延緩衰老從理論到實踐

       衰老是隨著時間的推移，機體生物學功能衰退的過程，會大大提高神經退行性疾病、糖尿病以及腫瘤等相關疾病的發(fā)病率。衰老的表征體現(xiàn)在各個方面，延緩衰老是一件極具困難的挑戰(zhàn)。在過去的幾十年，生物學家以模式動物為研究對象，在不斷地探索中發(fā)現(xiàn)衰老主要受遺傳和環(huán)境兩方面因素影響。1939年，對小鼠和大鼠進行卡路里攝入限制（約減少30%碳水化合物的攝入），研究人員發(fā)現(xiàn)可以顯著的延長壽命。上世紀末，Tom Johnson和Cynthia Kenyon以秀麗隱桿線蟲 （Caenorhabditis elegans）為研究對象先后發(fā)現(xiàn)，抑制age-1和daf-2可以引起近乎兩倍的壽命延長。這些里程碑式的科學發(fā)現(xiàn)引領我們進入人類健康研究的新時代。

       7月10日，美國巴克衰老研究所所長Eric Verdin 及多名衰老研究領域的專家在Nature上推出From discoveries in ageing research to therapeutics for healthy ageing的專題綜述。現(xiàn)將該文編譯如下，供大家參考學習。

       衰老研究的遺傳學手段

       經過近幾十年的研究，生物學家發(fā)現(xiàn)壽命（lifespan）是一種遺傳性狀，其具有遺傳基礎。不同物種具有不同的遺傳基礎，因此其壽命也存在巨大的差異，從幾天到幾十年不等。1952年，Peter Medawar提出衰老是物種生殖后自然選擇力下降的結果。遺傳學家和進化學家以果蠅（Drosophila）為研究對象，選擇性的培育具有遺傳多樣性的在早期進行繁育的果蠅種群和在晚期進行繁育的果蠅種群。檢測這兩類種群壽命和基因結構發(fā)現(xiàn)：在晚期進行繁育的果蠅壽命是在早期進行繁育的果蠅壽命的兩倍，且這些壽命差異及基因差異具有可遺傳性。生物體含有成千上萬個基因，研究人員認為任何單基因的突變對生物體的影響應該是微乎其微。但是，以秀麗隱桿線蟲為模式生物，科研人員發(fā)現(xiàn)了一項具有里程碑意義的研究，單基因敲除age-1產生40%~60%的壽命延長，這大大打破了科研人員以往的認知。運用遺傳學手段研究衰老的成果如雨后春筍，目前，根據(jù)GenAge上的數(shù)據(jù)，已經有800多個基因已經被鑒定出來參與調節(jié)線蟲的壽命進程。

       參與壽命調節(jié)的信號通路和過程

       過去30年對于衰老研究已經從簡單地鑒定壽命長短轉變?yōu)樘剿饔绊憠勖L短的遺傳通路。衰老的遺傳學研究揭示了一系列復雜的細胞內信號傳導途徑和生物學過程。

       胰島素類生長因子信號通路

       20世紀90年代，美國加州大學舊金山分校的Keyon教授為了找到秀麗隱桿線蟲中的衰老調控因子進行一系列的遺傳篩選工作，發(fā)現(xiàn)在25℃，daf-2突變體會使得秀麗隱桿線蟲在幼蟲時期進入dauer（發(fā)育停滯）狀態(tài)；daf-2突變體產生2倍的壽命延長。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，daf-2和daf-16作用在同一條信號通路參與調控線蟲dauer的形成以及壽命的調控。線蟲中這些與壽命調控相關的基因與哺乳類動物中胰島素類信號通路的關鍵作用因子是同源物。age-1基因編碼磷脂酰肌醇-3激酶，daf-2基因編碼胰島素樣受體，daf-16基因編碼FOXO樣轉錄因子。令人驚喜的是，抑制酵母和果蠅中胰島素類信號通路中的關鍵因子可以延長了壽命。這表明胰島素樣信號通路對于壽命的調控在多個物種中是保守的。這說明我們從模式生物中探索人類衰老進程是可行的。

       雷帕霉素受體信號通路

       雷帕霉素受體蛋白最早在雷帕霉素的研究中被鑒定出來。早期的研究發(fā)現(xiàn)雷帕霉素具有顯著的抗真菌特性，進一步的研究發(fā)現(xiàn)，其還可以抑制細胞的生長和參與免疫調節(jié)。隨后在酵母中鑒定出抑制雷帕霉素產生的細胞周期阻滯特性的突變體，分別是編碼TOR1和TOR2基因的突變。雷帕霉素受體受營養(yǎng)和生長因子的激活，通過調節(jié)mRNA翻譯、自噬、線粒體功能、核糖體合成及代謝等生物學過程，促進細胞的生長與增殖。TOR與飲食限制之間存在一定的關系。飲食限制對機體是有益，從進化學角度分析認為，飲食限制條件下，能量分配會從生殖生長傾向于維持體細胞運行轉變，從而延長壽命。TOR作為一個保守的營養(yǎng)感應因子，在多個物種中被發(fā)現(xiàn)參與調控生長和維持能量轉換以及壽命等過程。TOR途徑的各種組分活性抑制的果蠅可以模仿飲食限制產生壽命延長。另外一個矚目的發(fā)現(xiàn)是：當同時抑制TOR和胰島素類信號通路中的關鍵因子rsks-1和daf-2可以產生5倍的壽命延長。

       Sirtuins and NAD+

       1995年，運用遺傳篩選手段鑒定影響壽命的表觀遺傳“沉默”因子。Sir2被鑒定出是一種保守的蛋白質，參與調控酵母的壽命。Sir2編碼一種去乙?；?，呈現(xiàn)出NAD +依賴性的去除組蛋白中的乙?；?。酵母飲食限制條件下，Sir2可以誘導產生壽命延長的表型。其他物種中也將Sir2相關蛋白都統(tǒng)稱為sirtuins，通常利用其蛋白質脫酰酶的作用，去除目標蛋白賴氨酸殘基上的酰基，包括乙?；㈢牾；捅；?。小鼠和人中共有七種sirtuins蛋白。SIRT1，SIRT2，SIRT3，SIRT6和SIRT7是真正的去乙?；?，而SIRT4和SIRT5不表現(xiàn)出去乙酰基酶活性，但是會去除蛋白質賴氨酸殘基中的其他酰基。值得注意的是，SIRT1，SIRT2，SIRT6和SIRT7可能具有表觀遺傳調節(jié)因子的作用，而SIRT3，SIRT4和SIRT5位于線粒體中。

       NAD +是所有活細胞中關鍵的氧化還原輔酶。它既可作為關鍵的輔酶，將一個反應的電子傳遞到另一個反應來促進氧化還原反應，也可作為其他酶的底物，如sirtuins和聚腺苷二磷酸 - 核糖聚合酶（PARPs）。越來越多的證據(jù)表明，NAD +水平和sirtuins的活性隨著衰老的發(fā)生會降低，同時，高脂飲食飼喂的動物也會使得這兩者降低。但是，當飲食限制、禁食、葡萄糖限制，或者是運動都會使得NAD +水平升高，促進壽命延長和提高健康水平。結合一系列的研究，使用NAD +補充劑可能會產生壽命延長。

       Circadian clocks （生物鐘）

       對sirtuins 和NAD +的研究也幫助我們了解了生物鐘與衰老之間的聯(lián)系。NAD +水平呈現(xiàn)晝夜節(jié)律方式波動，通過SIRT1表觀遺傳機制將外周時鐘與代謝的轉錄調節(jié)聯(lián)系起來。在哺乳類動物小鼠中，核心的生物鐘機制是BMAL1和CLOCK直接調節(jié)NAD +補救途徑中NAMPT的表達。SIRT1的去乙酰酶活性取決于NAMPT的存在。同樣的，其他幾種穩(wěn)態(tài)反應也受生物鐘的調節(jié)。衰老的一個常見標志是晝夜節(jié)律行為（睡眠 - 覺醒周期）的逐漸喪失和晝夜節(jié)律相關基因的表達受到抑制。飲食限制對生物鐘有顯著的影響，以小鼠和果蠅為研究對象發(fā)現(xiàn)飲食限制通過影響節(jié)律相關基因的表達促進晝夜節(jié)律的穩(wěn)態(tài)影響生物鐘。更重要的是，飲食限制促進果蠅和小鼠壽命延長的過程需要生物鐘過程的參與。

       線粒體和氧化應激反應

       在20世紀50年代，一些理論認為機體內源性產生的或者是基礎代謝過程如呼吸產生的氧自由基分子是促進衰老發(fā)生的關鍵元素。這些理論的依據(jù)來源于線粒體產生的超氧化物是衰老病理生理學的關鍵介質。實際上，隨著科技發(fā)展，研究人員發(fā)現(xiàn)隨著年齡的增長，氧化損傷會在物種的多個組織中進行堆積。我們不能否定的是這些氧化損傷主要是由年齡增長引起的，但是氧化損傷的堆積是否是造成衰老的原因依舊是未知的。在20世紀90年代和21世紀初，研究人員在模式動物中過表達參與自由基分子解毒反應的關鍵因子如超氧化物。其中有多個產生壽命延長表型的模型，這些研究表明新陳代謝過程中產生的氧化損傷在某種程度上限制了壽命。然而，這一研究結果在小鼠中進行驗證的時候受到了挑戰(zhàn)。在小鼠中過表達線粒體抗氧化過程中的關鍵因子超氧化物歧化酶2與野生型相比并沒有壽命延長的表型。但是進一步的發(fā)現(xiàn)特異性地將過氧化氫清除蛋白過氧化氫酶靶向到線粒體上可以顯著的改善小鼠的健康狀況和促進壽命延長。這些矛盾的結果并不奇怪，因為線粒體內的自由基的產生是復雜的，呼吸鏈中至少有十處反應節(jié)點可以誘導產生氧自由基，而且不同的生理狀態(tài)，不同的年齡以及不同的細胞類型產生氧自由基的效率也是有很大的差異。

       雖然機體中高水平的氧自由基與細胞損傷和炎癥有關，但是低水平的氧自由基可以通過適應性應答反應（Mitohormesis）增強細胞的抵御能力。這種Mitohormesis能力也是當線粒體功能受到損害時，仍舊可以促進線蟲、蒼蠅和小鼠中壽命延長的原因。用線蟲作為模式生物進行全基因組篩選發(fā)現(xiàn)敲降參與電子傳遞鏈過程的幾個基因可以顯著的延長壽命，這個過程需要UPRmt（Mitochondrial unfolded protein response，線粒體未折疊蛋白應答）的參與。破壞神經元中的線粒體功能能夠細胞非自主性的激活腸道中的UPRmt，預示著存在協(xié)調組織間代謝調控的信號因子。線粒體功能紊亂會在轉錄層面影響很多過程基因的表達，包括參與調控蛋白質折疊的基因，抗氧化防御相關基因和新陳代謝相關基因。UPRmt受若干因素的調節(jié)，包括轉錄因子ATFS-1，DVE-1以及泛素樣蛋白UBL-5，線粒體蛋白酶ClpP和線粒體內膜轉運蛋白HAF- 1。

       Senescence （細胞衰老）

       60年前，人體細胞的分裂能力是有限度的理論首次被發(fā)表。細胞分裂的停滯在后期的研究中被認為是細胞衰老的一種現(xiàn)象。細胞衰老的特征主要表現(xiàn)在三個方面：細胞增殖停滯，抵抗細胞凋亡以及復雜的衰老相關表型的發(fā)生。細胞增殖受阻主要是由于端粒變短功能喪失引起的。功能失調的端粒會引發(fā)持續(xù)的DNA損傷反應，進而誘導細胞周期停滯和衰老相關因子的表達。例如一些致癌因子誘發(fā)衰老就是由于基因復制紊亂以及DNA損傷導致的。細胞培養(yǎng)研究表明，細胞衰老是各種衰老表型和疾病發(fā)生的標志。

       免疫衰老

       免疫系統(tǒng)的衰老被稱為免疫衰老，是“炎癥”的原因之一，是指生物體在年老時，其細胞和組織中炎癥標志物的水平升高，這會導致慢性炎癥的發(fā)生。與急性炎癥相反 ，這是一種旨在保護宿主免受感染和傷害的進化保守機制。免疫衰老與很多衰老相關疾病有關，包括癌癥、II型糖尿病、心血管疾病以及神經退行性疾病。

       蛋白質穩(wěn)態(tài)

       蛋白質穩(wěn)態(tài)是主要是維持蛋白質結構和功能的重要過程，在衰老進程中被打破。蛋白質組的穩(wěn)定性與生物體的壽命存在很大的關系，例如在自然條件下，隨著衰老進程的發(fā)生，大量的蛋白質會在胞質內沉積，而裸鼴鼠體內蛋白水解酶的活性升高，蛋白質組的穩(wěn)定性升高，壽命延長。同樣的，在秀麗隱桿線蟲中，這些不溶性蛋白質的高度富集影響壽命。影響壽命的主要途徑也參與調節(jié)保護性因子的表達水平。例如，胰島素信號通路控制分子伴侶的表達， TOR信號通路調節(jié)許多形式自噬的發(fā)生。

       科學手段延緩衰老的轉折點

       隨著對衰老分子機制的深入了解，運用科學的手段延緩衰老可能不再是遙不可及的夢。根據(jù)早期的研究，參與壽命延長過程的基因有很多，這預示著衰老過程中的可塑性水平遠高于預期。其次，參與調控衰老進程的信號通路在酵母，線蟲，果蠅，小鼠及人類中具有高度保守性。這些發(fā)現(xiàn)預示著以模式生物為研究基礎探索衰老相關因子為延長人類壽命和提高生活質量提供了可行性。

       未來的挑戰(zhàn)

       將模式生物中獲得的研究成果轉移到人類上仍面臨著巨大的挑戰(zhàn)，需要克服幾個關鍵的困難，如下所述。首先，在特定的遺傳環(huán)境中獲得的有效的干預措施可能在另一種遺傳環(huán)境中不起作用。例如，對多種重組近交系小鼠進行飲食限制，分析發(fā)現(xiàn)壽命有長有短。另外，人口群體存在很大的遺傳異質性，這與疾病易感性、壽命以及個體對藥物的反應有很大的關系。這種異質性是當前精準醫(yī)學領域的基礎，其旨在識別疾病的關鍵遺傳決定因素并定制對獨特遺傳變異的干預和治療。此外，人類個體中存在自然遺傳變異，藥物干預可能在不同的人類中取得不同的結果。最后，在模式生物中的研究并不總能預測在人體中的現(xiàn)象。這可能是由于小鼠和人之間的內在生物學差異。生物學的復雜性以及影響生物表型的已知和未知變量的多樣性導致研究相同生物的不同實驗室之間的差異性，不僅在小鼠研究中，在其他模式生物中已然存在。

       臨床試驗的藥物

       美國衰老研究所實施的ITP計劃（Intervention Testing Program）已經確定了五種促進小鼠壽命延長的藥物，包括雷帕霉素、阿卡波糖、去甲二氫愈創(chuàng)木酸、17-α-雌二醇和阿司匹林。這些藥物中的一些可以顯著地改善動物模型的健康狀況。在延長小鼠壽命的其他研究中發(fā)現(xiàn)metformin，靶向血管緊張素轉換酶和醛固酮受體的藥物，以及sirtuin活化劑具有顯著的作用。但是這些藥物需要進一步的工作來驗證其功效。目前，正在進行測試的具有延緩衰老的另外五種藥物包括****、雷帕霉素類似物、Senolytics、Sirtuin激活劑、NAD +前體。但是需要注意的是藥物延緩衰老依舊是一條漫長的道路。

       運動改善生活質量

       雖然目前人們更多的注意力都集中在藥物開發(fā)上，但值得注意的是運動是一種真正有效的延緩衰老以及提高生活質量的方式。目前研究發(fā)現(xiàn)衰老引發(fā)的功能性障礙在沒有合適的治療方法時，運動是唯一一種能夠顯著改善機體、提高生活質量的方法。

       飲食和衰老

       飲食可能是影響健康和衰老最重要的因素之一。然而，這是一個非常復雜的領域。衰老領域幾乎專注于研究飲食限制對壽命和健康影響，暴飲暴食及肥胖會縮短壽命并降低健康狀況。不可否認的是合理的飲食的習慣與壽命的延長和慢性疾病的發(fā)病率之間存在著密切的關系。令人興奮的近期的研究發(fā)現(xiàn)飲食限制（5天正常飲食+2天限制飲食）可以顯著改善人類的健康狀況。另外，生酮飲食被發(fā)現(xiàn)可以被用作兒童癲癇的治療方法。衰老研究依舊是一條任重而道遠的路。

       探索衰老的生物學標志物

       在過去的40年里，醫(yī)學的發(fā)展經歷了一種漸進式的轉變，從“sick care”（疾病發(fā)生后再進行治療）轉變成“health care”（識別疾病發(fā)生前特有的表征，對疾病進行預防）。例如，膽固醇含量升高及血壓升高都不是疾病，但是這兩者卻是心肌梗塞和中風疾病發(fā)生的主要表征。同樣地，衰老嚴格意義上也不是一種疾病，但是多種慢性疾病都會伴隨著年齡的增長呈現(xiàn)很高的發(fā)病率。識別衰老的生物學標志物可以幫助我們更好的尋找延緩衰老的方法，降低衰老相關疾病的發(fā)病率。衰老進程是一個非常復雜的過程，多年來識別衰老的生物學標志物仍舊是一個尚未攻克的難題。