樊廷俊，鄭明月，徐 彬

(中國(guó)海洋大學(xué)海洋生命學(xué)院，山東 青島 266100)

人口老齡化已成為世界各國(guó)日益突出的社會(huì)問題。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，截止到20世紀(jì)末，全球65歲以上人口從約7%上升到20%以上，80歲及以上人口有1.25億[1]。老齡化帶來(lái)的相關(guān)疾病也呈指數(shù)增長(zhǎng)，如2型糖尿病、神經(jīng)退行性疾病、心血管疾病和癌癥等[2-5]。

老齡化導(dǎo)致的疾病為個(gè)人和社會(huì)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，一個(gè)人年滿45歲后所花費(fèi)的醫(yī)療費(fèi)用占其一生總醫(yī)療費(fèi)用80%以上[6]。因此，研究老齡化的干預(yù)措施變得越來(lái)越重要。在過(guò)去的幾十年里，衰老領(lǐng)域的研究取得了重大進(jìn)展，包括建立了各種衰老研究模型，以及衰老機(jī)制及壽命延長(zhǎng)研究等方面。繼mTOR信號(hào)通路后[7]，研究發(fā)現(xiàn)Wnt信號(hào)通路在衰老過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵的調(diào)控作用[8]。因此，本文就常見的衰老模型以及Wnt信號(hào)通路在衰老相關(guān)疾病中的作用方面的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 衰老

衰老表現(xiàn)為機(jī)體生理完整性的逐漸喪失，導(dǎo)致機(jī)體功能受損并更易死亡。衰老細(xì)胞的形態(tài)扁平且擴(kuò)大，并出現(xiàn)多種分子標(biāo)志物，包括端粒功能異常誘導(dǎo)的聚集(Telomere-dysfunction-induced foci，TIF)、衰老相關(guān)的異染色質(zhì)聚集(Senescence-associated heterochromatin foci，SAHF)、脂褐素顆粒、DNA疤痕和基因表達(dá)改變等[9]。衰老細(xì)胞的另一個(gè)重要特征是釋放衰老相關(guān)分泌表型(Senescence-associated secretory phenotype，SASP)因子[10]。此外，衰老細(xì)胞還表現(xiàn)出特殊的生化特性，例如，增殖性Ki-67蛋白表達(dá)缺失、較高的衰老相關(guān)β-半乳糖苷酶活性(SA-β-gal)以及腫瘤抑制因子和細(xì)胞周期抑制劑表達(dá)升高[11]。細(xì)胞核及線粒體DNA損傷會(huì)加速細(xì)胞衰老，雖然細(xì)胞內(nèi)存在修復(fù)機(jī)制，但是修復(fù)機(jī)制一旦失效，受損的DNA則會(huì)積累，阻礙細(xì)胞功能并導(dǎo)致其衰老。衰老有很多誘因，如端?？s短、有毒物質(zhì)或癌基因等，會(huì)導(dǎo)致SAHF的形成，其標(biāo)志性蛋白包括異染色質(zhì)形成蛋白(例如，異染色質(zhì)蛋白1)、組蛋白H3K9Me2/3和組蛋白H2A變異體中的macroH2A[12]。

2 常見衰老模型

衰老是許多人類疾病的最大危險(xiǎn)因素，了解衰老過(guò)程可能會(huì)促進(jìn)衰老相關(guān)疾病新療法的開發(fā)和發(fā)展[13]。雖然體外培養(yǎng)細(xì)胞能夠提供有價(jià)值的信息，但是無(wú)法完全模擬體內(nèi)的生物學(xué)過(guò)程。因此，建立衰老模型研究相關(guān)疾病能更加深入和全面地研究衰老。常見的衰老模型主要包括以下幾類：

2.1 酵母模型

釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)是一種生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域中常用的衰老模型[14]。酵母細(xì)胞參與神經(jīng)退行性過(guò)程的基本代謝途徑是比較保守的，因此常用于此類疾病的研究，包括肌萎縮、帕金森綜合癥和亨廷頓病[14]。

2.2 無(wú)脊椎動(dòng)物模型

秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditiselegans)是一種適用于研究衰老的臨床前實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停饕且驗(yàn)槠潴w型小，壽命較短(約20天)，全基因組已知，且與人類基因的相似度超過(guò)65%，適用于探索衰老及神經(jīng)退行性疾病，例如阿爾茲海默癥、帕金森綜合癥等的可能機(jī)制[15]。有研究者發(fā)現(xiàn)脂質(zhì)在亞細(xì)胞和組織解剖位置的分布會(huì)影響衰老的速率。此外，線蟲衰老過(guò)程中的脂肪再分配和異位積聚可能會(huì)造成脂肪毒性進(jìn)而導(dǎo)致衰老相關(guān)組織功能下降[16]。這表明肥胖能夠加速衰老進(jìn)程。

無(wú)論是理論研究還是應(yīng)用研究，果蠅(Drosophilamelanogaster)都是一種比較理想的抗衰老藥物評(píng)價(jià)模型[17]。鑒于蛋白功能的高度保守性和果蠅的生命周期長(zhǎng)度，果蠅也被廣泛應(yīng)用于衰老分子機(jī)理的研究，尤其是代謝與衰老之間的關(guān)系，例如，有研究發(fā)現(xiàn)胰島素/IGF-1樣信號(hào)通路在衰老中起到重要作用[18]。此外，果蠅還被應(yīng)用于許多神經(jīng)系統(tǒng)疾病的病理機(jī)制研究，尤其是阿爾茲海默癥[19]。

近年來(lái)，也有研究者將不同種類的海膽作為衰老模型用于研究延長(zhǎng)壽命和可忽略衰老(Negligible senescence)，發(fā)現(xiàn)可忽略衰老過(guò)程常伴有細(xì)胞氧化損傷的積累，維持正?？寡趸芰暗鞍酌富钚阅軌蜓泳徦ダ蟍20]。

2.3 脊椎動(dòng)物模型

水生脊椎動(dòng)物是研究人類疾病的理想模型。2017年，第八屆人類疾病的水生動(dòng)物模型大會(huì)重點(diǎn)介紹了包括斑馬魚、假鰓鳉、青鳉等多種研究模型。主要涉及13種人類相關(guān)疾病，包括癌癥、心血管疾病、代謝紊亂、神經(jīng)疾病、衰老等[21]。其中，斑馬魚(Daniorerio)自1870年代以來(lái)作為經(jīng)典模型用于發(fā)育生物學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的研究,是研究機(jī)體衰老的理想動(dòng)物模型，其衰老過(guò)程與人類相似，衰老的生理變化包括肌肉萎縮導(dǎo)致脊椎彎曲，眼睛出現(xiàn)白內(nèi)障及視覺障礙[22]。此外，斑馬魚具有非常強(qiáng)的再生能力，多用于組織修復(fù)和延緩衰老的機(jī)理研究[23]。鳉魚(Nothobranchiusfurzeri)是壽命最短的脊椎動(dòng)物[24]，其衰老過(guò)程表現(xiàn)出多種哺乳動(dòng)物衰老特征，是一種比較廉價(jià)且理想的衰老干預(yù)模型[24-25]，可用于高通量篩選抗衰老藥物[26]。鳉魚不僅可以作為快速探索衰老及相關(guān)疾病的平臺(tái)，而且能夠用作發(fā)育機(jī)理研究，例如胚胎停止發(fā)育、早期性染色體進(jìn)化等[25]。

鳥類作為一種獨(dú)特的衰老模型，多用于代謝和衰老相互作用的跨物種比較研究。例如，日本鵪鶉(Coturnixjaponica)是一種常見的實(shí)驗(yàn)室飼養(yǎng)鳥類，壽命最長(zhǎng)為6 a，它對(duì)卡路里限制反應(yīng)類似于哺乳動(dòng)物，因此多用于哺乳動(dòng)物衰老代謝相關(guān)研究[27]。

嚙齒類動(dòng)物中，實(shí)驗(yàn)用小鼠(Musmusculus)和大鼠(Rattusnorvegicus)是研究衰老和年齡相關(guān)疾病的常見模型。小鼠模型多用于誘發(fā)型和自發(fā)型衰老模型[28]，是應(yīng)用最廣泛且最成熟的衰老模型。大鼠模型則被廣泛應(yīng)用于衰老誘發(fā)的多種疾病的研究，包括心血管疾病、神經(jīng)紊亂、行為神經(jīng)、癌癥易感性和腎臟疾病以及行為認(rèn)知等[29]。裸鼴鼠(Heterocephalusglaber)是迄今為止發(fā)現(xiàn)的壽命最長(zhǎng)的嚙齒類動(dòng)物，最長(zhǎng)壽命達(dá)30 a，通常被用于衰老相關(guān)行為、神經(jīng)和生理方面的研究[30]。

馴化物種例如犬和貓也是一種獨(dú)特的衰老模型。其中，犬的壽命多為10～12 a，會(huì)自發(fā)地發(fā)展出許多衰老有關(guān)的表型，如肌肉和神經(jīng)功能的衰退，以及心血管疾病[31]，因此，犬多被用于認(rèn)知惡化和年齡相關(guān)神經(jīng)退行性疾病的研究[32]。家貓壽命為12～14 a，正常生長(zhǎng)過(guò)程中易發(fā)展衰老相關(guān)疾病，包括腎臟疾病、關(guān)節(jié)炎、肌少癥和神經(jīng)功能衰退等，因此也常被用做衰老模型[33-34]。

從理論上講，非人類靈長(zhǎng)類動(dòng)物是研究衰老和年齡相關(guān)疾病最合適的模型，其中恒河猴(Macacamulatta)一直是研究衰老的主要模型，因?yàn)槠渑c人類在遺傳學(xué)、內(nèi)分泌學(xué)、生理學(xué)、神經(jīng)解剖學(xué)和認(rèn)知功能等方面極為相近[35]。另外一種應(yīng)用廣泛的非人類靈長(zhǎng)類衰老模型是狨猴(Callithrixjacchus)，它壽命短且體型較小，并且表現(xiàn)出一些與人類相似的衰老相關(guān)疾病，例如神經(jīng)系統(tǒng)疾病、癌癥和糖尿病等[36]。此外，灰鼠狐猴(Microcebusmurinus)常用做飲食限制衰老模型，常用于長(zhǎng)期的飲食限制及抗衰老藥物的篩選研究[37]。

3 Wnt信號(hào)通路

Wnt蛋白家族包括以下成員Wnt1、Wnt2、Wnt2B、Wnt3、Wnt3A、Wnt4、Wnt5A、Wnt5B、Wnt6、Wnt7A、Wnt7B、Wnt8A、Wnt8B、Wnt9A、Wnt9B、Wnt10A、Wnt10B、Wnt11和Wnt16[38]。Wnt信號(hào)分子借助7次跨膜受體蛋白Frizzled家族蛋白和單次跨膜的輔助受體LRP5/6或ROR1/2共同作用，進(jìn)而激活下游的經(jīng)典或非經(jīng)典Wnt信號(hào)通路[39]。

經(jīng)典Wnt信號(hào)通路是Wnt通過(guò)與Frizzled和LRP5/6受體作用，進(jìn)而導(dǎo)致胞質(zhì)破壞復(fù)合體[復(fù)合體包括糖原合成酶激酶3β(glycogen synthase kinase-3β，GSK3β)、Axin和APC]解聚，抑制GSK3β對(duì)β-catenin的磷酸化降解，使β-catenin處于穩(wěn)定狀態(tài)，并由胞質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞核，促進(jìn)β-catenin依賴的受體T細(xì)胞因子/淋巴細(xì)胞增強(qiáng)-結(jié)合因子(TCF/LEF)下游靶基因的轉(zhuǎn)錄(Wnt/β-catenin信號(hào)通路)[40]；同時(shí)抑制β-catenin非依賴的FOXM1、NRF2、YAP和其他蛋白質(zhì)的表達(dá)(Wnt/穩(wěn)定蛋白信號(hào)通路)[41]。相反地，非經(jīng)典Wnt信號(hào)通路是通過(guò)Frizzled或ROR受體激活Dishevelled依賴的Rho-ROCK和Rac-JNK級(jí)聯(lián)反應(yīng)(Wnt/PCP信號(hào)通路)[42]；G蛋白依賴的鈣通道蛋白-NFAT、CAMK2-NLK和PKC級(jí)聯(lián)反應(yīng)(Wnt/G蛋白偶聯(lián)受體信號(hào)通路)[43]。

Wnt信號(hào)調(diào)控細(xì)胞自我更新、代謝、存活、增殖及上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化[44-46]，此外還與FGF、Hedgehog、Notch及TGF-β信號(hào)通路之間有交互作用(Crosstalk)[47-49]。最新研究發(fā)現(xiàn)Wnt信號(hào)通路在細(xì)胞衰老及衰老相關(guān)疾病中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

4 Wnt信號(hào)通路在衰老相關(guān)疾病中的調(diào)控作用

衰老是人類主要疾病包括糖尿病、神經(jīng)退行性疾病、心血管疾病和癌癥的主要誘因。利用衰老模型研究發(fā)現(xiàn)，Wnt信號(hào)通路在衰老過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵的調(diào)控作用(見圖1)。

圖1 Wnt信號(hào)通路及與其相關(guān)的衰老疾病

4.1 2型糖尿病

全世界確診的糖尿病患者共有4億多人，預(yù)計(jì)到2035年將超過(guò)5億人，這種快速增長(zhǎng)主要?dú)w因于衰老、不健康的飲食、缺乏運(yùn)動(dòng)、超重和肥胖[50]。在衰老的過(guò)程中，糖耐量受到損害，并表現(xiàn)出一些明顯的糖尿病特征，如餐后高血糖[51]。研究表明，Wnt信號(hào)通路參與胰腺β細(xì)胞增殖、脂質(zhì)代謝和葡萄糖誘導(dǎo)的胰島素分泌過(guò)程[52-53]。研究還發(fā)現(xiàn)，Wnt5B基因單核苷酸發(fā)生變異與2型糖尿病有關(guān)[54]。此外，Wnt通路在糖尿病神經(jīng)病變中也起到重要作用，例如，GSK3β與糖尿病神經(jīng)病變受試者中胰島素受體磷酸化水平升高之間具有相關(guān)性[55]。經(jīng)典Wnt信號(hào)通路與糖尿病腎病的發(fā)生也存在聯(lián)系[56]。這些研究共同指出了Wnt信號(hào)在糖尿病病理生理學(xué)中的重要性。因此，Wnt信號(hào)通路有望成為治療該類疾病的有效作用靶點(diǎn)。

4.2 神經(jīng)退行性疾病

神經(jīng)退行性疾病的特征是動(dòng)態(tài)和進(jìn)行性神經(jīng)元細(xì)胞損傷和神經(jīng)元丟失，典型的疾病主要是阿爾茲海默癥(Alzheimer disease, AD)和帕金森綜合征(Parkinson’s disease，PD)。

4.2.1 阿爾茲海默癥 AD是一種常見的年齡相關(guān)神經(jīng)退行性疾病，其主要特征是：淀粉樣β肽在細(xì)胞外積累形成老年斑；神經(jīng)元纏結(jié)(主要是由高度磷酸化的tau蛋白組成)[57]。Wnt信號(hào)通路是中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的基礎(chǔ)，與AD發(fā)病機(jī)制密切相關(guān)[58]。該信號(hào)通路在成人大腦中起著重要作用，此外還參與調(diào)節(jié)突觸可塑性和記憶過(guò)程[59]。已有大量的AD動(dòng)物模型和臨床研究顯示AD疾病中的Wnt信號(hào)通路是被破壞的，例如，LRP6單核苷酸多態(tài)性與遲發(fā)性AD有關(guān)，因此LRP6被視為AD的易感基因[60]。最新研究發(fā)現(xiàn)，與年齡匹配的對(duì)照相比，Wnt活性缺失的AD患者中，β-catenin水平下降，他們的腦皮質(zhì)中GSK3β磷酸化水平上升[61]。另外，研究還發(fā)現(xiàn)Wnt抑制劑因子Dickkopf-1(DKK1)也與AD有關(guān)。當(dāng)AD腦中的DDK-1活性增加，致使Wnt信號(hào)被抑制，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致認(rèn)知能力的下降[62]。此外，Wnt信號(hào)通路與tau蛋白磷酸化有關(guān)，研究發(fā)現(xiàn)GSK3β通過(guò)抑制Wnt介導(dǎo)tau的磷酸化[63]。

4.2.2 帕金森綜合征 PD是一種進(jìn)展性的、不可治愈的和年齡相關(guān)的疾病，臨床特征主要表現(xiàn)為靜止性震顫、僵硬、姿勢(shì)不穩(wěn)定、運(yùn)動(dòng)障礙并伴有認(rèn)知障礙[64]。Wnt信號(hào)通路與PD發(fā)病機(jī)制相關(guān)，研究發(fā)現(xiàn)PD患者腦組織中的Wnt信號(hào)通路成分表達(dá)顯著下調(diào)[65]。體內(nèi)研究結(jié)果證實(shí)，激活星形膠質(zhì)細(xì)胞中的經(jīng)典Wnt信號(hào)通路可以恢復(fù)受損中腦腹側(cè)的多巴胺神經(jīng)元[66]。

4.3 心血管疾病

Wnt信號(hào)通路在心臟發(fā)育中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，Wnt的失調(diào)會(huì)導(dǎo)致一系列心臟和血管疾病，特別是心血管疾病[67]。研究發(fā)現(xiàn)，LRP6基因突變是高血壓患者頸動(dòng)脈狹窄的危險(xiǎn)因素[68]。LRP5/6抑制因子DKK1在冠狀動(dòng)脈患者和頸動(dòng)脈斑塊患者的血漿和病變組織中顯著增加[69]。另外，DKK1在血小板中高表達(dá)以抑制內(nèi)皮細(xì)胞中Wnt/β-catenin信號(hào)通路活性，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)皮功能障礙[69]。還有研究發(fā)現(xiàn)Wnt5A與晚期動(dòng)脈病變相關(guān)[70]。

4.4 癌癥

Wnt信號(hào)通路在癌癥的發(fā)展中起著復(fù)雜的作用，通常該通路中的關(guān)鍵分子的突變與腫瘤的相關(guān)過(guò)程有關(guān)，包括不可控的細(xì)胞增殖、上皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移。結(jié)直腸癌中APC多出現(xiàn)突變，是一個(gè)有效的治療靶點(diǎn)，而APC蛋白則是經(jīng)典Wnt信號(hào)通路中的破壞復(fù)合物的重要組分，表明Wnt信號(hào)通路在結(jié)直腸癌的發(fā)生發(fā)展中起著重要作用[71]。此外，研究發(fā)現(xiàn)靶向LRP5/6在治療腫瘤中取得顯著成果，例如，在前列腺癌中，Mesd能夠結(jié)合細(xì)胞膜上的LRP5/6，從而抑制LRP5/6與配體的結(jié)合及下游Wnt/β-catenin信號(hào)通路的激活，從而抑制癌細(xì)胞的增殖[72]。Niclosamide是另外一種靶向細(xì)胞膜上LRP6的抑制劑，能夠促進(jìn)癌細(xì)胞的細(xì)胞凋亡[72]。有研究發(fā)現(xiàn)，Wnt5A在腫瘤細(xì)胞的代謝和炎癥中發(fā)揮重要作用[73]。當(dāng)Wnt與受體結(jié)合后，β-catenin從胞質(zhì)破壞復(fù)合體中釋放出來(lái)，進(jìn)入細(xì)胞核，隨后與TCFs結(jié)合調(diào)控下游靶基因的轉(zhuǎn)錄[74]。其中，TCF4是TCL/LEF家族中研究最多的成員，既有腫瘤促進(jìn)作用[75]，也有腫瘤抑制作用[76]，后來(lái)證實(shí)TCF4的矛盾作用是由其可變剪接造成的[77]。另外一個(gè)與癌癥相關(guān)的Wnt信號(hào)通路分子是PTK7，它是一種孤兒受體(Orphan receptor)，研究證實(shí)它與多種癌癥相關(guān)，并且可以作為癌癥中顯著上調(diào)的分子標(biāo)記物[78]。

5 結(jié)語(yǔ)

Wnt信號(hào)通路在衰老及相關(guān)疾病中發(fā)揮著重要作用。衰老的過(guò)程非常復(fù)雜，Wnt信號(hào)通路并非是左右細(xì)胞衰老和衰老相關(guān)疾病的唯一信號(hào)通路。但對(duì)于某些衰老相關(guān)疾病來(lái)說(shuō)，干預(yù)Wnt信號(hào)通路可能是比較新穎且有效的策略。研究已證實(shí)，激活經(jīng)典的Wnt通路對(duì)2型糖尿病、阿爾茨海默病和帕金森綜合征的病理生理過(guò)程均有積極影響，這為針對(duì)Wnt信號(hào)通路開發(fā)抗衰老及治療衰老相關(guān)疾病的藥物或提供新的治療方案具有重要意義。此外，利用衰老模型能夠更好地模擬人類衰老的生理過(guò)程以及衰老相關(guān)病變，并為開發(fā)和篩選靶向藥物治療衰老及相關(guān)疾病提供理論支撐。水生動(dòng)物作為最大且最多樣化的脊椎動(dòng)物群，已經(jīng)成為人類發(fā)育、行為、遺傳學(xué)等領(lǐng)域理想的研究模型。因此，水生動(dòng)物作為衰老模型所表現(xiàn)出的巨大潛力，勢(shì)必將會(huì)成為該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。