衰老相关基因研究进展

葛 亮 王 桦 曾尔亢 张艳芳

(武汉大学中南医院，湖北 武汉 430071)

衰老是指伴随着年龄增长而产生的一系列生理和解剖学方面的变化，也是人体对内环境和外环境适应能力逐渐减退的表现，是生物体在生命后期阶段出现的全身性、进行性、多因素共同作用的循序渐进的退化过程，是生命过程的必然规律〔1〕。衰老可表现为头发花白、皮肤褶皱、行动迟缓、相关激素分泌减少、记忆功能减退及多种脏器退行性变化等〔2〕。从整个衰老的分子特征来看，可以概括为：基因组不稳定、细胞衰老、端粒损耗、表观遗传改变、干细胞耗竭、细胞间通信改变、蛋白稳定性丧失、营养感受紊乱、线粒体功能紊乱等特点〔3〕。衰老从开始到显现退行性变化需要经历非常漫长的时间，目前的研究结果来看，并没有观察到明确的程序性现象〔4〕。衰老的学说很多，包括自由基学说、遗传程序学说、细胞凋亡学说、差错灾难学说、交联学说、脂褐素累积学说、内分泌功能减退学说、遗传基因衰老学说等，分别从不同的角度探讨了衰老发生的机制。近年来，衰老遗传学说在衰老机制的研究中占有重要地位，目前已寻找到一些与衰老有关的衰老基因和长寿基因，并发现至少有4条基因通路属衰老相关基因〔5〕。人类的长寿与衰老是一对矛盾体。长寿与衰老并非取决于单个基因，衰老相关基因亦应有“长寿基因”和“衰老基因”之分〔6〕。细胞中是否存在调控衰老进程与寿限的“长寿基因”与“衰老基因”是近十年来探索的热点。对模式生物研究的结果表明，基因的确可以影响生物的衰老及寿限。目前已知衰老并非单一基因决定，衰老相关基因并非一种，很可能是一个基因群〔6〕。

1 人类早老相关基因

人类对病理性衰老相关基因的研究取得了重大突破，认为疾病密切相关与加速衰老的早衰综合征由基因引起，例如：(1)Werner综合征，亦称成人早衰综合征，是一种常染色体隐性遗传病，以早生灰发、皮肤萎缩性改变等老人外观和提早出现老年病为特征。已知该综合征是DNA解旋酶WRN基因突变所致，该酶具有DNA解旋酶活性和核酸外切酶活性，其基因位于8号染色体短臂(8p12)，蛋白质产物位于核仁，可在核仁与基质间穿梭，参与调节DNA复制、修复、重组和转录，维持端粒长度，运作细胞周期S期DNA复制检验点等过程，从而影响衰老〔7〕。(2)由于LMNA (Lamin A/C)基因突变产生的郝吉氏(HGPS)儿童早衰症。HGPS早老症的典型表现是幼年期就早老，皮下脂肪消失，秃发，骨质疏松，因动脉粥样硬化死于20岁前〔8〕。(3)此外，具有衰老相关表型的人类单基因遗传疾患，还有着色性干皮病，侏儒-视网膜萎缩-耳聋综合征，缺硫性毛发营养不良病，布朗综合征，与X染色体连锁的α地中海贫血/智力低下综合征，举巴-马司第综合征，罗司门-汤姆生综合征等。

2 肿瘤抑制基因p16基因与衰老

p16基因是一种新型的肿瘤抑制基因〔9,10〕。p16蛋白与细胞周期蛋白D共同作用于(CDK)4，对细胞起调节作用。p16基因失活方式有多种，主要有点突变、缺失和高甲基化。p16基因编码的蛋白质即p16蛋白。关于p16基因与肿瘤关系的基础和临床研究比较多〔11～15〕，p16基因失活几乎与所有人类癌症有关联〔16～18〕。

p16基因在DNA水平、转录水平、转录后水平及p16蛋白结构与功能等各个方面都与人类癌症的发生有关系〔19〕。近年来的研究发现p16基因与衰老相关，它在衰老细胞中的表达要比年轻细胞高10～20倍，可作为衰老标志。通过对p16基因作用机制及其调控的研究，抑制p16基因的表达，DNA修复能力增强，端粒缩短速度减缓，细胞衰老程度减轻，寿命得以延长。p16基因不仅可影响细胞寿命和端粒长度，还被认为是人类细胞衰老遗传控制程序的重要环节之一。它促进衰老的机制是通过调节Rb蛋白的活性，而非激活端粒酶。同时相关研究发现，负调控机制减弱是p16基因在细胞复制性衰老时高表达的重要原因〔19〕。

3 Klotho基因与衰老

Klotho基因是由Kuro-o等〔20〕在1997年发现的与衰老相关的新型基因。Klotho基因可产生两种蛋白:膜型Klotho蛋白和分泌型Klotho蛋白〔21〕。Klotho是新的抗衰老基因，广泛参与体内的生物学过程，影响多条信号通路，过表达延长生命、低表达加速衰老。Kurosu等〔22〕研究证明，高表达Klotho基因组小鼠的寿命均显著长于野生型组，对Klotho 基因剔除的衰老小鼠模型转入Klotho基因后，小鼠的衰老症状明显改善。Klotho基因的单核苷酸多态性与机体寿命、骨质疏松等相关，表明Klotho基因参与调节机体寿命及衰老相关疾病的发生〔21〕。Yamamoto等〔23〕检测Klotho基因高表达转基因小鼠和野生型小鼠尿中8-OhdG(活体内DNA氧化损伤的生物标志)分泌量，发现转基因小鼠的8-OhdG分泌量仅为野生型小鼠的1/2，表明Klotho基因能降低机体内DNA的氧化损伤。其他研究发现13号染色体的单基因Klotho突变会引起广泛的老化表现，包括动脉硬化、软组织钙化、血管钙化、活动减退、肺气肿、皮肤萎缩、性腺发育不良、不孕不育、共济失调、低血糖等，这些现象都与1，25-二羟维生素D3浓度增加有关。Klotho作为一种激素抑制细胞内胰岛素和胰岛素样生长因子(IGF)-1信号通路。抑制胰岛素/IGF-1信号可减弱Klotho缺陷小鼠的老化表现，提示Klotho通过抑制胰岛素/IGF-1信号而发挥抗老化作用。Klotho表达丢失导致多种老化样表现型，过度表达Klotho基因可延长20%～30%的寿命〔25〕。Klotho基因在调节哺乳动物的老化和老化相关疾病的发展中扮演关键角色，其表达于有限组织，但它的表达缺陷却会引起小鼠几乎所有器官系统的多种老化表现〔26〕。Klotho基因是与衰老有关的新基因，目前其多态性与疾病易感性的研究主要集中在心血管、骨质疏松和糖代谢方面的研究，而与衰老、肿瘤和免疫功能关系的研究相对较少，有关Klotho基因多态性与疾病的关系研究也应考虑这些方面。有助于阐明衰老的分子机制及内在本质，更好防治衰老性疾病、延长人类寿命。

4 Sirt基因家族与衰老的关系

近年来人们通过对酵母、线虫、果蝇、小鼠等不同物种的沉默信息调节因子(Sir2)基因家族的研究发现，Sir2基因家族也是一类重要的调控寿限的基因，其能从遗传角度影响寿命，还能从限制热量的代谢角度调节细胞寿命。最初在酵母中发现的Sir2是一种NAD+依赖性去乙酰转移酶，在对于酵母寿限的调节方面发挥着重要的作用〔27〕。后通过开展热量限制延长酵母寿命方面的研究，发现Sir2在其中起重要作用〔28〕。这些发现开启了对Sir2及其在哺乳动物中的同源蛋白——Sirtuins家族的研究。

由于Sirtuins是一种NAD+依赖性去乙酰化酶，通过赖氨酸去乙酰化改变蛋白质的活性及稳定性来调控衰老过程〔29〕。Sirtuins家族中，目前研究发现SIRT1、SIRT3、SIRT6与衰老有关，其中SIRT1和SIRT6是探究衰老机制与干预的研究热点。SIRT1基因在衰老小鼠的成纤维细胞、肺上皮细胞、内皮细胞及暴露于氧化剂中的巨噬细胞中的表达水平有所降低。在啮齿动物中，SIRT1同样呈现出与年龄相关的表达水平的降低〔30～32〕。与同窝出生的其他野生小鼠相比，缺乏SIRT1的小鼠体积小且衰老更快。SIRT1调节因内皮功能障碍引起的心血管疾病的发展，通过产生内皮保护功能防止应激性过早衰老〔33,34〕。SIRT6具有与Sir2相似的生物学功能，除了能够调节新陈代谢、延缓衰老及修复损伤DNA外，在近期的研究中发现敲除SIRT6的小鼠与对照组小鼠相比，发生了寿命缩短的现象，同时伴有骨密度降低、淋巴细胞减少、皮下脂肪减少等早衰症状〔35〕。Jiang等〔36〕报道SIRT6通过水解长链脂性酰基赖氨酸，调节肿瘤坏死因子(TNF)-α分泌，有助于机体抗炎效应而起到抗衰老作用。Sirtuins家族成员能够调控多种机体生物学过程，具有多种生物学效应，因而成为干预衰老和衰老相关疾病研究中备受关注的潜在靶点。

5 p53基因与衰老

p53基因是目前研究较清楚的一种抑癌基因，其结构和功能都已经比较明确。研究发现p53基因是细胞生长周期中的负调节因子，与细胞周期调控、DNA修复、细胞分化和细胞凋亡等重要的生物学功能有关，在抑制肿瘤细胞生长的过程中起重要作用〔37〕。在肿瘤的放疗过程中，p53基因的正常功能对提高放射敏感性和肿瘤细胞的凋亡起关键作用，野生型p53基因通过激活或抑制相关基因，使肿瘤细胞周期阻滞，抑制肿瘤细胞放射损伤的修复，促进肿瘤细胞的凋亡，增强肿瘤细胞对放疗的敏感性〔38〕。p53基因是迄今发现与人类肿瘤相关性最高的基因。二十多年来，人们对p53基因的认识经历了从癌蛋白抗原，癌基因到抑癌基因的三个认识转变，现已认识到，引起肿瘤形成或细胞转化的p53蛋白是p53基因突变的产物，它是一种肿瘤促进因子，可以消除正常p53的功能，而野生型p53基因是一种抑癌基因，其失活对肿瘤形成起重要作用〔39〕。

p53基因在机体的生长发育、新陈代谢及衰老等生理学功能中也起到非常重要的作用。研究表明p53蛋白是细胞周期中的相关蛋白，参与细胞增殖的调节〔40〕。p53基因在正常情况下表达不稳定，表达水平低，DNA损伤后p53表达升高。p53对细胞周期的调控机制目前认为是通过N端末端的转录激活区及序列特异性DNA结合区诱导下游基因表达，从而实施调控〔41〕。p53基因的表达与端粒长度及端粒酶活性相关，共同参与细胞衰老调节〔42〕。骨髓干细胞(MSCs)是属于中胚层的一类多能干细胞，具有免疫调节及诱导免疫耐受的能力,具有向成骨细胞、软骨细胞、肌细胞、骨髓基质细胞、脂肪细胞、肝脏细胞和神经细胞等多种细胞分化的能力。Komine等〔43〕研究发现，p53蛋白参与调节MSCs的增殖与分化，在MSCs衰老中起着非常重要的作用。

6 载脂蛋白(ApoE)基因与衰老

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，E2，E3和E4，分别由不同的等位基因编码，并与特异的脂蛋白受体作用，能够改变血循环中胆固醇的水平〔44〕。越来越多的证据表明，ApoE基因在人类老年性疾病中扮演着重要角色，其多态性与多种人类衰老性疾病的发生发展密切相关。目前关于ApoE基因与心血管疾病、认知功能下降和阿尔茨海默病(AD)的研究较多。在排除环境因素后，ApoE4等位基因与高水平的总胆固醇及低密度脂蛋白的胆固醇有关，并通过增加低密度脂蛋白胆固醇含量而增加罹患心血管疾病如冠状动脉粥样硬化性心脏病风险〔44〕。韩永凯等〔45〕研究发现，ApoE4等位基因可以引起脂质代谢紊乱，试验组ApoE4等位基因频率高于对照组。ApoE4等位基因在AD及首次脑卒中后的血管性痴呆(VD)患者中出现频率增加，其含量与AD患病率呈正相关，表明ApoE基因型是AD、VD可能的遗传决定因子〔46〕。除了心血管疾病和老年痴呆表现以外，相关研究表明，ApoE基因敲除小鼠还呈现出许多老龄化特征：如毛囊丢失、毛发褪色、生精细胞和生精小管退化、寿命缩短〔47〕，提示ApoE基因可能在衰老过程中发挥重要作用。

衰老过程存在着遗传程序控制，人类衰老的异质性和寿命周期的差异说明衰老过程是基因和环境因素共同作用的结果，而个体的最高预期寿命取决于其遗传背景,能否真正存活到相应年龄则取决于其所处环境、生活方式和人生经历。针对延缓衰老的有效途径，研究方向由原来的宏观水平到细胞、基因水平，再到基因功能，希望通过抑制或调控长寿相关基因来延缓衰老，达到健康长寿的目的。现代生物医学研究表明，基因是决定细胞衰老、组织器官衰老、系统衰老和机体整体衰老的内在关键因素，外界环境因素是促进衰老和衰老速度的外在因素，人类的长寿是基因(内因)和外界环境(外因)共同作用的结果。基因调控下的衰老的程序性激发，启动了机体的衰老开关，开始了衰老的进程，进而细胞凋亡及机体组织器官功能细胞数量减少。衰老的早期变化发生于长寿和衰老相关基因的活性表达变化，这时尽管机体各种组织器官结构尚未出现衰老性萎缩和器官功能的衰老性下降，然而长寿和衰老相关基因的活性表达已发生变化〔48〕。因此，通过长寿相关基因检测、预知机体的衰老状态和衰老速度，采取针对性的预防和保健措施，采用可控手段，如干细胞回植，让更多的长寿基因表达，将有效地进行衰老预防和疾病治疗。

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