并去除線蟲的AMPK同源物AAK-2阻止DAF-2突變體壽命延長的作用，它支持的概念，即長壽機制中調(diào)節(jié)能量通路和維護線粒體功能是不可或缺的［2，4］。

1.3 P53與線粒體功能 p53介導(dǎo)的線粒體功能障礙通過影響ROS，F(xiàn)e-S簇和NADH/NAD的產(chǎn)生，啟動了DNA損傷環(huán)路，接著又進一步導(dǎo)致p53激活和線粒體的退行性變。這種前饋回路也解釋了在衰老過程中很多分子有不同，甚至有相反的作用。這里所示的幾個組分(p53，線粒體和AMPK)在輕微應(yīng)激條件下，證明有保護細胞的功能，但在更嚴重的應(yīng)激條件下，則呈現(xiàn)促進細胞衰老的作用。p53和其他已經(jīng)證明涉及衰老通路的分子之間有相互作用。p53抑制哺乳動物胰島素和IGF1通路和mTOR通路分子靶點的活性，并激活A(yù)MPK。但是這些通路的活性改變，如何改變線粒體功能并增加DNA損傷促進了老化過程，是不明確的。其他p53依賴和p53獨立的通路可能共同誘導(dǎo)著線粒體功能障礙。例如，BMI1間接抑制p53的激活，并且BMI1通過與MDM2(p53的負調(diào)節(jié)因子)的相互作用，喪失了上調(diào)p16蛋白的表達，間接增加了p53活性。BMI1也已顯示可誘導(dǎo)線粒體功能障礙(可能間接地)。此外，沉默調(diào)節(jié)蛋白的缺失也可能導(dǎo)致線粒體功能障礙，如SIRT1的激活降低了p53的活性，SIRT1的抑制促進p53激活和其下游功能。SIRT1也激活PGC1α，從而提高線粒體生物合成。線粒體功能障礙的后果是，當輕度功能障礙(如ATP生成和β氧化降低)時，沒有細胞損失。然而，在重度應(yīng)激條件下，線粒體功能障礙導(dǎo)致器官功能障礙并伴隨衰老和凋亡的增加，促使實體組織的丟失。

這個循環(huán)的連續(xù)、漸進的性質(zhì)可以解釋在應(yīng)對衰老中DNA損傷的不同程度，p53的不同作用?；蚨拘砸鸬膽?yīng)激水平低，p53可誘導(dǎo)抗氧化劑的表達，從而有利于細胞存活。相反，DNA損傷水平高，不斷促進促氧化劑的表達，則進一步促進細胞損傷。同樣，p53已被證明能促進野生型小鼠或p53水平低的細胞中線粒體功能和生物合成，但在基因毒性引起的應(yīng)激條件下，p53與線粒體功能受損相關(guān)聯(lián)［5，6］。也有證據(jù)表明，p53基因要么不改變壽命(如攜帶亞效Mdm2等位基因的小鼠和攜帶額外copy野生型TP53基因的轉(zhuǎn)基因小鼠);要么延緩衰老(如攜帶一個額外TP53的copy和多個腫瘤抑制因子ARF copies的小鼠壽命得到延長［6］)。此外，蠕蟲的研究表明p53基因同源物CEP-1可以延長或減少壽命，取決于線粒體損傷的程度，這表明可能在進化期間保留了p53的雙向作用。

在該模型，輕度DNA損傷和輕度或中度p53激活水平將允許修復(fù)和維護細胞的功能，而過度的DNA損傷和過度的p53激活將破壞細胞，不利于生存或帶來太多的傷害。這些基因的發(fā)現(xiàn)也突顯線粒體功能對蠕蟲、果蠅和小鼠壽命的不同影響，并表明線粒體損傷的功能性結(jié)局也可能依賴于p?? 53的活性水平。

線粒體呼吸的輕度抑制可以激活長壽通路(包括由p53控制的通路)，而更明顯線粒體呼吸的損害與生化過程額外的缺陷，如β氧化有可能引發(fā)壽命縮短的程序有關(guān)。p53蛋白是如何開啟和轉(zhuǎn)換從促生存到促衰老的開關(guān)，在很大程度上仍然是未知的，但P53與胰島素和胰島素樣生長因子，mTOR和AMPK通路的交互作用可能會提供一些線索［7］。

1.4 線粒體與代謝通路信號分子 線粒體的營養(yǎng)素利用和能量消耗的平衡功能，決定了調(diào)節(jié)壽命的幾條代謝通路及組分分子的反應(yīng)(圖2)。第一個被證明調(diào)節(jié)壽命的通路是進化上保守的胰島素和IGF-1通路，其次被證明的是哺乳動物的雷帕霉素(mTOR)信號靶分子［8］。人們逐漸認識到，這些代謝通路彼此之間是密切相關(guān)連的。例如，激活的AMP蛋白激酶(AMPK)是能量平衡(穩(wěn)態(tài))的中樞傳感器，激活的AMPK調(diào)節(jié)mTOR信號，激活轉(zhuǎn)錄因子叉頭框O(FOXO)，而FOXO作為傳遞胰島素和IGF1信號的靶分子，直接調(diào)控增加參與抗應(yīng)激和能量平衡基因的表達水平［9］。

圖2 衰老的主要原因

AMPK還激活PPARγ輔激活因子1α(PGC1α)，PGC1α是線粒體生物合成和功能的中央調(diào)節(jié)器。同樣，AMPK誘導(dǎo)沉默調(diào)節(jié)蛋白1(SIRT1)，激活轉(zhuǎn)錄因子PGC1α和FOXO［10］。現(xiàn)已證明FOXO和PGC1α之間有密切的關(guān)系，如FOXO1和FOXO3能增加PGC1α活性，并且PGC1α本身可以增加FOXO3的轉(zhuǎn)錄活性［11］。

1.5 P53蛋白與不同的長壽通路 P53蛋白號稱“基因組衛(wèi)士”受到SIRT1的抑制。p53蛋白與幾個不同的長壽通路相互作用，包括胰島素和IGF1，mTOR和AMPK。p53激活A(yù)MPK，抑制胰島素，IGF1通路和mTOR通路，已證明p53基因?qū)毎耐暾砸约罢{(diào)控長壽通路均起著不可或缺的作用［7］。

這些通路是單獨還是聯(lián)合調(diào)節(jié)壽命的機制已被深入研究，并且涉及到許多不同的機制。在這些機制中，線粒體功能和ROS防御被認為是壽命的重要調(diào)節(jié)因子。沿著這些線路，胰島素和IGF1通路活性降低與線粒體功能改善相關(guān)聯(lián)，并在實驗中得到了支持性證據(jù)，長壽的Ames小鼠的胰島素受體底物2(IRS2)水平和IGF1水平非常低［12］。胰島素和IGF1信號降低，可激活FOXO轉(zhuǎn)錄因子，從而誘導(dǎo)增加了抗氧化因子，如錳超氧化物歧化酶(MnSOD)和過氧化氫酶基因的表達;相反，F(xiàn)OXO缺陷小鼠則顯示有ROS的水平增高和干細胞刪除［13］。飲食限制時，mTOR活性減少也與線粒體功能改善相關(guān)聯(lián)，并且在該模型中壽命延長依賴于呼吸水平的提高［14］。此外，S6激酶(S6K)是mTOR信號的下游組分，缺乏S6K的小鼠證明有氧化磷酸化(OXPHOS)和氧耗量的增加，并表達有長壽表型［15］。AMPK通過增加NAD+水平增強了SIRT1的活性，接著SIRT1又激活了PGC1α，增加了OXPHOS和線粒體生物合成的水平［16］。

p53抑制胰島素通路，IGF-1通路和mTOR通路，并通過直接轉(zhuǎn)錄上調(diào)負調(diào)節(jié)因子，磷酸酶和張力蛋白同源物(PTEN)，IGF1結(jié)合蛋白3(IGF1BP3)和結(jié)節(jié)性硬化癥蛋白2 (TSC2，也稱為馬鈴薯球蛋白)，并且P53通過直接轉(zhuǎn)錄上調(diào)AMPK的β-亞單位激活A(yù)MPK。有趣的是，DNA損傷或過度激活p53的早老小鼠，伴有胰島素，IGF1和mTOR通路的抑制［17］。

這些矛盾的結(jié)果可以解釋為這些通路的激活代表了一種代償機制，在發(fā)生DNA損傷時以維護和延長壽命。然而，目前還不清楚在DNA損傷時，這些長壽通路的激活是否會導(dǎo)致如同這些通路突變長壽動物中看到的同樣的轉(zhuǎn)錄水平和細胞水平的變化。例如，在能量應(yīng)激下AMPK的長期激活可導(dǎo)致p53依賴性細胞衰老和凋亡，這表明AMPK的激活可加速在特定條件下的細胞衰老［18］。同樣，IGF1濃度隨著年齡下降，并且這與不同干細胞功能下降有關(guān)聯(lián)。這些發(fā)現(xiàn)進一步支持這一觀點，即經(jīng)典衰老通路的作用可能是上下游依賴的。

1.6 線粒體的DNA聚合酶γ 源自線粒體的DNA聚合酶γ(Polγ)基因突變小鼠表達的校對缺陷，導(dǎo)致基因突變小鼠出現(xiàn)早老綜合征和壽命縮短，給予了Polγ直接影響衰老的證據(jù)，進一步證明了線粒體功能的維護對壽命的重要性［19］。線粒體內(nèi)特異性高表達的抗氧化因子酶，如過氧化氫酶，可降低ROS誘導(dǎo)損傷，并顯著改善野生型和突變型小鼠老齡相關(guān)的心衰［20］。然而，也有許多ROS相關(guān)研究得到的是矛盾的結(jié)果，如過氧化氫酶高表達，可增加ROS水平并有促進衰老的作用。Polγ基因突變小鼠表現(xiàn)為不停地運動，可以有效地逆轉(zhuǎn)早老表型，這表明線粒體產(chǎn)能的周轉(zhuǎn)量和生物合成，這兩者都屬于質(zhì)量控制機制，在減緩小鼠衰老過程中是重要的。

2．可能的衰老原因

自然衰老的主因可能有二:一為進行性DNA損傷;二為線粒體功能下降。通常認為，這兩條通路相互隔離。然而，最近的研究顯示，DNA損傷，p53的分子環(huán)路激活，線粒體的生物合成和功能損傷三者聯(lián)動引起了衰老。圖2涉及衰老過程的主要細胞通路。已經(jīng)證明為經(jīng)由DNA損傷，激活p53，p16蛋白，導(dǎo)致線粒體功能障礙的通路，促進功能衰退和衰老。與此相反，哺乳動物的藥靶分子mTOR，S6K，胰島素和IGF1通路的活性下降，延長了不同物種生物的壽命。

盡管這些研究表明，線粒體退行性變驅(qū)動著衰老，但其他研究顯示有更復(fù)雜的機制，因為線粒體功能的輕度受損可以延長酵母、蠕蟲和小鼠的壽命［21］。人們也已注意到，線粒體在調(diào)節(jié)壽命中發(fā)揮雙向作用，還有其他衰老相關(guān)的分子參與，如p53和AMPK。因此，更詳細地觀察這些關(guān)鍵分子彼此之間如何緊密調(diào)節(jié)線粒體生物學(xué)功能，以最佳地控制衰老的分子機制是必要的。

在此模型中，線粒體功能障礙誘導(dǎo)的細胞表型的范圍從功能損傷(如ATP生成降低)，到典型的細胞表型(如生長停滯、衰老和凋亡)。體外研究已經(jīng)證明了線粒體功能受損和細胞衰老之間的聯(lián)系:OXPHOS復(fù)合體Ⅲ的Rieske鐵硫蛋白(RISP)的表達降低，或電子傳遞鏈和OXPHOS的藥物抑制，足以引發(fā)衰老［22］。這些非排他性表型的聯(lián)合作用將引起包括細胞和組織的破壞和功能障礙。因此解讀這些衰老通路可以推動治療策略的發(fā)展。

3．小結(jié)

本文中提出的衰老聯(lián)合模型聚焦在DNA損傷和代謝通路交互作用的交叉點上，以及它們可能匯聚在一個共同的效應(yīng)器——線粒體，以驅(qū)動衰老。雖然線粒體是該模型的中心，但是衰老的其他重要效應(yīng)器，如自噬失調(diào)、翻譯和蛋白質(zhì)折疊，無疑均直接促進和/或加強了衰老進程。仍有待確定在DNA損傷和代謝通路推動衰老時，如何分別與這些不同效應(yīng)器的作用機制。同樣，這些效應(yīng)器是如何相互作用尚需要在不同的衰老模型系統(tǒng)中進一步研究。目前關(guān)于線粒體，p53和其他衰老過程中的因子如何既可延長壽命，又可縮短壽命的作用機制問題依然還很不清晰。所以重要的是要建立可能涉及p53和/或p53的家庭成員的各種同型(isoforms)的不同類型細胞特異性的分子作用機制，以確定不同的結(jié)局。

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Progress in the mechanism of aging and aging related diseases

(CHEN Fujun1，YANG Ze2.1.The first hospital of Jiamusi University，Jiamusi145002.2.Beijing hospital，Beijing 100730，China.)

There are two main cause of natural aging，one for progressive DNA damage;the other for mitochondrial dysfunction. Generally we believed that the both paths are isolated.However，recent studies have shown that DNA damage，p53 molecule activation，biosynthesis and mitochondrial dysfunction integreted and induced aging.To clarify the relationship between molecular axis and functional degenerative of aging organ as well as aging related diseases，for research and development the new drug with a large value.

aging mechanism，DNA damage，mitochondrial dysfunction，p53

10.3969/j.issn.1672-4860.2015.05.005

2015-7-10

1.佳木斯大學(xué)附屬第一醫(yī)院 腫瘤科 145002 2.北京醫(yī)院，北京老年醫(yī)學(xué)研究所，衛(wèi)生部老年醫(yī)學(xué)重點實驗室 100730

國家自然科學(xué)基金(81061120527，81370445，81472408);衛(wèi)生部公益性研究基金(201302008);

國家科技部十二五支撐計劃(2012BAI10B01)

※為通訊作者