真核生物衰老的机制总结和通往永生的可能道路

0 Comments

徐雅牧

徐雅牧125 人赞同了该文章

不死的细菌

2015年,一则关于俄罗斯科学家给自己注射永生细菌的有趣新闻引起了巨大的争议:

Scientist who injected himself with 3.5 MILLION year old germs says they give ETERNAL LIFE

这则新闻里提到一种来自俄罗斯冻土层的细菌Bacillus sp. strain F,在动植物实验中,这种细菌可以刺激动植物生长并增强动植物免疫力,最神奇的是,这种细菌已经存活了350万年,它们几乎是永生的!

而绝大部分真核生物都会经历生老病死的过程,和真核生物相比,这种细菌有什么不同?又是什么导致真核生物的衰老和死亡呢?这种细菌和真核生物有两个非常重要的不同:它们的DNA是环形的,而在真核细胞的核中,DNA与组蛋白等蛋白质共同组成染色体结构,而染色体的末端有端粒;细菌不具有线粒体,而真核生物具有线粒体。那么,染色体、端粒和线粒体的作用是什么,它们和生物衰老和死亡又有什么关系?

线粒体

线粒体是存在于大多数真核生物的细胞里的一种细胞器,线粒体拥有自身的遗传物质和遗传体系,是一种半自主细胞器,有一种关于线粒体的起源的学说叫内共生学说(endosymbiotic theory),内共生学说认为,线粒体的祖先是一种进行有氧呼吸的细菌,而真核生物的祖先是一种不进行有氧呼吸,体积比较大的通过糖酵解获取能量的生物,真核生物的祖先吞噬了线粒体的祖先后,为线粒体的祖先提供更适宜的生存环境,而线粒体的祖先为真核生物的祖先提供了更多能量,二者形成互利共生的关系,这个组合有什么好处呢?糖酵解利用葡萄糖产生ATP,每分解一分子葡萄糖产生两分子丙酮酸以及两个ATP分子,而线粒体通过有氧呼吸,能够利用三羧酸循环将丙酮酸产生32个ATP分子。ATP是生物体内能量的主要来源,参与生物体内的诸多新陈代谢反应,更多的ATP意味着更多的能量,线粒体的加入为真核生物的生存提供了巨大的优势。拥有了线粒体的真核生物从此开了挂,最终进化出包括我们人类的诸多多细胞生物。

但是,让真核生物开挂的线粒体也会有劣势:其会产生大量活性氧自由基(ROS),自由基拥有一个未配对的孤电子,这使得自由基特别活跃并到处抢夺电子,活跃的自由基会对DNA造成损害,还会使蛋白质变性。除了线粒体有氧呼吸产生自由基外,辐射、摄入有害化学物质等因素也会让生物体内产生自由基,而自由基的累计是衰老的一个重要特征。那么,生物是否有能力对付自由基?当然,生物体内会产生超氧化物歧化酶(SOD)对自由基进行清理,而超氧化物歧化酶则由FOXO3a蛋白调控,而FOXO3a蛋白对超氧化物歧化酶的激活需要组蛋白去乙酰化酶sirtuins家族成员之一SIRT1参与的去乙酰化过程,随着年龄的增长,sirtuin活性降低,超氧化物歧化酶越来越少,自由基不能被及时清理,最终累计导致衰老。此外,有研究显示,SIRT1也在线粒体自噬和生物合成中扮演重要角色(Tang, 2016)。总而言之,sirtuin家族对于线粒体的健康非常重要。让我们记住sirtuin家族,接下来我们会进一步介绍这个酶家族在细胞的成长和衰老中扮演的重要角色。值得一提的是,针对大鼠和鸽子的线粒体的差异的研究(White, 2011)发现,鸽子的线粒体较少产生过氧化物,这是鸽子比大鼠长寿的一个重要原因。

很多衰老相关疾病和线粒体功能相关,比如说神经退行疾病(Johri and Beal, 2012)、肾衰竭(Bhargava and Schnellmann, 2017)、心血管疾病等疾病(Ong and Hausenloy, 2010)和线粒体功能障碍有关。另外一些精神障碍,比如抑郁症(Tobe, 2013)、多动症(Verma et al., 2016)和自闭症(Giulivi et al., 2010)也被发现和线粒体功能有关,因此保持线粒体功能是维持身体和精神健康和年轻的关键因素之一。

那么,如果真核细胞失去线粒体会怎么样?2016年,发表于《EMBO Journal》的一篇研究(Correia‐Meloet al., 2016)显示,当把老化细胞中的线粒体去除之后,它们竟然变得年轻了,这个实验首次决定性地证实了线粒体是细胞衰老的重要触发器。

端粒

2009年,美国加利福尼亚旧金山大学的伊丽莎白·布莱克本(Elizabeth Blackburn)、美国巴尔的摩约翰·霍普金医学院的卡罗尔-格雷德(Carol Greider)、美国哈佛医学院的杰克·绍斯塔克(Jack Szostak)以及霍华德休斯医学研究所,因发现了端粒和端粒酶保护染色体的机理被授予诺贝尔医学奖。端粒是真核细胞染色体末端的特殊结构,细胞每分裂一次,端粒就缩短一点,当端粒缩短到一定程度,细胞将失去分裂能力,而端粒酶是使端粒延伸的反转录DNA合成酶,在人体中,端粒酶仅存在于生殖细胞、干细胞、有再生能力的体细胞及恶性肿瘤组织中。不同人群体内的端粒长度有区别,2017年发表于Preventive Medicine杂志上的论文Physical activity and telomere length in U.S. men and women: An NHANES investigation(Tucker, 2017)经过统计给我们提供了一个结果:持续高水平身体活动的人群比具有稳定生活方式以及中度活跃的人群拥有更长的端粒。根据相关研究(Diman et al., 2016),运动延长端粒的机制在于:运动通过消耗ATP,使得ATP/AMP降低,进而激活AMPK,AMPK通过磷酸化 PGC-1α,而 PGC-1α是包括转录因子NRF1等多种转录因子的共激活因子,而NRF1负责调控端粒转录过程,而磷酸化 PGC-1α的过程则依赖于sirtuin家族成员之一SIRT1。当然,运动也必须适度,高强度运动反而有损健康(郑勇, 2017)。另外有研究通过对于带有超级版本的SIRT1基因的小白鼠和野生型小白鼠的对比实验发现过表达SIRT1可以延长端粒并延缓衰老(Bonis et al., 2014)。

2019年4月发表于Cell Metabolism 的论文 Telomere Dysfunction Induces Sirtuin Repression that Drives Telomere-Dependent Disease (Amano et al., 2019)则揭示了端粒和sirtuins家族之间的互相作用机制:端粒缩短会通过p53抑制sirtuin家族,而sirtuins家族活性降低反过来又影响端粒的延长机制,而NAD+前体烟酰胺单核苷酸(Nicotinamide mononucleotide,NMN)能够增强sirtuins家族活性,并在动物实验中表现出来延缓端粒缩短的作用。

AMPK

最初被用来当做降血糖药的二甲双胍在近年来被发现可以延长动物寿命(Martin-Montalvo et al., 2013),而2019年2月发表于Nature Communication的 一篇论文The flavonoid 4,4′-dimethoxychalcone promotesautophagy-dependent longevity across species(Carmona-Gutierrez et al., 2019)中提到天然黄酮类化合物DMC(4,4’-二甲氧基查尔酮)可以延长果蝇和线虫的寿命。在此之前,中国的科学家也发现黄芩素(段丹丹 et al., 2016)具有延长果蝇寿命的作用。二甲双胍、查尔酮和黄芩素具有一个共同的功能——它们都是AMPK激活剂。AMPK(Adenosine 5‘-monophosphate (AMP)-activated protein kinase) 即AMP依赖的蛋白激酶,是生物能量代谢调节的关键分子,AMPK广泛存在于从细菌到人类的多种生物体内,AMPK是生物在应激调节下的自保机制,当细胞内的ATP水平降低时,5′-AMP和AMPK的γ亚基相互作用从而激活AMPK,此外,AMPK也能通过LKB1(AMPK上游主要的激酶)去磷酸化AMPK而激活,或者CAMKK2(钙调蛋白依赖性蛋白激酶激酶2)作用于苏氨酸172α环位点而激活。激活AMPK有诸多好处,不仅可以刺激肝脏脂肪酸氧化和生成,抑制胆固醇合成,脂肪生成和甘油三酯合成,还能抑制脂肪细胞脂肪分解和脂肪生成,并且刺激骨骼肌脂肪酸氧化和肌肉葡萄糖摄取,以及调节胰岛素分泌。

我们前面提到运动可以激活AMPK,植物体内存在各式各样的天然AMPK激活剂,而动物体内也存在一些AMPK激活剂,比如甜菜碱、辅酶Q10、PQQ、硫辛酸。

干细胞

细菌通过分裂来增殖,有意思的是,细菌似乎是用不对称分裂来生殖的,比如有种长着鞭毛的细菌叫新月柄桿菌(Caulobacter crescentus)就是用不对称分裂来产生后代的,新月柄桿菌分裂后的两个子细胞只有一个继承了鞭毛,有鞭毛的子细胞能够在液体中游动,而没有鞭毛的子细胞能够继续分裂生殖。而干细胞有两种分裂方式(Shahriyari and Komarova, 2013):对称分裂(symmetric cell division)和不对称分裂(asymmetric cell division),通过对称分裂,干细胞可以通过分裂成两个干细胞来扩增自己的数量或者变成两个进行分化的细胞,通过不对称分裂,干细胞分裂成两个命运不同的子细胞:一个成为干细胞,另一个成为进行分化的细胞,而有研究显示(Katajisto et al., 2015),成为那个干细胞的子细胞拥有更多年轻的线粒体,若用化合物干扰细胞的新老线粒体的分配,会阻止衰老线粒体和年轻线粒体的不对称分配,这将导致子细胞丧失干细胞特征,由此我们可以猜想:干细胞只有在线粒体功能强大时,才能通过扩增产生同样具有干细胞的两个子细胞。2019年4月份发表于Cell Death & Disease 的论文Nicotinamide mononucleotide promotes osteogenesis and reduces adipogenesis by regulating mesenchymal stromal cells via the SIRT1 pathway in aged bone marrow (Song et al., 2019)显示通过给间充质干细胞(mesenchymal stem cell, MSC)补充NAD+前体烟酰胺单核苷酸(Nicotinamide mononucleotide,NMN)可以提高其扩增能力,这种扩增能力和NMN提高SIRT1表达有关。前面我们也提到过了,SIRT1可以通过促进线粒体自噬和生物合成来增强线粒体功能,间充质干细胞补充NMN后扩增能力增强,或许与其补充NMN后线粒体功能增强有关系。综上所述,干细胞功能和Sirtuin家族关系也很大。

值得一说的是,原始生殖细胞也是通过不对称分裂方式来产生精子和卵子的(Kimata et al., 2016),卵子中含有大量线粒体,而精子中的线粒体数目较少,这或许可以解释为什么女性的生育上限年龄相较男性小——卵子需要更多健康的线粒体,而随着年岁的增长,线粒体功能越来越差。

Sirtuin家族

线粒体、端粒、干细胞和我们的衰老息息相关,而根据我们前面的总结,sirtuin家族在维持线粒体、端粒、干细胞的健康中起到非常重要的作用。Sirtuin( (silent mating type information regulation 2 homolog) )是一类广泛存在于从细菌到人类的真核生物的高度保守的组蛋白去乙酰化酶类,Sirtuin蛋白家族参与表观遗传的过程,可以调节多种蛋白的乙酰化修饰和ADP核糖基修饰,哺乳动物的Sirtuin家族共有七个成员,其中,SIRT1、SIRT6和SIRT7主要位于细胞核内,SIRT3、SIRT4和SIRT5 主要位于线粒体中,而SIRT2主要分布在细胞浆中,这七个蛋白参与调控着细胞应激反应、代谢、衰老和凋亡等过程。Sirtuin可进行烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)依赖性去乙酰化反应而参与表观遗传的过程,而NAD+的水平随着年龄增长而下降,最终,sirtuin的去乙酰化作用越来越弱,而这是真核生物衰老的非常关键的一步变化。我们前面已经列举了几个依赖于sirtuin的去乙酰化作用的几个机制是如何影响线粒体、端粒和干细胞的。值得一提的,相关研究(Ruderman et al., 2010)显示,Sirtuin家族成员之一SIRT1和AMPK之间存在互相调节的关系,因此SIRT1乙酰化水平的降低会使AMPK激活水平下降。

有一种神奇的动物叫裸鼹鼠,他们长相丑陋但是相比其他啮齿动物而言寿命很长,比如说小鼠通常只能活三年,而裸鼹鼠可以活32年,最近有研究发现(Tian et al.,2019),裸鼹鼠的SIRT6活性比较强,这给予他们较强的DNA修复能力并最终延长他们的寿命。

辅酶NAD+

我们前面提到sirtuin家族对于真核生物的健康和生存而言非常重要,而NAD+又是sirtuin家族乙酰化过程所必须的分子。那么,NAD+有多重要?如果我们查阅人体新陈代谢图(Virtual Metabolic Human),我们可以发现,NAD+广泛参与人体新陈代谢中的各种反应,值得一提的是,NAD+是真核生物线粒体里的三羧酸循环中的一种辅酶,同时NAD+也参与糖酵解,而三羧酸循环和糖酵解产生的ATP为生物的生存提供最基本的能量。NAD+的影响范围如此之广,其水平若下降,真核生物的生存质量必将受影响,因此,可以说NAD+是真核生物衰老过程中的一种关键分子。根据相关的研究(Imai and Guarente, 2014),NAD+水平的下降起码包括以下几个因素:

1、NAD+消耗酶CD38水平上升。

2、慢性炎症导致烟酰胺磷酸核糖转移酶(NAMPT)下降,而NAMPT负责将NAM变成NMN,NMN通过烟酰胺单核苷酸腺苷转移酶(NMNAT)变成NAD+。

3、DNA损伤导致消耗NAD+的DNA修复酶PARP激活。

研究发现,一些AMPK激活剂比如芹菜素可以抑制CD38(Escande et al., 2013),而激活AMPK能提高NAMPT水平进而提高NAD+水平(Fulco et al., 2008),这是激活AMPK延长真核生物寿命的机制之一。

真核生物在生存的过程中,不可避免因为各种问题导致慢性炎症和DNA损伤,那么NAD+水平的下降是不可避免的,因此绝大部分真核生物将不可避免地走向衰老和死亡,为了传递基因,真核生物通过将新的部分从衰老的部分中分出并抛弃衰老的部分来获得基因层面上的永生,对于哺乳动物而言,子代带着大量的新的线粒体、延长的端粒和健康的细胞离开母体从头开始,而带着衰老细胞、缩短的端粒和衰老线粒体的母体则继续衰老。灯塔水母通过不断地回到水螅型的过程来实现永生,我猜测在这个过程中灯塔水母抛弃了衰老的细胞。

未来展望

除了已经被当做抗衰老补充剂出售的NAD+前体NMN和NR,目前在实验中已经被证明能提高NAD+水平的还有NQO1增强剂KL1333、烟酰胺-N-甲基转移酶重组蛋白抑制剂(nicotinamide N-methyltransferase inhibitor)(Neelakantan et al., 2019)、ACMSD抑制剂(控制NAD+的从头合成途径)(Katsyuba et al., 2018)及效果比NMN及NR强大许多的NAD+前体二氢烟酰胺核糖(Dihydronicotinamide riboside)(Yang et al., 2019)等。这些试剂单独使用均能达到一定返老还童的作用,若联合使用大幅度提高NAD+水平,结果可能非常惊人。

我们前面提到端粒调控Sirtuin家族,而Sirtuin家族与衰老关系很大,并且SIRT1启动延长端粒机制,那么,如果大幅度提高细胞内的NAD+水平而增强SIRT1活性,我们能否大幅度延长端粒?端粒被延长后,端粒修剪机制(Rivera et al., 2016)能否被及时启动以免端粒过长?另外,NAD+提得过高可能会产生副作用,比如通过三羧酸循环产生超量的ATP,这会促进雄性激素合成,如何雄性激素超标,可能会引起体毛、痤疮爆发问题(当然,雄性激素是可以通过药物调控的)。目前还没有人把所有提高NAD+的试剂联合使用做过动物实验,谁都不知道把成年的哺乳动物的NAD+大幅度提高后会有什么奇怪事情发生。

23亿年前的某一天,真核生物诞生在地球上(Gold et al., 2017),最初,真核生物只是些能够吞食和消化食物的单细胞生物,而如今,真核生物以其广泛的形态和丰富多彩的面貌存在于地球上,从真核生物诞生的23亿以来,几乎没有真核生物能逃避开衰老和死亡的命运。青出于蓝而胜于蓝,如果母代不死,子代将无出头之日,真核生物有性生殖带来的基因重组,及生物的衰老和死亡或许对于真核生物的演化而言是必须的。但是对于未来的人类而言,衰老和死亡对于演化而言或许将不是必须的,因为在将来,我们或许可以通过改造自己的身体和基因来改变我们的生物本质而不是靠生殖带来的不确定基因突变和重组来塑造我们的未来。

衰老一直以来被当作是自然的过程,作为仅有百余年寿命的智人,我们和浩瀚的宇宙相比是那么微不足道,好奇心和探索欲促使人类不断去突破自己的极限,或许在不久的将来,我们能够治愈衰老甚至战胜死亡,而没有死亡和衰老的世界,对于我们而言是崭新的世界。

发表评论

邮箱地址不会被公开。 必填项已用*标注