沈翌軒 田瑞娟 胡 璐 肖家元 鄭 凌

(武漢市第六中學(xué) 武漢 430000)

細(xì)胞衰老是自然界的普遍現(xiàn)象，從受精卵開始，通過分裂、分化出執(zhí)行不同功能的細(xì)胞，同時(shí)伴隨著細(xì)胞的衰老，直至凋亡。1961年Hayflick[1]等研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞存在增殖極限[2]，即正常細(xì)胞不會(huì)無限增殖；另有研究顯示[3]，人成纖維細(xì)胞的增殖能力在經(jīng)過初期的有絲分裂后會(huì)逐漸減弱，但在有絲分裂停止后，細(xì)胞仍能維持一段時(shí)間的生長代謝并存活數(shù)周，這一細(xì)胞生命過程稱為細(xì)胞衰老[3]?？梢娂?xì)胞衰老是一種應(yīng)激行為，它是由于細(xì)胞受到一些特定刺激而誘發(fā)產(chǎn)生的。本研究將對(duì)細(xì)胞衰老的誘因、信號(hào)通路、應(yīng)答機(jī)制、微觀過程和宏觀表現(xiàn)等相關(guān)研究進(jìn)行綜述，將對(duì)開辟抵抗衰老的新途徑產(chǎn)生積極意義。

1 細(xì)胞衰老概述

生物體的衰老定義是指與年齡相關(guān)的內(nèi)在生理功能下降，細(xì)胞衰老則是與時(shí)間相關(guān)的細(xì)胞固有功能(如細(xì)胞內(nèi)、細(xì)胞間通訊運(yùn)輸和細(xì)胞分裂復(fù)制等)功能喪失，以致衰老的細(xì)胞死亡或被其他細(xì)胞清除[4～6]。幾乎所有類型的細(xì)胞均會(huì)發(fā)生衰老，而不同類型的細(xì)胞其衰老表現(xiàn)亦是不同的，如有絲分裂細(xì)胞復(fù)制性衰老[7]則表現(xiàn)為分裂停止，終末期分化的細(xì)胞(如神經(jīng)元、吞噬細(xì)胞、骨細(xì)胞等)則表現(xiàn)為一些特定功能的喪失。

在研究過程中，我們常將細(xì)胞衰老分為復(fù)制性衰老和非復(fù)制性衰老。我們常見的復(fù)制性衰老是細(xì)胞復(fù)制性衰老，生物的復(fù)制性衰老[7]、器官復(fù)制性衰老[8～9]和細(xì)胞器的復(fù)制性衰老[10]，其復(fù)制能力喪失主要因?yàn)榧?xì)胞復(fù)制困難導(dǎo)致染色體損傷和細(xì)胞復(fù)制障礙所致[11]；而非復(fù)制性衰老主要是由于細(xì)胞加工、運(yùn)輸、分泌功能的障礙，引起細(xì)胞膜性結(jié)構(gòu)損傷和代謝障礙，導(dǎo)致細(xì)胞特殊分化動(dòng)能的喪失。

2 細(xì)胞衰老誘因及相關(guān)理論

半個(gè)世紀(jì)以來，相關(guān)研究者們致力于研究衰老發(fā)生的原因及機(jī)制，然而細(xì)胞衰老是一個(gè)復(fù)雜的過程，單一學(xué)說尚不能闡明細(xì)胞衰老的病理生理過程。近年來，多個(gè)有關(guān)衰老起因的觀點(diǎn)或?qū)W說被學(xué)者提出，如衰老的損傷積累理論，細(xì)胞衰老的端粒假說，細(xì)胞衰老的線粒體損傷論等。

2.1 衰老的基因損傷累積理論

該理論是指維持和修復(fù)功能不能滿足無限存活需求而引起的。這里最具代表性的理論是錯(cuò)誤成災(zāi)理論，即細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)和核酸在細(xì)胞內(nèi)外各種理化因素發(fā)生改變的情況下合成錯(cuò)誤，這些錯(cuò)誤會(huì)逐漸累積，并不斷擴(kuò)大，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞代謝功能大幅降低，引起細(xì)胞衰老，甚至開啟凋亡程序。

2.2 細(xì)胞衰老端粒假說

Harley于1990年提出細(xì)胞衰老端粒假說[12]，他認(rèn)為生殖細(xì)胞的端粒相當(dāng)穩(wěn)定，不會(huì)衰老是由于端粒酶的存在所致；同時(shí)具有這種端粒的細(xì)胞會(huì)因?yàn)镻53的活化和DDR 信號(hào)的持久表現(xiàn)而促進(jìn)衰老相關(guān)的停滯[13]。有研究表明，少數(shù)長壽物種除基因控制外，其壽命長也可能因?yàn)槠浼?xì)胞內(nèi)的端粒酶在一定程度上表達(dá)了活性。

2.3 細(xì)胞衰老的線粒體損傷論

Amteim通過PCR研究發(fā)現(xiàn)胎腦和胎心沒有線粒體的損傷，而成人神經(jīng)細(xì)胞、骨骼肌細(xì)胞和心肌細(xì)胞的線粒體則有DNA片段的丟失。研究發(fā)現(xiàn)老齡人各種mtDNA缺失突變存在突變“熱點(diǎn)”，即缺失突變片段5'端和3'端斷裂位點(diǎn)的側(cè)翼有4～13bp同向重復(fù)序列，如5kb常見的側(cè)翼為13bp的5'端ACCTCCCTCACCA重復(fù)序列。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中也證明了隨著年齡增加，線粒體DNA的丟失頻率也相應(yīng)增高。如果人體組織器官在同一細(xì)胞內(nèi)發(fā)生多次突變并產(chǎn)生時(shí)間性累積，會(huì)導(dǎo)致生物化學(xué)缺陷，同時(shí)隨著其比例的增加，最終加速了老化過程[14]。

3 細(xì)胞衰老相關(guān)信號(hào)通路

目前有多條和細(xì)胞衰老緊密相關(guān)的信號(hào)通路，人們研究最多的包括p16通路、mTOR通路、P53通路等。人類P16Ink4a基因全稱為周期素依賴性蛋白激酶抑制劑2A(cyclin-dependent kinase inhibitor 2A，CDKN2A),研究表明P16、P14等基因在哺乳動(dòng)物衰老中有著一定作用，其信號(hào)通路參與了細(xì)胞衰老的調(diào)控過程[15]。P16基因的過量表達(dá)導(dǎo)致了具有自我更新能力的細(xì)胞修復(fù)潛能下降，如造血干細(xì)胞(HSCs)，具有遺傳毒性的刺激(如電離輻射)，可以有效誘導(dǎo)造血干細(xì)胞(HSCs)中P16基因的表達(dá)，如果敲除P16和ARF，則增強(qiáng)了被輻射誘導(dǎo)的小鼠HSCs細(xì)胞的再生，結(jié)果證明P16的表達(dá)是HSCs的衰老機(jī)制之一[16]。

mTOR是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，mTOR信號(hào)通路[17]在誘導(dǎo)衰老過程中起到重要作用。mTOR的分子量為289kd，在進(jìn)化中高度保守，細(xì)胞內(nèi)存在mTORC1和mTORC2兩種不同的復(fù)合物，其中mTORC1主要抑制溶酶體形成，促進(jìn)脂肪生成、蛋白質(zhì)合成和能量代謝；mTORC2則在骨架細(xì)胞和肌動(dòng)蛋白細(xì)胞的存活、代謝等方面發(fā)揮重要作用[18]。近年來，通過基因敲除、雷帕霉素處理或飲食限制等手段可激活相應(yīng)通路保留細(xì)胞及組織功能以延長壽命[19～22]。當(dāng)能量攝取減少10%～50%時(shí)，mTORC1通路會(huì)直接受到抑制[23]。因此，如果能根據(jù)不同組織的特點(diǎn)，通過靶向作用手段而不是全面抑制mTOR信號(hào)通路，我們可以建立抗衰老的有效手段[24]。

4 細(xì)胞衰老的生物學(xué)特征

衰老的細(xì)胞在應(yīng)對(duì)內(nèi)環(huán)境的刺激或者壓力的能力降低，其生理生化功能隨之發(fā)生改變，從而導(dǎo)致其形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化。

4.1 細(xì)胞內(nèi)水分減少

由于構(gòu)成蛋白質(zhì)親水膠體系統(tǒng)的膠粒受時(shí)間或其他因素的影響，逐漸失去電荷相互聚集、膠粒分散度降低及不溶性蛋白增多等原因，導(dǎo)致衰老的細(xì)胞內(nèi)水分減少，結(jié)果使細(xì)胞收縮、體積減小、核質(zhì)比增大，失去正常球形。

4.2 色素生成和色素顆粒沉積

在分裂指數(shù)低或不分裂的細(xì)胞如干細(xì)胞、肌細(xì)胞和神經(jīng)細(xì)胞中色素沉積較為明顯，可能導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸或信號(hào)交流受阻。

4.3 細(xì)胞膜流動(dòng)性降低

隨著年齡的增大，膜結(jié)構(gòu)中的磷脂含量降低，膽固醇與磷脂的比值逐漸升高，但不飽和脂肪酸含量及卵、鞘磷脂的比值卻下降，這就導(dǎo)致了質(zhì)膜黏性升高，流動(dòng)性降低。再加上質(zhì)膜上發(fā)生的過氧化反應(yīng)，使細(xì)胞的興奮性降低，離子轉(zhuǎn)運(yùn)下降以及對(duì)內(nèi)、外源性的刺激敏感度也隨之降低。

4.4 蛋白質(zhì)合成速率降低及錯(cuò)誤增多

因?yàn)楹颂求w的準(zhǔn)確性和效率降低導(dǎo)致細(xì)胞合成蛋白質(zhì)速率下降，有研究顯示蛋白質(zhì)合成折疊因子活性下降也是一個(gè)重要因素，同時(shí)最新研究亦發(fā)現(xiàn)腦衰老與蛋白質(zhì)折疊錯(cuò)誤和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力密切相關(guān)[25]。

5 細(xì)胞衰老在臨床上的表現(xiàn)

5.1 神經(jīng)退行性疾病

一些以ATP為主要能源且代謝較為旺盛的區(qū)域如腦、肌肉、心臟等較為容易發(fā)生mtDNA突變及自由基的累積，其表現(xiàn)即為帕金森氏病、阿茲海默病等。

帕金森氏病(PD)主要是因?yàn)榇竽X黑質(zhì)中的多巴胺(DA)神經(jīng)元變性導(dǎo)致紋狀體系統(tǒng)DA含量降低引起震蕩麻痹等癥狀的疾病。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，PD患者大腦黑質(zhì)區(qū)的鐵蛋白含量明顯低于正常人，而其鐵的含量卻較高[26]，這說明其不穩(wěn)定狀態(tài)即還原態(tài)的鐵濃度較高，易于催化氧化反應(yīng)，所以PD病人體內(nèi)的H2O2可經(jīng)低價(jià)鐵的催化產(chǎn)生更具破壞性的羥自由基，加劇其體內(nèi)脂質(zhì)的過氧化和生物膜的破壞，進(jìn)而加速相關(guān)細(xì)胞的衰老，引發(fā)PD等病癥。

5.2 代謝綜合征

代謝綜合征是一種代謝紊亂癥候群，由多種代謝成分聚集所導(dǎo)致，是老年人常見疾病的主要危險(xiǎn)因素，如糖尿病、冠心病、腦卒中等器官損害與高血壓、肥胖及糖脂代謝紊亂等密切相關(guān)。冠心病，主要病因包括由于冠狀動(dòng)脈堵塞導(dǎo)致某些心肌細(xì)胞供氧不足，進(jìn)而引發(fā)細(xì)胞衰老；幽門螺桿菌(HP)感染使患者血甘油三酯升高，高密度脂蛋白含量降低，并可能激活動(dòng)脈內(nèi)膜炎癥反應(yīng)和自身免疫反應(yīng)，進(jìn)而引起動(dòng)脈粥樣硬化(AS)損傷，致使冠心病發(fā)病率升高[27]；另外，包括巨細(xì)胞病毒、低濃度的血清總膽紅素、肺炎衣原體感染等因素，將引起心肌細(xì)胞的損傷衰老甚至壞死，引發(fā)冠心病[28～32]。

5.3 黃斑病變

老年性黃斑變性是黃斑區(qū)結(jié)構(gòu)的衰老性改變，是致盲的重要原因[33～34]。糖尿病相關(guān)性黃斑病變是指黃斑水腫、滲出及增殖型糖尿病視網(wǎng)膜病變對(duì)黃斑的侵犯，其主要表現(xiàn)為黃斑水腫。

隨著對(duì)細(xì)胞及生物體衰老的深入認(rèn)識(shí)，人們將更加清楚地了解到衰老發(fā)生的病理生理機(jī)制，從基因水平上進(jìn)行調(diào)控和干預(yù)病理性衰老過程，這將為今后研發(fā)更加有效治療衰老相關(guān)疾病的藥物提供新思路，為生命科學(xué)的發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)。