第一節　衰老的細胞和分子特征

從老年人整體的衰老特征觀察：頭發花白、走路遲緩、駝背、臉部或其他部位皮膚皺紋大量增加等均是衰老的外觀特征。此外，衰老在老年個體表現為高度的異質性，衰老特征的表現也明顯不同。為了更好地了解衰老發生的機制，實現精準干預，十分需要從細胞和分子水平上進行深入研究。

一、細胞衰老的特征

組成人體組織和器官結構的基本單位是細胞。因此，衰老的基本原因必須在細胞水平上進行解答。細胞衰老（cellular senescence）是指細胞停止分裂，退出細胞周期，細胞體積變大，扁平鋪展，異染色質出現點狀凝集，顆粒物增加的現象。最為典型的細胞衰老標志物是β-半乳糖苷酶染色陽性，細胞阻斷在G1期。衰老標志分子如P16、P21、P27等表達持續升高。細胞衰老可分為復制性衰老、早熟性衰老和發育性衰老3種類型。

細胞衰老的生理功能　很長時間以來，細胞衰老被看作是一種細胞功能衰退，喪失正常生理功能的標志。發育性衰老的發現，終于確認細胞衰老具有正常的生理功能，像細胞凋亡一樣，是生物行使正常生理功能所必需的。在胚胎發育過程中，出現衰老的細胞，這些細胞有可能分泌細胞因子，改變局部的內環境而有助于某些器官的形成和發育。

在特定條件下，人體中的衰老細胞也具有正常的生理功能。當出現傷口愈合過程中，成纖維細胞進入衰老狀態有助于傷口的愈合。胰島細胞衰老后分泌的胰島素增加，有助于降低人體的胰島素抵抗。更有意思的是心肌細胞在出生后一周左右停止增殖，該過程也是通過細胞衰老反應，增加活性氧自由基及DNA損傷相關的蛋白表達而實現的。

細胞衰老具有抑制腫瘤發生的功能。腫瘤細胞存活并形成腫瘤的第一步，需要實現無限增殖，必須克服細胞衰老機制的約束，可以說，細胞衰老是腫瘤發生的“安全閥”。在Pten抑癌基因失活的小鼠前列腺模型中，檢測到癌前病變及非致死性腫瘤中衰老的細胞，但在惡性腫瘤中并未檢測到。通過P53可限制Pten基因缺陷細胞的生長、誘導細胞衰老。癌基因的活化不僅能夠促進P19蛋白合成，也可通過DNA的過度復制激活DNA損傷調控點，通過損傷反應激酶磷酸化P53，激活衰老信號通路。而破壞這條通路的完整性，腫瘤細胞就無法進入衰老程序，導致腫瘤的發生。通過誘導小鼠模型Ras致癌基因的表達，可引起多發肺腺瘤，其中某些肺腺瘤會進展為惡性的腺癌。在良性腺瘤細胞中明顯表達P16衰老特異性標志，而在腺癌中幾乎不表達。

1.細胞衰老的危害

鑒于人體中分裂能力最強的是干細胞，既有組織干細胞，也有分化水平更低的干細胞，細胞衰老現象更多地出現在干細胞中。以至于有學者提出干細胞衰老是衰老發生的原因。從組織新生及損傷恢復等方面考慮，多數干細胞喪失分裂能力，意味著人體正常生理的異常和調節能力喪失。

衰老的細胞仍然是活細胞，至少能存活1年以上，具有明顯的代謝活動，并分泌多種炎性因子和蛋白酶，影響周圍的微環境。最終，衰老的細胞通過凋亡而被免疫細胞吞噬。在老年階段，大量出現的衰老細胞對人體是有害的，是促進疾病發生的重要因素，最為明顯的是促進炎性因子的產生而導致慢性炎癥。

2.非分裂細胞的衰老

在人體內，細胞衰老現象是針對能分裂的細胞而言的。人體中還存在出生后就不分裂的細胞，例如：心肌細胞、神經細胞。這些不分裂的細胞，是否存在細胞衰老現象，目前仍然缺乏十分明確的研究，也沒有找到生物標志物。這些細胞的衰老變化更多表現在細胞自噬、線粒體功能失調等方面。從生物進化角度看，越高等的動物，越需要生理功能高度特化的器官。作為生物界最為高級的生物人類，嬰兒出生后，需要實現自主血液循環和營養供應。神經細胞的突觸大量生長，互相聯系增多，以靈敏地感知外部的世界。到老年期，這些細胞最終會出現衰老和死亡，無法通過干細胞的增殖而實現動態置換，這是人類肉體不可能實現“永生”的科學理論基礎。

3.維持細胞衰老特征的相關分子

細胞衰老相關蛋白，如P53、P21、P16等，在維持衰老細胞表型的不同階段起作用。這些信號分子參與細胞周期的調節，均在腫瘤中首先發現，并與某些腫瘤的發生和治療相關。迄今為止，還沒有發現：只在衰老進程中表達而與其他生理或病理過程無關的分子，這也是部分學者不承認存在衰老現象的原因。

1）P53：

抑癌基因P53是細胞中的重要調節蛋白，與細胞凋亡、自噬、細胞衰老密切相關。P21是P53的下游激活分子，是一種周期蛋白，具有阻滯細胞周期運行的作用。抑癌基因P53對于保持基因組穩定發揮著重要的作用，P53的變異或失活會促進癌癥的發生，人類一半以上的腫瘤都存在P53的突變。DNA損傷反應與衰老關系密切，強烈的損傷引起P53蛋白持續升高，引起細胞凋亡而被免疫細胞清除。而輕度的損傷，引起衰老。過氧化氫或基因毒性藥物處理后，損傷DNA，引起損傷信號通路的激活，損傷信號傳導到P53，引起短暫性升高，然后激活P21基因，最終導致細胞衰老。

2）P16：

細胞周期調節蛋白P16表達的持續升高，是維持細胞衰老表型所必需的。損傷信號引起P16表達的持續增加，使周期蛋白RB去磷酸化，細胞被阻斷在G1期。在正常二倍體細胞中，P16的高表達是細胞衰老的可靠的分子標志。把P16基因連接上熒光素酶基因轉染到小鼠體內，當細胞衰老時熒光素酶就能激活。活體成像發現：老年小鼠的熒光強度明顯強于年輕小鼠，但衰老細胞多的小鼠其腫瘤的自然發生率并沒有明顯提高；此外，還觀察到即使在遺傳和環境、飲食條件完全一致的情況下，小鼠個體的熒光強度仍然具有明顯的差異，說明p16的表達存在個體和組織的差異性。

3）Skp2/P27：

周期蛋白P27的高表達，也是某些類型細胞衰老的分子標志。蛋白酶體通路蛋白Skp2屬于F盒蛋白家族成員，與skp1/cullin組成蛋白復合體，在泛素蛋白酶體降解通路中起特異識別靶蛋白的作用。在該信號通路中，外部損傷信號通過Pten磷酸酶傳遞，抑制Skp2的活性，導致P27的表達升高。該信號通路引起的細胞衰老，P53、P16的基因并沒有活化，其表達量也沒有升高。

Skp2在多種惡性腫瘤中存在不同程度的增高，且與腫瘤的分化程度、惡性進程和臨床預后密切相關。通過阻斷Skp2活性，引發腫瘤細胞衰老從而遏制腫瘤生長。以Pten缺陷型和P19缺陷型患有前列腺癌小鼠為模型，觀察到缺失Skp2基因的小鼠沒有出現腫瘤，提取缺失Skp2基因的小鼠淋巴腺和前列腺組織，用衰老特異的β-半乳糖苷酶染色檢測癌細胞，出現大量的陽性細胞，證明癌細胞開始衰老。Skp2誘導細胞衰老直接作用于P53的下游分子P21。

二、模式生物與衰老機制的研究

模式生物（model organism）是一類遺傳背景清晰、具有多種突變表型，研究歷史較長的生物。典型的模式生物有大腸埃希菌、出芽酵母、秀麗隱桿線蟲、果蠅、小鼠等，模式生物代表著進化不同階段的物種。通過研究模式生物，我們深入了解了大量十分重要的生物學作用機制，幫助我們更好地防治疾病、設計和發展新藥。在衰老機制研究中，模式生物也起著十分重要的作用。必須指出的是：模式生物的研究結果與人類的衰老機制存在明顯的差異，不能把相關結果直接推廣到人類。目前，部分研究者和媒體，對發表的基礎科學成果進行了不負責任的過度解讀，并不利于人類衰老機制的研究。

1.酵母

酵母是單細胞真核生物，共有近6000個基因。酵母生長快速，取材方便，有關細胞周期調節機制的結果，很多是從酵母細胞中首先得到的。在研究酵母衰老時，需要不斷分離新生的細胞，確定酵母衰老的時間。酵母具有細胞壁，與人類細胞完全不同。從進化角度看，酵母存在基本的衰老機制，至少對其他高等生物的研究具有啟示作用。

2.線蟲

模式生物線蟲的正式學名是秀麗隱桿線蟲，長約1～2mm。共由1000左右的細胞組成、蟲體透明、壽命20多天，靠吃大腸埃希菌為生。調節壽命的基因首先在線蟲中發現，許多信號通路與人類存在70%的相似性。大量衰老與延長壽命的研究結果，首先在線蟲中得到。無論是尋找干預衰老的藥物，還是腸道菌群研究，線蟲是一個很好的模型。值得指出的是：線蟲的部分衰老相關的性狀與哺乳類是完全不同的。超氧化物歧化酶SOD在哺乳類具有明顯的抗氧化作用，但缺失SOD2的線蟲壽命反而延長。長壽基因SIRT1在哺乳類細胞中抑制FOXO3a的活性，而其線蟲的同源物Sir2具有激活Daf-16（FOXO3a的同源蛋白）的作用。

3.果蠅

模式生物果蠅為黑腹果蠅，屬于昆蟲，其成蟲的壽命為60多天，體型小，培養方便，是研究遺傳和發育生物學的重要模式生物。自美國著名的遺傳學家JP摩根開啟該模式生物研究以來，僅使用果蠅進行的研究，已經榮獲5次諾貝爾獎，包括2017年因發現晝夜節律分子機制而榮獲的醫學或生理學獎。有多項研究顯示，使用果蠅得到衰老或壽命評價的結果。由于果蠅成蟲的壽命時間較長，更多的研究者喜歡使用線蟲進行評價。

非洲青鳉魚

從低等動物過渡到哺乳動物，需要魚類模式動物進行研究。常見的模式動物斑馬魚，壽命為5年，顯然不適合進行衰老機制和壽命評價的研究。斯坦福大學的研究團隊發現非洲青鳉魚（African turquoise killifish）是研究衰老及其相關疾病的良好模型。該魚類的壽命只有4～6個月。他們使用CRISPR/Cas的基因組編輯技術使端粒酶缺失，2～3個月就得到了穩定的突變株，這些鳉魚突變體與人類端粒缺陷的先天角化不良疾病相似。

4.嚙齒類-小鼠和裸鼴鼠

模式生物小鼠是廣泛使用的高等哺乳類動物，利用該動物，取得了大量與生命科學和醫學相關的重大研究成果。小鼠的壽命2～3年，廣泛應用于衰老和壽命的研究。根據基因組測序的結果，人類基因組與小鼠基因組的相似度達到90%。不過，小鼠與人類的部分生物性狀完全不同。值得注意的是小鼠在衰老時端粒縮短不明顯。即使在缺失端粒酶的情況下，要到第四代小鼠才出現明顯的端?？s短。還有一個現象是分離人胚胎細胞，在體外條件下，至少能培養到50代。而小鼠的胚胎細胞，由于空氣中較強的氧濃度對細胞的毒害，容易發生衰老，培養時間一般不超過10代。

同樣屬于嚙齒類的裸鼴鼠，體型與小鼠相當，長期在地下生活，其壽命長達30年。與小鼠容易得癌癥不同，裸鼴鼠終生不患癌癥，其原因是細胞能分泌高分子量的透明質酸，抑制了細胞的惡性增殖。裸鼴鼠的長壽機制引起科學家的高度興趣，但具體的機制仍然在研究之中。

三、與衰老調控相關的重要信號通路

調節生物基本功能的信號通路，如代謝、DNA修復、能量合成等，與衰老的發生及進程密切相關。闡明這些信號通路與衰老的關系，對于深入研究衰老發生的機制、衰老與疾病的聯系及衰老的干預均有重要意義。下面介紹2條重要的信號通路。

1.TOR信號通路與衰老

雷帕霉素靶蛋白（target of rapamycin，TOR）是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，屬于磷脂酰肌醇3激酶相關激酶（pho sphatidylinositol 3-kinase-related kinase，PIKK）蛋白家族。最早在啤酒酵母中發現，作為雷帕霉素的靶蛋白而命名。根據不同物種來源的TOR，在命名時加前飾予以區別，如mTOR（mammalian TOR）是哺乳類的TOR蛋白。TOR信號通路的功能主要是調節細胞增殖、分化、代謝、感受營養的變化等，是細胞內重要的調節通路。TOR信號通路具有明顯的保守性，從低等生物酵母、線蟲到高等動物小鼠、人類，相關的蛋白其結構均具有較高的同源性，表現出相似的功能和作用特征，說明該信號通路在生理功能調節中的中心作用。

mTOR的蛋白結構從N端到C端，依次為20個重復的HEAT模體、FAT、FRB、激酶結構域、FATC。雷帕霉素與FKBP12結合后，與FRB結合而抑制TOR的活性。HEAT介導蛋白之間的相互作用，而FATC結構域對穩定TOR的活性有重要的作用。mTOR在細胞中以兩種方式存在，mTORC1和mTORC2。mTORC1與輔助蛋白mLST8、Raptor形成復合體，對雷帕霉素敏感，主要調節增殖、代謝等功能。而mTORC2與mlST8、Rictor形成復合體，對雷帕霉素不敏感，主要調節細胞骨架、細胞運動的功能。實際上，有些功能的調節需要兩類復合體的共同作用，才能達到最大的效應。根據最近的研究發現，mTORC2對雷帕霉素不敏感的原因與磷脂酸的濃度密切相關，降低細胞內的磷脂酸的濃度，就能明顯提高對雷帕霉素的敏感性。

mTOR的上游由兩條信號通路介導，將信號匯聚到TOR復合體。①PI3K/Akt/mTOR通路，主要介導細胞因子和生長因子的信號，如白介素、類胰島素樣生長因子、表皮生長因子、血小板源生長因子等，通過受體酪氨酸激酶的磷酸化，把信號傳遞到Akt，Akt磷酸化結節性腦硬化復合物TSC-2的Ser939和Thr1462位點，解除TSC1/TSC2復合物對小GTP酶Rheb的抑制作用，Rheb與mTOR結合而活化mTOR激酶。②LKB1/AMPK/mTOR通路，主要介導能量代謝和氨基酸代謝的調節，AMPK（AMP-activated kinase，AMPK）感受細胞內AMP水平的細微變化而調節ATP的水平。當細胞內能量缺乏時，AMPK直接磷酸化TSC2，促進TSC1/TSC2復合體的形成，從而抑制Rheb活性而抑制mTOR的活性。

mTOR的下游通路通過磷酸化多種蛋白而發揮作用，如對蛋白翻譯起始蛋白4EBP1、核糖體P70S6K蛋白的調節。4EBP1通過競爭性抑制eIF-4G與eIF-4E的結合，來達到抑制翻譯起始的作用。mTOR信號通路磷酸化4EBP1，解除其抑制作用，而加速蛋白的合成。P70S6K是核糖體40S小亞基S6蛋白激酶，mTOR信號通路通過磷酸化S6蛋白，而提高部分mRNA的翻譯效率。

mTOR信號通路在腫瘤中高度活化，是抗腫瘤的重要靶點。此外，該信號通路與代謝、免疫和骨質疏松等疾病的發生密切相關。無論是低等模式生物或小鼠實驗，抑制或降低mTOR的活性，能干預衰老、延長壽命。敲除小鼠S6蛋白激酶能明顯地延長壽命，使用雷帕霉素延長小鼠壽命的作用，也與影響mTOR及其下游相關信號通路有關。

2.胰島素/類胰島素信號通路與衰老

胰島素（insulin）/胰島素樣生長因子-1（insulin-like growth factor，IGF-1）信號通路調節細胞的營養與代謝、糖類的調節。該通路激活后引起PI3K-AKT的激活，抑制FOXO3A的活性，影響DNA的修復、細胞增殖和抗氧化應激等功能。在中老年階段，IGF-1因子含量升高可明顯增患癌癥的風險。DAF-2是線蟲的胰島素生長因子的受體，DAF-2基因發生突變后，線蟲的生命期較野生型線蟲增長了3倍，該機制主要是增加DAF-16（FOXO3A的同源物）表達所致。在小鼠中，也證實了抑制該信號通路可延長雌性小鼠的壽命。

四、端粒與衰老

端粒（telomere）是染色體DNA末端的特殊結構，由TTAGGG的重復序列組成。端粒的作用是維持基因組結構的穩定性，避免有絲分裂時不同的染色體粘連在一起。端粒的長度由端粒酶（telomerase）維持。端粒酶是一種能夠延長端粒長度的逆轉錄酶，其全酶包括端粒酶催化亞基TERT和模板RNA（TERC）以及其他端粒酶結合蛋白。端粒酶能夠以自身的TERC為模板合成端粒重復序列。細胞內的端粒酶水平受到嚴格調控，正常細胞沒有或只有很低的水平的端粒酶活性，如干細胞表達端粒酶。隨著細胞分裂次數的增加，端粒會逐漸縮短，當端粒長度縮短到一定水平后，細胞將不再分裂，也就是進入了不可逆的細胞衰老狀態，這就是復制性衰老的發生機制。

端粒復合體是由大約50～300個核苷酸的3’單鏈突出，突出部分可以回折插入前面的雙螺旋鏈中形成一個大T-環結構的蛋白復合物。T-環的穩定性取決于端粒特異性結合蛋白復合體的完整性，這種復合體稱為Shelterin復合體。端粒復合體保護染色體不被DNA損傷修復系統識別為DNA斷裂，從而避免激活p53和p16通路，引起細胞衰老或凋亡。Shelterin復合體由TRF1、TRF2、TOP1、TPP1、Rap1和TIN2六種蛋白組成。其中，TRF1和TRF2能結合在雙鏈端粒DNA上。POT1直接與單鏈端粒DNA結合，同時與TPP1相互作用。Rap1與TRF2相互作用。TIN2是復合物的核心組分，可以與TRF1，TRF2和TPP1結合。TRF1和TRF2都能與端粒雙鏈區結合，但兩者的功能相差很大。TRF2能促進T環的形成。過表達的TRF2會激活ATM/P53或P16/RB通路，引起細胞衰老或凋亡。而敲除TRF2會導致染色體末端融合，基因組不穩定。POT1與端粒單鏈區結合，敲除POT1起端粒處的DNA損傷反應，導致細胞衰老。TPP1與POT1相互作用而不能與端粒DNA直接相互作用。TPP1缺失的MEF細胞中基因組非常不穩定。TPP1缺失還會抑制TERT與端粒的結合，阻礙端粒的延長。Rap1與TRF2直接結合從而被募集到端粒結構中。缺失Rap1的成年小鼠中，上皮細胞可以再生，但是端粒長度更短，并且表現出皮膚著色過度的表型。Rap1還可以結合在亞端粒區，對附近的基因有調控作用。

實際上，Shelterin復合體每一種蛋白的功能都依賴與其他蛋白的相互作用。例如，TRF1和TRF2相互作用共同調節端粒功能，這一過程同樣需要POT1的參與。POT1對端粒的結合和保護依賴于與TPP1的結合。Shelterin復合物中的六種蛋白被認為是端粒特異性的蛋白，過去認為只存在于端粒處。近期研究發現這些蛋白可能擁有不依賴端粒的功能，例如Rap1被發現存在于細胞質中，與IKK結合負調控NF-κB通路。除Shelterin復合體外，端粒結構上還有其他一些非特異性的結合蛋白，這些蛋白對端粒序列的動態穩定性也具有重要作用。

使用隨機光學重構顯微鏡得到超高分辨率的熒光圖像，觀察到端粒的動態結構，發現依賴于TRF2的T環是常見結構，其他結合蛋白如TRF1、POT1、Rap1對T環沒有影響。shelterin復合體是保護端粒不被DNA損傷機制所錯誤識別的結構，其中TRF2的保護作用由兩步反應組成，首先TRF2的二聚體化抑制ATM的活化，然后TRF2抑制ATM信號向下游傳導。使用電子顯微鏡確定四膜蟲端粒酶的全酶結構，TERT、TER和P65位于核糖核酸蛋白的催化核心，P50介導與其他端粒酶結合蛋白的相互作用。

端粒結合蛋白TPP1招募端粒酶到端粒上，延長DNA片段。通過突變體分析，發現TPP1上的TEL片段是招募端粒酶所必需的。TPP1的磷酸化與端粒酶結合的周期依賴性相關，該蛋白S111位的磷酸化起關鍵作用；把該位點突變后端粒酶在復合體中的活性明顯降低，引起端?？s短。在酵母中，Rif1、Rif2和Rap1形成端區體（telosome），抑制端粒酶與端粒的接觸，保護端粒不被誤認為DNA斷裂片段。使用X-射線分析Rif1和Rif2的結構，發現這些蛋白能單獨、非依賴性與Rap1表位結合，具有較長的結合距離。

雖然端粒縮短引起衰老得到公認，但端粒長度能否成為衰老的標志物仍然存在較多的爭議。對非洲裔美國人兒童的研究，發現端粒長度與家庭生活環境明顯相關。分析生活在不良生活環境、如缺少食物、父母關愛少、甚至單親等家庭的40位9歲男性兒童發現，其端粒長度比對照組明顯要短。雖然該研究檢測的例數較少，也能提示幼年期的不良生活可能對中老年期健康有影響。令人吃驚的是，對斯里蘭卡國兒童的研究發現：較好的衛生條件和營養也使端粒的長度縮短。已經有大量的報道：端粒長度與許多疾病的發生有關。通過對3.8萬人的基因組分析發現：影響端粒平均長度的7個位點與多種疾病的發生相關，例如：每一個位點的突變增加冠心病的發生率21%。

不過，端粒長度太長也不是好事，有可能引起腫瘤的發生。當細胞內端粒酶的活性一直維持較高水平時，細胞就有可能具有無限分裂的能力。研究表明，90%的腫瘤細胞具有較強的端粒酶活性。腫瘤細胞具有較長的端粒，其維持機制一是端粒酶作用，二是依賴同源重組的替代性端粒延長機制（Alternative Lengthening of telomeres），大約10%～15%的腫瘤依賴后者保持端粒的長度。在ALT同源搜尋的過程中，需要DNA雙鏈斷裂反應激發，引起端粒移動，類似于減數分裂的聯會。該過程需要Rad51和Hop2-Mnd1二聚體。

五、線粒體與衰老

線粒體是細胞內重要的細胞器，其主要功能是產生ATP能量，通過三羧酸循環維持細胞能量的平衡。從起源分析，線粒體是進化早期在細胞內與其共生、能自主生活的古細菌。線粒體DNA由長16.6 kb的環狀DNA分子組成，共編碼2個rRNAs、22個tRNAs和13個多肽。由于沒有組蛋白等分子保護，線粒體DNA易受各種因素作用而發生損傷和異常，其突變率比核DNA高10～20倍。缺乏線粒體DNA可導致線粒體功能衰退，最終產生器官衰竭和早老癥狀。

1.線粒體與活性氧自由基

線粒體在合成能量活動中，產生活性氧自由基（reactive oxygen species，ROS）。在正常的生理過程中，產生的ROS可通過位于線粒體中的抗氧化系統予以清除。當線粒體的功能受損時產生過量的ROS，引起細胞衰老和凋亡。據統計，細胞中90%的ROS是由線粒體產生的。把人過氧化氫酶基因在小鼠線粒體中定向表達，可明顯地延長小鼠的壽命，平均延長4.5個月。該結果也說明線粒體與衰老密切相關。

2.線粒體自噬（mitophagy）

由于線粒體在細胞中的重要性，細胞進化出自噬的機制而保持健康。通過線粒體分裂機制，分離功能缺陷的線粒體，然后通過清除，這種過程稱為線粒體自噬。線粒體自噬是實現線粒體的質量控制，保持其健康狀態所必需的。PARKIN和PINK1是線粒體自噬的重要蛋白，PARKIN是一種E3泛素連接酶，將泛素連接到受損的線粒體上而引起自噬，該分子的突變導致帕金森綜合征。而PINK1是一種蛋白激酶，通過激活PARKIN起作用。通過質譜技術確認：PINK1能在泛素Ser 65位磷酸化，若將該部位突變，影響PARKIN的活性。也就是說，PARKIN的完全活化需要PINK1激酶同時磷酸化PARKIN和泛素蛋白。通過Flag標記的DUP互補DNA文庫篩選，發現線粒體去泛素酶USP30能拮抗PARKIN的作用。過表達USP30抑制線粒體自噬，而降低USP30的含量增加線粒體的降解。果蠅體內實驗發現：敲除USP30基因的多巴胺神經元具有抵抗百草枯引起的毒性，改善運動功能，提高組織成活率。

由1型糖尿病敏感基因clec16a編碼的蛋白位于膜相關的內吞體上，與E3泛素連接酶Nrdp1存在相互作用，缺失該蛋白導致出現異常的線粒體，降低ATP的濃度，增加PARKIN的表達。從患者樣品clec16a 基因的SNP分析也發現降低了該基因的表達和胰島素的分泌。著色性干皮病是DNA損傷修復缺陷引起的疾病，通過基因芯片分析和體內實驗發現是線粒體自噬信號通路缺陷所致，導致PINK1的過度降解。分析該過程還發現降低了NAD/SIRT1去乙?；傅谋磉_而導致DNA損傷感應分子PARP-1的過度活化，使用PARP-1的特異抑制劑或加NAD前體能恢復基因突變線蟲的正常壽命。

PARKIN蛋白還具有其他功能。在腫瘤中，該蛋白的表達受p53的直接調節，從而影響葡萄糖代謝和瓦格納效應。令人驚奇的是發現PARKIN介導細胞對抗結核分枝桿菌和沙門菌的感染。缺失PARKIN基因的小鼠和果蠅的突變體對結核分枝桿菌的感染率明顯升高。在細胞吞噬細菌的異體自噬過程中，PARKIN蛋白的作用是使相關蛋白泛素化而被溶酶體識別，最終消化細菌。該研究結果解釋了臨床上帕金森綜合征患者容易受細菌感染的原因。

3.線粒體與其他細胞器的相互調控

細胞核與線粒體之間的通信也是維持線粒體功能所必需的。在衰老過程中氧化磷酸化系統發生變化，線粒體喪失了亞單位蛋白如COX2，COX4等，此過程與細胞核中NAD含量的降低和積累HIF-1α有關。缺失SIRT1加速該過程，在老年小鼠中增加NAD能恢復線粒體的功能，表明衰老過程中細胞核之間通信能力的降低導致線粒體功能下降。

能量代謝感受蛋白AMPK具有多種功能，在衰老和長壽中均起到重要的作用。觀察禁食的小鼠發現缺乏骨骼肌AMPK時出現低血糖癥和肌肉衰減，該機制與脂肪酸的氧化應激無關，而是與循環系統中降低丙氨酸的水平密切相關。當抑制AMPK的自噬功能時，衰老的小鼠表現為肌肉功能降低、線粒體疾病及自噬標志蛋白的積累。

六、氧化損傷與衰老

氧化應激（oxidative stress）是生物的基本功能，應激中產生的ROS通過抗氧化酶系，如：過氧化氫酶、過氧化物歧化酶，或抗氧化物質，如谷胱甘肽所中和。細胞中90%的ROS是由線粒體產生的，其余的10%主要由位于細胞膜上的NADPH酶產生。由于ROS本身是信號分子、也是巨噬細胞殺死病原菌的重要介質。因此，“ROS的產生引起衰老”的表述是不正確的。生化副反應引起不可降解產物大量積累是引起衰老原因的觀點，具有一定的合理性。使用代謝物展示法分析年齡和食物對果蠅的影響，共追蹤了15 000種代謝產物的變化，可以觀察到：隨著衰老進程，代謝物的多樣性明顯增加，出現低豐度的代謝物，大約14%的代謝物與衰老密切相關，代謝水平變慢，積累影響壽命的代謝分子。

自由基致衰老的假說最早由美國學者Harman于1956年提出，該假說認為體內產生的自由基引起蛋白、核酸和脂類損傷，這些損傷不斷積累而導致衰老表型的出現。后來該假說不斷發展，并補充提出自由基的來源主要來自線粒體代謝產生。但該假說也受到其他研究的挑戰，有時衰老指標的出現與自由基并沒有關系。如：線粒體DNA編碼的聚合酶基因γ缺失的小鼠，出現明顯的衰老相關特征，但細胞中產生的ROS并沒有升高。

如果自由基致衰老的假說是完全正確的，那么專一性的抗氧化劑消除自由基后，就有可能具有抗衰老和減少老年病的效果，可是研究事實并非如此。以20mg/kg、400mg/kg、4000mg/kg的維生素E給小鼠服用，可以檢測到小鼠血液內維生素E含量明顯升高，但小鼠的壽命并沒有明顯地延長，早期的小樣本人體實驗已經證明：維生素類專一性抗氧化劑并沒有預防疾病的作用，但由于受試者的人數較少而頗受質疑。美國醫學會組織了大規模的隨機、雙盲對照實驗，對14641位超過50歲的美國男性進行了8年的隨訪研究，每天服用500mg維生素C，隔天服用400IU維生素E，服用組與安慰劑組相比較，并不能降低心腦血管疾病的發病率，以及前列腺癌或其他癌癥的發生率。這些結果讓人懷疑自由基致衰老假說的正確性。就本身的實驗設計而言，時間跨度如此長的研究，實施比較困難，如何保證實驗數據的準確性存在疑問。另外，由于服藥后藥物只是在人體內存在一段時間，而自由基的產生是連續的，研究不能排除服用這些抗氧化劑并不能完全抑制自由基產生的可能性。根據目前的研究，相比于后來發現的天然抗氧化劑而言，維生素C、E的抗氧化活性是最弱的。

抗氧化劑能降低體育鍛煉的效果。使用抗氧化劑維生素C和維生素E給20位年輕人鍛煉前服用，另外沒有服用的19人作為對照。四周后發現服用組氧化酶活性下降，對葡萄糖的利用率也明顯降低，說明服用抗氧化劑對健康人反而有害。利用黑色素瘤細胞作為模型，發現氧化應激具有抑制腫瘤轉移的作用，該作用與激活葉酸信號通路，引起NADP相關的酶類表達增加有關。而使用專一性的抗氧化劑能明顯促進腫瘤細胞轉移。

從目前的研究看，自由基過度產生引起的氧化損傷導致衰老的基本結論，仍然沒有過時。但這些氧化損傷的產物是什么？仍然缺乏細致的研究。這些產物如何在體內繼續起毒性作用，需要更為直接的人體數據。

七、衰老研究的挑戰

隨著人口老齡化的快速發展，老齡化產生的問題引起全社會的關注及科技界的高度重視。在衰老研究和成果普及中，目前存在一些較為嚴重的問題，需要高度重視和解決。

1.是否存在專一性的衰老基因

在衰老的定義中，可以看出衰老的發生時間是一個漸進的概念，無法確定哪一個人類個體在某年就一定衰老。正如老年醫學是以年齡為劃分學科標志的一樣，與沒有衰老的年輕個體相比較，老年個體的衰老有其明顯的特征。根據這些特征推測，衰老似乎是一種程序性的過程，或許是可以編程的。不過，根據目前的大量分子生物學研究結果，并不存在特異的、專一地負責衰老的基因或信號通路。在未滿20歲的人類個體中，均能觀察到衰老相關的基因表達及細胞衰老現象，那些基因具有其他生理功能，絕不是老年階段才出現表達的。衰老可編程性的觀點，缺乏研究結果的支持。

2.基礎研究與臨床認識嚴重脫節

衰老的基礎研究已經得到了大量的結果，解決了一些共性問題。但基礎研究與臨床醫生的認識嚴重脫節。部分臨床醫生并不認為年齡對人體結構和功能的巨大影響，即使承認了，也是簡單地提到年齡因素，而不是作為一個重要的因素看待。對同一個研究對象，使用不同的專業術語進行描述。最為明顯的是“aging”。

3.研究力量過于分散

臨床的?？浦委熀脱芯渴菫榱烁玫刂委熂膊?，可以理解多個學科均涉及老年人的問題。由于不同學科的研究人員，對衰老及老年問題認識的差異性，導致研究的深度不夠，提出的保健措施，讓患者無所適從。老年人常患有多種疾病，服用多種藥物，導致藥物副作用高發。正是由于這種分科的因素，難以從衰老機制角度對藥物副作用進行深入研究，從而提出強有力的應對措施。

（何琪楊）