衰老机制及其学说

?综 述?

衰老机制及其学说3

童坦君　张宗玉

(北京大学衰老研究中心,北京100083)

摘要　不同物种,同一个体的不同组织和细胞,它们的衰老速度并不相同。究其原因,遗传与环境都能影响衰老的进程。个体的平均寿命和物种的最高寿限可以从不同侧面反映衰老的进程。目前认为平均寿命主要与环境相关,而物种最高寿限与遗传相关。从两者的关系看,不良环境影响是通过对遗传物质或其产物的作用而影响衰老的进程。从遗传因素看,衰老并非由单一基因或单一作用所决定,而是一连串基因激活和阻抑及其通过各自产物相互作用的结果。DNA(特别是线粒体DNA)并不像原先设想的那样稳定,目前业已证明,包括基因在内的遗传控制体系可受内、外环境,特别是氧自由基等损伤因素的影响,从而加速衰老的进程。

关键词　衰老;基因;环境;寿命

中图分类号　Q419;R339.38;R592

M echan is m s of Ag i n g and Its Theor i es　T ONG Tan2Jun,ZHANG Z ong2Yu(Peking U niversity R e2 search Center on A g ing,Peking U niversity Health Science Center,Beijing100083,China)

Abstract　The vel ocity of aging is rather different in vari ous s pecies,and even in vari ous tissues and cells of the sa me individual.Both genetic and envir on mental fact ors affect aging p r ocess.It is evident that life expectancy mainly relates t o envir on ment,while maxi m u m life2s pan of a s pecies more depends on its genetic backgr ound.Poor envir on ment possibly affects genes or their p r oducts and then influences the p r ocess of hu man senescence.A s as pect of genetic causes,aging is not t otally depends on one gene,but rather on the interacti on of net w orks of activated or rep ressed genes and their p r oducts.DNA(es pecially, m it ochondrial DNA)is not as stable as p revi ously conceived.The stability of genetic substance,including genes,could be affected by stresses fr om external or internal envir onment,which are particularly induced by har mful substances,such as reactive oxygen s pecies,leading t o accelerate aging p r ocess.

Key words　aging;l ongevity;genes;envir on ment

衰老(ageing,senescence)又称老化,通常是指在正常状况下生物发育成熟后,随年龄增加,自身机能减退,内环境稳定能力与应激能力下降,结构、组分逐步退行性变,趋向死亡,不可逆转的现象[1]。单细胞生物,如酵母,亦出现衰老倾向[2]。疾病或异常因素可引起病理性衰老(senility),使上述现象提早出现。

衰老过程在整体、组织、细胞,乃至分子水平皆有所体现。随年龄增加,器官、组织的实质细胞数、反应敏感性及功能均逐步下降。但不同器官老化速度及老化方式有所不同。衰老时细胞增殖能力下降,功能细胞数逐渐减少,蛋白酶活性降低,胶原、弹力蛋白、结缔组织充斥其间、互相交联,使脏器萎缩,功能下降。

衰老机理研究可为延缓因老而衰,提供理论和实验依据,并为阐明老年病发病机理提供线索[3]。近年来老年医学基础研究已出现从老年危重病,转向老年慢性、退行性疾病的趋势,衰老机理研究于此更显重要。

一、历史回顾与衰老机制相关学说

关于衰老研究,历史悠久,可追溯公元前。那时

3国家重点基础研究发展规划(2007CB507400)与国家自然科学基金(30671064)资助课题

手段粗糙、原始,着眼于延年益寿。19世纪30年代,始用科学手段进行一般性研究。20世纪初,Na2 scher倡用“Geriatrics”一词以体现老年病学;40年代渐有系统研究,观察衰老变化,先从形态,后从生理功能、物质代谢研究变化规律,探讨衰老原因;20世纪50年代末我国开始衰老机理有关研究。

20世纪80年代前,技术与手段所限,国际上从器官水平,整体水平研究衰老机理多年,但成果寥寥。所举学说繁多:遗传控制说、自由基损伤说、代谢产物交联说、体细胞突变说、差错积累说、免疫紊乱说等不下数百种,各有千秋。众说纷纭,莫衷一是,未能形成共识[4,5]。

二、现代理论的建立

20世纪后期,分子生物学与细胞生物学迅猛发展所得成果渗入医学生物学的方方面面。在老年学研究中引入分子生物学与细胞生物学理论与技术,为衰老机理及老年病防治的基础研究带来了勃勃生机,使医学老年学突飞猛进。研究者试图从根本上逐步弄清衰老过程,注意从细胞水平和分子水平进行基本原理的探讨[6～8],衰老机理的不同学说各执一是的现象有所松动,学说间的取长补短渐成研究的主要倾向。

(一)“工欲善其事,必先利其器”　要深入研究衰老机制,首先要建立理想的实验体系。对人类整体的衰老进行实验性研究,有周期长,取材难,耗时费力,困难重重。蠕虫、果蝇、短寿小鼠等模式生物生命周期短,适于整体研究[7]。但模式生物究竟与人类相距甚远,难以全部体现并反映人体的衰老。细胞是生物体的基本单位,人体细胞不难获得,可以体外培养。体外培养的某些人类细胞的可传代数与供体年龄相关,是一个不可多得的实验工具,可以作为机体衰老的微观模型,但难以全部体现并反映整体的衰老。除模式体系外,还应建立检测衰老程度的客观指标[9]。

1.模式生物的局限性:研究成果可借鉴,但不可照搬。蠕虫、果蝇等模式生物与哺乳类同属有生命物质,他们的遗传密码基本相同,其它相同之处不胜枚举,所得研究结果可借鉴之处不少。模式生物的研究显示:“衰老基因(ger ont ogene)”的丢失或失活可使寿命延长;“长寿基因(l ongevity gene)”突变,可使物种寿命缩短。但低等动物与哺乳类动物究竟相距甚远,不可照搬。从线虫、果蝇等研究成果看,长寿物种常伴有丰富的超氧化物岐化酶(S OD)及过氧化氢酶,Sohal等将超氧化物岐化酶基因与过氧化氢酶基因共同导入果蝇,取得了明显延年益寿的结果。转基因的果蝇不仅平均寿命延长1/3,最高寿限(maxi m um life2s pan)亦有所延长。人的超氧化物岐化酶基因定位于21号染色体q2

2.1,某些先天愚型患者常有三条21号染色体,因此他们的S OD基因比正常人多一个拷贝,但未见其寿命长于常人。如将该基因转入小鼠,转基因鼠并未长寿,反有胸腺过早退化,引起免疫功能低下之嫌。可见,从低等动物所获结果不宜照搬。以致有人认为衰老机制面临的挑战,是把来自模式生物的新发现与人类衰老挂起钩来。即使小鼠与人同属哺乳类,得自小鼠的研究结果也不可与人类混同。例如人类体细胞端区长度随增龄不断缩短[10],故人类体细胞的衰老与端区长度密切相关,端区被称为人类细胞的生物钟。而小鼠染色体末端的端区比人类长10倍左右,且随小鼠增龄难以测得其体细胞端区长度缩短现象,可见其体细胞寿命不依赖于端区。

2.细胞衰老模型的局限性:非整体性与非生理性。体外培养的二倍体细胞可传代数既与物种的最大寿限有关,又与供体年龄相关。小鼠最大寿限约3年,其成纤维细胞在体外只能倍增(populati on doublings)10次左右,Galapagos巨龟的最大寿限超过百年,其成纤维细胞可倍增130次。正常人成纤维细胞的体外增殖次数有限,称为Hayflick极限,亦称为最大分裂次数。人胚成纤维细胞的体外培养可倍增60～80次。供体年龄越大,可传代数越少,所以人胚成纤维细胞的可传代数远高于成年人。这一可传代数还与供体衰老速度有关,例如W erner早老综合征病人,平均寿命短于正常人,其成纤维细胞的可传代数亦低于同龄人。体外培养的人二倍体细胞可以作为机体衰老的微观模型。除成纤维细胞外,也有采用人乳腺上皮细胞、视网膜上皮细胞、黑色素细胞等作为人类衰老模型的报道。利用体外培养的二倍体细胞,在衰老机理研究方面已获得了大量成果。体外培养的人二倍体细胞是研究人体衰老,方便而有效的模型,是目前国际公认研究人体衰老最好的模型之一,已由此获得了大量成果[3,11]。例如,有人证明胰岛再生能力与细胞衰老相关基因p16表达水平有关,p16表达增强是老年人造血功能下降的重要原因,还有人进而发现血液中白细胞中端区长度与人的寿命长短有关。但体外培养的细胞,难以体现并反映体内神经、内分泌、免疫的相互作用,难以体现并反映器官、组织中各种细胞的相互作用。所以其研究成果亦只可借鉴,不可照搬。

总之,以上两个模式系统各有优点,但如何互相印证,彼此促进仍是老年学基础研究中有待解决的重要问题。如要获得可靠结论,有必要从模式生物与人类细胞衰老模型分别入手,将所得结果,加以比较,两相验证。人类细胞体外培养体系与动物实验由此相互补充,也许是一较为理想的方案。

3.分子水平的衰老标志:计算年龄的常用方法是出生后按日历计算,称为日历年龄或时序年龄,也叫实足年龄。同龄个体衰老程度因人而异,所以除日历年龄外,反映其实际衰老程度,人或生物尚有“生物学年龄(或生理学年龄)”。人的生物学年龄可根据其生理和解剖状态进行估算,表示其组织结构和生理功能的实际衰老程度[9,12]。生物学年龄有大致预计未来健康状况与寿命的功能。动物与细胞的生物学年龄或衰老程度如何测定?这就需要确定细胞与分子水平的衰老生物学标志(bi omarker)。衰老生物学标志的确立对衰老研究标准化十分重要。使用衰老生物学标志进行分组,可避免因同龄实验动物老化程度不同造成的误差,解决按日历年龄无法解决的“未老先衰”和“老而不衰”问题。不仅可由此计算衰老速度,且可研究各种因素(如药物、限食、锻炼、心理等)对衰老进程的影响。在临床方面,延缓衰老药物的选择,疗效的评价亦可因其获得科学依据。

Mooradian等(1990)将衰老生物学标志的标准概括如下:(1)该标志与年龄有定量关系,相关性愈强,灵敏度愈高;(2)该标志不因疾病而改变;(3)该标志不因代谢或营养变化而变化;(4)影响衰老进程的因素亦能影响该标志;(5)永生化细胞中不存在该标志的变化。目前已发现某些细胞水平及分子水平的衰老生物学标志。但已知的标志尚不能完全满足所有标准。

染色体端区长度是人类体细胞的计时器,可作为人类体细胞的生物学年龄标志。人胚成纤维细胞每增龄一代,端区长度缩短约50碱基对(bp)。中国人每增一岁,外周血淋巴细胞端区长度约缩短35 bp[10]。端区是染色体末端DNA的特殊结构,有维持染色体稳定的作用。人染色体端区由DNA重复序列TT AGGG组成。生殖细胞与肿瘤细胞具有可催化端区DNA合成的逆转录酶,称为端粒酶(tel om2 erase),无端区缩短现象。小鼠与人不同,其端区不因年龄增加而缩短。因而端区缩短现象,仅在人的正常体细胞中存在,有可能作为衰老的生物学指征。此外,衰老相关β2半乳糖苷酶,DNA损伤修复能力,晚期糖基化终末产物,线粒体DNA片段缺失亦有用作生物学年龄标志者。单项标志,各有局限。总之,分子水平的衰老标志尚需精确量化和综合化,才能客观、准确地体现生物学年龄。

(二)一切生物学关键问题必须在细胞中寻找　20世纪后期,“一切生物学关键问题必须在细胞中寻找”几成生物学家的共识。细胞是生物体的基本单位,也是生物衰老的基本单位。细胞衰老是老年病发病的共同基础。细胞衰老引起的细胞增殖能力下降是器官衰老、萎缩、机能减退的根本原因之一。因而,延缓细胞衰老可为推迟老年带病期,防治老年病带来新机遇[3]。

细胞衰老时细胞体积增大,不均一性增加,染色体畸变及溶酶体增多。生长停滞是细胞衰老的突出表现,也是引起生物衰老诸因素中重要一环。衰老时有功能的细胞数逐渐减少。衰老时,细胞的增殖能力减退,甚至完全停滞,使功能细胞难以更新,脏器萎缩、机能衰退。同时,DNA损伤修复能力下降。近年来从分子生物学角度研究细胞衰老,特别是衰老期间有关基因及其调控变化[2,7],已成衰老机理研究的主要倾向。不少学者还将此与老年病的研究结合起来,以期为推迟老年带病期和老年病的防治作出实际贡献。近年来,研究者已从多个物种找到了与衰老有关的基因[2,3,7]。老年病发病机理与衰老机理的汇合点的研究,将为阐明衰老机理提供新的线索。

(三)遗传与环境是衰老的两大动因　衰老机理复杂,涉及面广。学说虽多,但不外乎遗传与环境两个方面。

1.遗传基因:目前,基因确可影响生物的衰老及寿限,已为大量研究所证明。

20世纪90年代,人类病理性衰老相关基因的研究取得了重大突破(1996)。W erner早老综合征是一种隐性遗传病,病人的DNA损伤修复、转录等都有异常表现,其细胞体外可传代数亦远低于同龄人。现知该综合征是位于8号染色体短臂的一种DNA解旋酶(helicase)基因突变所致[13]。

此前,已有报道人的1,4,7号与X染色体各自存在着与衰老相关的基因。在细胞衰老中,9号染色体短臂的p16基因与染色体端区长度可能起关键作用[11]。

此外,某些老年性疾病的研究亦为阐明人体衰老过程不断演进的物质基础,阐明衰老相关的级联反应指出了方向。衰老时人体机能下降,包括对疾

病的易感性增强[14]。所以从这一角度看,某些老年病相关基因,亦可看作是衰老基因。例如载脂蛋白(apoli pop r otein,AP OE)4水平升高时,发生冠状动脉粥样硬化性心脏病与老年性痴呆(阿尔采末病)的可能性增高,由此影响寿命。

衰老并非单一基因决定。犹如肿瘤发病过程中癌基因与抑癌基因,凋亡过程中促凋亡基因与抑凋亡基因,相互制约一样,衰老相关基因亦应有正(“长寿基因”)、负(“衰老基因”)之分。衰老相关基因很可能是一个基因群[15～17]。已知危害老年人身心健康的阿尔采末病至少与5种基因及其产物相关。鉴于目前尚未获得国际上公认与正常人整体衰老直接相关的基因,因而寻找衰老基因的工作,任重道远,尚需多角度,多途径进行探索。新技术是推进科学发展的原动力。近年利用DNA芯片研究衰老过程基因的表达谱,筛选新基因,为寻找衰老相关基因提供了不少机遇。

2.环境因素:影响人体的环境因素既包括外环境,也包括体液、激素、免疫体系等共同形成的内环境。内、外环境对衰老进程与寿限都有重要影响。同卵孪生子出生时基因表达谱几无差异,50岁时1/ 3的基因表达出现差异,可见环境影响的重要性。环境常常通过损伤、负荷、疾病等方式影响衰老进程。神经系统的稳定性对衰老进程有重要影响,已为老年社会学调查多次证实,但机理不明。环境中氧自由基可损伤蛋白质、DNA、生物膜、线粒体等,加快衰老[5,18]。血糖浓度对衰老进程亦有重要影响。蛋白质和DNA等生物大分子均可与葡萄糖缓慢非酶促结合而糖基化。衰老时多种激素浓度下降,如性成熟后雌激素水平逐步下降[19],停经后下降更快,影响整体,可引起骨质疏松等一系列问题。除激素水平下降外,衰老时细胞对激素的敏感性亦有所降低。

机体除神经、内分泌、免疫系统共同组成整体防御机制外,细胞亦有一套抵御不良环境,维持内环境稳定的应激能力。这套能力包括氧化应激能力, DNA损伤修复能力,以及热休克应答能力等。此种分子水平损伤因素的化解能力及损伤修复能力是细胞存活所必需的,也是决定生物寿命的关键因素之一。

应激能力因衰老而下降,它又可转而影响衰老进程。近来研究显示:高等生物的寿限也许取决于内、外环境对其施加的压力及机体承受此压力的能力。

适度节食可延长动物寿命[20]。原因是降低血糖水平,使非酶糖基化减弱,减少氧自由基产生,降低分子损伤,提高了免疫与应激能力。但快速节食有损智力,过度节食会导致营养不良,免疫力下降,反而有害健康。

三、展望与挑战

“健康与长寿”是生命科学永恒的主题,深入理解衰老本质,了解衰老连锁反应的发生及其根源,改善细胞内生物化学和生物物理过程,将为延缓衰老,健康老龄化及大幅度延长人类寿命作出贡献。展望未来,以下几点值得今后注意:

(一)分析的同时不忘综合,不忘整体。

生物体的衰老过程,包含了整体衰老、器官衰老、细胞衰老,乃至生物大分子的衰老。对衰老机制的深入研究,离不开分子生物学与细胞生物学。新技术是推进科学发展的原动力,现代技术和理念虽然重要,但是分子与细胞究竟只是整体的一部分。分析与综合,分子与细胞,细胞与器官,器官与整体,必须相辅相成。以综合为目的的分析,以分析为基础的综合,方不致偏废。分析的同时,不忘综合;研究分子和细胞的同时,不忘整体,是近代医学基础理论的精髓,也是研究衰老机制必须遵循的原则。

(二)遗传与环境因素,皆应重视,不宜偏废。

环境因素多半是通过基因及其产物来影响衰老进程的,了解哪些基因主导衰老过程,以及这些基因的影响因素,就能有目的地改善内外环境质量,提高延衰效能。

(三)学科融合,借鉴相关学科的理念和技术才能促进发展。

基础研究是科技力量的储备,是发展应用研究的源泉。分子生物学和细胞生物学新技术的融入大大促进了衰老机理研究的深入,多能干细胞作为近年的科学重大发现,具有广阔的应用前景。它在组织修复、器官替换等老年病治疗方面的应用,在衰老机理研究中的作用都值得探讨。

参考文献

1　邹承鲁主编.当代生物学.北京:中国致公出版社.

2000,394～396.

2　Sinclair DA,L in SJ,Guarente L.L ife2s pan extensi on in yeast.Science,2006,312?195～196.

3　O lshansky SJ,Rattan SI S.The bi ol ogy of aging.Mount Si2 nai J Med,2003,70?3～22.

4　赵增翰:概论.见:童坦君、张宗玉主编.医学老年学.

北京:人民卫生出版社,2006.1～13.

5　Frisard M,Ravussin E.Energy metabolis m and oxidative stress2I m pact on the metabolic syndr ome and the aging p r ocess.Endocrine,2006,29?27～32.

6　童坦君,张宗玉.衰老机制及有关老年医学基础理论研究现状和建议.见:陈可冀主编:老龄化中国:问题与对策,中国协和医科大学出版社,2002,129～149.

7　Sinclair DA,Guarente L.Unl ocking the secrets of l ongevity genes.Sci Amer,2006,294?48～57.

8　Tr oen BR.A revoluti on for aging research.B i oger ont ol, 2006,7?269～277.

9　马宏,张宗玉,童坦君.衰老的生物学标志.生理科学进展,2002,33?65～68.

10　张宗玉,范新青,童坦君.中国人外周血白细胞端区长度随增龄缩短.生物化学杂志,1997,13?605～607. 11　Takahashi A,Ohtani N,Ya makoshi K,et al.M it ogenic signalling and the p16(I N K4a)2Rb path way cooperate t o enforce irreversible cellular senescence.Nature Cell B i ol, 2006,8?1291～U63.

12　M a H,L i RZ,Zhang ZY,et al.mRNA level of al pha222 macr ogl obulin as an aging bi omarker of hu man fibr oblasts in culture.Exp Ger ont ol,2004,39?415～421.

13　EllerM S,L iao XD,L iu SY,et al.A r ole f orWRN in te2

l omere2based DNA da mage res ponses.Pr oc Nat Acad Sci US A,2006,103?15073～15078.

14　Beausej our C M,Ca mp isi J.Ageing2Balancing regenera2 ti on and cancer.Nature,2006,443?404～405.

15　韩晓琳,张宗玉,童坦君.衰老过程中原癌基因及抑癌基因的表达谱.生理科学进展,2002,33?126～130.

16　Zhao L,Zhang ZY,Tong TJ.Exp ressi on of the Leo12like domain of rep licative senescence do wn2regulated Leo12like (RDL)p r otein p r omotes senescence of2BS fibr oblasts.

F ASE B J,2005,19?521～532.

17　Guo SZ,Zhang ZY,T ong TJ.Cl oning and characterizati on of cellular senescence2ass ociated genes in hu man fibr oblast cell by supp ressi on subtractive hybridizati on.Exp Cell Res,2004,298?465～472.

18　Bar ouki R.Ageing free radicals and cellular stress.MS2 Med Sci,2006,22?266～272.

19　Hert oghe T.The"Multi p le hor mone deficiency"theory of aging———Is hu man senescence caused mainly by multi p le hor mone deficiencies?Ann Ne w York Acad Sci,2006, 1057?448～465.

20　Frisard M,Ravussin E.Energy metabolis m and oxidative stress———I m pact on the metabolic syndr ome and the ag2 ing p r ocess.Endocrine,2006,29?27～32.

“两方面都可以做到最好”

———通过一个基因既可抑制骨质疏松又可刺激骨骼生长

在2006年12月出版的《Nature Medicine》上,宾西法尼亚大学医学院的病理学系Yong won Choi教授等人发表文章称其找到了一个基因,通过改变它的表达就可同时达到抑制骨质疏松和刺激骨骼形成。

在美国骨质疏松是影响数百万老年人生活质量的一大问题,随着人口老龄化的不断加剧,这个问题变得越来越突出。

随着对骨骼代谢研究的不断深入,现在已经有一些药物用于治理骨质疏松。但是多数药物是用于抑制骨质疏松,仅有一种药物是刺激成骨细胞,促进骨骼构成。联合治理不仅是抑制骨质疏松的发生,也要改善骨质。

骨骼的健康是通过平衡成骨细胞和破骨细胞的活性所维持的。该研究显示,在小鼠体内抑制A t p6v0d2基因的表达,可以抑制有缺陷的破骨细胞导致的溶骨,同时可以促进骨骼的形成。这项发现深化了对骨代谢调节机制的了解,并且表明调节单个基因的表达即可同时抑制破骨和刺激成骨。

Yong won Choi教授称:这项研究为骨质疏松的治疗提供了一个崭新的思路,具有广阔的临床应用前景。为此他们获得了韩国Ho2Am奖,以表彰他们在骨骼代谢研究中做出的贡献。

(Nature Medicine,2006,12?1403～1409)(孙阿萍　宋德懋)