老化和衰老相关疾病的机制研究进展

陈福军 杨泽

老化和衰老相关疾病的机制研究进展

陈福军1杨泽2※

自然衰老的主因有二，一为进行性DNA损伤;二为线粒体功能下降。通常认为，这两条通路相互隔离，然而最近的研究显示，DNA损伤，p53的分子环路激活，线粒体的生物合成和功能损伤三者联动引起了衰老，这一衰老分子轴线为阐明器官衰退和老龄关联疾病发生机理，为研发新的药物具有较大的价值。

衰老机制 DNA损伤 线粒体功能下降 p53

虽然人类数千年来一直在寻求青春永驻，但是人们普遍认为，衰老必然与疾病和死亡相伴，是不可改变的。尽管在过去的半个世纪中，得益于医学科学的进步、卫生和营养的改善，以及青少年人群死亡率的显著下降，使我们的预期寿命和健康寿命均得到了大幅度的增长。然而，现在面临的问题是:是否人类的寿命还可进一步增长，或者是否现在我们的寿命已经到达了生物学限定的最大寿命?

科学研究人员长期以来一直在试图发现衰老相关的通路，但直到1990年，Jonhson首先确定了衰老与遗传关系的第一个证据，他发现:daf-2(编码胰岛素/胰岛素样生长因子1 (IGF-1)受体)基因的一个功能丧失(loss-of-function，LOF)突变，可使线虫的寿命延长2倍［1］。此后，研究控制衰老分子通路的兴趣大涨，从酵母到小鼠不同模型系统的研究均观察到，代谢通路的很多突变在影响着寿命［2］。虽然研究表明这些通路也同样影响着人类的寿命，但其如何延长人类的寿命并不完全清楚。另一方面，人们也观察到维护线粒体功能是延长寿命的一个重要机制，如线粒体功能下降，包括ATP的生成受损和活性氧(ROS)的水平增加，都涉及到驱动衰老进程的发生［3］。在本文我们介绍了不同通路-DNA损伤和代谢通路-交叉汇聚于线粒体，减少能量维护的机制并驱动衰老的模型。我们系统地提供了更好的理解控制衰老过程机制的基础知识，并开启了用于治疗性干预衰老和与年龄相关疾病的新通路。

1．衰老的代谢通路

1.1 胰岛素和IGF-1信号通路 进化上保守的胰岛素和IGF-1通路是第一个证明可调节秀丽隐杆线虫寿命，在进化上保守的通路。该通路的组分包括磷酸肌醇3-激酶(PI3K，线虫亦称AGE-1)，3’-磷酸肌醇依赖性激酶-1(PDK-1)，AKT(亦称PKB)和FOXO(线虫亦称DAF-16)家族转录因子。胰岛素和IGF-1刺激PI3K激活，PI3K激活PDK-1，PDK-1激活AKT。AKT磷酸化多个下游靶分子(见图1a)，以促进细胞存活和细胞增殖。由于编码该通路的关键组分或调节该通路激活的蛋白，如生长激素的基因发生了LOF突变，降低了胰岛素和IGF-1通路的活性，导致了许多物种寿命的延长。这些突变延长寿命的作用是由几个转录因子和它们的转录靶分子介导的，包括DAF-16，热休克因子1(HSF-1)和SKN-1 (参与氧化应激反应的转录因子)，这些因子刺激抗应激，氧化防御和线粒体功能基因的表达增加［2］。

图1 衰老的代谢通路及其功能

1.2 mTOR信号通路 哺乳动物mTOR靶分子是进化上保守的蛋白激酶，mTOR有两个复合物，mTORC1(见图1b)和mTORC2。mTORC2参与细胞骨架重构(未列出)，而mTORC1是细胞生长和寿命的重要调节因子。mTORC1激活核糖体蛋白S6激酶(S6K)并抑制真核翻译起始因子4E结合蛋白1(4EBP1)，4EBP1为真核翻译的负调节因子，从而刺激真核翻译和细胞生长。

通过热量限制，雷帕霉素药物或基因手段抑制mTOR信号，可延长从酵母到小鼠的寿命［3］。同样，抑制S6K，延长了蠕虫、果蝇的寿命和缺乏S6K雌性小鼠的寿命，防止了年龄相关疾病如胰岛素抵抗、免疫能力降低以及运动功能障碍［2，4］。S6K缺乏小鼠寿命延长似乎是通过能量平衡的中央传感器AMPK36，AMPK通过增加cAMP/ATP比值，通过间接抑制mTORC1关闭了对合成代谢通路的抑制，并打开了分解代谢的通路，生产能量ATP。AMPK通过刺激线粒体生物合成和功能，以及脂肪酸氧化等，增加ATP水平。给予激活AMPK的小鼠饲喂二甲双胍可以延长寿命，并去除线虫的AMPK同源物AAK-2阻止DAF-2突变体寿命延长的作用，它支持的概念，即长寿机制中调节能量通路和维护线粒体功能是不可或缺的［2，4］。

1.3 P53与线粒体功能 p53介导的线粒体功能障碍通过影响ROS，Fe-S簇和NADH/NAD的产生，启动了DNA损伤环路，接着又进一步导致p53激活和线粒体的退行性变。这种前馈回路也解释了在衰老过程中很多分子有不同，甚至有相反的作用。这里所示的几个组分(p53，线粒体和AMPK)在轻微应激条件下，证明有保护细胞的功能，但在更严重的应激条件下，则呈现促进细胞衰老的作用。p53和其他已经证明涉及衰老通路的分子之间有相互作用。p53抑制哺乳动物胰岛素和IGF1通路和mTOR通路分子靶点的活性，并激活AMPK。但是这些通路的活性改变，如何改变线粒体功能并增加DNA损伤促进了老化过程，是不明确的。其他p53依赖和p53独立的通路可能共同诱导着线粒体功能障碍。例如，BMI1间接抑制p53的激活，并且BMI1通过与MDM2(p53的负调节因子)的相互作用，丧失了上调p16蛋白的表达，间接增加了p53活性。BMI1也已显示可诱导线粒体功能障碍(可能间接地)。此外，沉默调节蛋白的缺失也可能导致线粒体功能障碍，如SIRT1的激活降低了p53的活性，SIRT1的抑制促进p53激活和其下游功能。SIRT1也激活PGC1α，从而提高线粒体生物合成。线粒体功能障碍的后果是，当轻度功能障碍(如ATP生成和β氧化降低)时，没有细胞损失。然而，在重度应激条件下，线粒体功能障碍导致器官功能障碍并伴随衰老和凋亡的增加，促使实体组织的丢失。

这个循环的连续、渐进的性质可以解释在应对衰老中DNA损伤的不同程度，p53的不同作用。基因毒性引起的应激水平低，p53可诱导抗氧化剂的表达，从而有利于细胞存活。相反，DNA损伤水平高，不断促进促氧化剂的表达，则进一步促进细胞损伤。同样，p53已被证明能促进野生型小鼠或p53水平低的细胞中线粒体功能和生物合成，但在基因毒性引起的应激条件下，p53与线粒体功能受损相关联［5，6］。也有证据表明，p53基因要么不改变寿命(如携带亚效Mdm2等位基因的小鼠和携带额外copy野生型TP53基因的转基因小鼠);要么延缓衰老(如携带一个额外TP53的copy和多个肿瘤抑制因子ARF copies的小鼠寿命得到延长［6］)。此外，蠕虫的研究表明p53基因同源物CEP-1可以延长或减少寿命，取决于线粒体损伤的程度，这表明可能在进化期间保留了p53的双向作用。

在该模型，轻度DNA损伤和轻度或中度p53激活水平将允许修复和维护细胞的功能，而过度的DNA损伤和过度的p53激活将破坏细胞，不利于生存或带来太多的伤害。这些基因的发现也突显线粒体功能对蠕虫、果蝇和小鼠寿命的不同影响，并表明线粒体损伤的功能性结局也可能依赖于p?? 53的活性水平。

线粒体呼吸的轻度抑制可以激活长寿通路(包括由p53控制的通路)，而更明显线粒体呼吸的损害与生化过程额外的缺陷，如β氧化有可能引发寿命缩短的程序有关。p53蛋白是如何开启和转换从促生存到促衰老的开关，在很大程度上仍然是未知的，但P53与胰岛素和胰岛素样生长因子，mTOR和AMPK通路的交互作用可能会提供一些线索［7］。

1.4 线粒体与代谢通路信号分子 线粒体的营养素利用和能量消耗的平衡功能，决定了调节寿命的几条代谢通路及组分分子的反应(图2)。第一个被证明调节寿命的通路是进化上保守的胰岛素和IGF-1通路，其次被证明的是哺乳动物的雷帕霉素(mTOR)信号靶分子［8］。人们逐渐认识到，这些代谢通路彼此之间是密切相关连的。例如，激活的AMP蛋白激酶(AMPK)是能量平衡(稳态)的中枢传感器，激活的AMPK调节mTOR信号，激活转录因子叉头框O(FOXO)，而FOXO作为传递胰岛素和IGF1信号的靶分子，直接调控增加参与抗应激和能量平衡基因的表达水平［9］。

图2 衰老的主要原因

AMPK还激活PPARγ辅激活因子1α(PGC1α)，PGC1α是线粒体生物合成和功能的中央调节器。同样，AMPK诱导沉默调节蛋白1(SIRT1)，激活转录因子PGC1α和FOXO［10］。现已证明FOXO和PGC1α之间有密切的关系，如FOXO1和FOXO3能增加PGC1α活性，并且PGC1α本身可以增加FOXO3的转录活性［11］。

1.5 P53蛋白与不同的长寿通路 P53蛋白号称“基因组卫士”受到SIRT1的抑制。p53蛋白与几个不同的长寿通路相互作用，包括胰岛素和IGF1，mTOR和AMPK。p53激活AMPK，抑制胰岛素，IGF1通路和mTOR通路，已证明p53基因对细胞的完整性以及正调控长寿通路均起着不可或缺的作用［7］。

这些通路是单独还是联合调节寿命的机制已被深入研究，并且涉及到许多不同的机制。在这些机制中，线粒体功能和ROS防御被认为是寿命的重要调节因子。沿着这些线路，胰岛素和IGF1通路活性降低与线粒体功能改善相关联，并在实验中得到了支持性证据，长寿的Ames小鼠的胰岛素受体底物2(IRS2)水平和IGF1水平非常低［12］。胰岛素和IGF1信号降低，可激活FOXO转录因子，从而诱导增加了抗氧化因子，如锰超氧化物歧化酶(MnSOD)和过氧化氢酶基因的表达;相反，FOXO缺陷小鼠则显示有ROS的水平增高和干细胞删除［13］。饮食限制时，mTOR活性减少也与线粒体功能改善相关联，并且在该模型中寿命延长依赖于呼吸水平的提高［14］。此外，S6激酶(S6K)是mTOR信号的下游组分，缺乏S6K的小鼠证明有氧化磷酸化(OXPHOS)和氧耗量的增加，并表达有长寿表型［15］。AMPK通过增加NAD+水平增强了SIRT1的活性，接着SIRT1又激活了PGC1α，增加了OXPHOS和线粒体生物合成的水平［16］。

p53抑制胰岛素通路，IGF-1通路和mTOR通路，并通过直接转录上调负调节因子，磷酸酶和张力蛋白同源物(PTEN)，IGF1结合蛋白3(IGF1BP3)和结节性硬化症蛋白2 (TSC2，也称为马铃薯球蛋白)，并且P53通过直接转录上调AMPK的β-亚单位激活AMPK。有趣的是，DNA损伤或过度激活p53的早老小鼠，伴有胰岛素，IGF1和mTOR通路的抑制［17］。

这些矛盾的结果可以解释为这些通路的激活代表了一种代偿机制，在发生DNA损伤时以维护和延长寿命。然而，目前还不清楚在DNA损伤时，这些长寿通路的激活是否会导致如同这些通路突变长寿动物中看到的同样的转录水平和细胞水平的变化。例如，在能量应激下AMPK的长期激活可导致p53依赖性细胞衰老和凋亡，这表明AMPK的激活可加速在特定条件下的细胞衰老［18］。同样，IGF1浓度随着年龄下降，并且这与不同干细胞功能下降有关联。这些发现进一步支持这一观点，即经典衰老通路的作用可能是上下游依赖的。

1.6 线粒体的DNA聚合酶γ 源自线粒体的DNA聚合酶γ(Polγ)基因突变小鼠表达的校对缺陷，导致基因突变小鼠出现早老综合征和寿命缩短，给予了Polγ直接影响衰老的证据，进一步证明了线粒体功能的维护对寿命的重要性［19］。线粒体内特异性高表达的抗氧化因子酶，如过氧化氢酶，可降低ROS诱导损伤，并显著改善野生型和突变型小鼠老龄相关的心衰［20］。然而，也有许多ROS相关研究得到的是矛盾的结果，如过氧化氢酶高表达，可增加ROS水平并有促进衰老的作用。Polγ基因突变小鼠表现为不停地运动，可以有效地逆转早老表型，这表明线粒体产能的周转量和生物合成，这两者都属于质量控制机制，在减缓小鼠衰老过程中是重要的。

2．可能的衰老原因

自然衰老的主因可能有二:一为进行性DNA损伤;二为线粒体功能下降。通常认为，这两条通路相互隔离。然而，最近的研究显示，DNA损伤，p53的分子环路激活，线粒体的生物合成和功能损伤三者联动引起了衰老。图2涉及衰老过程的主要细胞通路。已经证明为经由DNA损伤，激活p53，p16蛋白，导致线粒体功能障碍的通路，促进功能衰退和衰老。与此相反，哺乳动物的药靶分子mTOR，S6K，胰岛素和IGF1通路的活性下降，延长了不同物种生物的寿命。

尽管这些研究表明，线粒体退行性变驱动着衰老，但其他研究显示有更复杂的机制，因为线粒体功能的轻度受损可以延长酵母、蠕虫和小鼠的寿命［21］。人们也已注意到，线粒体在调节寿命中发挥双向作用，还有其他衰老相关的分子参与，如p53和AMPK。因此，更详细地观察这些关键分子彼此之间如何紧密调节线粒体生物学功能，以最佳地控制衰老的分子机制是必要的。

在此模型中，线粒体功能障碍诱导的细胞表型的范围从功能损伤(如ATP生成降低)，到典型的细胞表型(如生长停滞、衰老和凋亡)。体外研究已经证明了线粒体功能受损和细胞衰老之间的联系:OXPHOS复合体Ⅲ的Rieske铁硫蛋白(RISP)的表达降低，或电子传递链和OXPHOS的药物抑制，足以引发衰老［22］。这些非排他性表型的联合作用将引起包括细胞和组织的破坏和功能障碍。因此解读这些衰老通路可以推动治疗策略的发展。

3．小结

本文中提出的衰老联合模型聚焦在DNA损伤和代谢通路交互作用的交叉点上，以及它们可能汇聚在一个共同的效应器——线粒体，以驱动衰老。虽然线粒体是该模型的中心，但是衰老的其他重要效应器，如自噬失调、翻译和蛋白质折叠，无疑均直接促进和/或加强了衰老进程。仍有待确定在DNA损伤和代谢通路推动衰老时，如何分别与这些不同效应器的作用机制。同样，这些效应器是如何相互作用尚需要在不同的衰老模型系统中进一步研究。目前关于线粒体，p53和其他衰老过程中的因子如何既可延长寿命，又可缩短寿命的作用机制问题依然还很不清晰。所以重要的是要建立可能涉及p53和/或p53的家庭成员的各种同型(isoforms)的不同类型细胞特异性的分子作用机制，以确定不同的结局。

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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.佳木斯大学附属第一医院 肿瘤科 145002 2.北京医院，北京老年医学研究所，卫生部老年医学重点实验室 100730

国家自然科学基金(81061120527，81370445，81472408);卫生部公益性研究基金(201302008);

国家科技部十二五支撑计划(2012BAI10B01)

※为通讯作者