衰老与稳态

宋梦娇，刘梦，胡清源，王晓杰，沈义栋

中国科学院上海生物化学与细胞生物学研究所，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心，细胞生物学国家重点实验室，细胞信号网络协同创新中心，上海 200031

衰老是生命历程中不可避免的生理性退化过程。它不但造成了各种身体机能的退化，而且还与心血管疾病、神经退行性疾病和癌症等慢性疾病密切相关，成为现代社会最大的健康威胁。

从200多年前的工业革命开始，人类的生活经历了翻天覆地的变化。一个同每个人都密切相关的变化就是平均寿命的大幅延长。随着近现代卫生系统的建立、抗生素和疫苗的发明等里程碑式的进步，人类的平均寿命从1800年的29岁提升到了如今的72岁[1]。在人类享受前所未有的高寿的同时，“衰老”这个在不久前还挺虚无缥缈的问题忽然就成为了现代人类健康的最主要威胁。在包括中国在内的许多国家，衰老相关疾病早已经代替各种细菌感染疾病成为人类的主要死因。现代生物医学在防治这些疾病上取得了大量的成果，但令人悲观的是，统计学研究表明：即便某一类重大慢性疾病被一夜治愈，现代人类的平均寿命也不会获得6年以上的大幅度提高[2]。其背后的原因在于：因为衰老，老年人群罹患各类疾病的概率都大幅上升了。避免了某一类疾病的老年人依旧会得其他的慢性疾病。因此，科学家们设想是否可以通过直接对抗“衰老”这一现代社会最大的健康风险因素来普遍性地防治各种衰老相关疾病。可喜的是，过去几十年的研究已经发现衰老可以被有效地干预，而且衰老被延缓的动物罹患衰老相关疾病的时间和频率都显著降低了[3]。现代衰老研究的主要目的便在于探究衰老的原因，由此防治相关疾病，延长健康寿命，促进老年健康，并以此为基础进一步提高人类寿命。

本文将小结近几十年衰老研究领域的主要进展，简述已知的衰老相关机制以及对抗衰老的方法。

1 细胞和分子水平的衰老机制

在众说纷纭的衰老原因中公认的一点就是体内稳态(homeostasis)随着年龄增长逐渐失调。体内稳态是指生物体内维持动态平衡的状态。它包含许多不同的层面。以下将按照“中心法则”，从基因组的稳态、表观遗传的稳态、蛋白质稳态和代谢稳态来简述细胞内各种稳态与衰老的相互关系。

1.1 基因组稳态

1.1.1 DNA的损伤和修复

DNA是基因组的物质基础。在生命过程中，它不断地受着内源与外源的各种损伤。外源性DNA损伤来自辐射、饮食和环境化学物质。内源性DNA损伤来自DNA的化学不稳定性，如脱嘌呤作用、DNA复制和修复过程中的自发错误以及作为正常代谢副产物的活性氧(ROS)的影响。每个人体细胞每天产生多达50 000个DNA损伤[4]，包括碱基修饰、单链断裂(SSBs)、双链断裂(DSBs)和链间交联(ICLs)等。这些损伤的积累是导致基因组稳态失衡的最重要原因。

为了对抗如此高频的DNA损伤，生物进化出了一整套DNA修复机制。在哺乳动物细胞中主要的DNA修复途径包括碱基切除修复(BER)、核苷酸切除修复(NER)、错配修复(MMR)和双链断裂修复(DSBR)。生殖细胞及其产生的胚胎干细胞(ESCs)，可以通过更有效的DNA修复系统或通过克隆替代DNA损伤水平较低的细胞来避免随机DNA损伤的累积[5-9]，从而降低了将突变传递给子细胞的可能性。

遗憾的是，随着衰老，细胞修复DNA损伤的能力会下降[10]。未修复的DNA损伤可引起基因组不稳定，并诱导信号级联反应导致细胞老化或死亡[11]，同时还会降低组织自我修复的能力，抑制其从急性应激或损伤中恢复[12]。在体细胞中，因DNA损伤而积累的突变更可能致癌[13]。对裸鼹鼠(Heterocephlus glaber)的研究发现，裸鼹鼠基因组里负责修复DNA的基因拷贝数较高，还有大量帮助蛋白质正确折叠的分子伴侣蛋白，这些蛋白使得DNA在复制过程中几乎不会出错，因此裸鼹鼠几乎不会得癌症，且是已知寿命最长的啮齿动物(其寿命约为30岁，而普通小鼠的寿命约为2岁)[14]。这一研究提示我们，通过提高DNA损伤修复能力可以增强组织的自我修复能力，降低肿瘤发生率，从而延长寿命。

1.1.2 端粒的维持

通常意义上的DNA复制机制并不能完整地复制整个染色体，因此在细胞分裂时就会导致染色体末端的缺损。真核生物中通过端粒DNA和端粒DNA特异性结合蛋白在染色体末端加上随机重复的DNA短序列形成一个结构独特的结构域，从而补偿磨损，保护直链染色体DNA末端不被破坏，避免了DNA 末端连接、DNA 重组以及DNA 损伤等现象。为了抵消端粒的损耗，端粒酶通过端粒重复序列间的重组补充端粒长度，但在许多细胞中，端粒酶含量及活性有局限，导致端粒随着衰老不断缩短[15]。

端粒维护是靶向DNA修复的一种形式，对基因组的稳定性至关重要。脊椎动物正常体细胞的分裂次数极限被称为海弗里克极限(Hayflick Limit)，大部分正常体细胞分裂次数是40～60次。端粒的侵蚀或维护不当，如核酸酶作用、化学损伤(例如氧化损伤)、DNA复制压力等，可导致细胞在一定数量的细胞周期后退出海弗里克极限[16]。端粒缩短时细胞还会诱导DNA损伤反应[17]，而DNA损伤反应也会导致端粒维持不良[18]。

端粒维持下降是一系列细胞衰老标志中的上游标志。端粒维持缺陷与细胞衰老有关[19]，端粒缩短的比例与衰老相关疾病以及死亡风险大致呈正相关。尽管小鼠端粒较长，但端粒功能障碍被认为是导致小鼠衰老的重要原因。在对小鼠端粒缩短处理后，进行端粒酶删除或端粒保护蛋白破坏，可以看到小鼠出现典型的早衰表型[20]。

端粒维持的单基因遗传障碍说明，未受保护的端粒是衰老以及人类衰老相关疾病的成因。端粒酶缺乏症的小鼠模型通常需要几代才能使其端粒短到表型出现的程度[20]。类似地，单基因人类端粒综合征的一个标志是能够进行遗传预测，在一个家族系谱中，突变携带者的后代相继发生早衰疾病，而且疾病的类型在后代中也具有显著的不同。特别是在代数靠后的后代中，过早死亡的情况更为严重。携带单基因端粒酶突变的人类还会出现肺气肿和慢性阻塞性肺疾病，特别是吸烟者[21]。这些观察提供了一个至关重要的观点：短端粒本身是导致疾病表型的主要机制，端粒酶缺失与基因突变疾病的结合证明了端粒和DNA损伤的互动性。

端粒缩短与线粒体功能障碍之间也有关系[22]。虽然具体机制还没有被很好地阐明，但已经有一些蛋白质参与这两个部分的例子。例如与人类端粒DNA相互作用的RECQL4存在于线粒体中[23]。最近的一些观察表明，线粒体功能障碍可导致端粒磨损，而端粒磨损也可导致线粒体功能障碍[24]。

1.2 表观遗传的稳态

基因的表达不但由其编码序列(DNA序列)决定，还受到表观遗传的调控。表观遗传指的是蛋白质或其他化学分子等表观遗传因子结合DNA并调控基因表达的过程。从酵母到人类，在衰老过程中检测到的一种表观遗传趋势是组蛋白修饰的逐渐丢失[25]。实验证明，组蛋白修饰的减少可能在衰老中起着重要作用。比如抑制组蛋白甲基化会增强大量基因随衰老的表达量变化并缩短动物的寿命[26]。除了组蛋白的修饰水平以外，组蛋白本身的量也与衰老密切相关。在年老酵母中，组蛋白的表达下降，而过表达组蛋白的酵母菌株的寿命则得到延长[27]。组蛋白的减少可能通过自噬等翻译后机制发生。然而，目前尚不清楚在人体衰老组织的衰老细胞中，以及在含有不可再生分化的神经元的大脑等组织中，这种组蛋白减少是否发生。

除了组蛋白外，表观遗传改变还包括直接对DNA的化学修饰。DNA甲基化是一种广泛研究的表观遗传修饰，主要发生在CpG二核苷酸中胞嘧啶残基的5碳上。随着年龄的增长，哺乳动物细胞发生整体DNA 低甲基化和局部DNA超甲基化[28]。在多种人体组织中研究了26 486个常染色体CpGs的DNA甲基化状态，表明启动子中CpGs随着年龄的增长发生高甲基化，而启动子外的CpGs发生低甲基化[29]。加州大学洛杉矶分校的一项大规模研究表明，DNA甲基化可以作为正常组织中年龄的一个显著预测因子。研究分析了约8 000个样本，包括肝、肾、免疫和脑细胞在内的51种健康人体组织和细胞类型，以及约6 000个癌症样本。研究发现，其中353 CpGs区域的DNA甲基化能够准确预测年龄，这一区域被称为时钟CpGs[30]。

核小体重塑和去乙酰化酶(NuRD)染色质重塑复合物也与哺乳动物细胞衰老有关。含有WD40区域的蛋白RBBP4和组蛋白伴侣蛋白RBBP7被认为与核纤层蛋白A的C端有特异性相互作用。这些亚基，连同另外两个特定的去乙酰化酶亚基，在早衰症(HGPS)人类的皮肤成纤维细胞中被下调[31]。从老年患者中分离出来的原代成纤维细胞也出现了同样的趋势，这表明去乙酰化酶成分的丢失也与生理衰老有关[32]。通过这一途径诱导衰老的确切机制还有待研究。

目前尚不清楚表观遗传的变化是否影响关键长寿基因的表达，或者长寿基因的改变是否驱动了大规模表观遗传变化。在低等模式生物中，表观遗传酶的单点突变显著地改变了寿命。对于复杂高等生物来说，寿命有关的变化由少数基因驱动的理论被认为过于简单。相反，实验证据支持复杂高等生物会对环境刺激或养分是否获得作出大规模表观遗传的改变[32]。

1.3 蛋白质稳态

蛋白质是细胞直接行使各种功能的最重要组分。它由核糖体产生，再折叠成正确构象后运输至正确位置发挥作用并最终降解。蛋白质稳态指的是这一系列过程的稳定有序和正确执行。在各种生物体的衰老过程中常伴随着显著的蛋白质稳态失衡。这一失衡与机体功能的衰退和机体整体的衰老紧密相关，并被认为是神经退行性疾病等衰老相关疾病的直接病因。蛋白质稳态失衡已被归纳为机体衰老的标志之一[33]。

细胞内有复杂的机制来维持蛋白质稳态，包括热激因子介导的热激反应(HSR)以及未折叠蛋白反应(UPR)等[34-35]。HSR与UPR通过辅助蛋白的正确折叠以及淘汰未能正确折叠的蛋白从而维持细胞内的蛋白质稳态；而自噬等过程则通过对蛋白的降解及时清理回收不需要的垃圾蛋白，在蛋白质稳态维持中发挥着同样重要的作用。这些机制与衰老也有紧密联系：一方面随着个体的衰老这些反应都呈现出衰退与失调的状态；另一方面有报道揭示加强这些稳态维持机制可以延长动物的寿命，促进动物的老年健康[36-37]。

1.4 代谢稳态

1.4.1 线粒体

线粒体是生物体细胞内的能量代谢工厂。线粒体的功能随着衰老逐渐衰退，提示线粒体与衰老或许存在着一定的联系。线粒体活性的衰退、功能的紊乱会扰乱干细胞的维持，促进细胞衰老与慢性炎症反应等等促衰老因素的聚积[38]。有报道称线粒体DNA聚合酶突变体小鼠的线粒体DNA突变显著增加，衰老的速率也明显变快[39]。另一方面，增加新线粒体的生物合成则可以延缓小鼠平滑肌的衰老，阻止随年龄而加剧的少肌症[40]。综上所述，线粒体的衰退很可能是引起生物体衰老的原因之一。

尽管线粒体的正常功能似乎有益于衰老，但也有越来越多的证据显示线粒体功能微弱的下降或损伤反而能够延长寿命[41-42]。对这一看似矛盾的观点的深入研究表明微弱损伤线粒体引起了线粒体未折叠蛋白反应(mtUPR)，进而介导了生物体的长寿[43]。

mtUPR是线粒体的一种压力应激反应。在线粒体受损后，mtUPR诱导了线粒体伴侣蛋白的表达，一定程度上恢复了线粒体的功能；同时mtUPR还改善了代谢，调节了内免疫反应等等，以帮助细胞在线粒体功能不完善的情况下尽可能生存下来[44]。mtUPR可能正是通过这些机制引起了生物体的长寿。

1.4.2 胰岛素/胰岛素样生长因子-1信号通路

胰岛素在动物体内是调控糖代谢的重要激素。胰岛素信号通路的异常是二型糖尿病的致病原因。有意思的是，这条通路也是第一条被发现的影响动物衰老的信号通路。20世纪80～90年代，科学家们发现缺失了胰岛素/胰岛素样生长因子受体(daf-2)或通路中一个重要激酶(age-1)的线虫(Caenorhabditis elegans)的寿命相对野生型线虫延长了2～3倍，且这些长寿线虫在野生型线虫表现出衰老的表型后依旧能长期保持年轻的表型[45-46]。在这些突变体中，胰岛素/胰岛素样生长因子-1信号通路受到抑制，其下游转录因子daf-16的活性得到增强[47-48]，进而激活了下游许多基因的表达，延长了线虫的寿命。胰岛素/胰岛素样生长因子-1信号通路的延寿作用是进化保守的，即其作用不只局限于线虫，在果蝇、小鼠以及狗中适当地抑制该通路的部分组分也可以达到寿命延长的效果[49]。甚至在人类中，长寿的群体有时也会伴随着该通路中一些组分的突变，这意味着这条通路的寿命调节作用对人类同样适用[50-51]。

1.4.3 雷帕霉素靶蛋白(TOR)&腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)

TOR是生物体内主要的氨基酸和营养感受器，在食物充足时促进合成代谢，驱动生长。AMPK则是生物体内的另一个营养与能量感受器，通过感知AMP与ATP比值的升高进而促进分解代谢，抑制合成代谢。在多种模式动物中增强AMPK的活性或抑制TOR的活性都可以延长其寿命[52-56]。TOR与AMPK功能相互拮抗，在体内相互抑制[57-58]。当TOR被抑制而AMPK被激活时，细胞内整体的蛋白质、脂类和糖类的合成会下降，同时细胞内储藏和废弃的蛋白质、脂类和糖类会更多地被分解再利用，加强了呼吸作用，最终达到了寿命延长的效果。这一对中枢代谢调节分子共同调节着生物体的衰老，在生物的衰老过程中起着重要的作用。

2 在组织水平的衰老原因

在多细胞动物中，衰老的发生不仅是因为细胞内部的稳态改变，更是组织间稳态逐渐失衡的结果。

2.1 炎性衰老

炎症反应是动物在不同组织中清除体内异物和垃圾的保护机制。在高等动物中，目前已知的衰老相关机制都与炎症反应有关，任何一个机制的相关变化都会加剧炎症，进而影响所有其他机制。这种慢性、无菌(没有感染且主要由内源性信号驱动)且在衰老过程中发生的低度炎症被称为炎性衰老(inflammaging)[59]。炎性衰老的主要特征是先天免疫系统的慢性激活[60]，其中巨噬细胞起着重要作用。Ilya Metchnikoff首次描述了无脊椎动物的巨噬细胞，确定其在摄入外来物质(类型简单的营养物质)和生理性炎症发生的过程中起到关键作用，并作为一种基本机制应对与抵消大量外来刺激[61]。目前普遍认为与衰老有关的慢性病不仅是衰老和炎症的结果，这些疾病反过来也加速了衰老过程。

2.2 肠道微生物

消化系统内有着组成复杂、多样性丰富的微生物群体。肠道微生物对健康的影响最早在代谢性疾病小鼠中报道，其后越来越多的研究表明肠道微生物与健康关系密切。肠道微生物群是营养和炎症的关键调节剂。随着年龄增长，肠道菌群的稳态逐渐退化，不利于健康的菌群逐渐替代有利于健康的菌群，这一现象在许多动物中都有发现[62]。在小鼠模型中的研究表明，将来自老年小鼠的肠道微生物群接种到年轻无菌小鼠中时会诱导炎症发生，增加某些T辅助细胞(TH)亚群的百分比，并增加炎症标志物的水平，例如肿瘤坏死因子(TNF)[63-64]。这一效应伴随着有保护免受炎症、促进代谢稳态的艾克曼菌(Akkermansia)的水平降低[65]，以及能引起小肠炎症和肠易激疾病发生相关的TM7细菌和变形菌的水平增高[66-67]。

3 抗衰老方法

3.1 饮食限制与合理运动

饮食限制(dietary restriction, DR)指在不引起营养失调的前提下，缓慢地减少动物日常饮食中除了维生素和矿物质以外的成分。DR不但能够延长寿命，还能够减缓衰老中不健康的表型，缓解包括神经退行性疾病在内的衰老相关疾病[68]。

DR对寿命的延长作用在物种间保守，小到酵母大到灵长类动物都能在DR处理下延长寿命。研究表明，TOR信号通路、AMP激酶、去乙酰化酶、胰岛素/胰岛素样生长因子(insulin/insulin-like growth factor，IGF-1) 信号转导通路在DR中都发挥着重要作用，并且随引发DR的方式不同，占主导的信号通路也会发生变化[3,69-71]。近年的研究表明，比起减少饮食摄入量本身，控制进食时间、进食种类似乎更为重要，在DR过程中起到本质上的作用[68]。尽管目前还不知道什么样的饮食限制程度与进食种类、方式可以最大化DR对人类寿命的延长效果，但合理饮食对个体的健康与寿命必然是有益的。

另一方面，规律运动可以延缓随年龄增长逐渐衰退的肌肉力量与骨骼强度，增强心血管功能，改善认知能力，提升机体的免疫力等等，帮助机体更好地抵抗衰老[72-73]。运动也许还能增加线粒体的生物合成，通过维持线粒体稳态延缓个体衰老[74]。有报道称通过运动进行耐力训练阻止了线粒体DNA聚合酶突变小鼠的过早死亡[75]。

3.2 干细胞治疗

干细胞通过自噬抗衰老[76]，因此利用干细胞技术有助于缓解或逆转衰老相关疾病。下丘脑参与诸多生理功能，包括炎症反应和食欲控制，这些功能与衰老相关。研究表明，下丘脑中的干细胞会随着小鼠年龄的增长而消失，给小鼠注射破坏干细胞的病毒也可加速小鼠衰老[77]。将新生小鼠下丘脑中生产激素和其他信号分子区域内的干细胞注入到中年小鼠大脑后，可以恢复中年小鼠衰退的脑功能和肌力，平均寿命也延长了10%。这一作用可能与干细胞分泌的微小RNA分子有关，科学家正试图找出具体产生作用的微小RNA，并进一步在灵长类中进行类似的研究。

3.3 清除衰老细胞

清除衰老细胞抵抗衰老是近几年兴起的一个新思路。越来越多的证据表明，衰老的细胞与老年疾病有关。直接清除衰老的细胞是否可以帮助机体维持健康状态？这一想法绕开了繁杂的衰老成因，直接求证于抵抗衰老的结果。与以往的研究相比，这不仅延长了实验动物的平均寿命，甚至使逆转衰老成为可能。

2011年在《自然》刊登的研究结果表明[78]，在早衰小鼠的细胞进入衰老状态时就将其阻断，衰老早期的症状几乎全部消失，小鼠的平均寿命延长了约25%。这份研究给出了衰老细胞和衰老症状之间关系的确凿证据。其后对正常小鼠的研究发现，通过注射清除衰老标记细胞的药物后，虽然小鼠的最高寿命并未得到大幅改变，但其保持健康的时间得以延长，癌症发展也更缓慢。另一项研究利用FOXO4在衰老细胞中高度表达，其与启动细胞凋亡的p53蛋白结合可抑制p53蛋白活性，从而维持衰老细胞避免凋亡。通过设计FOXO4-DRI短肽的异构型替代品，使其与p53竞争性结合却不影响p53蛋白作用，促使衰老细胞凋亡[79]。FOXO4-DRI可以有效抵抗化学毒性诱导的衰老，逆转早衰小鼠和正常小鼠的衰老。通过研发药物来靶向凋亡衰老细胞从而对抗衰老，其安全性还需要经过更多的实验和临床研究。

3.4 改变肠道菌群

既然肠道菌群不但是体内稳态的重要组成部分，而且随着衰老发生改变，那么将年轻动物的肠道菌群接种到年老动物的体内是否可以抑制甚至逆转这一不良反应？在非洲青鳉鱼(Nothobranchius furzeri)中，随着年龄增长，其肠道微生物物种多样性普遍降低，其组成也发生了改变。喂食经过处理的年轻鱼的肠道细菌能重建老年鱼的肠道菌群，这些老年鱼的寿命相比未处理的老年鱼延长了40 %[80]。利用肠道微生物治疗人类胃肠疾病已有先例，是否能够延缓衰老需要更多数据支持。

衰老是由于体内的各种稳态随着时间推移逐渐失衡。基于这一认识，科学家们已经在动物实验中发现诸如清除老化细胞、激活细胞修复、增加机体有利因子等方法，可以有效改善衰老及其相关损伤。这些研究为防治衰老相关疾病以及延长健康寿命带来了希望。