我们为什么会变老？（4）

朱钦士 （美国南加州大学医学院）

（上接2020年第12 期第11 页）

9 生长激素与寿命的关系

脊椎动物的身体构造比无脊椎动物复杂，原来促进生长的基因（例如，胰岛素和胰岛素样生长激素IGF-1）已不够用，于是脊椎动物还发展出生长激素（growth hormone，GH），专门负责动物的生长。生长激素是由脑垂体前叶 （anterior pituitary gland）分泌的一种多肽激素，能加速合成反应，促使细胞增殖和身体生长，成年后的身高也与生长时期生长激素的水平密切相关。

生长激素除了直接促进生长外，还能刺激肝脏生产IGF-1，因此和胰岛素／IGF-1 信号通路相联系，即与寿命相关。血液中生长激素水平高意味着血液中IGF-1 浓度也较高，对动物的寿命有负面的影响。例如，超量表达牛生长激素的转基因小鼠提前出现衰老迹象，包括生殖周期缩短、肾脏提前出现病变、认知能力加速下降、血液中皮质类固醇水平异常等，使这些转基因小鼠的寿命明显缩短。脑垂体被切除后，不能再分泌生长激素的小鼠血液中IGF-1 浓度低，寿命延长；给予这些小鼠生长激素又会使其寿命缩短。

前文谈及体型小的狗比体型大的狗活得久，一个重要原因就是血液中生长激素的水平低。低浓度的生长激素除了使这些狗体型较小，同时也使血液中IGF-1 的浓度较低，延长小型狗的寿命。类似的现象在小鼠、大鼠、马身上也被发现，即在同类动物中，体型较小的动物寿命较长。

人的高度与寿命的关系比较复杂，因为人类的生存环境与动物相比已有很大的不同，影响寿命的因素也很多，早期关于身高和寿命关系的研究常得出互相矛盾的结论。在过去的几十年中，由于营养状况的不断改善，人的身高也不断增加，年轻一代普遍比父母长得高，要研究身高与寿命的关系，不能用纵向比较的方式，而要横向比较同一时代，各种条件彼此相似的人。近年来的大量研究表明，人的身高与其他动物一样，也与寿命呈负相关的关系，即身体越高，由于各种原因导致的死亡率越高，寿命越短。

北欧国家的人普遍比南欧国家的人高。例如，瑞典人和挪威人的平均身高约177.8 cm，而西班牙人和葡萄牙人高的平均身高约165.1 cm。如果将欧洲国家按照人的平均身高分为南、北两半，每百万人中百岁以上老人的数量，在身高比较低的国家中为75 人，在身高较高的国家中只有48 人。在日本，百岁以上老人的平均身高比活75 岁以下的人约低10 cm。

据美国加州圣地亚哥（San Diego）已死亡的退伍军人的资料，身高等于或低于175.3 cm 的人比身高等于或高于182.9 cm 的人多活7.46年。

对2 600 位芬兰运动员的研究表明，滑雪运动员的平均身高比篮球运动员约低15 cm，平均寿命也比篮球运动员长近6 岁。即使同为篮球运动员，在3 091 位美国国家篮球协会（National Basketball Association，NBA）和美国篮球协会（American Basketball Association，ABA）的运动员中，身高在最低的5%中的运动员平均寿命为75.1 岁，而身高在最高的5%中运动员，平均寿命为56.6 岁。

对美国144 701 位更年期后妇女的调查表明，身高和癌症发生率正相关。个子较高的妇女患多种癌症的几率都较高，包括甲状腺癌、直肠癌、结肠癌、肾癌、子宫癌、卵巢癌、乳腺癌、黑色素瘤。

当然，这不是说身材高的人就一定寿命比较短，身材矮的人就一定长寿。除了基因的多态性，生活环境、生活习惯（包括饮食习惯）、体重指数（特别是腰围）、精神状态等都对寿命有很大的影响。基因类型“好”的人，如果不注意自己的健康、心态不好，“好”的基因类型也不能发挥作用。而基因类型不那么“好”的人，如果生活习惯好、乐观开朗，也可长寿。

生长激素是从“上游”影响胰岛素/类胰岛素信号传递链的。除了生长激素，胰岛素/IGF-1 信号传递链还在“中下游”与另一条与寿命有关的信息传递链相连，这就是雷帕霉素靶蛋白（mTOR）信息通路。

10 雷帕霉素靶蛋白（mTOR）信息通路

这条信息通路不是通过基因突变发现的，而是对一种免疫抑制剂的研究而被揭示的。

1964年，一支加拿大的远征队采集了复活节岛（Easter Island）上的土壤样品，用于提取有药用效果的微生物。随后，在加拿大蒙特利尔Ayerst 实验室（Ayerst Research Lab in Montreal，Canada）工作的印度裔科学家Surendra Nath Sehgal（1932—2003）从这些土壤样品中提取到了一种称为“吸水链霉菌”（Streptomyces hygroscopicus）的细菌，这种细菌能分泌一种物质，抑制真菌（例如，白色丝酵母Candida albicans）的生长。由于复活节岛在当地波利尼西亚语（Polynesian）中称为Rapa Nui，这种物质也就被命名为Rapamycin，在中国译为“雷帕霉素”。

青霉素（penicillin）是由真菌分泌对抗细菌的物质，而雷帕霉素相反，是由细菌分泌对抗真菌的物质。生物之间的斗争没有高低之分。

除了能抑制真菌生长，雷帕霉素还能抑制动物的免疫功能和抑制癌细胞生长，并且被美国食物和药品管理局（FDA）批准用于抑制肾移植后的排斥反应，尽管当时雷帕霉素的工作原理尚不清楚。至1994年，结合雷帕霉素的蛋白质才被发现，被命名为“雷帕霉素靶蛋白”，在哺乳动物中的这种蛋白的名称为mTOR （mammalian target of Rapamycin）。

雷帕霉素不仅能在肾移植者中降低排斥反应，还能减少这些人体内的脂肪储存，降低癌症发生率。在动物实验中，雷帕霉素能延长各种动物的寿命，从酵母、线虫、果蝇到小鼠都如此，这使人们对mTOR 的兴趣大增。

研究发现，mTOR 是一种蛋白激酶，能使其他蛋白分子磷酸化以调节它们的功能。但mTOR 并不单独行动，而是存在于2 种不同的蛋白复合物中作为它们的催化亚基。一种复合物称为mTORC1，含有Raptor 等亚基；另一种复合物称为mTORC2，含有Rictor 等亚基。

mTORC1 使细胞合成更多的核糖体，并且活化激酶S6K（使核糖体中S6 蛋白磷酸化的酶），以促使细胞生产更多的蛋白质，同时抑制自噬（autophage）作用，减少细胞中蛋白质的更新速度。mTORC1 还促进脂肪酸的合成，使动物储存更多的脂肪。因此，mTORC1 的作用与生长激素——胰岛素／IGF-1 信号通路活性高时（即FOXO 蛋白的活性被抑制时）的效果类似，而与FOXO 蛋白的功能相反。雷帕霉素能抑制mTORC1 的活性，从而延长动物的寿命。

mTORC1 的活化是一个很复杂的过程，需要从胰岛素／IG-1 信号通路中得到信号时才能被活化；而且与胰岛素／IGF-1 信号通路的活化需要充足的营养物一样，mTORC1 的活化也需要充足的营养物，特别是氨基酸的存在。因此，mTORC1 信号通路和胰岛素／IGF-1 信号通路分别用自己的方式感知营养物的存在状况。在营养物充足时促进营养物的利用和储存，加快细胞的生长和繁殖，只是mTORC1 还需要从胰岛素／IGF-1 信号通路再次得到营养物充足的“证实”信号，即需要“双保险”。

mTORC1 从胰岛素／IGF-1 信号通路得到信息的方式是通过激酶AKT-1。AKT-1 这个名称来自从Ak 品系的小鼠身上提取到的具转化（transformation，即使细胞状态发生改变例如癌变）功能的病毒中所含的致癌基因的名称v-Akt，其中v代表病毒（virus），t 代表transformation。AKT-1 是胰岛素／IGF-1 信号传递链中的一个重要成分，它从PI3K 接收信息（即被PI3K 磷酸化）而被活化，活化的AKT-1 又使FOXO 蛋白磷酸化，移出细胞核而失去功能。AKT-1 激酶不仅能抑制FOXO 蛋白的功能，还能活化mTORC1，使胰岛素／IGF-1信息通路的信息被传递到mTORC1 上，开启另一条功能类似的信息通路，以增加胰岛素／IGF-1 通路的效果。

AKT-1 并不是直接使mTORC1 活化，而是解除对mTORC1 的抑制。mTORC1 是被一种称为RHEB（ras homolog enriched in brain）的蛋白活化的，在没有胰岛素／IGF-1 信号通路的信息时，RHEB 被TSC1／TSC2 复合物（tuberous sclerosis complex genes 1 and 2）所抑制，不能活化mTORC-1；在胰岛素／IGF-1 信号通路被活化时，AKT-1 使TSC1／TSC2复合物磷酸化，失去抑制RHEB 的功能，使mTORC1 能被RHEB 活化。

但仅解除TSC1／TSC2 复合物的抑制作用还不够。mTORC1 被RHEB 活化是在溶酶体表面进行的，RHEB 由于含有一个亲脂的法尼基（Farnesyl）而附着在溶酶体的膜上，在缺乏营养物例如氨基酸的情况下，mTORC-1 却并不在溶酶体膜上，所以与RHEB“无缘相见”，也不能被活化。在有氨基酸（特别是亮氨酸和精氨酸）存在时，细胞里有蛋白与这些氨基酸结合，例如，蛋白SESTRIN2 结合亮氨酸，蛋白CASTOR1／2 结合精氨酸，这些结合了氨基酸的蛋白使蛋白复合物PPAR A／B 结合GTP，结合了GTP 的PPAR A／B 复合物与mTORC1 中的Raptor蛋白相作用，使mTORC1 移动至溶酶体的表面，被RHEB 活化。

mTORC2 调节细胞中由肌纤蛋白（actin）组成的细胞骨架的结构，影响细胞的极性。更重要的是，mTORC2 也从胰岛素／IGF-1 信号通路得到信息，并将信息反馈给胰岛素／IGF-1 信号通路。与mTORC1 被AKT-1 活化不同，mTORC2 是被AKT-1上游的分子PIP3 活化的（见上一节，胰岛素／IGF-1信号通路）。在食物缺乏、胰岛素／IGF-1 信号通路没有被激活的情况下，激酶PI3K 没有活性，没有PIP3 生成。这时mTORC2 中mTOR 的激酶活性被这个复合物中的亚基SIN1（stress activated protein kinase interacting protein 1）所抑制；在食物充足、胰岛素／IGF-1 信号通路被激活的情况下，PIP3 生成，PIP3 与SIN1 蛋白亚基相作用，解除它对mTOR的抑制，释放其激酶活力。活化的mTORC2 能使胰岛素／IGF-1 信号通路中的胰岛素受体、IGF-1 受体和AKT-1 激酶进一步磷酸化，将这些蛋白的活性提到更高的程度，以“正反馈”的方式增强胰岛素／IGF-1 信号通路的作用。

因此，胰岛素／IGF-1 信号通路和mTOR 信号通路是2 条并行的信号传递链，各自都有被丰富的食物活化的机制，生理效果也彼此相似，都是在营养物质丰富时增加生物的合成作用，促进动物的生长发育，同时抑制动物抵抗逆境的能力，使动物的寿命相对较短，增加生物更新换代的速度。但mTOR 路线的活化需要从胰岛素／IGF-1 信号通路得到信号，否则靠自身对食物状况的感知还不足以启动。mTORC1 从AKT-1 那里得到胰岛素／IGF-1 信号通路的信号，增强胰岛素／IGF-1 信号通路的作用；而mTORC2 从PIP3 那里得到信号，又将信号反馈回胰岛素／IGF-1 信号通路。胰岛素／IGF-1 信号通路和mTOR 信号通路就这样彼此独立，又互相依存，共同负担感知营养状况，并根据营养状况决定动物反应的任务。由于这2 条信号通路都能促使动物生长，同时又使动物的抵抗力降低，寿命较短，降低这2 条通路的活性都能延长动物的寿命。

从这些例子说明，信息传递链中信息传递的方式是很灵活的：可直接活化，这通常是通过底物分子的磷酸化，例如，IGF-1 受体使PI3K 磷酸化而被活化，PI3K 又使AKT-1 磷酸化而被活化；也可通过磷酸化而抑制，例如，AKT-1 使FOXO 蛋白磷酸化而失去作用；还可使抑制物被抑制，用“负负得正”的方式达到活化的目的，例如，AKT-1使TSC1／TSC2 复合物磷酸化，失去抑制RHEB 的功能，达到活化RHEB 的目的；PIP3 解除SIN1 对mTOR 的抑制，使mTORC2 被活化，也是“负负得正”的例子。通过这些复杂的步骤，充足的营养物都能使胰岛素／IGF-1 信号通路和mTORC1 信号通路得以活化，加速动物的生长繁殖，同时降低动物的抵抗能力，缩短动物的寿命。

这2 条通路都是在食物充足的情况下被活化的，都缩短动物的寿命。是否有直接感知食物不足，从而使动物在食物不足的情况下作出反应，同时延长动物寿命的信号通路？

1935年，美国康奈尔大学（Cornell University）的Clive Maine McCay（1898—1967）发现，对大鼠限食，即将食物供给量控制在随意进食时的60%～70%，能使大鼠的寿命几乎加倍。这是一项意义重大的发现，是对Kirkwood 资源分配说的致命打击，也促使人们对限食延长寿命的机制进行研究。这些研究发现，减少动物的进食量，但又不到营养不良的程度，可延长各种生物的寿命，包括酵母、线虫、果蝇、哺乳动物（大鼠和小鼠），甚至灵长类动物（恒河猴rhesus monkeys）。在哺乳动物中，限食可延迟伴随着年龄增长而出现的疾病，例如，糖尿病、心血管病和癌症等病症。由于在限食中总热量是最重要的因素，这种通过非基因手段而延长动物寿命的方法又被称为“热量限制”（caloric restriction，简称CR）。有2 条信号通路与CR 延长寿命的作用有关，AMPK 信号通路和Sirtuin 信号通路。

11 AMPK 信号通路

当食物不足时，动物细胞内合成高能分子ATP（三磷酸腺苷）的“燃料”缺乏，使ATP 的合成减少。ATP 在“交出”能量后，会变为ADP（二磷酸腺苷）和AMP（一磷酸腺苷）。ATP 合成的减少，会增加AMP／ATP 的比值或ADP／ATP 的比值。

AMP／ATP 比值或ADP／ATP 比值的增加，会被“AMP 依赖的蛋白激酶”（AMP dependent protein kinase，AMPK）所感知。AMPK 由3 个亚基组成，其中α 亚基具有激酶活性，β 亚基和γ 亚基起调节作用。当2 分子AMP 或ADP 结合到γ 亚基上时，AMPK 的形状会发生变化，激活α 亚基的蛋白激酶的活性，相当于告诉细胞：“能量不足”，促使细胞发生一系列的变化，帮助细胞度过逆境。AMPK在各种生物中广泛存在，从酵母到人，其结构高度一致，是调节能量代谢状况的重要蛋白。

AMPK 能增加细胞对葡萄糖和脂肪酸的摄取与氧化，以增加ATP 的合成；同时抑制各种耗费能量的合成活动（例如，抑制蛋白、甘油三脂和胆固醇的合成），以减少ATP 的消耗。同时，AMPK还抑制胰岛素／IGF-1 信号通路和mTOR 信号通路以达到减少消耗、增加细胞在逆境中生存能力的目的。

例如，AMPK 能使胰岛素／IGF-1 信号通路中的FOXO3 蛋白磷酸化，但与FOXO 蛋白被AKT-1磷酸化后从细胞核中转移至细胞质中，从而失去功能不同，FOXO 蛋白被AMPK 磷酸化是在不同的氨基酸残基上，这些磷酸化的作用不会影响FOXO蛋白在细胞核中的位置，反而会增加FOXO 结合DNA 的能力，发挥更大的作用。如前所述，FOXO蛋白是哺乳动物抵抗逆境的“主控开关”，能增加细胞的抗氧化能力和修复DNA 损伤的能力、促进自噬活动、将葡萄糖的代谢方式从酵解转换为氧化磷酸化，增加葡萄糖利用的效率、并且动用脂肪酸作为细胞的能源、延缓细胞进入分裂周期，降低细胞繁殖的速度等。这些活动许多靠AMPK 自身的活性也可直接完成，但借助FOXO 蛋白，AMPK的作用可被放大。

AMPK 可直接使mTORC1 复合物中的Raptor亚基磷酸化，让mTORC1 中α 亚基的激酶作用无从发挥。AMPK 还能使mTORC1 的抑制物TSC1／TSC2 中的TSC2 磷酸化，增强TSC1／TSC2 对mTORC1 的抑制作用。AMPK 的这2 个作用都能降低mTORC1 的活性，抵消mTORC1 促进合成反应和加快细胞生长的作用。

由于AMPK 有与胰岛素／IGF-1 信号通路和mTOR 信号通路相反的作用，而且还可抑制这2条使动物寿命缩短的信息通路，而与延长动物寿命的FOXO 蛋白的功能相似，因此，提高动物中AMPK 的活性可延长动物的寿命。例如，在线虫和果蝇中超量表达AMPK 会使这些动物活得更长；敲除小鼠的AMPK 中α 亚基的基因，小鼠的寿命就缩短。治疗Ⅱ型糖尿病的药物“二甲双胍”（metformin）能在不增加AMP／ATP 比值的情况下增加AMPK 的活性，延长动物的寿命。因此，AMPK 与FOXO 蛋白一样，是动物的“延寿蛋白”。

AMPK 还有一个重要功能，就是能活化另一个“延寿蛋白”Sirtuin，进一步增强其作用。

12 Sirtuin 信号通路

当食物不足时，动物的细胞内还会发生另一个变化，就是氧化程度增加。食物除了供给能量，还通过脱氢酶将氧化型的“烟酰胺腺嘌呤二核苷酸”（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+）转换为还原型的NADH，给合成反应提供氢原子。在食物供给不足时，NADH 的浓度会降低，而NAD+的浓度增加，使细胞内NAD+／NADH 的比值增加。这个比值的变化也是可被细胞感知的。

NAD+浓度增加时，会使“依赖于NAD+的蛋白去乙酰化酶”（NAD-dependent protein deacetylases）被激活。这个酶的基因最先是在酵母的突变体中被发现的，由于它有使一些酵母基因“沉默”（silence）的作用，被称为silent information regulator 2，简称sir2。sir2 能除去蛋白分子中与赖氨酸残基相连的乙酰基，所以是一种去乙酰化酶，但是与其他单纯除去乙酰基的去乙酰化酶不同，sir2除去乙酰基时还需要NAD+的参与，即将乙酰基转移到NAD+分子中的核糖上，使NAD+分解为烟酰胺（nicotinamide）和氧-乙 酰ADP 核糖（O-acetylADP-ribose）。sir2 的活性需要NAD+的参与，就使得sir2 蛋白能感知细胞中NAD+／NADH 的比值，即感知细胞的能量状态。

在除去蛋白分子中的乙酰基后，赖氨酸残基侧链上的正电荷就被暴露，使蛋白质的性质发生变化，例如，活性增加或降低、在细胞中的位置的变化、更稳定或更不稳定、与其他分子相互作用方式的改变等，是调节蛋白功能的又一种手段。如果被除去乙酰基的蛋白是与DNA 结合的组蛋白，由于组蛋白的正电荷增多，就会增强与带负电的DNA 结合，染色质的结构会更为紧密，使许多转录因子无法结合到基因的启动子上，使得许多基因被关闭。

增加酵母中这个酶基因的拷贝数可延长酵母的寿命30%左右，而敲除这个基因会使酵母的寿命缩短。sir2 延长寿命的效果随后也在线虫（Caenorhabditis elegans）和果蝇（Drosophila melanogaster）中被观察到。进一步的研究发现，所有的生物都含有这个基因，改称为Sirtuin，简称SIRT。人体有7 种SIRT 蛋白，分别称为SIRT1～SIRT7，其中SIRT1 与酵母的sir2 蛋白最为相似，也是被研究得最详细的。在小鼠脑中超量表达SIRT1 能延长小鼠的寿命，还防止吃得过饱的小鼠寿命缩短。除去动物的SIRT1 蛋白，限食就不再能延长这些动物的寿命。这些结果说明，从酵母、线虫、果蝇到哺乳动物，SIRT 蛋白都起到“长寿蛋白”的作用。

与FOXO 蛋白和AMPK 的作用类似，SIRT 蛋白能增加线粒体的数量和氧化磷酸化的活性，合成更多的ATP；SIRT 蛋白增加细胞的抗氧化能力，使细胞更加能抵抗逆境。SIRT 蛋白还能抑制β-连蛋白（β-catenin）的功能，除去生癌蛋白MYC上的乙酰基而降低其活性，因此，SIRT 蛋白还有抵御癌症发生的作用。

SIRT 蛋白还能活化AMPK，增加FOXO 蛋白的活性，同时抑制mTORC1 信号通路，进一步增强细胞在逆境下的生存能力。

白藜芦醇（resveratrol）是存在于红酒（实为酿红酒的葡萄，特别是葡萄皮）、蓝莓和花生中的一种化合物，能活化SIRT1 和AMPK，因而能在不限食的情况下模拟限食的效果，延长酵母、线虫和果蝇的寿命。

（待续）