长寿相关基因研究新进展

王 林 常晓天 (山东省医药生物技术研究中心,山东 济南 250062)

长寿相关基因研究新进展

王 林 常晓天 (山东省医药生物技术研究中心,山东 济南 250062)

长寿相关基因;单核苷酸多肽性;基因

老化现象的异质性以及长寿的差异表明老化过程是基因和环境因素相互作用引起的〔1〕。研究发现长寿的生命个体总是免于那些与年龄有关的疾病诸如心血管疾病,糖尿病,肿瘤等,而基因遗传在其中发挥了很重要的作用。Barzilai等〔2〕发现 4号染色体上的一个基因座位与衰老有关。一项对 90岁以上高龄人群的基因组系统分析发现,很多长寿候选基因表位与以前报道发现的心血管疾病、精神紊乱和组织破坏有关的易感基因连锁〔3〕。H jelm borg等〔4〕发现基因对寿命的影响在 60岁之前表现并不明显,而在这之后增高,这就证明了基因影响人类寿命的论据,而且这种现象在高龄人群中更明显。

1 心血管疾病相关基因

心血管疾病是影响中老年人群寿命中很重要的疾病。目前关于它的研究都集中在脂代谢方面。

1.1 载脂蛋白 E(ApoE) ApoE是唯一拥有共同变体基因表达的蛋白质,并认为其与长寿有关。它有 2,3,4三种亚型,由不同的等位基因编码,并与特异的脂蛋白受体作用改变血循环中胆固醇的水平。Ch ristensen等〔5〕发现 ApoE4不仅是患心血管疾病和阿尔茨海默病的高危因素,也是患者暴露于高危环境后更易受其他疾病损坏的载体,比如脑外伤后携带它的患者更易患慢性脑损伤,外周动脉粥样硬化糖尿病衰退期的患者如果携带它更易有认知上的障碍。

1.2 胆固醇酯转化蛋白 (cho lesteryl ester transfer p rotein, CETP) CETP调节胆固醇酯的逆向转运和高密度脂蛋白(HDL)水平,高水平的低密度脂蛋白 (LDL)和低水平的 HDL是心血管疾病的高危因素。实验动物模型表明,在鼠中可以表达的CETP如果在鼠中不表达,这样的小鼠就会有高脂血症、心血管病和低存活率,该发现使 CETP基因成为人类老化的关键候选基因。最近 Barzilai〔6〕发现,CETP基因的一个共同功能变异体同合子VV的相对频率在接近 100岁的考察对象中密集度为 25%,而在大约年轻 30岁的人群中仅为 8%。他们进一步发现CETPVV基因型与低水平CETP和高水平LDL有关。而HDL可以降低高血压、心血管疾病和与衰老有关的代谢疾病的发生率〔2,7〕。他们还发现高 HDL水平和大的 HDL颗粒可以保护认知功能,阻止因年龄的增长而产生的功能性降低,这表明HDL在保护由于老化引起的认知下降时作用比LDL更大。实际上,增高的 HDL水平(与 70岁对象的颗粒大小有关)可能防止阿尔茨海默病和其他形式的痴呆〔8〕。这些研究也间接证明了 CETP基因作为长寿基因的可能性〔9～11〕。

1.3 微粒体甘油三酯转移蛋白 (m icrosom al triglyceride transfer p ro tein,M TP) 最近对两组独立的高加索长寿人群样本分析,发现M TP基因中的一个 SNP在这种人群中呈高表达,M TP基因的这种变化之所以改变人类寿命,是它参与了脂类代谢的结果。但同样的结果却无法在美国人群中重复〔12〕。除了脂代谢方面的研究,长寿相关基因在其他方面也有所发现,比如血管紧张素转化酶。Forero〔13〕在高加索样本不同年龄人群中发现它的突变基因型在老年人中的频率降低,而在女性中常见。另外,L isti等〔14〕发现连接蛋白 371019T等位基因的变异与冠状血管疾病和心肌梗死有关,在长寿人群中低表达,但在相关疾病的对照中高表达,而在年龄相关正常人的对照中则是中等水平。这些都证明了长寿基因的存在和重要作用。

2 免疫系统相关基因

在对不同国家人群作比较之后,发现白介素-10(IL-10),干扰素(INF)这些长寿相关因子拥有人种特异性成分。受人种特异性基因池和基因环境相互作用的影响,它们所起的作用是增强存活能力,但并不能保证长寿〔15〕。

2.1 IL-10和肿瘤坏死因子α(TNF-α)基因与长寿的关系IL-10基因的促进区-1082G-A突变对男性的长寿起很大作用,这是L io〔16〕在研究 IL-10或与 TNF-α促进区-3082A-G突变相互作用时发现的。IL-10的作用是限制并终止炎症反应,TNF-α决定局部或系统炎症的程度、时间和效力。关于这两个细胞因子作用效果的研究很多,一般认为它们在宿主对待病原菌时起很重要的作用。但当 IL-10和 TNF-α表达量过多时又会引起自身免疫性炎症反应。研究者预言高表达的 IL-10和低表达的TNF-α可以起到预防老年性疾病的作用〔16〕。在研究者所做的有关老化的实验对象中发现,抗炎性基因型由于其慢性促炎性反应的作用可能在生命晚期发挥很大作用〔16〕。这种他们称为“炎性老化”的现象在男性中出现的比率高,这也就可以解释实验对象中老年男性的表达量高的现象,而且它说明炎性标记可以预测相应老年组中的功能损坏和死亡,并且持续的炎性状态预示着它们可能参与到老年相关慢性疾病的致病机制中〔16〕。

2.2 IL-6基因与长寿 Hurm e〔17〕发现 IL-6因子参与了长寿遗传的调控,在对表达它的基因进行多态性分析时还发现174G/C的 SNP型在老年与年轻人的比较中有显著差异,并且174G型的人群更易长寿,但这种效应在女性中常见。这也就证明了炎性因子的数量与老年人的寿命呈负相关,并且表达这些因子的基因可能与长寿的遗传有一定关系。

2.3 地中海热蛋白 (M editerranean fever p rotein,M EFP)与长寿一些研究表明,携带炎性疾病易感基因的人群长寿几率很小,促炎性疾病基因型对心血管疾病来说是高危因素,而且发现通过抗炎治疗有助于长寿。Grim aldi等〔18,19〕对M EFP基因的M 694V(A 2080G),M 694 I(G2082A)和V 726A(T2177C)三种突变型进行了分析,发现只有 M 694V突变型在所研究的人群中出现,而这种突变型在地中海人群中出现最频繁,而且身患炎症并同时携带M EFP突变型的患者似乎更易患更严重的疾病,但它的突变并不增加患动脉粥样硬化的易感性而是可能影响它患病后的严重程度和复杂性〔20〕。

3 代谢相关途径基因

基因对代谢相关途径的调控发挥很重要的作用,而这些途径包括胰岛素/胰岛素样生长因子 -1(IGF-1)信号途径,线粒体电子传递信号途径,饮食调控限制机制途径等〔21〕。并且对这些激素途径的抑制可提高寿命和延缓年龄相关性功能降低〔22〕。

3.1 胰岛素/胰岛素样生长因子受体通路 (dauer form ation pathway,daf pathway) Halaschek-W iener等〔22〕通过与正常模型对比,发现在 C.elegans(一种线虫,作为一种成熟的模式系统用于研究与生长,生殖及老化等相关的基因功能)中的 daf-2突变型是低代谢的,它表现在生物合成和分解代谢活性方面。daf-2突变型确实在生命周期中表达低水平的与代谢有关的转录物。实验中发现 daf-2突变型和正常对照组的比较,生命周期延长,死亡发作延缓。

3.2 胰岛素/胰岛素样生长因子-1信号途径 van Heem st〔23〕发现这条途径活性的降低与女性长寿有关。在分析基因多态性时发现这条信号通路的组成部分生长因子 1的多态性对提高女性寿命所起的作用最大;并且这种多态性的出现与低体重有一定关系。从以上研究可以发现,这条通路轴的调节可以在生物学上决定性别,而这可以解释在实验中发现的性别差异。

4 线粒体相关基因

线粒体是细胞的氧化中心和能源供应站,线粒体DNA是细胞核外存在的唯一遗传物质,有编码区和非编码区组成,个体间存在的差异主要是非编码区的控制区。线粒体老化学说表明,由年龄导致的生理功能的下降是因为电子在线粒体中传递时由活性氧簇产生的细胞破坏引起的。因为线粒体功能是由线粒体基因和核基因共同编码的,所以线粒体遗传学受很多因素控制。有迹象表明线粒体DNA单元型的变化与长寿的变化有关。但是,一些携带与疾病有关的变异单元型的人的寿命也很长,这表明基因背景在人类老化中也是很重要的调解者。大量实验结果表明即使是缺陷型的线粒体DNA,仍然可以在不同的核等位基因型的背景下发挥延长寿命的作用,这就证明了人类老化中线粒体可以扮演不同的角色〔24〕。线粒体对老化的作用与其分散度是平行的,即使是相对分散的线粒体等位基因,与核基因背景的上位相互作用也是使线粒体遗传学中导致老化的重要部分。这种上位性可以解释它的变异为何在不同人体中有不同表性效应,从而可能掩蔽线粒体对人体老化和疾病的作用。所以有关确定线粒体基因型对老化作用的研究应该将其基因型的多种不同基因背景包括进去〔24〕。

以前的研究表明在衔接蛋白 p66shc上的纯合子缺失会延长其寿命,以及由这些鼠得来的细胞表现出低水平的氧活性〔25〕。研究者发现 p66shc的一部分就定位在线粒体上,并且拥有此基因型的成纤维细胞可改变线粒体的能量供应。p66shc调控线粒体氧化能力,并通过把能量从氧化分配到糖酵解来提高寿命〔25〕。

虽然在对氧的需求量和抵抗长时间的缺氧方面,人类和蠕虫间的差异很大,但已有很多表述果蝇长寿突变可改变线粒体代谢的例子,同样 RNA干扰法也可阻止线粒体电子传递或其他重要蛋白,从而导致蠕虫的氧耗量降低和相应的长寿命。因此,正如最近的假设,线粒体代谢水平的降低是延长小动物生命的重要方式,这些结果,连同鼠中 p66shc_/_的变化都可延长生命,使这个范例也可应用于人〔25〕。

5 端粒方面

研究者早就发现端粒与培养细胞的复制潜能呈负相关,说明端粒在人体组织中长度的缩短在细胞老化和组织衰老中发挥一定的作用〔5〕。有人假设,在人类中那些端粒短的人群要比长的活的时间短,但其他的一些研究并没能证明这一点〔5〕。研究发现,六种 sirtuins(一种抗衰老酶)与哺乳动物DNA修复和代谢有密切关系,其中以 SIRT1研究最广泛。最近几年的研究都表明 sirtuins在人体中呈多态性,提示它在人类健康和长寿中发挥一定的作用;SIRT1的等位基因变异型与能量消耗有关,而 SIRT3的多态性特别是在 5内显子内部增强子中的多态性与男性中超过 90岁的相关〔26,27〕。Gottlieb等〔28〕首次发现SIRT2是唯一用来抑制 X II染色体串联排列的 100-200重复拷贝重组的。端粒上的沉默区和配型表位与组蛋白有关,组蛋白在赖氨酸残基N-末端的ε氨基团中存在相对高乙酰化〔29〕,而SIRT2的高表达引起组蛋白明显的去乙酰化 (这也是它区别家族中其他成员的特点),而这可能对解释 SIRT3如何影响寿命起到提示作用。

6 人类白细胞抗原(HLA)

在人体形成免疫系统的最初阶段,就出现了个体差异,而这种差异是由 HLA分子决定的,这就形成了每个人对疾病抵抗的分子基础。正是由它的这种特点使其成为和人类寿命有明确关系的影响衰老的基因,亦是某些疾病敏感和防御的基因。通过对欧洲无亲缘关系的老年人和长寿家庭人员进行考察,Naumova〔30〕将研究焦点集中在第一、二类 HLA分子和细胞因子基因多态性上。初步结果显示,增高的 DRB1＊11和DRB＊16单元型有抗自身免疫性疾病的作用〔30〕。在对我国广西东兰县长寿老人的调查中,胡才友等〔31〕考虑携带 HLA DQA 10102等位基因的个体可能长寿,而 HLA DQA 10101,HLA DQB10301可能是长寿不利分子。

7 早老征综合征基因(W erner synd rom e,WRN)

WRN基因编码解螺旋酶 RecQ家族,它的突变可引起常染色体隐性遗传病,而一旦患有此病,绝大多数患者会在 50岁之前死亡,这也就成为影响人类寿命的重要基因,虽然到目前为止其分子机制还未搞清楚,但现有的资料表明这种正常基因参与修复DNA〔5〕。

8 遗传性血色病(Hereditary haemoch rom atosis,HFE)基因

HFE基因通过导致铁吸收紊乱致使血色病发生。研究者发现北欧有 10%～15%比率携带HFE变异体〔5〕。Chu等〔32〕发现丹麦人群中 HFE变异体频率高,C282Y变异体的携带频率有年龄相关性降低,暗示携带此载体的人寿命会缩短。

9 小分子 RNA(m icroRNA,m iRNA)

m iRNA由 21～22核苷酸碱基组成,可通过与编码区结合促进分裂和降解,或通过结合在 30不翻译区 (UTR)抑制翻译。它可指导细胞快速关闭促存活和氧化防御途径,使信号途径活化转向凋亡。W ang等〔33〕发现 m iRNA活性降低导致寿命降低,并通过调控胰岛素样生长因子信号途径最终影响细胞周期。他们还发现一个基因可被很多m iRNA识别,靶基因亚群被不同m iRNA共同调控,推断m iRNA的微小变化以及人到中年时这些m iRNA与靶基因的相互作用是老年性疾病分子衰弱的开始。

10 肿瘤抑制机制相关的基因

最近发现,长寿基因在肿瘤患者抗药性中发挥很大作用,影响肿瘤患者化疗愈后情况,也就是说肿瘤细胞选择衰老死亡还是抗药的能力决定了机体在用药时是药物敏感还是药物抵抗。鉴于长寿基因抑制衰老的能力,研究者推断长寿基因可以引起药物抵抗的发生。与药物敏感者相比,Chu等〔33〕发现在 5种抗肿瘤药物耐性细胞株中,长寿基因 Sirt1在 RNA和蛋白质水平上表达量都很高,化疗患者或组织检查也证实上述结果。而这个基因的变化在患者家族的其他成员中未发现,因而具有特异性。所以他们推测 Sirt1可作为一种潜在的标记物或调节者来指导肿瘤治疗。另外 Chu等〔33〕还发现小 RNA介导的对Sirt1的负性调节作用可改变这种抗性,并降低 P糖蛋白 (多重抗药分子,通过它可进一步了解药物抵抗发作的原因)的表达,这对肿瘤的治疗会有很大的指导意义。

11 其 他

生理性基因调节的基本框架是通过强制性活动的时代演变来的,因为旧石器时代的祖先靠打猎和采集生存,而现在坐式的生活方式也使个体组织功能的不适应。所以,从这层意思说,现在的基因组结构或功能与一些生活方式之间是失调的,可能引起异常基因的表达,从而导致慢性疾病和寿命缩短〔34〕。

以上研究表明,目前为止发现的长寿基因所涵盖的方面是很广的。能否发现一种或几种对长寿起到初始性作用的基因,并且通过它们调控或影响已发现的长寿有关基因或途径,并进而影响寿命,是研究者进一步去研究的方向。

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〔2008-03-18收稿 2008-06-25修回〕

(编辑 袁左鸣)

book=30,ebook=17

Q346.5,Q344.12

A

1005-9202(2010)03-0420-04

常晓天(1964-),男,博士,教授,研究员,硕士生导师,主要从事类风湿关节炎相关基因致病和癌变分子机制的研究。

王 林(1983-),男,硕士,主要从事长寿基因的研究。