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摘要：
衰老是機(jī)能的進(jìn)行性減退，逐漸趨向死亡的現(xiàn)象，伴隨著一系列物質(zhì)代謝、信息傳遞及能量轉(zhuǎn)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(diào)控的病理性改變，嚴(yán)重削弱組織器官的功能水平，加速機(jī)體衰老進(jìn)程；人體衰老的進(jìn)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(gè)體衰老，而大量突變或錯誤折疊蛋白質(zhì)的異常聚集是神經(jīng)退行性疾病產(chǎn)生的基礎(chǔ)，內(nèi)源性自噬的清除活動參與了細(xì)胞穩(wěn)定狀態(tài)的維持和疾病的發(fā)生，適度誘導(dǎo)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(guān)鍵詞細(xì)胞自噬；衰老；神經(jīng)退行性疾??；信號通路
國家統(tǒng)計(jì)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?cè)丝诘?3．26％，同比第5次人口普查結(jié)果增加了2．93％，基本接近2010年聯(lián)合國人口年鑒的預(yù)計(jì)，顯示我國人口正迅速老齡化(中華人民共和國國家統(tǒng)計(jì)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(yán)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(zhì)量，成為科學(xué)界刻不容緩的任務(wù)。目前對衰老的生物學(xué)機(jī)制的研究呈現(xiàn)出百家爭鳴的態(tài)勢，但其確切的機(jī)理以及延緩衰老的方法有待進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)。本文將論述自噬在生理性衰老及相關(guān)老年性疾病中的調(diào)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(diǎn)，達(dá)到良好的預(yù)后效果。
衰老是機(jī)能的進(jìn)行性減退，逐漸趨向死亡的現(xiàn)象，伴隨著一系列物質(zhì)代謝、信息傳遞及能量轉(zhuǎn)換等變化，是人類發(fā)育的后階段?；蚺c代謝調(diào)控的增齡性改變，嚴(yán)重削弱組織器官的功能水平，加速機(jī)體衰老進(jìn)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(jìn)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(chǎn)生增加、基因突變累積、端粒酶的活性降低等引起細(xì)胞衰老，細(xì)胞維持內(nèi)環(huán)境恒定的能力減弱。而大量突變或錯誤折疊蛋白質(zhì)的異常聚集是神經(jīng)退行性疾病產(chǎn)生的基礎(chǔ)。自噬和某些長壽基因存在共同信號機(jī)制，自噬參與清除細(xì)胞內(nèi)異常積聚的蛋白和細(xì)胞器更新，調(diào)節(jié)細(xì)胞的生存與死亡。適度誘導(dǎo)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(jī)制的學(xué)說
衰老是生物體發(fā)育成熟后，隨著年齡的增加，機(jī)能減退，內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定性下降，全身復(fù)雜的形態(tài)結(jié)構(gòu)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(jī)制的認(rèn)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(jì)末應(yīng)用實(shí)驗(yàn)方法研究衰老以來，先后提出的學(xué)說不下20余種，很多學(xué)說并沒有得到實(shí)驗(yàn)研究的支持，更為確切與統(tǒng)一的機(jī)制有待進(jìn)一步的研究，目前學(xué)術(shù)界有幾種公認(rèn)的衰老機(jī)制。
1．1代謝廢物累積學(xué)說
隨著年齡的增加，細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的有害代謝物質(zhì)，包括自由基、脂褐質(zhì)等，不能及時(shí)降解或排出，以至不斷堆積，占據(jù)細(xì)胞內(nèi)的空間，使細(xì)胞功能下降、內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)失調(diào)，導(dǎo)致細(xì)胞衰老或死亡。
自由基是一類瞬時(shí)形成的含有未配對電子的原子或功能基團(tuán)，具有高度反應(yīng)活性，鏈?zhǔn)降淖杂苫磻?yīng)使得DNA、蛋白質(zhì)、尤其是多不飽和脂肪酸等大分子物質(zhì)發(fā)生變性和交聯(lián)，損傷細(xì)胞器、細(xì)胞膜等結(jié)構(gòu)，引發(fā)各種病理現(xiàn)象。1956年，Harman D提出自由基致衰學(xué)說，可以概括為線粒體產(chǎn)生的活性氧(ROS)/防御活性氧的能力弱，導(dǎo)致衰老，1994年，Bada等指出單位耗氧量產(chǎn)生的ROS越少，壽命越長。藥物或營養(yǎng)素的保健、限食、運(yùn)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(chǎn)生，成為自由基學(xué)說的良好支柱。自由基致衰理論基本反應(yīng)了生物衰老的普遍規(guī)律，但目前新的研究證據(jù)對該學(xué)說提出了挑戰(zhàn)。Harman D認(rèn)為細(xì)胞代謝率越低，產(chǎn)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(dǎo)線粒體代謝率和增加ROS的產(chǎn)生來實(shí)現(xiàn)的；Sesso等經(jīng)長達(dá)8年的隨機(jī)調(diào)查得出這樣的結(jié)論：抗氧化劑維生素C和維生素E不能有效地預(yù)防心血管疾病，VE甚至增加了缺血性中風(fēng)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(bào)道，低濃度ROS能誘導(dǎo)性啟動許多保護(hù)機(jī)制，例如，激活細(xì)胞氧化還原敏感元件以及相關(guān)信號通路，從而穩(wěn)定、全面、長效地提高機(jī)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(shí)起促氧化作用。
1．2基因衰老學(xué)說
1961年Hayflick等報(bào)道，人的成纖維細(xì)胞在體外培養(yǎng)時(shí)增殖次數(shù)是有限的，只能增殖60～70代。后來經(jīng)許多實(shí)驗(yàn)證明，正常的動物細(xì)胞無論是在體內(nèi)生長還是在體外培養(yǎng)，其分裂次數(shù)總存在一個(gè)“極極值”，也被稱為“Hayflick”極限，這種復(fù)制性的衰老可能與端粒酶的活性、DNA的損傷修復(fù)反應(yīng)等有關(guān)。
端粒DNA是位于染色體末端的重復(fù)序列，基本單位為TTAGGG，具有穩(wěn)定染色體，保護(hù)遺傳性狀的作用，但由于染色體復(fù)制的不完整性導(dǎo)致端粒的丟失，使細(xì)胞分裂停止，引發(fā)復(fù)制性衰老。早年認(rèn)為，端粒DNA的縮短主要和端粒酶的活性較低有關(guān)，研究表明，可能與端粒DNA形成G-四鏈體結(jié)構(gòu)有關(guān)，端粒G鏈3’末端的部分序列無法與RNA引物互補(bǔ)配對參與復(fù)制而丟失，并且能有效抵抗解旋酶的解旋、端粒酶、ALT機(jī)制對端粒的延伸作用。另一方面，DNA損傷修復(fù)反應(yīng)和細(xì)胞穩(wěn)態(tài)在衰老進(jìn)程中起重要作用，BRCA1(DNA損傷修復(fù)因子)功能缺陷將激活A(yù)TM/CHK2/p53信號通路，導(dǎo)致DNA損傷以及基因組的不穩(wěn)定，阻止細(xì)胞有絲分裂，引發(fā)細(xì)胞凋亡和死亡；當(dāng)DNA損傷修復(fù)反應(yīng)途徑失活時(shí)，DNA損傷減少，但患癌癥的風(fēng)險(xiǎn)增加，所以維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)也是延緩衰老的關(guān)鍵。
1．3免疫衰老學(xué)說
衰老的免疫學(xué)說主要有兩種觀點(diǎn)：衰老并非是細(xì)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(dǎo)致機(jī)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(xì)胞數(shù)量以及功能都下降，機(jī)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(yīng)能力下降。但免疫系統(tǒng)功能的強(qiáng)弱與壽命的長短并不成正相關(guān)，裸鼠是一種先天性無胸腺無毛綜合癥的小鼠，其T細(xì)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(chǎn)生影響，但并非決定因素。
2自噬和衰老
在真核細(xì)胞中，自噬在應(yīng)激反應(yīng)和清除細(xì)胞內(nèi)有害物質(zhì)，維持細(xì)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(xì)胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)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(dǎo)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(gè)步驟：誘導(dǎo)，囊泡形成雙層膜，包裹待降解物，自噬體的擴(kuò)張和完成，與溶酶體融合，降解物被降解，營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)利用，是通過泛素-蛋白酶體和自噬-溶酶體途徑進(jìn)行生物大分子的降解而再循環(huán)的過程，一般被認(rèn)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(xì)胞內(nèi)異常蛋白和細(xì)胞器、饑餓適應(yīng)、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(xì)胞內(nèi)有毒蛋白和細(xì)胞器聚集，引起細(xì)胞的衰老和凋亡；細(xì)胞巨線粒體隨著年齡增加而逐漸衰老、體積膨脹、內(nèi)部嵴減少、產(chǎn)生ROS增多、氧化磷酸化能力減弱，線粒體自噬的調(diào)控作用使線粒體的更新保持動態(tài)平衡；在衰老的心肌細(xì)胞中，溶酶體內(nèi)脂褐素明顯增多，脂褐素的堆積影響了溶酶體內(nèi)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(dǎo)致溶酶體膜的破裂和大量釋放，導(dǎo)致細(xì)胞色素C的釋放，使細(xì)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(diào)節(jié)
在衰老的進(jìn)程中，細(xì)胞的自身結(jié)構(gòu)和內(nèi)外環(huán)境都在發(fā)生變化，自噬活動也不斷下調(diào)。經(jīng)多方實(shí)驗(yàn)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(diào)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(jìn)化保守機(jī)制。線蟲是通體透明，個(gè)體小，易于培養(yǎng)、繁殖和觀察的多細(xì)胞生物，常用于研究生物體老化機(jī)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(shí)當(dāng)細(xì)胞受到營養(yǎng)物質(zhì)刺激時(shí)，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(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子FOXO被磷酸化修飾，從核轉(zhuǎn)移至細(xì)胞質(zhì)而失活，對DNA的修復(fù)，抗氧化應(yīng)激和細(xì)胞繁殖都產(chǎn)生不利的影響，如果阻斷PI3K的受體AGE-1時(shí)，果蠅的壽命延長，同時(shí)，核內(nèi)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(jié)合，使抗氧化酶的表達(dá)增加，促進(jìn)活性氧的去除，從而增強(qiáng)抵抗氧化應(yīng)激的能力。Klotho參與維生素K和鈣、磷的代謝，保護(hù)心血管系統(tǒng)，影響機(jī)體的免疫功能，近年來大量研究表明Klotho基因是一個(gè)與衰老密切相關(guān)的基因，發(fā)揮其生物學(xué)功能與抑制Insulin/IGF-1信號通路的激活密切相關(guān)。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(guān)轉(zhuǎn)錄因子DAF-16發(fā)揮擬Insulin/IGF-1信號通路的作用，誘導(dǎo)JNK-1，可以使DAF-16入核，所以Insulin/IGF-1途徑或相關(guān)通路在衰老方面起著核心作用。
多年前的研究已經(jīng)證實(shí)，在禁食期間，低胰島素水平可以誘導(dǎo)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(diào)節(jié)細(xì)胞自噬的重要因子，同樣地，F(xiàn)oxO3能夠獨(dú)立調(diào)控泛素蛋白酶體途徑和自噬溶酶體途徑，介導(dǎo)LC3和Bnip3的表達(dá)，已經(jīng)在骨骼肌中得以證實(shí)，可作為潛在的靶點(diǎn)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(guān)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(dǎo)自噬活動，增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄因子FoxO的表達(dá)，不但能延長壽命，還能增強(qiáng)對β-淀粉樣蛋白的降解，說明自噬是通過insulird/IGF-1信號調(diào)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(gè)高度保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，在調(diào)節(jié)細(xì)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(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)錄、翻譯等生物過程；后者對雷帕霉素不敏感，主要調(diào)節(jié)細(xì)胞骨架的重塑。實(shí)驗(yàn)證明，TOR是調(diào)節(jié)長壽的另外一個(gè)較為公認(rèn)的信號通路，當(dāng)線蟲和果蠅的TOR信號的下調(diào)或失活時(shí)，壽命增加；同樣地，注射較低劑量雷帕霉素時(shí)，可以延長酵母的壽命。目前認(rèn)為，主要是TORC1參與抗衰老的調(diào)控。S6Ks是TORC1下游的正調(diào)控靶點(diǎn)，當(dāng)敲除小鼠的S6K基因時(shí)，生命期延長；而4E-BP是其負(fù)調(diào)控位點(diǎn)，是正常生命周期所必須的，當(dāng)過表達(dá)4E-BP時(shí)，延長壽命。同時(shí)，TOR信號通路又是直接調(diào)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(diào)控，TORC1信號被阻斷，延長壽命，與細(xì)胞自噬被誘導(dǎo)有密切聯(lián)系，相似的結(jié)果在線蟲的研究中也有報(bào)道。
以上敘述了insulin/IGF-1通路和TOR通路在調(diào)節(jié)長壽和自噬的過程中發(fā)揮重要的作用，其實(shí)，PKA、PKB途徑也參與其中，不再詳述。
4自噬維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)
機(jī)體的衰老同細(xì)胞的衰老緊密相關(guān)，生物體內(nèi)的絕大多數(shù)細(xì)胞，都要經(jīng)過增殖、分化、衰老、死亡等幾個(gè)階段?？傮w來說，老化細(xì)胞會出現(xiàn)酶活性降低、代謝速率變慢、色素累積、形態(tài)結(jié)構(gòu)呈退行性變化等。所以維持細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)對延緩衰老有重要意義。自噬維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)、延緩衰老，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
(1)降解生物大分子和細(xì)胞器，在衰老細(xì)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(chǎn)生增多，電子的傳遞受阻，終將引起細(xì)胞衰老或死亡，而當(dāng)適度誘導(dǎo)自噬時(shí)，轉(zhuǎn)錄因子FOXO被激活，過氧化酶的產(chǎn)生增加，保護(hù)細(xì)胞的活力。
(2)降解產(chǎn)物的重新利用，在細(xì)胞饑餓或者缺乏營養(yǎng)時(shí)，自噬的降解產(chǎn)物的重新利用顯得尤為重要。在酵母和小鼠中，下調(diào)自噬水平，細(xì)胞內(nèi)外的氨基酸的含量和利用都下降，如果誘導(dǎo)自噬，則產(chǎn)生的氨基酸可以通過三羧酸循環(huán)為細(xì)胞和機(jī)體提供能量，另外，也可以重新合成蛋白質(zhì)，維持細(xì)胞功能。
(3)抵御外界不良環(huán)境，當(dāng)細(xì)胞處于缺氧，缺糖或者某些應(yīng)激狀態(tài)時(shí)，將啟動內(nèi)源性的自噬進(jìn)程，幫助細(xì)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(zhì)的突變出大量錯誤折疊蛋白，在神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)聚集，導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)等受損，表現(xiàn)為認(rèn)知功能和運(yùn)動障礙。現(xiàn)階段對腦內(nèi)自噬活動的研究已成為治療神經(jīng)變性疾病的一個(gè)新的熱點(diǎn)。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(guān)，自噬基因Atg5或Atg7敲除的小鼠，可誘導(dǎo)神經(jīng)退行性病變和泛素化蛋白質(zhì)的積聚使細(xì)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(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)多種有毒物質(zhì)的產(chǎn)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(jìn)行的，被以熱休克蛋白hsc70為主的分子伴侶復(fù)合物識別，與溶酶體上的受體lamp2a結(jié)合并轉(zhuǎn)運(yùn)至溶酶體內(nèi)降解；而突變型α-synuclein雖然也可與lamp2a結(jié)合，且比野生型α-synuclein蛋白的結(jié)合更為牢固，親和力更強(qiáng)，但它并不能被轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)溶酶體腔中降解，可能與溶酶體內(nèi)ATP酶的活力下降有關(guān)。另外，突變型α-synuclein蛋白與lamp2a的結(jié)合，影響了其他通過CMA降解的蛋白質(zhì)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(jī)體生命的后階段，這可能與自噬效率逐漸衰退有關(guān)，大自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬(CMA)都可延緩自然老化。
6總結(jié)與展望
機(jī)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(xì)胞衰老與自噬活動，兩者互為因果，在衰老的進(jìn)程中，細(xì)胞的自身結(jié)構(gòu)和內(nèi)外環(huán)境都在發(fā)生變化，自噬活動也不斷下調(diào)；而自噬活動的下調(diào)，導(dǎo)致胞內(nèi)衰老的或者被損傷的細(xì)胞器以及變性蛋白質(zhì)的積聚，是導(dǎo)致機(jī)體衰老的重要原因。但衰老和自噬的關(guān)系還有待于進(jìn)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(yùn)用也需要證實(shí)。相信隨著對自噬更深入的研究，揭示自噬的具體機(jī)制及其相應(yīng)的調(diào)控因子能夠?yàn)檠泳徦ダ虾椭委熒窠?jīng)變性疾病提供新的希望。