摘要：
衰老是機能的進行性減退，逐漸趨向死亡的現(xiàn)象，伴隨著一系列物質代謝、信息傳遞及能量轉換等變化，是人類發(fā)育的后階段。衰老與與神經(jīng)退行性疾病如阿爾茨海默病、帕金森病、亨廷頓病等呈現(xiàn)許多共同的生理或病理表現(xiàn)，彼此相互影響，又互為因果。基因與代謝調控的病理性改變，嚴重削弱組織器官的功能水平，加速機體衰老進程；人體衰老的進程，加快老年性疾病及其并發(fā)癥的形成與發(fā)生。自由基的累積，營養(yǎng)不足，端粒酶的活性降低等引起個體衰老，而大量突變或錯誤折疊蛋白質的異常聚集是神經(jīng)退行性疾病產生的基礎，內源性自噬的清除活動參與了細胞穩(wěn)定狀態(tài)的維持和疾病的發(fā)生，適度誘導自噬水平，可能是治療神經(jīng)變性疾病的重要突破口，也是延緩衰老的有效舉措。
關鍵詞細胞自噬；衰老；神經(jīng)退行性疾?。恍盘柾?/p>
國家統(tǒng)計局第6次全國人口普查資料表明，大陸60歲及以上老年人有1．78億，占總人口的13．26％，同比第5次人口普查結果增加了2．93％，基本接近2010年聯(lián)合國人口年鑒的預計，顯示我國人口正迅速老齡化(中華人民共和國國家統(tǒng)計局第6次全國人口普查資料)。由于老齡化的加劇，老年病發(fā)病率居高不下，占用了近50％的社會醫(yī)療資源，對同家、社會乃至家庭提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，如何延緩衰老，健康安度晚年，整體提高老年人生活質量，成為科學界刻不容緩的任務。目前對衰老的生物學機制的研究呈現(xiàn)出百家爭鳴的態(tài)勢，但其確切的機理以及延緩衰老的方法有待進一步發(fā)現(xiàn)。本文將論述自噬在生理性衰老及相關老年性疾病中的調控作用，揭示自噬將有可能成為未來研究和臨床治療的重要靶點，達到良好的預后效果。
衰老是機能的進行性減退，逐漸趨向死亡的現(xiàn)象，伴隨著一系列物質代謝、信息傳遞及能量轉換等變化，是人類發(fā)育的后階段。基因與代謝調控的增齡性改變，嚴重削弱組織器官的功能水平，加速機體衰老進程；衰老與神經(jīng)退行性疾病如阿爾茨海默病、帕金森病、亨廷頓病等呈現(xiàn)許多共同的生理或病理表現(xiàn)，彼此相互影響，又互為因果。人體衰老的進程加快老年性疾病及其并發(fā)癥的形成與發(fā)生。自由基產生增加、基因突變累積、端粒酶的活性降低等引起細胞衰老，細胞維持內環(huán)境恒定的能力減弱。而大量突變或錯誤折疊蛋白質的異常聚集是神經(jīng)退行性疾病產生的基礎。自噬和某些長壽基因存在共同信號機制，自噬參與清除細胞內異常積聚的蛋白和細胞器更新，調節(jié)細胞的生存與死亡。適度誘導自噬水平可能是延緩衰老、治療神經(jīng)變性疾病的有效舉措。
1衰老機制的學說
衰老是生物體發(fā)育成熟后，隨著年齡的增加，機能減退，內環(huán)境穩(wěn)定性下降，全身復雜的形態(tài)結構與生理功能發(fā)生不可逆的退行性變化，直至趨向死亡的過程。人們對衰老機制的認識從分子、生理、生化等不同層面展開了不同程度的研究，自19世紀末應用實驗方法研究衰老以來，先后提出的學說不下20余種，很多學說并沒有得到實驗研究的支持，更為確切與統(tǒng)一的機制有待進一步的研究，目前學術界有幾種公認的衰老機制。
1．1代謝廢物累積學說
隨著年齡的增加，細胞內產生的有害代謝物質，包括自由基、脂褐質等，不能及時降解或排出，以至不斷堆積，占據(jù)細胞內的空間，使細胞功能下降、內環(huán)境穩(wěn)態(tài)失調，導致細胞衰老或死亡。
自由基是一類瞬時形成的含有未配對電子的原子或功能基團，具有高度反應活性，鏈式的自由基反應使得DNA、蛋白質、尤其是多不飽和脂肪酸等大分子物質發(fā)生變性和交聯(lián)，損傷細胞器、細胞膜等結構，引發(fā)各種病理現(xiàn)象。1956年，Harman D提出自由基致衰學說，可以概括為線粒體產生的活性氧(ROS)/防御活性氧的能力弱，導致衰老，1994年，Bada等指出單位耗氧量產生的ROS越少，壽命越長。藥物或營養(yǎng)素的保健、限食、運動是延緩衰老的有效措施，都能增加抗氧化能力和減少ROS的產生，成為自由基學說的良好支柱。自由基致衰理論基本反應了生物衰老的普遍規(guī)律，但目前新的研究證據(jù)對該學說提出了挑戰(zhàn)。Harman D認為細胞代謝率越低，產生的ROS越多，引起衰老，但Ristow等，在研究老化的模式生物線蟲發(fā)現(xiàn)，限食延緩衰老是通過誘導線粒體代謝率和增加ROS的產生來實現(xiàn)的；Sesso等經(jīng)長達8年的隨機調查得出這樣的結論：抗氧化劑維生素C和維生素E不能有效地預防心血管疾病，VE甚至增加了缺血性中風的患病幾率，自由基理論似乎被動搖了。然而2011年雜志Cell這樣報道，低濃度ROS能誘導性啟動許多保護機制，例如，激活細胞氧化還原敏感元件以及相關信號通路，從而穩(wěn)定、全面、長效地提高機體抗氧化能力，祛病延壽。所以一般而言，低濃度抗氧化劑起抗氧化作用，高濃度時起促氧化作用。
1．2基因衰老學說
1961年Hayflick等報道，人的成纖維細胞在體外培養(yǎng)時增殖次數(shù)是有限的，只能增殖60～70代。后來經(jīng)許多實驗證明，正常的動物細胞無論是在體內生長還是在體外培養(yǎng)，其分裂次數(shù)總存在一個“極極值”，也被稱為“Hayflick”極限，這種復制性的衰老可能與端粒酶的活性、DNA的損傷修復反應等有關。
端粒DNA是位于染色體末端的重復序列，基本單位為TTAGGG，具有穩(wěn)定染色體，保護遺傳性狀的作用，但由于染色體復制的不完整性導致端粒的丟失，使細胞分裂停止，引發(fā)復制性衰老。早年認為，端粒DNA的縮短主要和端粒酶的活性較低有關，研究表明，可能與端粒DNA形成G-四鏈體結構有關，端粒G鏈3’末端的部分序列無法與RNA引物互補配對參與復制而丟失，并且能有效抵抗解旋酶的解旋、端粒酶、ALT機制對端粒的延伸作用。另一方面，DNA損傷修復反應和細胞穩(wěn)態(tài)在衰老進程中起重要作用，BRCA1(DNA損傷修復因子)功能缺陷將激活ATM/CHK2/p53信號通路，導致DNA損傷以及基因組的不穩(wěn)定，阻止細胞有絲分裂，引發(fā)細胞凋亡和死亡；當DNA損傷修復反應途徑失活時，DNA損傷減少，但患癌癥的風險增加，所以維持細胞內穩(wěn)態(tài)也是延緩衰老的關鍵。
1．3免疫衰老學說
衰老的免疫學說主要有兩種觀點：衰老并非是細胞死亡和脫落的被動過程，而是更為積極地自身破壞的免疫過程；免疫功能的下降導致機體對疾病感染的抵抗力減弱而致衰。例如，隨年齡的增長，動物和人的T細胞數(shù)量以及功能都下降，機體對有絲分裂原刀豆蛋白A(con A)、植物血凝素(PHA)及抗CD3抗體的增殖反應能力下降。但免疫系統(tǒng)功能的強弱與壽命的長短并不成正相關，裸鼠是一種先天性無胸腺無毛綜合癥的小鼠，其T細胞免疫功能非常缺乏，以至于可以接受同種異體甚至異種移植物，在無菌條件下飼養(yǎng)其壽命不低于正常小鼠，但在普通條件下，這種小鼠可致早期死亡。正常新生小鼠的胸腺被切除后，死于3月齡左右，若將其置于無菌的環(huán)境中，可以活得更長，可見免疫系統(tǒng)雖然對生存期可以產生影響，但并非決定因素。
2自噬和衰老
在真核細胞中，自噬在應激反應和清除細胞內有害物質，維持細胞穩(wěn)態(tài)和正常代謝起著重要的作用。自噬的清除活動將細胞內物質運送至溶酶體里降解，一般可以分為三種類型：大自噬(macroautophagy)、小自噬(microautophagy)和伴侶介導的自噬(CMA)。通常的“自噬”就是指大自噬，其過程可以分解為以下幾個步驟：誘導，囊泡形成雙層膜，包裹待降解物，自噬體的擴張和完成，與溶酶體融合，降解物被降解，營養(yǎng)物質循環(huán)利用，是通過泛素-蛋白酶體和自噬-溶酶體途徑進行生物大分子的降解而再循環(huán)的過程，一般被認為屬于非選擇性降解系統(tǒng)。近年來研究發(fā)現(xiàn)，自噬在多種生理或病理過程中發(fā)揮作用，例如，在抗衰老、清除細胞內異常蛋白和細胞器、饑餓適應、抗腫瘤等方面都扮演重要角色。越來越多的證據(jù)表明，自噬在延長壽命方面作用很重要。例如，敲除果蠅的自噬基因Atg7后，細胞內有毒蛋白和細胞器聚集，引起細胞的衰老和凋亡；細胞巨線粒體隨著年齡增加而逐漸衰老、體積膨脹、內部嵴減少、產生ROS增多、氧化磷酸化能力減弱，線粒體自噬的調控作用使線粒體的更新保持動態(tài)平衡；在衰老的心肌細胞中，溶酶體內脂褐素明顯增多，脂褐素的堆積影響了溶酶體內水解酶的降解能力，從而降低了自噬的清除能力，而脂褐素也可能導致溶酶體膜的破裂和大量釋放，導致細胞色素C的釋放，使細胞發(fā)生程序性死亡或壞死。
3長壽的信號通路與自噬的調節(jié)
在衰老的進程中，細胞的自身結構和內外環(huán)境都在發(fā)生變化，自噬活動也不斷下調。經(jīng)多方實驗證明，對營養(yǎng)敏感的信號通路，包括胰島素/IGF-1、TOR、蛋白激酶A等，是調節(jié)長壽和自噬的共同途徑。
3．1 insulin/IGF-1通路
Insulin/IGF-1信號通路的適度抑制是生命體抑制衰老的一種進化保守機制。線蟲是通體透明，個體小，易于培養(yǎng)、繁殖和觀察的多細胞生物，常用于研究生物體老化機制。DAF-2是胰島素生長因子受體，線蟲的DAF-2基因發(fā)生突變后，生命期增加3倍。近年來研究已證實當細胞受到營養(yǎng)物質刺激時，Insulin/IGF-1通路的激活會引起PI3K-AKT信號通路的激活，繼而使得下游的轉錄調節(jié)因子FOXO被磷酸化修飾，從核轉移至細胞質而失活，對DNA的修復，抗氧化應激和細胞繁殖都產生不利的影響，如果阻斷PI3K的受體AGE-1時，果蠅的壽命延長，同時，核內FOXO將會直接與抗氧化酶類(包括過氧化氫酶和線粒體超氧化物歧化酶等)的啟動子區(qū)域結合，使抗氧化酶的表達增加，促進活性氧的去除，從而增強抵抗氧化應激的能力。Klotho參與維生素K和鈣、磷的代謝，保護心血管系統(tǒng)，影響機體的免疫功能，近年來大量研究表明Klotho基因是一個與衰老密切相關的基因，發(fā)揮其生物學功能與抑制Insulin/IGF-1信號通路的激活密切相關。另外，有絲分裂原活化蛋白激酶超家族(JNK)途徑通過FOXO的相關轉錄因子DAF-16發(fā)揮擬Insulin/IGF-1信號通路的作用，誘導JNK-1，可以使DAF-16入核，所以Insulin/IGF-1途徑或相關通路在衰老方面起著核心作用。
多年前的研究已經(jīng)證實，在禁食期間，低胰島素水平可以誘導自噬，而高胰島素水平將抑制自噬。自噬-溶酶體系統(tǒng)主要降解長壽命蛋白，故為延長壽命所必須的，而FOXO是下游insulin/IGF-1組件，也是調節(jié)細胞自噬的重要因子，同樣地，F(xiàn)oxO3能夠獨立調控泛素蛋白酶體途徑和自噬溶酶體途徑，介導LC3和Bnip3的表達，已經(jīng)在骨骼肌中得以證實，可作為潛在的靶點來治療肌肉消耗性疾病和神經(jīng)退行性疾病等。另一方面，自噬基因Atg7沉默的野生型線蟲和DAF-2突變體的壽命會縮短，而bec-1和bec-2是延長線蟲壽命有關的基因，與哺乳類自噬基因Beclin-1同源，是線蟲DAF-2功能缺失突變體耐受態(tài)形成和壽命延長所必需的。在研究線蟲突變體過程中發(fā)現(xiàn)，誘導自噬活動，增強轉錄因子FoxO的表達，不但能延長壽命，還能增強對β-淀粉樣蛋白的降解，說明自噬是通過insulird/IGF-1信號調節(jié)壽命的，然而長壽、自噬與insulin/IGF-1信號通路之間的聯(lián)系還需要更深入的探索。
3．2 TOR通路
TOR是一個高度保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，在調節(jié)細胞生長和增殖過程中起重要作用。按功能不同，分為TORC1和TORC2，前者對雷帕霉素敏感，主要參與細胞內轉錄、翻譯等生物過程；后者對雷帕霉素不敏感，主要調節(jié)細胞骨架的重塑。實驗證明，TOR是調節(jié)長壽的另外一個較為公認的信號通路，當線蟲和果蠅的TOR信號的下調或失活時，壽命增加；同樣地，注射較低劑量雷帕霉素時，可以延長酵母的壽命。目前認為，主要是TORC1參與抗衰老的調控。S6Ks是TORC1下游的正調控靶點，當敲除小鼠的S6K基因時，生命期延長；而4E-BP是其負調控位點，是正常生命周期所必須的，當過表達4E-BP時，延長壽命。同時，TOR信號通路又是直接調控自噬活動的重要途徑。在酵母中，TORC1參與自噬基因Atg1，Atg13，Atg17的調控，TORC1信號被阻斷，延長壽命，與細胞自噬被誘導有密切聯(lián)系，相似的結果在線蟲的研究中也有報道。
以上敘述了insulin/IGF-1通路和TOR通路在調節(jié)長壽和自噬的過程中發(fā)揮重要的作用，其實，PKA、PKB途徑也參與其中，不再詳述。
4自噬維持細胞穩(wěn)態(tài)
機體的衰老同細胞的衰老緊密相關，生物體內的絕大多數(shù)細胞，都要經(jīng)過增殖、分化、衰老、死亡等幾個階段?？傮w來說，老化細胞會出現(xiàn)酶活性降低、代謝速率變慢、色素累積、形態(tài)結構呈退行性變化等。所以維持細胞內穩(wěn)態(tài)對延緩衰老有重要意義。自噬維持細胞穩(wěn)態(tài)、延緩衰老，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
(1)降解生物大分子和細胞器，在衰老細胞中，隨著線粒體功能的降低，突變的線粒體DNA不斷積聚，ROS的產生增多，電子的傳遞受阻，終將引起細胞衰老或死亡，而當適度誘導自噬時，轉錄因子FOXO被激活，過氧化酶的產生增加，保護細胞的活力。
(2)降解產物的重新利用，在細胞饑餓或者缺乏營養(yǎng)時，自噬的降解產物的重新利用顯得尤為重要。在酵母和小鼠中，下調自噬水平，細胞內外的氨基酸的含量和利用都下降，如果誘導自噬，則產生的氨基酸可以通過三羧酸循環(huán)為細胞和機體提供能量，另外，也可以重新合成蛋白質，維持細胞功能。
(3)抵御外界不良環(huán)境，當細胞處于缺氧，缺糖或者某些應激狀態(tài)時，將啟動內源性的自噬進程，幫助細胞得以生存。
5自噬抵御退行性疾病
老年性疾病包括帕金森病(Parkinson’s disease，PD)，老年癡呆(Alzheimer’s disease，AD)和亨廷頓氏舞蹈病(Huntington’s disease，HD)等神經(jīng)變性疾病，主要是由于某些特殊蛋白質的突變出大量錯誤折疊蛋白，在神經(jīng)元細胞內聚集，導致神經(jīng)系統(tǒng)等受損，表現(xiàn)為認知功能和運動障礙?，F(xiàn)階段對腦內自噬活動的研究已成為治療神經(jīng)變性疾病的一個新的熱點。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)退行性疾病的形成與泛素蛋白體的功能紊亂(UPS)密切相關，自噬基因Atg5或Atg7敲除的小鼠，可誘導神經(jīng)退行性病變和泛素化蛋白質的積聚使細胞的易感性增加，引起凋亡或死亡。目前新的證據(jù)表明，自噬溶酶體途徑也是重要的，溶酶體缺陷，導致細胞內多種有毒物質的產生，引起代謝疾病。以PD為例，α-synuclein是PD的致病基因之一，其不僅具有神經(jīng)毒性作用，且對突觸功能和信號的傳遞也有影響。野生型α-synuclein蛋白的降解是通過CMA進行的，被以熱休克蛋白hsc70為主的分子伴侶復合物識別，與溶酶體上的受體lamp2a結合并轉運至溶酶體內降解；而突變型α-synuclein雖然也可與lamp2a結合，且比野生型α-synuclein蛋白的結合更為牢固，親和力更強，但它并不能被轉運進溶酶體腔中降解，可能與溶酶體內ATP酶的活力下降有關。另外，突變型α-synuclein蛋白與lamp2a的結合，影響了其他通過CMA降解的蛋白質如野生型α-synuclein和甘油醛-3-磷酸脫氫酶等。另一方面，異常蛋白積聚和神經(jīng)毒性作用發(fā)生于機體生命的后階段，這可能與自噬效率逐漸衰退有關，大自噬和分子伴侶介導的自噬(CMA)都可延緩自然老化。
6總結與展望
機體衰老是生物界客觀存在的現(xiàn)象，是生命體的客觀規(guī)律。細胞衰老與自噬活動，兩者互為因果，在衰老的進程中，細胞的自身結構和內外環(huán)境都在發(fā)生變化，自噬活動也不斷下調；而自噬活動的下調，導致胞內衰老的或者被損傷的細胞器以及變性蛋白質的積聚，是導致機體衰老的重要原因。但衰老和自噬的關系還有待于進一步闡明，尤其是在神經(jīng)變性疾病中，自噬對神經(jīng)元的死亡的作用和臨床運用也需要證實。相信隨著對自噬更深入的研究，揭示自噬的具體機制及其相應的調控因子能夠為延緩衰老和治療神經(jīng)變性疾病提供新的希望。