解析長(zhǎng)壽與抗衰老背后的作用機(jī)制

何為衰老

 

衰老取決于無(wú)法抵抗的時(shí)間推移，這是生物體自發(fā)的必然過(guò)程，表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)的退行性變性和生理功能的衰退。衰老會(huì)增加患癌癥、糖尿病、心血管疾病等惡性或者慢性疾病的風(fēng)險(xiǎn)，并且也會(huì)降低對(duì)外界傷害的抵抗能力。例如，老年人由于免疫系統(tǒng)功能衰減，SARS-CoV-2 病毒感染后初始警報(bào)信號(hào)傳遞較慢，病毒容易在體內(nèi)快速增殖 (圖 1)，COVID-19 感染在老年人中癥狀更嚴(yán)重^[1]。了解衰老的機(jī)理不僅對(duì)于延長(zhǎng)人類壽命有指導(dǎo)意義，還對(duì)老年人疾病的預(yù)防和治療有重要的臨床意義，也能提高老年人生活質(zhì)量和幸福感。

 

圖 1. 年輕人與老年人的免疫系統(tǒng)對(duì) SARS-CoV-2 的清除能力^[1]

SARS-CoV-2 病毒在上呼吸道氣道上皮細(xì)胞被內(nèi)吞后，病毒傳播到肺泡能被巨噬細(xì)胞和樹(shù)突細(xì)胞識(shí)別。在老年的機(jī)體內(nèi)，病毒警報(bào)信號(hào)最初較慢，病毒大量復(fù)制。有缺陷的巨噬細(xì)胞和受體數(shù)量有限的 T 細(xì)胞殺傷效果較差(右下)，更多的細(xì)胞被感染，引發(fā)高水平的炎癥細(xì)胞因子風(fēng)暴。

 

過(guò)去 30 年對(duì)衰老的研究已經(jīng)從鑒定衰老表型轉(zhuǎn)變?yōu)楸硇捅澈蟮倪z傳途徑。研究者們發(fā)現(xiàn)了多個(gè)與衰老相關(guān)的基因和通路，包括與營(yíng)養(yǎng)感應(yīng)相關(guān)的 mTOR 通路、胰島素樣信號(hào)通路、線粒體和氧化應(yīng)激等通路^[2]。Carlos López-Otín 等人總結(jié)了衰老的九個(gè)共同特征 (圖 2)：基因組不穩(wěn)定性、端粒損耗、表觀遺傳改變、蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)喪失、營(yíng)養(yǎng)感應(yīng)失調(diào)、線粒體功能障礙、細(xì)胞衰老、干細(xì)胞衰竭和細(xì)胞間通訊改變^[3]。這些對(duì)衰老特征和相關(guān)通路的研究對(duì)于抗衰老藥物的研發(fā)有重要意義。例如能夠調(diào)節(jié)線粒體功能的二甲雙胍 (Metformin)，可通過(guò)抑制線粒體呼吸鏈復(fù)合體 I、活性氧 (ROS) 以及促炎細(xì)胞因子等來(lái)發(fā)揮抗衰老作用。
 

圖 2. 衰老的九大標(biāo)志：基因組不穩(wěn)定性、端粒損耗、表觀遺傳改變、蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)喪失、營(yíng)養(yǎng)感應(yīng)失調(diào)、線粒體功能障礙、細(xì)胞衰老、干細(xì)胞衰竭和細(xì)胞間通訊改變^[3]

 

衰老是任何人都不可避免的，隨著時(shí)間的推進(jìn)，對(duì)于 “老” 的定義也在不斷更新，衰老領(lǐng)域的研究也不會(huì)停滯不前，讓我們來(lái)看看最近又有什么新發(fā)現(xiàn)~

 

研究“衰老”，探索長(zhǎng)壽的秘密

 

• 長(zhǎng)壽與低活性核糖體途徑

核糖體生物合成和蛋白質(zhì)合成是高度消耗能量的細(xì)胞過(guò)程，相關(guān)基因的低表達(dá)可減少合成并節(jié)省能量，同時(shí)也意味著一些誘發(fā)疾病的基因也不會(huì)過(guò)表達(dá)。在其他模式生物中也證明了，抑制核糖體通路能延長(zhǎng)壽命。例如，使用 RNAi 抑制線粒體核糖體基因 mrps (mitochondrial ribosomal proteins) 延長(zhǎng)了線蟲(chóng)的壽命^[7]。

 
衰老也被認(rèn)為是細(xì)胞機(jī)能亢奮 (hyperfunction) 引起的，一些通路過(guò)度激活，如 mTOR 通路，那么就會(huì)更容易使各細(xì)胞和器官功能喪失、引起疾病，進(jìn)而導(dǎo)致死亡 (圖 3)^[4]。壽命長(zhǎng)短與健康密切相關(guān)，衰老常會(huì)伴隨各種疾病，而長(zhǎng)壽老人在生命的大部分時(shí)間里往往是健康的，與衰老相關(guān)的疾病 (如心血管疾病、神經(jīng)退行性疾病) 在他們身上通常會(huì)延遲發(fā)生^[5]。

 

圖 3. 細(xì)胞機(jī)能亢奮理論示意圖^[4]

衰老是由不必要的、持續(xù)激活的信號(hào)通路 (如 mTOR) 引起的。這些信號(hào)通路的激活直接導(dǎo)致與衰老有關(guān)的疾病發(fā)生與發(fā)展。

 

為了找到長(zhǎng)壽在遺傳學(xué)上的秘密，中國(guó)科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所孔慶鵬研究員團(tuán)隊(duì)分析了來(lái)自海南省陵水縣和臨高縣的 185 位女性長(zhǎng)壽老人 (98.9 ± 3.8 歲) 和 86 位長(zhǎng)壽老人后代 (57.4 ± 9.0 歲) 的外周白細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組 (選擇他們后代的原因是，相似的生活條件能減少生活環(huán)境對(duì)分析的影響)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在長(zhǎng)壽老人中，ETS1 (ETS proto-oncogene 1) 基因與核糖體途徑相關(guān)基因顯著下調(diào)，這可能是長(zhǎng)壽老人延長(zhǎng)壽命的因素之一。這一研究成果發(fā)表在 Science Advances 雜志上^[6]。
 

孔慶鵬研究員團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，與核糖體途徑相關(guān)的基因，尤其是核糖體蛋白基因 (RPGs)，在這些女性長(zhǎng)壽老人中顯著下調(diào)。下調(diào) RPG 的啟動(dòng)子中，得分最高的 TF 基序涉及 ETS 家族，ETS1 是其中表達(dá)差異最顯著的基因。ETS1 基因與 RPGs 正向共表達(dá) (positively co-express)，其低表達(dá)能下調(diào) RPGs。該基因被確定為是長(zhǎng)壽老人中 RPG 轉(zhuǎn)錄的潛在關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子。

 
 
研究者們?cè)谌苏嫫こ衫w維細(xì)胞 (HDF) 和人胚胎肺成纖維細(xì)胞 (IMR-90) 細(xì)胞中驗(yàn)證了 ETS1 是否能延緩衰老，使用 siRNA 敲低了 ETS1。結(jié)果顯示，ETS1 的低表達(dá)顯著降低了衰老標(biāo)志物的 β-半乳糖苷酶 (SA-β-Gal) 染色細(xì)胞的占比 (圖 4a)，也降低了CDKN2A (p16) 和 CDKN1A (p21) 的表達(dá) (圖 4b) (SA-β-Gal 是應(yīng)用最廣泛的細(xì)胞衰老標(biāo)志；CDKN2A 和 CDKN1A 是啟動(dòng)衰老的兩個(gè)重要調(diào)控因子)。另外，衰老相關(guān)分泌表型 (SASP) 基因 (包括 CXCL1、CXCL1、IL-6 等) 表達(dá)也降低 (圖 4c)。對(duì)敲低 ETS1 的 HDF 和對(duì)照組進(jìn)項(xiàng)了 RNA-seq 檢測(cè)，結(jié)果顯示，61 個(gè)差異表達(dá)的 RPG 中有 60 個(gè)在 ETS1 敲低的 HDF 細(xì)胞中顯著下調(diào)。
 

圖 4. 細(xì)胞水平下調(diào) ETS1 的功能研究^[6]

a. ETS1 敲低的細(xì)胞中衰老細(xì)胞 (β-半乳糖苷酶染色) 顯著減少；b. 在 ETS1 敲低的細(xì)胞中，衰老調(diào)控因子 CDKN2A (p16) 和 CDKN1A (p21) 表達(dá)顯著降低；c. 在 ETS1 敲低的細(xì)胞中，衰老相關(guān)分泌表型 (SASP) 基因表達(dá)顯著降低

 

這些結(jié)果表明，至少部分女性長(zhǎng)壽老人中存在由 ETS1 下調(diào)引起的核糖體生物合成減少。通過(guò)減少蛋白質(zhì)合成來(lái)節(jié)省能量可以作為包括人類在內(nèi)的各種物種的保守長(zhǎng)壽機(jī)制^[6]。
 
 

• 抗衰老與 BDNF-TrkB 通路

要是沒(méi)有長(zhǎng)壽基因還有機(jī)會(huì)加入百歲老人的行列嗎？不用擔(dān)心~沒(méi)有先天條件我們可以靠后天努力來(lái)抗衰老呀~來(lái)看看研究者們?cè)诳顾ダ仙嫌钟惺裁葱掳l(fā)現(xiàn)
 
細(xì)胞衰老是指細(xì)胞處于穩(wěn)定的細(xì)胞周期停滯狀態(tài)。器官內(nèi)衰老細(xì)胞不受控制的積累會(huì)導(dǎo)致組織功能障礙，進(jìn)而導(dǎo)致疾病發(fā)生。因此從組織和器官中去除有害的衰老細(xì)胞成為一種治療衰老引起的疾病的新策略。
 
 
 
Carlos Anerillas 等人發(fā)現(xiàn) BDNF-TrkB 通路也與抗衰老有關(guān)。他們發(fā)現(xiàn) BDNF 對(duì) TrkB 的自分泌/旁分泌激活能維持衰老細(xì)胞的活力，在小鼠中使用 TrkB 抑制劑能誘導(dǎo)衰老細(xì)胞凋亡從而降低肝臟衰老標(biāo)志物的水平。這一研究結(jié)果于今年 10 月 20 日發(fā)表在 Nature Communications 雜志上^[8]。

 

 
 
 
Trk 家族由 NTRK 基因編碼，在神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育中發(fā)揮重要作用。Trk 受體是由一種稱為神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子的分泌配體家族激活的，包括 NGF、NTF3、NTF4 和 BDNF 15，它們對(duì)神經(jīng)元功能至關(guān)重要。
 
 
研究者首先使用包含 43 種 MAPK 信號(hào)級(jí)聯(lián)介質(zhì)抑制劑的化合物庫(kù)，以 β-半乳糖苷酶為指標(biāo)，來(lái)篩選能去除衰老細(xì)胞但不影響增殖細(xì)胞 (非衰老細(xì)胞) 活力的化合物。結(jié)果表明，TrkB 受體抑制劑 GNF 5837 和 ANA 12 具有最佳表現(xiàn)。然后進(jìn)一步研究了 Trk 通路在衰老中的作用。通過(guò)免疫熒光檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，TrkB 在衰老細(xì)胞膜上非常豐富。增加 TrkB 的水平能增強(qiáng)衰老細(xì)胞對(duì)細(xì)胞凋亡的抵抗。在衰老模型中 TrkB 的首選配體 BDNF 的 mRNA 也持續(xù)升高。TrkB 和 BDNF 水平在誘導(dǎo)細(xì)胞衰老 2 天后顯著上升，并且沉默 TrkB 或 BDNF 會(huì)增加衰老細(xì)胞死亡。
 
在自然衰老的小鼠 (21月齡) 中注射 Trk B 抑制劑 GNF 5837、ANA 12 和 PF 06273340 (接受治療至 24 月齡)，結(jié)果顯示，GNF 5837 和 PF 06273340 顯著降低了老年小鼠腎臟、肺和肝臟中升高的衰老標(biāo)記物 p16 (圖 5a)、p21 以及 β-半乳糖苷酶 (圖 5b) 的水平。這些結(jié)果表明，Trk B 抑制劑 GNF 5837 和 PF 06273340 可通過(guò)減少衰老細(xì)胞的積累來(lái)緩解衰老器官的功能衰退。
 

 

圖 5. 注射 GNF 5837 和 PF 06273340 后自然衰老小鼠的腎臟中衰老標(biāo)志物 p16 (a) β-半乳糖苷酶 (b) 水平顯著降低^[8]

 

衰老機(jī)制研究的“千層套路”

 

接下來(lái)是干貨時(shí)間~

 

無(wú)論是研究衰老表型還是衰老背后的機(jī)制，通常會(huì)在體內(nèi)外兩個(gè)水平進(jìn)行研究，研究者會(huì)使用模式動(dòng)物 (表 1) 或細(xì)胞來(lái)模擬人的衰老過(guò)程和表型。

 

 

表 1. 衰老研究中常用的模式動(dòng)物^[9]

 

研究衰老，第一步就是要對(duì)細(xì)胞或動(dòng)物模型進(jìn)行衰老誘導(dǎo)。在細(xì)胞中可使用各類抗生素 (如依托泊苷^[8])，以及輻照 (誘導(dǎo) DNA 損傷)、雙氧水 (H₂O₂)^[8]等。在動(dòng)物中也可使用輻照^[10]、抗生素 (如曲美替尼^[10])、D-半乳糖^[11]等。如要驗(yàn)證某基因?qū)λダ系淖饔�，可在�?xì)胞或動(dòng)物模型中進(jìn)行敲低或敲除，例如上文孔慶鵬研究員團(tuán)隊(duì)使用 siRNA 敲低 EST1 來(lái)驗(yàn)證該基因?qū)λダ系挠绊?sup>[6]。

檢測(cè)衰老指標(biāo)是證明細(xì)胞或動(dòng)物衰老的直接方式。細(xì)胞衰老時(shí) DNA、蛋白質(zhì)、分泌的因子、形態(tài)等都會(huì)發(fā)生改變 (圖 6)，包括細(xì)胞體積變大、細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶 (CDK) 抑制子表達(dá)的增加 (如 p16 和 p21)、溶酶體膨脹等，還會(huì)分泌大量促炎因子^[12]。這些物質(zhì)就可以作為檢測(cè)的標(biāo)志物。常用的標(biāo)志物包括 β-半乳糖苷酶、p53、p21、p16、SASP、Rb 等。其他檢測(cè)方法還包括表型的觀察^[10]、轉(zhuǎn)錄組或代謝組測(cè)序^[8]。

 

圖 6. 細(xì)胞衰老時(shí)細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的變化^[12]

包括DNA損傷、細(xì)胞增殖停止、應(yīng)激反應(yīng)蛋白的表達(dá) (p16、Rb、p53 和 p21)、pH 為 6 時(shí)溶酶體膨脹 β-半乳糖苷酶染色為陽(yáng)性；SASP 的產(chǎn)生和分泌增加

 

也許有一天科學(xué)家能夠克服衰老的問(wèn)題，能更大限度地延長(zhǎng)壽命，人類能夠老而不衰，健康變老。
 

相關(guān)產(chǎn)品

抗衰老化合物庫(kù) 3,400+ 種化合物，主要靶向 Sirtuin、mTOR、IGF-1R、 AMPK、p53、Telomerase、Mitophagy、 Mitochondrial Metabolism、COX、Cytochrome P450、Oxidase 等靶點(diǎn)，是研究抗衰老機(jī)制的重要工具。

抗衰老天然產(chǎn)物庫(kù) 在抗衰老研究中，天然產(chǎn)物被稱為有效分子，通過(guò)影響多種途徑延緩衰老過(guò)程，從而確保延長(zhǎng)壽命。MCE 可以提供 190+ 種具有明確抗衰老的天然產(chǎn)物。MCE 抗衰老天然產(chǎn)物庫(kù)是研究衰老相關(guān)疾病藥物和藥理學(xué)的有用工具。

抗氧化化合物庫(kù) 抗氧化劑一直是治療諸如阿爾茲海默癥和癌癥等多種疾病的重要藥物。MCE 抗氧化化合物庫(kù)包括 900+ 對(duì)氧化應(yīng)激具有抑制作用的小分子化合物，可以用于高通量篩選和高內(nèi)涵篩選。該化合物庫(kù)是開(kāi)發(fā)新的抗氧化劑，研究氧化應(yīng)激的有用工具。

Metformin 導(dǎo)致 AMPK 活化，增強(qiáng)胰島素敏感性，可用于 2 型糖尿病的研究，能夠調(diào)節(jié)線粒體功能，可通過(guò)抑制線粒體呼吸鏈復(fù)合體 I、活性氧 (ROS) 以及促炎細(xì)胞因子等來(lái)發(fā)揮抗衰老作用。

Rapamycin 一種有效且特異性的 mTOR 抑制劑，作用于 HEK293 細(xì)胞，抑制 mTOR，IC50 為 0.1 nM。雷帕霉素可用于抗腫瘤、抗衰老和改善神經(jīng)退行性疾病的相關(guān)研究。

MCE 的所有產(chǎn)品僅用作科學(xué)研究或藥證申報(bào)，我們不為任何個(gè)人用途提供產(chǎn)品和服務(wù)

 

 

 

參考文獻(xiàn)

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