宋夢嬌，劉夢，胡清源，王曉杰，沈義棟

中國科學院上海生物化學與細胞生物學研究所，中國科學院分子細胞科學卓越創(chuàng)新中心，細胞生物學國家重點實驗室，細胞信號網(wǎng)絡協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200031

衰老是生命歷程中不可避免的生理性退化過程。它不但造成了各種身體機能的退化，而且還與心血管疾病、神經(jīng)退行性疾病和癌癥等慢性疾病密切相關，成為現(xiàn)代社會最大的健康威脅。

從200多年前的工業(yè)革命開始，人類的生活經(jīng)歷了翻天覆地的變化。一個同每個人都密切相關的變化就是平均壽命的大幅延長。隨著近現(xiàn)代衛(wèi)生系統(tǒng)的建立、抗生素和疫苗的發(fā)明等里程碑式的進步，人類的平均壽命從1800年的29歲提升到了如今的72歲[1]。在人類享受前所未有的高壽的同時，“衰老”這個在不久前還挺虛無縹緲的問題忽然就成為了現(xiàn)代人類健康的最主要威脅。在包括中國在內(nèi)的許多國家，衰老相關疾病早已經(jīng)代替各種細菌感染疾病成為人類的主要死因?，F(xiàn)代生物醫(yī)學在防治這些疾病上取得了大量的成果，但令人悲觀的是，統(tǒng)計學研究表明：即便某一類重大慢性疾病被一夜治愈，現(xiàn)代人類的平均壽命也不會獲得6年以上的大幅度提高[2]。其背后的原因在于：因為衰老，老年人群罹患各類疾病的概率都大幅上升了。避免了某一類疾病的老年人依舊會得其他的慢性疾病。因此，科學家們設想是否可以通過直接對抗“衰老”這一現(xiàn)代社會最大的健康風險因素來普遍性地防治各種衰老相關疾病。可喜的是，過去幾十年的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)衰老可以被有效地干預，而且衰老被延緩的動物罹患衰老相關疾病的時間和頻率都顯著降低了[3]?，F(xiàn)代衰老研究的主要目的便在于探究衰老的原因，由此防治相關疾病，延長健康壽命，促進老年健康，并以此為基礎進一步提高人類壽命。

本文將小結近幾十年衰老研究領域的主要進展，簡述已知的衰老相關機制以及對抗衰老的方法。

1 細胞和分子水平的衰老機制

在眾說紛紜的衰老原因中公認的一點就是體內(nèi)穩(wěn)態(tài)(homeostasis)隨著年齡增長逐漸失調(diào)。體內(nèi)穩(wěn)態(tài)是指生物體內(nèi)維持動態(tài)平衡的狀態(tài)。它包含許多不同的層面。以下將按照“中心法則”，從基因組的穩(wěn)態(tài)、表觀遺傳的穩(wěn)態(tài)、蛋白質穩(wěn)態(tài)和代謝穩(wěn)態(tài)來簡述細胞內(nèi)各種穩(wěn)態(tài)與衰老的相互關系。

1.1 基因組穩(wěn)態(tài)

1.1.1 DNA的損傷和修復

DNA是基因組的物質基礎。在生命過程中，它不斷地受著內(nèi)源與外源的各種損傷。外源性DNA損傷來自輻射、飲食和環(huán)境化學物質。內(nèi)源性DNA損傷來自DNA的化學不穩(wěn)定性，如脫嘌呤作用、DNA復制和修復過程中的自發(fā)錯誤以及作為正常代謝副產(chǎn)物的活性氧(ROS)的影響。每個人體細胞每天產(chǎn)生多達50 000個DNA損傷[4]，包括堿基修飾、單鏈斷裂(SSBs)、雙鏈斷裂(DSBs)和鏈間交聯(lián)(ICLs)等。這些損傷的積累是導致基因組穩(wěn)態(tài)失衡的最重要原因。

為了對抗如此高頻的DNA損傷，生物進化出了一整套DNA修復機制。在哺乳動物細胞中主要的DNA修復途徑包括堿基切除修復(BER)、核苷酸切除修復(NER)、錯配修復(MMR)和雙鏈斷裂修復(DSBR)。生殖細胞及其產(chǎn)生的胚胎干細胞(ESCs)，可以通過更有效的DNA修復系統(tǒng)或通過克隆替代DNA損傷水平較低的細胞來避免隨機DNA損傷的累積[5-9]，從而降低了將突變傳遞給子細胞的可能性。

遺憾的是，隨著衰老，細胞修復DNA損傷的能力會下降[10]。未修復的DNA損傷可引起基因組不穩(wěn)定，并誘導信號級聯(lián)反應導致細胞老化或死亡[11]，同時還會降低組織自我修復的能力，抑制其從急性應激或損傷中恢復[12]。在體細胞中，因DNA損傷而積累的突變更可能致癌[13]。對裸鼴鼠(Heterocephlus glaber)的研究發(fā)現(xiàn)，裸鼴鼠基因組里負責修復DNA的基因拷貝數(shù)較高，還有大量幫助蛋白質正確折疊的分子伴侶蛋白，這些蛋白使得DNA在復制過程中幾乎不會出錯，因此裸鼴鼠幾乎不會得癌癥，且是已知壽命最長的嚙齒動物(其壽命約為30歲，而普通小鼠的壽命約為2歲)[14]。這一研究提示我們，通過提高DNA損傷修復能力可以增強組織的自我修復能力，降低腫瘤發(fā)生率，從而延長壽命。

1.1.2 端粒的維持

通常意義上的DNA復制機制并不能完整地復制整個染色體，因此在細胞分裂時就會導致染色體末端的缺損。真核生物中通過端粒DNA和端粒DNA特異性結合蛋白在染色體末端加上隨機重復的DNA短序列形成一個結構獨特的結構域，從而補償磨損，保護直鏈染色體DNA末端不被破壞，避免了DNA 末端連接、DNA 重組以及DNA 損傷等現(xiàn)象。為了抵消端粒的損耗，端粒酶通過端粒重復序列間的重組補充端粒長度，但在許多細胞中，端粒酶含量及活性有局限，導致端粒隨著衰老不斷縮短[15]。

端粒維護是靶向DNA修復的一種形式，對基因組的穩(wěn)定性至關重要。脊椎動物正常體細胞的分裂次數(shù)極限被稱為海弗里克極限(Hayflick Limit)，大部分正常體細胞分裂次數(shù)是40～60次。端粒的侵蝕或維護不當，如核酸酶作用、化學損傷(例如氧化損傷)、DNA復制壓力等，可導致細胞在一定數(shù)量的細胞周期后退出海弗里克極限[16]。端?？s短時細胞還會誘導DNA損傷反應[17]，而DNA損傷反應也會導致端粒維持不良[18]。

端粒維持下降是一系列細胞衰老標志中的上游標志。端粒維持缺陷與細胞衰老有關[19]，端?？s短的比例與衰老相關疾病以及死亡風險大致呈正相關。盡管小鼠端粒較長，但端粒功能障礙被認為是導致小鼠衰老的重要原因。在對小鼠端?？s短處理后，進行端粒酶刪除或端粒保護蛋白破壞，可以看到小鼠出現(xiàn)典型的早衰表型[20]。

端粒維持的單基因遺傳障礙說明，未受保護的端粒是衰老以及人類衰老相關疾病的成因。端粒酶缺乏癥的小鼠模型通常需要幾代才能使其端粒短到表型出現(xiàn)的程度[20]。類似地，單基因人類端粒綜合征的一個標志是能夠進行遺傳預測，在一個家族系譜中，突變攜帶者的后代相繼發(fā)生早衰疾病，而且疾病的類型在后代中也具有顯著的不同。特別是在代數(shù)靠后的后代中，過早死亡的情況更為嚴重。攜帶單基因端粒酶突變的人類還會出現(xiàn)肺氣腫和慢性阻塞性肺疾病，特別是吸煙者[21]。這些觀察提供了一個至關重要的觀點：短端粒本身是導致疾病表型的主要機制，端粒酶缺失與基因突變疾病的結合證明了端粒和DNA損傷的互動性。

端?？s短與線粒體功能障礙之間也有關系[22]。雖然具體機制還沒有被很好地闡明，但已經(jīng)有一些蛋白質參與這兩個部分的例子。例如與人類端粒DNA相互作用的RECQL4存在于線粒體中[23]。最近的一些觀察表明，線粒體功能障礙可導致端粒磨損，而端粒磨損也可導致線粒體功能障礙[24]。

1.2 表觀遺傳的穩(wěn)態(tài)

基因的表達不但由其編碼序列(DNA序列)決定，還受到表觀遺傳的調(diào)控。表觀遺傳指的是蛋白質或其他化學分子等表觀遺傳因子結合DNA并調(diào)控基因表達的過程。從酵母到人類，在衰老過程中檢測到的一種表觀遺傳趨勢是組蛋白修飾的逐漸丟失[25]。實驗證明，組蛋白修飾的減少可能在衰老中起著重要作用。比如抑制組蛋白甲基化會增強大量基因隨衰老的表達量變化并縮短動物的壽命[26]。除了組蛋白的修飾水平以外，組蛋白本身的量也與衰老密切相關。在年老酵母中，組蛋白的表達下降，而過表達組蛋白的酵母菌株的壽命則得到延長[27]。組蛋白的減少可能通過自噬等翻譯后機制發(fā)生。然而，目前尚不清楚在人體衰老組織的衰老細胞中，以及在含有不可再生分化的神經(jīng)元的大腦等組織中，這種組蛋白減少是否發(fā)生。

除了組蛋白外，表觀遺傳改變還包括直接對DNA的化學修飾。DNA甲基化是一種廣泛研究的表觀遺傳修飾，主要發(fā)生在CpG二核苷酸中胞嘧啶殘基的5碳上。隨著年齡的增長，哺乳動物細胞發(fā)生整體DNA 低甲基化和局部DNA超甲基化[28]。在多種人體組織中研究了26 486個常染色體CpGs的DNA甲基化狀態(tài)，表明啟動子中CpGs隨著年齡的增長發(fā)生高甲基化，而啟動子外的CpGs發(fā)生低甲基化[29]。加州大學洛杉磯分校的一項大規(guī)模研究表明，DNA甲基化可以作為正常組織中年齡的一個顯著預測因子。研究分析了約8 000個樣本，包括肝、腎、免疫和腦細胞在內(nèi)的51種健康人體組織和細胞類型，以及約6 000個癌癥樣本。研究發(fā)現(xiàn)，其中353 CpGs區(qū)域的DNA甲基化能夠準確預測年齡，這一區(qū)域被稱為時鐘CpGs[30]。

核小體重塑和去乙?；?NuRD)染色質重塑復合物也與哺乳動物細胞衰老有關。含有WD40區(qū)域的蛋白RBBP4和組蛋白伴侶蛋白RBBP7被認為與核纖層蛋白A的C端有特異性相互作用。這些亞基，連同另外兩個特定的去乙?；竵喕谠缢グY(HGPS)人類的皮膚成纖維細胞中被下調(diào)[31]。從老年患者中分離出來的原代成纖維細胞也出現(xiàn)了同樣的趨勢，這表明去乙?；赋煞值膩G失也與生理衰老有關[32]。通過這一途徑誘導衰老的確切機制還有待研究。

目前尚不清楚表觀遺傳的變化是否影響關鍵長壽基因的表達，或者長壽基因的改變是否驅動了大規(guī)模表觀遺傳變化。在低等模式生物中，表觀遺傳酶的單點突變顯著地改變了壽命。對于復雜高等生物來說，壽命有關的變化由少數(shù)基因驅動的理論被認為過于簡單。相反，實驗證據(jù)支持復雜高等生物會對環(huán)境刺激或養(yǎng)分是否獲得作出大規(guī)模表觀遺傳的改變[32]。

1.3 蛋白質穩(wěn)態(tài)

蛋白質是細胞直接行使各種功能的最重要組分。它由核糖體產(chǎn)生，再折疊成正確構象后運輸至正確位置發(fā)揮作用并最終降解。蛋白質穩(wěn)態(tài)指的是這一系列過程的穩(wěn)定有序和正確執(zhí)行。在各種生物體的衰老過程中常伴隨著顯著的蛋白質穩(wěn)態(tài)失衡。這一失衡與機體功能的衰退和機體整體的衰老緊密相關，并被認為是神經(jīng)退行性疾病等衰老相關疾病的直接病因。蛋白質穩(wěn)態(tài)失衡已被歸納為機體衰老的標志之一[33]。

細胞內(nèi)有復雜的機制來維持蛋白質穩(wěn)態(tài)，包括熱激因子介導的熱激反應(HSR)以及未折疊蛋白反應(UPR)等[34-35]。HSR與UPR通過輔助蛋白的正確折疊以及淘汰未能正確折疊的蛋白從而維持細胞內(nèi)的蛋白質穩(wěn)態(tài)；而自噬等過程則通過對蛋白的降解及時清理回收不需要的垃圾蛋白，在蛋白質穩(wěn)態(tài)維持中發(fā)揮著同樣重要的作用。這些機制與衰老也有緊密聯(lián)系：一方面隨著個體的衰老這些反應都呈現(xiàn)出衰退與失調(diào)的狀態(tài)；另一方面有報道揭示加強這些穩(wěn)態(tài)維持機制可以延長動物的壽命，促進動物的老年健康[36-37]。

1.4 代謝穩(wěn)態(tài)

1.4.1 線粒體

線粒體是生物體細胞內(nèi)的能量代謝工廠。線粒體的功能隨著衰老逐漸衰退，提示線粒體與衰老或許存在著一定的聯(lián)系。線粒體活性的衰退、功能的紊亂會擾亂干細胞的維持，促進細胞衰老與慢性炎癥反應等等促衰老因素的聚積[38]。有報道稱線粒體DNA聚合酶突變體小鼠的線粒體DNA突變顯著增加，衰老的速率也明顯變快[39]。另一方面，增加新線粒體的生物合成則可以延緩小鼠平滑肌的衰老，阻止隨年齡而加劇的少肌癥[40]。綜上所述，線粒體的衰退很可能是引起生物體衰老的原因之一。

盡管線粒體的正常功能似乎有益于衰老，但也有越來越多的證據(jù)顯示線粒體功能微弱的下降或損傷反而能夠延長壽命[41-42]。對這一看似矛盾的觀點的深入研究表明微弱損傷線粒體引起了線粒體未折疊蛋白反應(mtUPR)，進而介導了生物體的長壽[43]。

mtUPR是線粒體的一種壓力應激反應。在線粒體受損后，mtUPR誘導了線粒體伴侶蛋白的表達，一定程度上恢復了線粒體的功能；同時mtUPR還改善了代謝，調(diào)節(jié)了內(nèi)免疫反應等等，以幫助細胞在線粒體功能不完善的情況下盡可能生存下來[44]。mtUPR可能正是通過這些機制引起了生物體的長壽。

1.4.2 胰島素/胰島素樣生長因子-1信號通路

胰島素在動物體內(nèi)是調(diào)控糖代謝的重要激素。胰島素信號通路的異常是二型糖尿病的致病原因。有意思的是，這條通路也是第一條被發(fā)現(xiàn)的影響動物衰老的信號通路。20世紀80～90年代，科學家們發(fā)現(xiàn)缺失了胰島素/胰島素樣生長因子受體(daf-2)或通路中一個重要激酶(age-1)的線蟲(Caenorhabditis elegans)的壽命相對野生型線蟲延長了2～3倍，且這些長壽線蟲在野生型線蟲表現(xiàn)出衰老的表型后依舊能長期保持年輕的表型[45-46]。在這些突變體中，胰島素/胰島素樣生長因子-1信號通路受到抑制，其下游轉錄因子daf-16的活性得到增強[47-48]，進而激活了下游許多基因的表達，延長了線蟲的壽命。胰島素/胰島素樣生長因子-1信號通路的延壽作用是進化保守的，即其作用不只局限于線蟲，在果蠅、小鼠以及狗中適當?shù)匾种圃撏返牟糠纸M分也可以達到壽命延長的效果[49]。甚至在人類中，長壽的群體有時也會伴隨著該通路中一些組分的突變，這意味著這條通路的壽命調(diào)節(jié)作用對人類同樣適用[50-51]。

1.4.3 雷帕霉素靶蛋白(TOR)&腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)

TOR是生物體內(nèi)主要的氨基酸和營養(yǎng)感受器，在食物充足時促進合成代謝，驅動生長。AMPK則是生物體內(nèi)的另一個營養(yǎng)與能量感受器，通過感知AMP與ATP比值的升高進而促進分解代謝，抑制合成代謝。在多種模式動物中增強AMPK的活性或抑制TOR的活性都可以延長其壽命[52-56]。TOR與AMPK功能相互拮抗，在體內(nèi)相互抑制[57-58]。當TOR被抑制而AMPK被激活時，細胞內(nèi)整體的蛋白質、脂類和糖類的合成會下降，同時細胞內(nèi)儲藏和廢棄的蛋白質、脂類和糖類會更多地被分解再利用，加強了呼吸作用，最終達到了壽命延長的效果。這一對中樞代謝調(diào)節(jié)分子共同調(diào)節(jié)著生物體的衰老，在生物的衰老過程中起著重要的作用。

2 在組織水平的衰老原因

在多細胞動物中，衰老的發(fā)生不僅是因為細胞內(nèi)部的穩(wěn)態(tài)改變，更是組織間穩(wěn)態(tài)逐漸失衡的結果。

2.1 炎性衰老

炎癥反應是動物在不同組織中清除體內(nèi)異物和垃圾的保護機制。在高等動物中，目前已知的衰老相關機制都與炎癥反應有關，任何一個機制的相關變化都會加劇炎癥，進而影響所有其他機制。這種慢性、無菌(沒有感染且主要由內(nèi)源性信號驅動)且在衰老過程中發(fā)生的低度炎癥被稱為炎性衰老(inflammaging)[59]。炎性衰老的主要特征是先天免疫系統(tǒng)的慢性激活[60]，其中巨噬細胞起著重要作用。Ilya Metchnikoff首次描述了無脊椎動物的巨噬細胞，確定其在攝入外來物質(類型簡單的營養(yǎng)物質)和生理性炎癥發(fā)生的過程中起到關鍵作用，并作為一種基本機制應對與抵消大量外來刺激[61]。目前普遍認為與衰老有關的慢性病不僅是衰老和炎癥的結果，這些疾病反過來也加速了衰老過程。

2.2 腸道微生物

消化系統(tǒng)內(nèi)有著組成復雜、多樣性豐富的微生物群體。腸道微生物對健康的影響最早在代謝性疾病小鼠中報道，其后越來越多的研究表明腸道微生物與健康關系密切。腸道微生物群是營養(yǎng)和炎癥的關鍵調(diào)節(jié)劑。隨著年齡增長，腸道菌群的穩(wěn)態(tài)逐漸退化，不利于健康的菌群逐漸替代有利于健康的菌群，這一現(xiàn)象在許多動物中都有發(fā)現(xiàn)[62]。在小鼠模型中的研究表明，將來自老年小鼠的腸道微生物群接種到年輕無菌小鼠中時會誘導炎癥發(fā)生，增加某些T輔助細胞(TH)亞群的百分比，并增加炎癥標志物的水平，例如腫瘤壞死因子(TNF)[63-64]。這一效應伴隨著有保護免受炎癥、促進代謝穩(wěn)態(tài)的艾克曼菌(Akkermansia)的水平降低[65]，以及能引起小腸炎癥和腸易激疾病發(fā)生相關的TM7細菌和變形菌的水平增高[66-67]。

3 抗衰老方法

3.1 飲食限制與合理運動

飲食限制(dietary restriction, DR)指在不引起營養(yǎng)失調(diào)的前提下，緩慢地減少動物日常飲食中除了維生素和礦物質以外的成分。DR不但能夠延長壽命，還能夠減緩衰老中不健康的表型，緩解包括神經(jīng)退行性疾病在內(nèi)的衰老相關疾病[68]。

DR對壽命的延長作用在物種間保守，小到酵母大到靈長類動物都能在DR處理下延長壽命。研究表明，TOR信號通路、AMP激酶、去乙?；?、胰島素/胰島素樣生長因子(insulin/insulin-like growth factor，IGF-1) 信號轉導通路在DR中都發(fā)揮著重要作用，并且隨引發(fā)DR的方式不同，占主導的信號通路也會發(fā)生變化[3,69-71]。近年的研究表明，比起減少飲食攝入量本身，控制進食時間、進食種類似乎更為重要，在DR過程中起到本質上的作用[68]。盡管目前還不知道什么樣的飲食限制程度與進食種類、方式可以最大化DR對人類壽命的延長效果，但合理飲食對個體的健康與壽命必然是有益的。

另一方面，規(guī)律運動可以延緩隨年齡增長逐漸衰退的肌肉力量與骨骼強度，增強心血管功能，改善認知能力，提升機體的免疫力等等，幫助機體更好地抵抗衰老[72-73]。運動也許還能增加線粒體的生物合成，通過維持線粒體穩(wěn)態(tài)延緩個體衰老[74]。有報道稱通過運動進行耐力訓練阻止了線粒體DNA聚合酶突變小鼠的過早死亡[75]。

3.2 干細胞治療

干細胞通過自噬抗衰老[76]，因此利用干細胞技術有助于緩解或逆轉衰老相關疾病。下丘腦參與諸多生理功能，包括炎癥反應和食欲控制，這些功能與衰老相關。研究表明，下丘腦中的干細胞會隨著小鼠年齡的增長而消失，給小鼠注射破壞干細胞的病毒也可加速小鼠衰老[77]。將新生小鼠下丘腦中生產(chǎn)激素和其他信號分子區(qū)域內(nèi)的干細胞注入到中年小鼠大腦后，可以恢復中年小鼠衰退的腦功能和肌力，平均壽命也延長了10%。這一作用可能與干細胞分泌的微小RNA分子有關，科學家正試圖找出具體產(chǎn)生作用的微小RNA，并進一步在靈長類中進行類似的研究。

3.3 清除衰老細胞

清除衰老細胞抵抗衰老是近幾年興起的一個新思路。越來越多的證據(jù)表明，衰老的細胞與老年疾病有關。直接清除衰老的細胞是否可以幫助機體維持健康狀態(tài)？這一想法繞開了繁雜的衰老成因，直接求證于抵抗衰老的結果。與以往的研究相比，這不僅延長了實驗動物的平均壽命，甚至使逆轉衰老成為可能。

2011年在《自然》刊登的研究結果表明[78]，在早衰小鼠的細胞進入衰老狀態(tài)時就將其阻斷，衰老早期的癥狀幾乎全部消失，小鼠的平均壽命延長了約25%。這份研究給出了衰老細胞和衰老癥狀之間關系的確鑿證據(jù)。其后對正常小鼠的研究發(fā)現(xiàn)，通過注射清除衰老標記細胞的藥物后，雖然小鼠的最高壽命并未得到大幅改變，但其保持健康的時間得以延長，癌癥發(fā)展也更緩慢。另一項研究利用FOXO4在衰老細胞中高度表達，其與啟動細胞凋亡的p53蛋白結合可抑制p53蛋白活性，從而維持衰老細胞避免凋亡。通過設計FOXO4-DRI短肽的異構型替代品，使其與p53競爭性結合卻不影響p53蛋白作用，促使衰老細胞凋亡[79]。FOXO4-DRI可以有效抵抗化學毒性誘導的衰老，逆轉早衰小鼠和正常小鼠的衰老。通過研發(fā)藥物來靶向凋亡衰老細胞從而對抗衰老，其安全性還需要經(jīng)過更多的實驗和臨床研究。

3.4 改變腸道菌群

既然腸道菌群不但是體內(nèi)穩(wěn)態(tài)的重要組成部分，而且隨著衰老發(fā)生改變，那么將年輕動物的腸道菌群接種到年老動物的體內(nèi)是否可以抑制甚至逆轉這一不良反應？在非洲青鳉魚(Nothobranchius furzeri)中，隨著年齡增長，其腸道微生物物種多樣性普遍降低，其組成也發(fā)生了改變。喂食經(jīng)過處理的年輕魚的腸道細菌能重建老年魚的腸道菌群，這些老年魚的壽命相比未處理的老年魚延長了40 %[80]。利用腸道微生物治療人類胃腸疾病已有先例，是否能夠延緩衰老需要更多數(shù)據(jù)支持。

衰老是由于體內(nèi)的各種穩(wěn)態(tài)隨著時間推移逐漸失衡?；谶@一認識，科學家們已經(jīng)在動物實驗中發(fā)現(xiàn)諸如清除老化細胞、激活細胞修復、增加機體有利因子等方法，可以有效改善衰老及其相關損傷。這些研究為防治衰老相關疾病以及延長健康壽命帶來了希望。