衰老的机制研究进展.doc

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date衰老的机制研究进展衰老的机制研究进展衰老的机制研究进展 甘肃医学院 赵文俊摘要: 衰老又称老化, 通常是指在正常状况下生物体发育成熟后, 随年龄增长机体发生的功能性和器质性衰退老化的渐进过程。现代医学对衰老机制的研究涉及到很多方面,从自由基学说看，自由基可形成脂褐素、可造成线粒体DNA（mtDNA）的突变、引起核DNA的受损等；从遗传因素看,衰老是一连串基因激活和阻抑

2、及其通过各自产物相互作用的结果；从免疫功能改变学说看，是由于机体对外来物质免疫反应的下降以及自身免疫反应的增多引起的。 关键词: 衰老；自由基；脂褐素；细胞凋亡；线粒体DNA; 遗传基因；免疫系统 衰老又称老化，通常是指在正常状况下生物发育成熟后，随年龄增加，自身机能减退，内环境稳定能力与应激能力下降，结构、组分逐步退行性变，趋向死亡的不可逆转的现象。对衰老的研究一直是生命科学领域的最为基本和重要的问题之一， 但细节一直知之甚少。衰老是一个持续发展的、动态的、缓慢渐进而复杂的过程。这个过程从生长期结束后逐渐开始，它的影响要到老年期通过人体系统功能失调、器官功能衰退、细胞变性及蛋白质和酶分子结构

3、变化逐渐表现出来。主要表现为机体对环境刺激的适应能力减弱以至丧失，出现多种器官组织功能的衰退并影响健康。影响衰老的因素有很多，各种社会因素、经济、疾病、营养、遗传、生活习惯、环境及精神状态等都起着一定的作用，是很多因素共同作用的结果1。目前，随着分子生物学和细胞生物学的研究深入，对衰老机理的研究从整体水平发展到分子水平。有关细胞衰老的学说近年来提出了很多，如细胞损伤学说、生物大分子损伤学说、自由基学说、端粒学说等。对于生物体而言，细胞衰老受到多种因素的影响，有自身遗传因素的影响，也有环境因素的影响，根本的还是受遗传方面的影响。1细胞衰老及其特征：细胞衰老有两层含义，一是指其增殖分化的停止，二是

4、指其同时能够维持细胞的基本功能。生长停止，但仍保持代谢功能。衰老的细胞体积较大，呈多角形，细胞核变大、内有包含物，染色质聚集、固缩、碎裂、溶解，核膜内陷，细胞质内有空泡形成，线粒体的数目及形状改变，高尔基体碎裂，尼氏体消失，细胞膜的流动性也降低。许多刺激因素可诱导细胞衰老的发生，其中包括端粒的缩短、DNA损伤、高氧应激、持续的有丝分裂原刺激和其他的细胞应激,一定程度的端粒缩短会导致端粒功能的丧失进而产生类DNA损伤信号以诱导衰老，而端粒的缩短又与细胞的增殖过程明显相关，故这一类衰老被称为“复制衰老”；其他的一些因素能快速诱导衰老的发生而端粒长度无变化，包括：有丝分裂原旁路的过度活化，如Ras、

5、Raf、MEK、E2F等的过度表达2 ，这一类衰老被称为“应激诱导的衰老”。尽管应激诱导的衰老其诱发机制与复制衰老相比还了解得远远不够，但两类衰老所产生的表型特征和分子信号却极为相似。2细胞衰老的机制：探索衰老发生的机制是一个古老而又崭新的科研领域。随着时代的发展，又产生了自由基学说、端粒学说、DNA受损学说和免疫学说等2.1.自由基学说：1956 年Harmon D 提出了衰老的自由基学说(free radical theory of aging) ,，该学说认为引起人类衰老的主要原因是细胞代谢过程中不断产生自由基3.自由基( Free Radicals , RF) 又称为游离基,是指外层轨

6、道含有未配对电子的原子、原子团或特殊状态的分子，由于电子有成对的自然趋向，所以不成对的电子就有一种“张力”去“寻找伙伴”。机体在活动过程中（如细胞呼吸作用、线粒体内的氧化过程）都会产生超氧阴离子自由基（O-2）、羟离子自由基（OH）、过氧化氢自由基（OOH）、氢自由基（H）、脂质自由基（L）、脂质过氧化自由基（LOO）、有机自由基（R）、有机过氧化自由基（ROO）等。自由基在人体代谢中发挥着重要的作用，许多生理过程，如线粒体和微粒体的氧化还原反应，白细胞对病原体及肿瘤细胞的杀伤作用均需各种自由基的参与。 正常情况下，体内的自由基可被机体内的防御系统-抗氧化酶和抗氧化剂清除而不会对细胞造成危害。

7、但是当这些清除自由基的酶类减少或其活性降低使体内的自由基增多以及别的因素如紫外线、X射线、射线、香烟烟雾、氧化性污染物、电子辐射等诱发正常代谢以外的异常自由基产生时，这些过多的自由基就可造成机体内的DNA、蛋白质和脂类的损伤,其自由基诱导的机制可能有以下几个方面。2.1.1 形成脂褐素 衰老的一个显著特征是组织细胞内出现不可降解的色素物质和荧光物质脂褐素。脂褐素(Lipofuscin) 是生物膜的不饱和脂肪酸的过氧化产物-丙二醛(MDA)与膜上蛋白质末端氨基酸、核酸或碱基,磷脂发生交联形成的Schiffs 碱。它被转运到溶酶体中进行降解，因其分子中含有异常的键,不易被溶酶体消化,随增龄而积累,

8、被认为是细胞衰老的基本特征。脂褐素在脑细胞中积累过多, 可破坏磷脂膜结构, 导致线粒体和粗面内质网减少以及空泡形成等亚细胞结构的变化, 并使神经元数目减少,引起脑功能的衰退，从而导致学习记忆功能的减退或智力障碍，甚至导致老年性痴呆等衰老性疾病；脂褐素在皮肤细胞中堆积，形成老年斑，并使胶原蛋白聚合引起皮肤失去张力和弹性，皱纹增多以及老年性骨质增生；在心肌细胞中堆积，造成心脏功能减退，这些都是衰老的基本特征。2.22 引起mtDNA突变 自Harman1972 年首次提出线粒体DNA与衰老密切相关这一假说以来, 已有大量的实验研究证实了这一观点。在多种退行性疾病、衰老以及肿瘤中都可以检测到mtDN

9、A 的突变。衰老时,mtDNA 突变明显增加,尤其是在脑、肌肉等高氧耗的组织内表现更为突出。由于mtDNA裸露，无组蛋白保护且缺乏有效的修复系统，因此在O-2和OH等自由基的作用下与mtDNA分子中的胸腺嘧啶、尿嘧啶、鸟嘌呤等发生反应，引起mtDNA的碱基替换、重组或片段缺失，造成生殖细胞系与体细胞系mtDNA突变，突变率比核内DNA（nDNA）高10100倍，并且能在细胞内不断积累。生殖细胞系mtDNA突变，可引起遗传性氧化磷酸化（OXPHOS）能力缺陷而导致过早发生退行性疾病；体细胞系mtDNA突变的积累与人类组织器官（脑、心、骨骼肌、肝、卵母细胞及精子）、机体的衰老及许多老年性退行性疾病

10、密切相关。M elov 等采用PCR 方法检测35 例正常人骨骼肌, 发现40 岁以下个体的mtDNA 突变发生率非常低, 而在50岁以上mtDNA 则发生广泛的突变。从遗传学角度可以将mtDNA 突变分为两大类:点突变和重组突变（缺失突变和倍增突变）。均可导致机体老化、心肌缺血、老年心衰等老年性心脏疾病的发生。Zhang等利用定量PCR 技术研究了7 种mtDNA 突变(5 种点突变和2 种缺失突变) 与年龄的关系, 发现点突变在1 岁大的婴儿组织中即可出现。在点突变中, 第3243 位点的A G 的突变随年龄增长显著, 其余4 种点突变不随年龄增长。然而, 对于缺失突变来说, 检测到的49

11、77bp 和7436bp 两种缺失突变均随年龄呈显著性增长。众多的研究表明,mtDNA 突变随增龄而积累,达到一定阈值后,可导致细胞能量供应的严重障碍,从而造成组织器官生理功能的减退。2.2.3. 使核DNA受损 自由基通过其强氧化作用对核酸进行氧化和交联，使发生断裂、突变，从而严重影响蛋白质遗传信息的正常转录和翻译，使蛋白质表达量降低甚至消失，或者产生突变蛋白质，而蛋白质合成减少正是老年性记忆减退、智力障碍及肌肉萎缩的重要原因。3.端粒与端粒酶学说 端粒是真核生物细胞线性染色体末端的特殊结构。它由许多简单重复序列 (人的是TTAGGG)和蛋白质组成。端粒具有保护染色体末端防止由于DNA修复引

12、起染色体间融合以及DNA复制时末端丢失变短。有维持基因组完整性和稳定性的功能。DNA 复制时, 由于DNA的不完全复制使DNA末端少量丢失,当几千个碱基的端粒DNA丢失后,端粒缩短到一定程度,就不能维持染色体的稳定, 细胞就停止分裂，最终导致细胞死亡而引起衰老。端粒酶是核糖蛋白,含有引物特异识别位点,是一种以自身RNA 为模板的逆转录酶,合成端粒DNA并加到染色体末端,使端粒延长,从而延长细胞的寿命甚至使其永生化。Bodnar等4研究显示,寿命与端粒缩短速度呈反比,与端粒末端转移酶活性呈正比。内在衰老大量受控于累积的端粒缩短 。表皮和真皮端粒长度随龄减少,且平均缩短速率分别为9和11 bp /

13、每年。Stewart等5认为,端粒酶的作用主要在于延长了端粒悬垂的长度。研究发现,人类端粒酶催化亚单位的表达与端粒酶活性密切相关。因此，端粒也被称为细胞的“生命钟”。2009年，诺贝尔生理学或医学奖授予伊丽莎白布莱克本(Elizabeth Blackburn)、卡罗尔-格雷德(Carol Greider)、杰克绍斯塔克(Jack Szostak)，以表彰他们发现了端粒和端粒酶保护染色体的机理。4. DNA损伤与衰老 正常情况下DNA可进行自我修复,这种能力与DNA合成作用和抑制作用有关,对于损伤的DNA可通过降解后再合成新的DNA进行修复。衰老和正常二倍体成纤维细胞中同时存在DNA 合成抑制因

14、子与合成促进因子,正常情况下二者保持相对平衡状态,但随年龄增长,这种平衡被逐渐打破,表现为DNA 合成受阻而引起细胞分裂减慢或停止。多种DNA损伤,如染色体移位、DNA单双链断裂、片段缺失都随龄积累。这一现象除与衰老过程中自由基生成率升高及抗氧化剂水平降低有关外,与DNA修复能力降低也密切相关。人体的血细胞、淋巴细胞、皮肤成纤维细胞DNA修复能力随龄降低,一些早老症如Werner综合征和Cockayne综合征都具有某种DNA修复的缺陷,限食可提高啮齿类DNA修复能力,以上实验说明DNA损伤修复能力可作为衰老的生物学标志6 。DNA 修复功能负责基因DNA水平的监管,因此促进或调节DNA损伤修复

15、能力可以延缓衰老。5 免疫系统学说 1988年Meites7提出，在衰老的过程中，免疫-神经-内分泌网络起着重要作用。处于衰老状态下的机体，脾淋巴细胞过度凋亡，其免疫应答功能下降、细胞因子水平低下、免疫监视功能减退。虽然机体的免疫功能随着年龄的增长发生变化，但老年机体免疫功能的下降主要与T细胞的变化有关。老年机体胸腺细胞数减少，T细胞增殖力低下，在T细胞亚群中，胸腺细胞毒型T细胞（CTL）的免疫杀伤活性明显下降，对同种细胞的清除作用也显著低下，辅助型T细胞的数量随胸腺退化明显减少，其成熟速度也减慢，增殖活力伴随下降。研究发现，T细胞功能的降低与胸腺退化密切相关。衰老时随着胸腺形态和功能的变化，

16、胸腺上皮细胞MHC分子表达下降导致T细胞总数减少以及抗原特异性T细胞免疫功能下降。最终导致由T细胞产生的IL-2的减少，而IL-2是反映机体免疫功能强弱的重要指标，IL-2的减少可加速机体的衰老进程。衰老状态下，B细胞的成熟过程也明显减慢，成熟周期延长，其各亚型的活力不同程度下降，产生抗体的能力及免疫应答反应亦随增龄而降低。天然杀伤细胞（NK细胞）具有直接杀伤病毒感染细胞与肿瘤细胞活性，且病毒感染又可诱导NK细胞产生干扰素，干扰素则反馈促进NK细胞的细胞毒作用，增强其对感染细胞的再杀伤活性。而在衰老状态下的机体，骨髓与脾产生的NK细胞数减少，此外，机体巨噬细胞的代谢活力亦表现下降。巨噬细胞是体

17、内执行非特异性免疫作用的效应细胞，同时，在特异性免疫应答的各个阶段也起重要作用，主要发挥吞噬抗原、分泌淋巴因子、促进T细胞与B细胞增殖等免疫作用。IL-6主要是由单核巨噬细胞、T细胞、B细胞等产生的细胞因子。在衰老和许多老年疾病发生时，IL-6的水平异常升高，IL-6的升高可导致一系列免疫功能和内分泌功能的紊乱，从而加速机体的衰老进程8。3. 小结： 由于衰老是一个由多种因素综合作用引起的及其复杂的生理变化过程, 目前的研究只限于一种或几种因素的分析上, 且大多停留在假说的阶段,并没有太多的实验支持, 因此其结果只能反应衰老过程中某个环节、某个侧面的机理。只有将引起衰老的各种因素(包括内因和外

18、因) 综合起来考虑,找出其主要因素, 才能更全面更深刻的揭示衰老的本质。参考文献：1 Antero Salminen , Kai Kaarniranta, Genetics vs. entropy: Longevity factors suppress the NF-kB-driven entropic aging process Ageing Research Reviews, 2010, (9) : 298314.2 Frisard M，Ravussin EEnergy metabolism and oxidative stress Impact on the metabolic synd

19、rome and the aging processJEndocrine，2006，29：27323 Harmon D1Aging : A theory based on free radical and radiation chemistry J .1956 , 11, (3) : 298300.4 BodnarAG,OuelletteM, FrolkisM, et al. Extension of life-span by introduction of telomerase into normal human cells J . Science,1998, 279 (5349) : 34

20、9-352.5 Stewart SA,Ben-Porath I, Carey VJ, et al. Erosion of the telomeric single-strand overhang at rep licative senescence J . Nature Genet,2003, 33 (4) : 492-496.6 Lee CK, Klopp RG,Weindurch R, et al. Gene exp ression p rofile of aging and its retardation by caloric restriction J . Science, 1999,285 (5432) : 1390-1393.7Meites J. Neuroendocrine biomarkers of aging in the ratJ.Exp Gerontol, 1988,23(4-5):349.8Huang H, Pate, DD, Manton KG. The immune system in aging: roles of cytokines, T cell and NK cellsJ.Front Biosci, 2005,10: 192.-