Nature综述 | 延缓衰老从理论到实践
BioArt · 2019/08/19
衰老是随着时间的推移,机体生物学功能衰退的过程,会大大提高神经退行性疾病、糖尿病以及肿瘤等相关疾病的发病率。

本文转载自“ BioArt”。

衰老是随着时间的推移,机体生物学功能衰退的过程,会大大提高神经退行性疾病、糖尿病以及肿瘤等相关疾病的发病率。衰老的表征体现在各个方面,延缓衰老是一件极具困难的挑战。在过去的几十年,生物学家以模式动物为研究对象,在不断地探索中发现衰老主要受遗传和环境两方面因素影响。1939年,对小鼠和大鼠进行卡路里摄入限制(约减少30%碳水化合物的摄入),研究人员发现可以显著的延长寿命。上世纪末,Tom Johnson和Cynthia Kenyon以秀丽隐杆线虫 (Caenorhabditis elegans)为研究对象先后发现,抑制age-1和daf-2可以引起近乎两倍的寿命延长。这些里程碑式的科学发现引领我们进入人类健康研究的新时代。

7月10日,美国巴克衰老研究所所长Eric Verdin 及多名衰老研究领域的专家在Nature上推出From discoveries in ageing research to therapeutics for healthy ageing的专题综述。现将该文编译如下,供大家参考学习。


衰老研究的遗传学手段

经过近几十年的研究,生物学家发现寿命(lifespan)是一种遗传性状,其具有遗传基础。不同物种具有不同的遗传基础,因此其寿命也存在巨大的差异,从几天到几十年不等。1952年,Peter Medawar提出衰老是物种生殖后自然选择力下降的结果。遗传学家和进化学家以果蝇(Drosophila)为研究对象,选择性的培育具有遗传多样性的在早期进行繁育的果蝇种群和在晚期进行繁育的果蝇种群。检测这两类种群寿命和基因结构发现:在晚期进行繁育的果蝇寿命是在早期进行繁育的果蝇寿命的两倍,且这些寿命差异及基因差异具有可遗传性。生物体含有成千上万个基因,研究人员认为任何单基因的突变对生物体的影响应该是微乎其微。但是,以秀丽隐杆线虫为模式生物,科研人员发现了一项具有里程碑意义的研究,单基因敲除age-1产生40%~60%的寿命延长,这大大打破了科研人员以往的认知。运用遗传学手段研究衰老的成果如雨后春笋,目前,根据GenAge上的数据,已经有800多个基因已经被鉴定出来参与调节线虫的寿命进程。

参与寿命调节的信号通路和过程


过去30年对于衰老研究已经从简单地鉴定寿命长短转变为探索影响寿命长短的遗传通路。衰老的遗传学研究揭示了一系列复杂的细胞内信号传导途径和生物学过程。

胰岛素类生长因子信号通路

20世纪90年代,美国加州大学旧金山分校的Keyon教授为了找到秀丽隐杆线虫中的衰老调控因子进行一系列的遗传筛选工作,发现在25℃,daf-2突变体会使得秀丽隐杆线虫在幼虫时期进入dauer(发育停滞)状态;daf-2突变体产生2倍的寿命延长。进一步的研究发现,daf-2和daf-16作用在同一条信号通路参与调控线虫dauer的形成以及寿命的调控。线虫中这些与寿命调控相关的基因与哺乳类动物中胰岛素类信号通路的关键作用因子是同源物。age-1基因编码磷脂酰肌醇-3激酶,daf-2基因编码胰岛素样受体,daf-16基因编码FOXO样转录因子。令人惊喜的是,抑制酵母和果蝇中胰岛素类信号通路中的关键因子可以延长了寿命。这表明胰岛素样信号通路对于寿命的调控在多个物种中是保守的。这说明我们从模式生物中探索人类衰老进程是可行的。

雷帕霉素受体信号通路

雷帕霉素受体蛋白最早在雷帕霉素的研究中被鉴定出来。早期的研究发现雷帕霉素具有显著的抗真菌特性,进一步的研究发现,其还可以抑制细胞的生长和参与免疫调节。随后在酵母中鉴定出抑制雷帕霉素产生的细胞周期阻滞特性的突变体,分别是编码TOR1和TOR2基因的突变。雷帕霉素受体受营养和生长因子的激活,通过调节mRNA翻译、自噬、线粒体功能、核糖体合成及代谢等生物学过程,促进细胞的生长与增殖。TOR与饮食限制之间存在一定的关系。饮食限制对机体是有益,从进化学角度分析认为,饮食限制条件下,能量分配会从生殖生长倾向于维持体细胞运行转变,从而延长寿命。TOR作为一个保守的营养感应因子,在多个物种中被发现参与调控生长和维持能量转换以及寿命等过程。TOR途径的各种组分活性抑制的果蝇可以模仿饮食限制产生寿命延长。另外一个瞩目的发现是:当同时抑制TOR和胰岛素类信号通路中的关键因子rsks-1和daf-2可以产生5倍的寿命延长。

Sirtuins and NAD+

1995年,运用遗传筛选手段鉴定影响寿命的表观遗传“沉默”因子。Sir2被鉴定出是一种保守的蛋白质,参与调控酵母的寿命。Sir2编码一种去乙酰基酶,呈现出NAD +依赖性的去除组蛋白中的乙酰基。酵母饮食限制条件下,Sir2可以诱导产生寿命延长的表型。其他物种中也将Sir2相关蛋白都统称为sirtuins,通常利用其蛋白质脱酰酶的作用,去除目标蛋白赖氨酸残基上的酰基,包括乙酰基、琥珀酰基和丙二酰基。小鼠和人中共有七种sirtuins蛋白。SIRT1,SIRT2,SIRT3,SIRT6和SIRT7是真正的去乙酰基酶,而SIRT4和SIRT5不表现出去乙酰基酶活性,但是会去除蛋白质赖氨酸残基中的其他酰基。值得注意的是,SIRT1,SIRT2,SIRT6和SIRT7可能具有表观遗传调节因子的作用,而SIRT3,SIRT4和SIRT5位于线粒体中。

NAD +是所有活细胞中关键的氧化还原辅酶。它既可作为关键的辅酶,将一个反应的电子传递到另一个反应来促进氧化还原反应,也可作为其他酶的底物,如sirtuins和聚腺苷二磷酸 - 核糖聚合酶(PARPs)。越来越多的证据表明,NAD +水平和sirtuins的活性随着衰老的发生会降低,同时,高脂饮食饲喂的动物也会使得这两者降低。但是,当饮食限制、禁食、葡萄糖限制,或者是运动都会使得NAD +水平升高,促进寿命延长和提高健康水平。结合一系列的研究,使用NAD +补充剂可能会产生寿命延长。

Circadian clocks (生物钟)

对sirtuins 和NAD +的研究也帮助我们了解了生物钟与衰老之间的联系。NAD +水平呈现昼夜节律方式波动,通过SIRT1表观遗传机制将外周时钟与代谢的转录调节联系起来。在哺乳类动物小鼠中,核心的生物钟机制是BMAL1和CLOCK直接调节NAD +补救途径中NAMPT的表达。SIRT1的去乙酰酶活性取决于NAMPT的存在。同样的,其他几种稳态反应也受生物钟的调节。衰老的一个常见标志是昼夜节律行为(睡眠 - 觉醒周期)的逐渐丧失和昼夜节律相关基因的表达受到抑制。饮食限制对生物钟有显著的影响,以小鼠和果蝇为研究对象发现饮食限制通过影响节律相关基因的表达促进昼夜节律的稳态影响生物钟。更重要的是,饮食限制促进果蝇和小鼠寿命延长的过程需要生物钟过程的参与。

线粒体和氧化应激反应

在20世纪50年代,一些理论认为机体内源性产生的或者是基础代谢过程如呼吸产生的氧自由基分子是促进衰老发生的关键元素。这些理论的依据来源于线粒体产生的超氧化物是衰老病理生理学的关键介质。实际上,随着科技发展,研究人员发现随着年龄的增长,氧化损伤会在物种的多个组织中进行堆积。我们不能否定的是这些氧化损伤主要是由年龄增长引起的,但是氧化损伤的堆积是否是造成衰老的原因依旧是未知的。在20世纪90年代和21世纪初,研究人员在模式动物中过表达参与自由基分子解毒反应的关键因子如超氧化物。其中有多个产生寿命延长表型的模型,这些研究表明新陈代谢过程中产生的氧化损伤在某种程度上限制了寿命。然而,这一研究结果在小鼠中进行验证的时候受到了挑战。在小鼠中过表达线粒体抗氧化过程中的关键因子超氧化物歧化酶2与野生型相比并没有寿命延长的表型。但是进一步的发现特异性地将过氧化氢清除蛋白过氧化氢酶靶向到线粒体上可以显著的改善小鼠的健康状况和促进寿命延长。这些矛盾的结果并不奇怪,因为线粒体内的自由基的产生是复杂的,呼吸链中至少有十处反应节点可以诱导产生氧自由基,而且不同的生理状态,不同的年龄以及不同的细胞类型产生氧自由基的效率也是有很大的差异。

虽然机体中高水平的氧自由基与细胞损伤和炎症有关,但是低水平的氧自由基可以通过适应性应答反应(Mitohormesis)增强细胞的抵御能力。这种Mitohormesis能力也是当线粒体功能受到损害时,仍旧可以促进线虫、苍蝇和小鼠中寿命延长的原因。用线虫作为模式生物进行全基因组筛选发现敲降参与电子传递链过程的几个基因可以显著的延长寿命,这个过程需要UPRmt(Mitochondrial unfolded protein response,线粒体未折叠蛋白应答)的参与。破坏神经元中的线粒体功能能够细胞非自主性的激活肠道中的UPRmt,预示着存在协调组织间代谢调控的信号因子。线粒体功能紊乱会在转录层面影响很多过程基因的表达,包括参与调控蛋白质折叠的基因,抗氧化防御相关基因和新陈代谢相关基因。UPRmt受若干因素的调节,包括转录因子ATFS-1,DVE-1以及泛素样蛋白UBL-5,线粒体蛋白酶ClpP和线粒体内膜转运蛋白HAF- 1。

Senescence (细胞衰老)

60年前,人体细胞的分裂能力是有限度的理论首次被发表。细胞分裂的停滞在后期的研究中被认为是细胞衰老的一种现象。细胞衰老的特征主要表现在三个方面:细胞增殖停滞,抵抗细胞凋亡以及复杂的衰老相关表型的发生。细胞增殖受阻主要是由于端粒变短功能丧失引起的。功能失调的端粒会引发持续的DNA损伤反应,进而诱导细胞周期停滞和衰老相关因子的表达。例如一些致癌因子诱发衰老就是由于基因复制紊乱以及DNA损伤导致的。细胞培养研究表明,细胞衰老是各种衰老表型和疾病发生的标志。

免疫衰老

免疫系统的衰老被称为免疫衰老,是“炎症”的原因之一,是指生物体在年老时,其细胞和组织中炎症标志物的水平升高,这会导致慢性炎症的发生。与急性炎症相反 ,这是一种旨在保护宿主免受感染和伤害的进化保守机制。免疫衰老与很多衰老相关疾病有关,包括癌症、II型糖尿病、心血管疾病以及神经退行性疾病。

蛋白质稳态

蛋白质稳态是主要是维持蛋白质结构和功能的重要过程,在衰老进程中被打破。蛋白质组的稳定性与生物体的寿命存在很大的关系,例如在自然条件下,随着衰老进程的发生,大量的蛋白质会在胞质内沉积,而裸鼹鼠体内蛋白水解酶的活性升高,蛋白质组的稳定性升高,寿命延长。同样的,在秀丽隐杆线虫中,这些不溶性蛋白质的高度富集影响寿命。影响寿命的主要途径也参与调节保护性因子的表达水平。例如,胰岛素信号通路控制分子伴侣的表达, TOR信号通路调节许多形式自噬的发生。

科学手段延缓衰老的转折点

随着对衰老分子机制的深入了解,运用科学的手段延缓衰老可能不再是遥不可及的梦。根据早期的研究,参与寿命延长过程的基因有很多,这预示着衰老过程中的可塑性水平远高于预期。其次,参与调控衰老进程的信号通路在酵母,线虫,果蝇,小鼠及人类中具有高度保守性。这些发现预示着以模式生物为研究基础探索衰老相关因子为延长人类寿命和提高生活质量提供了可行性。

未来的挑战

将模式生物中获得的研究成果转移到人类上仍面临着巨大的挑战,需要克服几个关键的困难,如下所述。首先,在特定的遗传环境中获得的有效的干预措施可能在另一种遗传环境中不起作用。例如,对多种重组近交系小鼠进行饮食限制,分析发现寿命有长有短。另外,人口群体存在很大的遗传异质性,这与疾病易感性、寿命以及个体对药物的反应有很大的关系。这种异质性是当前精准医学领域的基础,其旨在识别疾病的关键遗传决定因素并定制对独特遗传变异的干预和治疗。此外,人类个体中存在自然遗传变异,药物干预可能在不同的人类中取得不同的结果。最后,在模式生物中的研究并不总能预测在人体中的现象。这可能是由于小鼠和人之间的内在生物学差异。生物学的复杂性以及影响生物表型的已知和未知变量的多样性导致研究相同生物的不同实验室之间的差异性,不仅在小鼠研究中,在其他模式生物中已然存在。

临床试验的药物

美国衰老研究所实施的ITP计划(Intervention Testing Program)已经确定了五种促进小鼠寿命延长的药物,包括雷帕霉素、阿卡波糖、去甲二氢愈创木酸、17-α-雌二醇和阿司匹林。这些药物中的一些可以显著地改善动物模型的健康状况。在延长小鼠寿命的其他研究中发现metformin,靶向血管紧张素转换酶和醛固酮受体的药物,以及sirtuin活化剂具有显著的作用。但是这些药物需要进一步的工作来验证其功效。目前,正在进行测试的具有延缓衰老的另外五种药物包括二甲双胍、雷帕霉素类似物、Senolytics、Sirtuin激活剂、NAD +前体。但是需要注意的是药物延缓衰老依旧是一条漫长的道路。

运动改善生活质量

虽然目前人们更多的注意力都集中在药物开发上,但值得注意的是运动是一种真正有效的延缓衰老以及提高生活质量的方式。目前研究发现衰老引发的功能性障碍在没有合适的治疗方法时,运动是唯一一种能够显着改善机体、提高生活质量的方法。

饮食和衰老

饮食可能是影响健康和衰老最重要的因素之一。然而,这是一个非常复杂的领域。衰老领域几乎专注于研究饮食限制对寿命和健康影响,暴饮暴食及肥胖会缩短寿命并降低健康状况。不可否认的是合理的饮食的习惯与寿命的延长和慢性疾病的发病率之间存在着密切的关系。令人兴奋的近期的研究发现饮食限制(5天正常饮食+2天限制饮食)可以显著改善人类的健康状况。另外,生酮饮食被发现可以被用作儿童癫痫的治疗方法。衰老研究依旧是一条任重而道远的路。

探索衰老的生物学标志物

在过去的40年里,医学的发展经历了一种渐进式的转变,从“sick care”(疾病发生后再进行治疗)转变成“health care”(识别疾病发生前特有的表征,对疾病进行预防)。例如,胆固醇含量升高及血压升高都不是疾病,但是这两者却是心肌梗塞和中风疾病发生的主要表征。同样地,衰老严格意义上也不是一种疾病,但是多种慢性疾病都会伴随着年龄的增长呈现很高的发病率。识别衰老的生物学标志物可以帮助我们更好的寻找延缓衰老的方法,降低衰老相关疾病的发病率。衰老进程是一个非常复杂的过程,多年来识别衰老的生物学标志物仍旧是一个尚未攻克的难题。

原文链接:

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1365-2

查看更多
发表评论 我在frontend\modules\comment\widgets\views\文件夹下面 test