沈翌軒 田瑞娟 胡 璐 肖家元 鄭 凌

(武漢市第六中學(xué) 武漢 430000)

細胞衰老是自然界的普遍現(xiàn)象，從受精卵開始，通過分裂、分化出執(zhí)行不同功能的細胞，同時伴隨著細胞的衰老，直至凋亡。1961年Hayflick[1]等研究發(fā)現(xiàn)，細胞存在增殖極限[2]，即正常細胞不會無限增殖；另有研究顯示[3]，人成纖維細胞的增殖能力在經(jīng)過初期的有絲分裂后會逐漸減弱，但在有絲分裂停止后，細胞仍能維持一段時間的生長代謝并存活數(shù)周，這一細胞生命過程稱為細胞衰老[3]?？梢娂毎ダ鲜且环N應(yīng)激行為，它是由于細胞受到一些特定刺激而誘發(fā)產(chǎn)生的。本研究將對細胞衰老的誘因、信號通路、應(yīng)答機制、微觀過程和宏觀表現(xiàn)等相關(guān)研究進行綜述，將對開辟抵抗衰老的新途徑產(chǎn)生積極意義。

1 細胞衰老概述

生物體的衰老定義是指與年齡相關(guān)的內(nèi)在生理功能下降，細胞衰老則是與時間相關(guān)的細胞固有功能(如細胞內(nèi)、細胞間通訊運輸和細胞分裂復(fù)制等)功能喪失，以致衰老的細胞死亡或被其他細胞清除[4～6]。幾乎所有類型的細胞均會發(fā)生衰老，而不同類型的細胞其衰老表現(xiàn)亦是不同的，如有絲分裂細胞復(fù)制性衰老[7]則表現(xiàn)為分裂停止，終末期分化的細胞(如神經(jīng)元、吞噬細胞、骨細胞等)則表現(xiàn)為一些特定功能的喪失。

在研究過程中，我們常將細胞衰老分為復(fù)制性衰老和非復(fù)制性衰老。我們常見的復(fù)制性衰老是細胞復(fù)制性衰老，生物的復(fù)制性衰老[7]、器官復(fù)制性衰老[8～9]和細胞器的復(fù)制性衰老[10]，其復(fù)制能力喪失主要因為細胞復(fù)制困難導(dǎo)致染色體損傷和細胞復(fù)制障礙所致[11]；而非復(fù)制性衰老主要是由于細胞加工、運輸、分泌功能的障礙，引起細胞膜性結(jié)構(gòu)損傷和代謝障礙，導(dǎo)致細胞特殊分化動能的喪失。

2 細胞衰老誘因及相關(guān)理論

半個世紀(jì)以來，相關(guān)研究者們致力于研究衰老發(fā)生的原因及機制，然而細胞衰老是一個復(fù)雜的過程，單一學(xué)說尚不能闡明細胞衰老的病理生理過程。近年來，多個有關(guān)衰老起因的觀點或?qū)W說被學(xué)者提出，如衰老的損傷積累理論，細胞衰老的端粒假說，細胞衰老的線粒體損傷論等。

2.1 衰老的基因損傷累積理論

該理論是指維持和修復(fù)功能不能滿足無限存活需求而引起的。這里最具代表性的理論是錯誤成災(zāi)理論，即細胞內(nèi)的蛋白質(zhì)和核酸在細胞內(nèi)外各種理化因素發(fā)生改變的情況下合成錯誤，這些錯誤會逐漸累積，并不斷擴大，進而導(dǎo)致細胞代謝功能大幅降低，引起細胞衰老，甚至開啟凋亡程序。

2.2 細胞衰老端粒假說

Harley于1990年提出細胞衰老端粒假說[12]，他認(rèn)為生殖細胞的端粒相當(dāng)穩(wěn)定，不會衰老是由于端粒酶的存在所致；同時具有這種端粒的細胞會因為P53的活化和DDR 信號的持久表現(xiàn)而促進衰老相關(guān)的停滯[13]。有研究表明，少數(shù)長壽物種除基因控制外，其壽命長也可能因為其細胞內(nèi)的端粒酶在一定程度上表達了活性。

2.3 細胞衰老的線粒體損傷論

Amteim通過PCR研究發(fā)現(xiàn)胎腦和胎心沒有線粒體的損傷，而成人神經(jīng)細胞、骨骼肌細胞和心肌細胞的線粒體則有DNA片段的丟失。研究發(fā)現(xiàn)老齡人各種mtDNA缺失突變存在突變“熱點”，即缺失突變片段5'端和3'端斷裂位點的側(cè)翼有4～13bp同向重復(fù)序列，如5kb常見的側(cè)翼為13bp的5'端ACCTCCCTCACCA重復(fù)序列。動物實驗中也證明了隨著年齡增加，線粒體DNA的丟失頻率也相應(yīng)增高。如果人體組織器官在同一細胞內(nèi)發(fā)生多次突變并產(chǎn)生時間性累積，會導(dǎo)致生物化學(xué)缺陷，同時隨著其比例的增加，最終加速了老化過程[14]。

3 細胞衰老相關(guān)信號通路

目前有多條和細胞衰老緊密相關(guān)的信號通路，人們研究最多的包括p16通路、mTOR通路、P53通路等。人類P16Ink4a基因全稱為周期素依賴性蛋白激酶抑制劑2A(cyclin-dependent kinase inhibitor 2A，CDKN2A),研究表明P16、P14等基因在哺乳動物衰老中有著一定作用，其信號通路參與了細胞衰老的調(diào)控過程[15]。P16基因的過量表達導(dǎo)致了具有自我更新能力的細胞修復(fù)潛能下降，如造血干細胞(HSCs)，具有遺傳毒性的刺激(如電離輻射)，可以有效誘導(dǎo)造血干細胞(HSCs)中P16基因的表達，如果敲除P16和ARF，則增強了被輻射誘導(dǎo)的小鼠HSCs細胞的再生，結(jié)果證明P16的表達是HSCs的衰老機制之一[16]。

mTOR是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，mTOR信號通路[17]在誘導(dǎo)衰老過程中起到重要作用。mTOR的分子量為289kd，在進化中高度保守，細胞內(nèi)存在mTORC1和mTORC2兩種不同的復(fù)合物，其中mTORC1主要抑制溶酶體形成，促進脂肪生成、蛋白質(zhì)合成和能量代謝；mTORC2則在骨架細胞和肌動蛋白細胞的存活、代謝等方面發(fā)揮重要作用[18]。近年來，通過基因敲除、雷帕霉素處理或飲食限制等手段可激活相應(yīng)通路保留細胞及組織功能以延長壽命[19～22]。當(dāng)能量攝取減少10%～50%時，mTORC1通路會直接受到抑制[23]。因此，如果能根據(jù)不同組織的特點，通過靶向作用手段而不是全面抑制mTOR信號通路，我們可以建立抗衰老的有效手段[24]。

4 細胞衰老的生物學(xué)特征

衰老的細胞在應(yīng)對內(nèi)環(huán)境的刺激或者壓力的能力降低，其生理生化功能隨之發(fā)生改變，從而導(dǎo)致其形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化。

4.1 細胞內(nèi)水分減少

由于構(gòu)成蛋白質(zhì)親水膠體系統(tǒng)的膠粒受時間或其他因素的影響，逐漸失去電荷相互聚集、膠粒分散度降低及不溶性蛋白增多等原因，導(dǎo)致衰老的細胞內(nèi)水分減少，結(jié)果使細胞收縮、體積減小、核質(zhì)比增大，失去正常球形。

4.2 色素生成和色素顆粒沉積

在分裂指數(shù)低或不分裂的細胞如干細胞、肌細胞和神經(jīng)細胞中色素沉積較為明顯，可能導(dǎo)致細胞內(nèi)物質(zhì)運輸或信號交流受阻。

4.3 細胞膜流動性降低

隨著年齡的增大，膜結(jié)構(gòu)中的磷脂含量降低，膽固醇與磷脂的比值逐漸升高，但不飽和脂肪酸含量及卵、鞘磷脂的比值卻下降，這就導(dǎo)致了質(zhì)膜黏性升高，流動性降低。再加上質(zhì)膜上發(fā)生的過氧化反應(yīng)，使細胞的興奮性降低，離子轉(zhuǎn)運下降以及對內(nèi)、外源性的刺激敏感度也隨之降低。

4.4 蛋白質(zhì)合成速率降低及錯誤增多

因為核糖體的準(zhǔn)確性和效率降低導(dǎo)致細胞合成蛋白質(zhì)速率下降，有研究顯示蛋白質(zhì)合成折疊因子活性下降也是一個重要因素，同時最新研究亦發(fā)現(xiàn)腦衰老與蛋白質(zhì)折疊錯誤和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)壓力密切相關(guān)[25]。

5 細胞衰老在臨床上的表現(xiàn)

5.1 神經(jīng)退行性疾病

一些以ATP為主要能源且代謝較為旺盛的區(qū)域如腦、肌肉、心臟等較為容易發(fā)生mtDNA突變及自由基的累積，其表現(xiàn)即為帕金森氏病、阿茲海默病等。

帕金森氏病(PD)主要是因為大腦黑質(zhì)中的多巴胺(DA)神經(jīng)元變性導(dǎo)致紋狀體系統(tǒng)DA含量降低引起震蕩麻痹等癥狀的疾病。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，PD患者大腦黑質(zhì)區(qū)的鐵蛋白含量明顯低于正常人，而其鐵的含量卻較高[26]，這說明其不穩(wěn)定狀態(tài)即還原態(tài)的鐵濃度較高，易于催化氧化反應(yīng)，所以PD病人體內(nèi)的H2O2可經(jīng)低價鐵的催化產(chǎn)生更具破壞性的羥自由基，加劇其體內(nèi)脂質(zhì)的過氧化和生物膜的破壞，進而加速相關(guān)細胞的衰老，引發(fā)PD等病癥。

5.2 代謝綜合征

代謝綜合征是一種代謝紊亂癥候群，由多種代謝成分聚集所導(dǎo)致，是老年人常見疾病的主要危險因素，如糖尿病、冠心病、腦卒中等器官損害與高血壓、肥胖及糖脂代謝紊亂等密切相關(guān)。冠心病，主要病因包括由于冠狀動脈堵塞導(dǎo)致某些心肌細胞供氧不足，進而引發(fā)細胞衰老；幽門螺桿菌(HP)感染使患者血甘油三酯升高，高密度脂蛋白含量降低，并可能激活動脈內(nèi)膜炎癥反應(yīng)和自身免疫反應(yīng)，進而引起動脈粥樣硬化(AS)損傷，致使冠心病發(fā)病率升高[27]；另外，包括巨細胞病毒、低濃度的血清總膽紅素、肺炎衣原體感染等因素，將引起心肌細胞的損傷衰老甚至壞死，引發(fā)冠心病[28～32]。

5.3 黃斑病變

老年性黃斑變性是黃斑區(qū)結(jié)構(gòu)的衰老性改變，是致盲的重要原因[33～34]。糖尿病相關(guān)性黃斑病變是指黃斑水腫、滲出及增殖型糖尿病視網(wǎng)膜病變對黃斑的侵犯，其主要表現(xiàn)為黃斑水腫。

隨著對細胞及生物體衰老的深入認(rèn)識，人們將更加清楚地了解到衰老發(fā)生的病理生理機制，從基因水平上進行調(diào)控和干預(yù)病理性衰老過程，這將為今后研發(fā)更加有效治療衰老相關(guān)疾病的藥物提供新思路，為生命科學(xué)的發(fā)展做出重大貢獻。