衰老过程中炎症相关的信号传导通路研究进展

2016-02-15 06:28王珂欣周玉枝秦雪梅
中国药理学与毒理学杂志 2016年10期
关键词:抗衰老调控通路

王珂欣,高 丽,周玉枝,秦雪梅

(山西大学1.中医药现代研究中心,2.化学化工学院,山西太原 030006)

衰老过程中炎症相关的信号传导通路研究进展

王珂欣1,2,高 丽1,周玉枝1,秦雪梅1

(山西大学1.中医药现代研究中心,2.化学化工学院,山西太原 030006)

衰老是一个复杂的过程,是多因素共同作用的结果。越来越多的研究表明,炎症相关信号传导通路对衰老过程的调节具有重要作用,其中抑制NF-κB、西罗莫司(雷帕霉素)靶蛋白(TOR)、晚期糖基化终末产物受体(RAGE)和胰岛素信号通路,及激活抗衰老酶sirtuins家族成员沉默信息调节因子1(Sirt1)等均能不同程度地调控炎症,延缓衰老。NF-κB作为炎症信号通路的分子开关,能与其他通路相互关联,在调控炎性衰老方面起着核心作用。本文将对NF-κB、抗衰老酶蛋白家族、TOR、RAGE、Notch受体和胰岛素等炎症相关信号通路在调控衰老过程中的作用进行综述。

衰老;炎症;NF-κB;信号通路

衰老并非疾病,而是一种客观规律,是人体成年后组织和器官功能随年龄增长而产生进行性衰退的结果。目前衰老机制尚不明确,相关的学说包括自由基学说、细胞突变学说、基因程控学说和免疫衰老学说等[1],其中炎症反应在调控衰老机制方面起着重要作用。

在衰老过程中,天然免疫被激活并产生促炎介质,这个过程称为炎性衰老[2]。大量证据表明,衰老能产生促炎表型,其中白细胞介素1(interleukin-1,IL-1)、IL-6和肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)等典型炎症标志物水平的升高均能指征衰老。衰老与炎症是相互作用的,衰老过程常伴随炎症稳态失衡,而炎症又可导致衰老,因此有学者建议把慢性炎症作为衰老的生物标志物[3],可见炎症在衰老进程中扮演着重要角色。

炎症相关信号传导通路在调控衰老过程中具有重要作用,其中NF-κB、抗衰老酶家族、西罗莫司(雷帕霉素)靶蛋白〔target of sirolimus(Rapamycin),TOR〕、晚期糖基化终末产物受体(receptor for advanced glycation end products,RAGE)、Notch和胰岛素等信号通路能通过多种途径调控炎症(图1),最终影响衰老进程。在这些信号通路中,NF-κB信号通路的激活在衰老过程中起核心作用。活化抗衰老酶蛋白家族中沉默信息调节因子1(silent information regulator 1,Sirt1)通路,以及抑制TOR、RAGE和胰岛素等通路均可抑制NF-κB,从而抑制炎症反应,延缓衰老。

1 炎症信号通路的分子开关NF-κB

NF-κB作为一种核转录因子,能被多种病理因素激活,参与调控众多炎症因子基因表达,是多种促炎基因转录的必需因子[4]。大量研究显示,NF-κB通路涉及组织应激和损伤、细胞分化和凋亡、机体防御反应等过程[5]。

经典的NF-κB信号通路是当细胞受到促炎因子、病原体和生长因子等刺激后,激活NF-κB抑制剂(inhibitor of NF-κB,IκB)激酶(IκB kinase,IKK)并使IκB蛋白(IκBα、IκBβ、IκBγ、IκBe和Bcl3)磷酸化。IκB即发生多泛素化反应,再被蛋白酶体降解,随后NF-κB被转移到细胞核中,从而调控炎性基因等基因的表达,这是NF-κB作为转录因子的基本作用机制[6](图2A)。另一条NF-κB信号通路是当细胞受到刺激时,P52/RelB复合物中的P52磷酸化,使其自身局部水解,从而使P52/RelB释放进入核内,促使基因转录反应的发生,活化NF-κB信号通路[7](图2B)。

图1衰老过程中炎症相关的信号通路.Raptor(S792):mTOR调节相关蛋白(磷酸丝氨酸792);Pras40:富含脯氨液分子量为40 kuAkt底物,即蛋白激酶B(PKB/AKT)作用的底物;mLST8(GβL):哺乳动物重组G蛋白β亚基样蛋白;4eBP:真核细胞翻译起始因子4E结合蛋白;S6k:S6,核糖体蛋白S6激酶;IRS-1:胰岛素受体底物-1;AKT:蛋白激酶B;PI3K:磷脂酰肌醇3激酶;AMPK:单磷酸腺苷激活蛋白激酶;AGE:晚期糖基化终产物;ERK:细胞外信号调节激酶;MAPK:丝裂原激活蛋白激酶;NADPH:还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸;ROS:活性氧;ADAM:CBF1/无毛抑制蛋白/Lag-1,即金属蛋白酶解离素;Notch胞内域;CSL:转录复合因子蛋白;Maml:主导控制样蛋白.

图2 NF-κB经典信号通路(A)和NF-κB其他信号通路(B). IκB:NF-κB抑制剂;IKK:IκB激酶.

Helenius等[8]发现,NF-κB成分P52和P65在衰老的啮齿动物组织细胞核中显著增加。Laguire等[9]研究表明,NF-κB与肌肉分解代谢和合成代谢途径相关,并可能参与年龄相关的肌肉分化。Kim等[10]论述热量限制延缓衰老的机制与NF-κB、抗衰老酶蛋白家族Sirt1等炎症基因的表达调控密切相关。此外,在衰老相关的骨质疏松及流失的转基因小鼠中发现,抑制NF-κB可防止骨骼衰老及炎症[11]。以上研究表明,NF-κB是与衰老密切相关的调节因子,抑制NF-κB信号通路有助于延缓衰老及衰老相关疾病的发生。

NF-κB信号通路与衰老相关的其他信号通路如Sirt、哺乳动物TOR(mammalian TOR,mTOR)、RAGE、胰岛素样生长因子1(insulin-like growth factor-1,IGF-1)、Toll样受体(Toll-like receptor,TLR)、活性氧(reactive oxygen species,ROS)、TNF-α、P53和DNA损伤等联系非常密切,从而参与调控众多炎症因子基因的表达,形成影响衰老的网络体系。由此可见,炎症信号通路的分子开关NF-κB在调节衰老过程中起着核心作用,分别以直接或间接的方式影响衰老进程。

2 炎症中抗衰老酶蛋白家族与衰老

抗衰老酶蛋白家族是一组可调控生物寿命的Ⅲ类组蛋白去乙酰化酶。抗衰老酶蛋白家族有7个成员:Sirt1~Sirt7,每种蛋白分别对应不同的细胞靶标和细胞定位。这些成员在调节凋亡、脂肪和肌肉分化、能量消耗和糖原异生等生物过程中具有重要作用,是衰老和衰老相关疾病如糖尿病、代谢综合征和神经退行性疾病的重要调节剂[12],其中对Sirt1和Sirt6的研究比较深入。

Sirt1通过多种信号通路参与炎症反应、新陈代谢、细胞增殖、凋亡和衰老等过程。过表达Sirt1基因能延长果蝇等多个物种的寿命,抗衰老药物白藜芦醇是Sirt1的强效激活剂,且白藜芦醇能增强Sirt1介导的抗炎反应,这可能与其抗衰老作用相关[13]。Gao等[14]研究表明,红景天能延长D-半乳糖致衰老大鼠的寿命,其抗衰老机制可能是通过上调Sirt1,从而抑制NF-κB转录活性实现的。Kauppinen等[15]等发现,在急性炎症时,Sirt1通过激活单磷酸腺苷激活蛋白激酶(adenosine 5′-monophos⁃phate-activated protein kinase,AMPK)、过氧化物酶体增殖因子激活受体(peroxisome proliferator activatived receptor,PPAR),从而抑制NF-κB,减缓炎症反应。Xie等[16]认为,Sirt1对体内外的炎症反应起负向调节作用,而NF-κB正是其中一个靶点。

Sirt6是哺乳动物抗衰老酶蛋白家族重要成员,能调节DNA损伤修复、代谢、炎症反应和衰老。研究表明,在三丁基过氧化氢(t-BHP)诱导的Sca-1+造血干/祖细胞(HSC/HPC)模型中,人参皂苷Rg1可能通过调节Sirt6-NF-κB信号通路发挥其抗衰老作用[17]。Zhang等[18]研究表明,衰老小鼠接受6个月的热量限制饮食后,肾功能改善且Sirt6表达增加,敲除Sirt6后引起NF-κB过度激活和细胞衰老加速,可见Sirt6过表达通过减弱NF-κB信号传导延缓衰老。以上结果表明,Sirt1和Sirt6的上调或激活能抑制NF-κB转录活性,从而抑制炎症,延缓衰老。

抗衰老酶蛋白家族其他成员在调控炎症及衰老方面也起到一定作用,如Sirt3可抑制细胞内ROS生成,增强抗氧化活性,从而减弱氧化应激[19]。Sirt4可降低小鼠胰岛β细胞所分泌的胰岛素,从而调控炎症和衰老[20]。迄今研究发现,抗衰老酶蛋白家族的多个成员均能调节衰老,使其成为衰老相关疾病研究的潜在靶点。

3 炎症中西罗莫司(雷帕霉素)靶蛋白(TOR)通路与衰老

TOR是一种高度保守的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,参与调控细胞生长、分化、增殖、迁移和存活。TOR信号通路在胚胎发育期参与细胞生长,在成熟期参与细胞代谢,而到老年期,TOR信号通路往往会过度激活,导致多种衰老相关疾病的发生,如肿瘤和神经退行性疾病[21]。TOR是较为公认的调节寿命的信号通路。研究表明,当线虫和果蝇的TOR信号下调或失活时,其寿命增加;同样,当注射较低剂量的mTOR抑制剂西罗莫司时,可延长小鼠和酵母等物种的寿命[22]。TOR信号通路通过活化NF-κB而参与炎性衰老过程,导致细胞因子与炎性因子过度产生,引起衰老和老年性疾病的发生[23-24]。因此,抑制TOR信号通路对于延缓衰老起着关键作用。

mTOR上游分子磷脂酰肌醇-3-激酶(phos⁃phatidy linositol 3 kinase,PI3K)和蛋白激酶B(protein kinase B,AKT),通过调控mTOR的活性参与调控造血干细胞衰老过程,PI3K/AKT可上调mTOR活性,活化细胞增殖分化的信号通路,异常活化的信号通路导致造血干细胞加速向各系分化,最终导致造血干细胞的衰老及肿瘤形成。相关研究表明,PI3K/AKT信号通路在调控NF-κB通路中起到关键作用。在PI3K/AKT/mTOR信号通路中,抑癌基因PTEN磷酸水解酶在出现异常的情况下可解除对PI3K的抑制作用,激活AKT/mTOR等下游通路,活化NF-κB,从而调控炎症反应及细胞衰老过程[25-26]。mTOR信号通路从诸多方面参与衰老及相关疾病的发生发展,但就目前研究及mTOR信号的复杂性,关于其如何通过炎症影响衰老及相关疾病的确切机制还有待进一步研究,这也为研发以mTOR信号通路为靶点的抗衰老药物提供新策略。

4 炎症中RAGE信号通路与衰老

晚期糖基化终末产物(advanced glycation end products,AGE)是蛋白质和脂类非酶糖基化反应的终产物,是随年龄在血清和组织中积聚和增长的一种蛋白质。AGE可诱导IL-1β和TNF-α分泌,提高氧化应激水平。AGE的形成及和RAGE的结合,可激活多条细胞信号传导通路,诱发一系列促炎和促凝血反应,是衰老和神经退行性疾病的重要通路[27]。

RAGE作为一种多配体受体,不仅能和AGE产生特异结合,还能和β淀粉样蛋白(β-amyloid pro⁃tein,Aβ)等配体互相作用。RAGE作为普遍存在于神经系统的膜受体,可介导Aβ透过血脑屏障、产生氧化应激、活化小胶质细胞、促进炎症反应并反馈上调自身表达,从而导致神经损伤等衰老相关疾病[28]。RAGE与配体结合后可激活丝裂原激活蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)家族成员,也可激活还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NADPH)氧化酶引起细胞内ROS的产生增加,最终使NF-κB进入细胞核,进而调节促进炎症和肿瘤发生的基因表达,如IL-1,IL-6和TNF-α等[29]。另一方面,作为RAGE基因核转录因子的NF-κB能够上调RAGE基因表达[30],所以,RAGE-配体结合后在正反馈调节下使信号级联反应持续进行[31],抑制RAGE通路对于延缓衰老起着重要作用。

5 炎症中Notch通路与衰老

1917年,Morgan等在果蝇体内发现了功能部分缺失的基因,这种基因导致果蝇翅膀边缘出现缺口,因此将其命名为Notch[32]。Notch信号通路由Notch受体、Notch配体(DSL蛋白)、转录复合因子蛋白CBF1/无毛抑制蛋白/Lag-1(CBF1/suppres⁃sor of hairless/Lag-1,CSL)和DNA结合蛋白等组成。Notch信号在生物群体中广泛存在且高度保守,如哺乳动物胸腺的T细胞分化和果蝇的成神经细胞的结构都是由Notch信号通路介导的[33]。

生物体中Notch的功能非常复杂,参与多个重要生理过程,且与肿瘤形成、神经系统疾病的发生有密切联系。在多细胞生物发育过程中,相邻细胞可依靠Notch受体传递信号调节多种细胞的分化、增殖和凋亡,进而对器官的形成和形态产生影响[34]。Kumar等[35]应用免疫组化和免疫印迹方法发现,在激活Notch通路的海马组织中,NF-κB的表达逐渐增加,表明Notch通路可能与NF-κB通路互通(crosstalk)。此外,有研究表明,激活Notch信号通路可延迟人牙髓细胞的生命周期[36];但也有研究表明,Notch信号在雌性衰老果蝇生殖系干细胞中显著增加[37],且激活Notch信号可诱发骨髓基质细胞老化[38]。因此,Notch信号转导通路在机体衰老中的机制尚不明确,有待进一步研究。

6 炎症中胰岛素通路与衰老

胰岛素是20世纪20年代由巴丁(Frederick Grant Banting)等首先分离成功的,胰岛素信号传导通路需要胰岛素及其类似物等信号分子。Melissa等[39]报道,在与年龄相关的疾病中,胰岛素受体底物全部缺失的小鼠比野生型小鼠寿命更长。Rippo等[40]研究发现,减少胰岛素样多肽可延长线虫、果蝇和小鼠等物种的寿命,延缓其衰老。Lygren等[41]发现,胰岛素样生长因子影响着哺乳动物的衰老过程。综合上述实验结果表明,胰岛素样信号对衰老起正调控作用,而对生物体寿命起负调控作用。

此外,胰岛素多方面调控炎性网络。Paul等[42]研究表明,在短期炎症形成期间,低剂量胰岛素具有抗炎作用。然而,You等[43]研究发现,慢性高胰岛素血症或慢性炎症过程中,胰岛素可加剧炎症反应并增加氧化应激标志物。值得注意的是,Ghareeb等[44]研究结果表明,胰岛素抵抗和高胰岛素血症的病症与炎症标志物的升高相关联,并增加衰老相关疾病的风险。所以抑制胰岛素信号通路对于延长寿命具有重要意义。

7 展望

随着人们对炎症的进一步认识,以及衰老机制学说的不断发展和完善,炎症相关通路与衰老的关系将得到更深入的研究。因此,进一步研究炎症通路在衰老中的作用,将有助于从不同层面上揭示衰老及衰老相关性疾病的分子机制,更好地理解衰老的生物学过程,为临床寻找有效的抗衰老药物提供新的思路和方向。

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Research progress in signal transduction pathways associated with inflammation in aging process

WANG Ke-xin1,2,GAO Li1,ZHOU Yu-zhi1,QIN Xue-mei1
(1.Modern Research Center for Traditional Chinese Medicine,2.College of Chemistry and Chemical Engineering,Shanxi University,Taiyuan 030006,China)

Aging is a very complex process,resulting from many factors.More and more studies show that the signal transduction pathways associated with inflammation play important roles in regula⁃tion of aging process.The inhibitions of NF-κB,target of sirolimus(Rapamycin)(TOR),receptor for advanced glycation end products(RAGE),insulin receptor signal pathway,and the activation of Sirt1 of sirtuins family could regulate inflammation and delay aging in varying degrees.NF-κB signaling path⁃way,a molecular switch of inflammation,is associated with other inflammation pathways,and plays a central role in the regulation of inflamm-aging.This article will review the roles of NF-κB,sirtuins family,TOR,RAGE,Notch and insulin pathways in regulation of aging process.

aging;inflammation;NF-κB;signaling pathway

s:GAO Li,Tel:(0351)7018379,E-mail:gaoli87@sxu.edu.cn;QIN Xue-mei,Tel:(0351)7011501,E-mail:qinxm@sxu.edu.cn

R967

A

1000-3002-(2016)10-1108-06

10.3867/j.issn.1000-3002.2016.10.004

Foundation item:The project supported by Career Development Funds(226545003);Career Development Funds(226545008);and Programs of Science and Technology of Higher Education of Shanxi Province(2015118)

2016-05-09 接受日期:2016-07-03)

(本文编辑:贺云霞)

山西大学引进人才事业发展经费(226545008);山西大学引进人才事业发展经费(226545003);2015年度山西省高等学校科技创新项目(2015118)

王珂欣,女,研究生,主要从事中药药理学研究。

高 丽,E-mail:gaoli87@sxu.edu.cn,Tel:(0351)7018379;秦雪梅,E-mail:qinxm@sxu.edu.cn,Tel:(0351)7011501

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