衰老相关信号转导通路的研究进展

细胞衰老是指细胞在生命的进程中,随着机体的不断老化而出现的功能紊乱和分化增殖能力下降的过程,是细胞受到某种或多种特定的生理信号刺激后引起的一种常见的基本细胞应答程序[1-3],这些信号刺激包括端粒酶缩短、丝裂原及增殖相关信号的活化、基因组损伤以及肿瘤抑制信号的激活等[4-5]。细胞发生衰老的同时还伴随着分子、细胞、组织和器官损伤的不断累积,最终导致机体整体功能减退,从而更易受疾病侵害甚至死亡。

细胞衰老的特征性改变包括细胞体积增大、外形变扁平、细胞增殖能力减弱、永久性的生长停滞、细胞周期停滞在G0期或G1期,即使在正常的生长条件下亦不能进行分裂,任何生理信号刺激均不能使其再次增殖,同时伴随细胞内溶酶体活性升高,但细胞仍然能维持其自身的生长代谢[6-7]。细胞衰老与机体炎症、纤维化、癌症等多种疾病密切相关,多种细胞在衰老后获得对一些特定的凋亡信号的抵制能力,其具体作用机制目前尚未完全阐明,可能机制为细胞衰老与细胞凋亡之间存在共同的调控分子p53,衰老细胞的细胞周期抑制剂如p21和p16等表达显著变化,而这些酶抑制剂又参与p53和pRb肿瘤抑制通路[8]。此外,细胞衰老还可抑制细胞周期蛋白A和细胞周期蛋白B等一些促进细胞周期进程的基因表达。目前人们认为细胞衰老可以促进机体受损细胞的清除,作为一种固有的细胞保护性机制来抵制外界压力的刺激。促衰老已成为预防和治疗纤维化等多种疾病的有效途径,并在肿瘤的治疗方面具有重要作用[9-10]。因此,研究细胞衰老的相关信号通路对疾病的研究具有重要的临床意义。目前的研究已经证实多种调节性蛋白均参与细胞衰老的信号转导,其中研究最多的是p53-p21和p16-Rb两条经典通路,此外,还有一些不依赖于p53和p16的其他信号通路。

1 p53-p21相关信号通路

p53是一种半衰期很短的肿瘤抑制因子,在细胞衰老过程中具有重要作用。p21抑制细胞生长是通过抑制细胞周期依赖性蛋白激酶(cyclin-dependent kinase, CDK),阻断Rb和E2F磷酸化来实现的[11-12]。p53-p21主要通过以下两种机制参与细胞衰老的过程。第一,p53在维持由端粒酶缩短引起的衰老过程中发挥重要作用,在由细胞过度增殖引起的细胞复制性衰老过程中,ATM激活可引起CHK2磷酸化和p53-p21表达上调,而当ATM缺乏的情况下,ATR将替代ATM通过CHK1诱导的p53在Ser-15位点的磷酸化来激活p53,从而激活细胞衰老进程[13]。第二,细胞内外环境的损伤,尤其是DNA双链的断裂与衰老和肿瘤的发生息息相关,肿瘤基因突变产生异常增殖信号引起细胞周期阻滞,与DNA损伤及其应答通路的激活有关,通过诱导DNA过度复制并激活DNA损伤应答,引起细胞衰老,称为癌基因诱导细胞衰老(oncogene-induced senescence, OIS)。在OIS中,癌基因Ras可激活衰老通路,这一过程受p53的影响,Ras的表达可促进表达p53细胞的细胞周期停滞在G1期,而不表达p53的细胞则发生细胞转化[14-15]。细胞周期分为分裂间期与分裂期,分裂间期又可分为G1期(DNA合成前期)、S期(DNA合成期)、G2期(DNA合成后期),细胞分裂前期即M期,为细胞由1个母细胞分裂成2个子细胞的过程。癌基因Ras激活衰老通路一方面是通过丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)信号转导通路促进细胞周期在G1期停滞[16]。另一方面,癌基因Ras还可激活DNA损伤应答(DDR),细胞中异常表达的Ras可直接或间接引起DNA双链断裂,双链断裂的DNA累积到一定程度即可激活ATM/ATR-p53通路,诱导细胞衰老,引起衰老相关的细胞生长停滞[17]。

2 p16-Rb相关信号通路

p16参与细胞衰老主要与Rb信号通路有关,p16通过抑制细胞周期蛋白和CDK构成的复合物对Rb蛋白的磷酸化作用,从而抑制Rb蛋白结合E2Fs转录因子,抑制DNA复制相关基因的转录。Rb信号通路抑制CDK的活性,诱导细胞周期在G1期停滞,这一转录过程对于细胞周期由G1期到S期的转变至关重要[18]。此外,p16的表达受Rb的调控,Rb磷酸化会引起p16表达的上调,而表达上调后的p16又会抑制CDK的活性,进而引起去磷酸化的Rb增加,增加的去磷酸化的Rb又可引起p16表达下降,这样在Rb与p16之间存在一种负反馈的调节机制[19-20]。多项研究还探讨了除Rb以外是否还有其他机制调控p16的表达,结果显示，在不表达Rb的细胞中亦能检测到p16表达增加[21],说明还有其他调控机制存在,但目前尚未完全阐明。

3 SKP2-p27相关信号通路

SKP2可诱导细胞发生衰老,这一过程不依赖于p53或p16相关信号通路,SKP2的表达降低或失活通常伴随着p27与FoxO3a的表达上调,促进细胞衰老。衰老刺激物视网膜血管瘤抑制因子(von hippel lindau tumor suppressor, VHL)失活可引起SKP2的表达降低,进而增加p27的表达,从而诱导细胞衰老[22]。第10号染色体缺失的磷酸酶和张力蛋白同源基因Pten蛋白与SKP2的共同失活可引起p27表达增加,诱导细胞发生衰老。

4 核因子(NF)-κB信号通路

转录因子蛋白家族NF-κB激活后参与氧化应激、免疫、炎症、细胞增殖、凋亡、衰老等多种病理生理性的基因转录调控过程。研究证实NF-κB有一个由300个氨基酸构成的高度保守的REL同源结构域,其蛋白家族成员包括p50、p52、rel、rel-A以及rel-B[23]。NF-κB信号通路在炎性衰老的发生发展中具有重要作用,当细胞受到内外界各种衰老相关刺激后,NF-κB信号通路被激活,活化的NF-κB进入细胞核内并与DNA结合,参与细胞内的免疫反应。研究证实,多种老年退行性疾病的发生均与NF-κB调控的衰老信号通路密切相关。阿尔茨海默病的发生是由于沉默信息调节因子2相关酶1(Silent mating type information regulation 2 homolog-1, SIRT1)抑制NF-κB信号通路从而抑制小神经胶质细胞对β-淀粉样蛋白(Aβ)毒素的依赖,Aβ沉积是阿尔茨海默病的典型病理特征[24-25]。

5 雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信号通路

哺乳动物mTOR是一种高度保守的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,是细胞内重要的寿命调控信号转导通路。mTOR信号通路调控细胞生长增殖,分为PI3K/Akt/mTOR传统信号途径和LKB1/AMPK/mTOR非传统信号途径[26]。研究显示,通过抑制mTOR信号通路,生物体对环境的抗压能力增强,可延长生物体寿命,并且mTOR信号通路在卡路里限制饮食所致的寿命延长过程中发挥重要作用。

总之,随着社会人口老龄化的加剧,衰老相关性疾病发病率愈来愈高,给家庭、社会带来极大的负担,积极探索衰老相关机制、探索延缓衰老的措施对于提高老年人的生活质量具有重要意义。衰老是由多种因素共同作用的结果,近年来随着人们对衰老及衰老相关机制的不断研究,关于衰老的相关信号通路也得到了比较深入的研究,对临床治疗衰老相关性疾病具有重要的意义。