细胞衰老研究进展
吴其俊
（安徽建筑工业学院，土木学院地质专业，11地质①班）
[摘要] 细胞衰老的机理不详。综观至目前的各种研究,主要与以下三方面因素有关: (1)基因损伤的积累效应。自由基不断作用导致基因积累的错误信息超出了机体的修复能力,引起细胞衰竭死亡。(2) 生命钟基因控制着细胞程序衰老。生物体细胞内存在一系列基因,它们控制着细胞的生长、分化、老化和死亡。(3) 染色体端粒的缩短。端粒的长度随细胞的不断分裂而缩短,当DNA 丢失到一定程度,细胞随之发生衰老和死亡。端粒酶能延长被缩短的端粒,延迟细胞的衰老,端粒酶的活性受到许多因素影响,其中包括与衰老有关的基因。
[关键词] 细胞衰老; 自由基; 生命钟基因; 端粒
衰老是生物界的普遍现象,对多细胞有机体来说,由受精卵开始,通过分裂分化出执行不同功能的细胞,这些细胞从产生时始,就处在衰老的过程中,直至死亡。多细胞有机体的体细胞大致可分为两类, (1)
干细胞:是已发生了分化但仍可产生同类型子细胞的细胞,在个体一生中,保持有丝分裂能力,能不断补充被消耗的细胞,如表皮生发层细胞、造血干细胞、消化道的隐窝上皮生发细胞等,这类细胞衰老缓慢。(2)
功能细胞:是不能分裂的高度特化细胞,常执行一定细胞的功能后死亡,这些细胞一般不再分裂,但在受到某种刺激或再生时,可恢复分裂能力,如上皮细胞、红细胞等,这类细胞在执行功能过程中可明显地表现出衰老的征象。影响细胞衰老的因素很多,涉及到细胞内基因及细胞外因素的影响,本文就目前细胞衰老的研究进展从分子水平上进行综述。
细胞衰老是细胞结构和功能的改变积累至一定程度的后果。功能上,表现氧化磷酸化减少,呼吸速率减慢,酶活性及受体蛋白降低,导致细胞功能降低,细胞的增殖出现抑制,其生长停滞在细胞G1 期,不能进入S期[1 ] ,或停滞在有丝分裂后期[2 ] 。形态上,不规则的和不正常分叶的核、多形性空泡状线粒体、内质网减少,高尔基体变形,色素、钙、各种惰性物质沉积,常有细胞膜性结构改变,如膜脂过氧化[3 ] 。近年的研究发现,某些衰老的细胞,有异常染色体、染色体端粒缩短及基因组的改变[4 ,5 ] ,细胞早衰现象也可见一些遗传性疾病[6 ] ,表明细胞衰老是基因变化的后果。目前发现很多与细胞衰老有关的基因,如P53 、P16ARF 、P16INK4a 、P19ARF 、P18INK4a 、Cip/ k family、cdk2、cdk4、cyclins D、cyclins D3 、cyclones E 等[6 ,7 ] 。细胞衰老是多因素的,关于细胞衰老的机制方面的学说,主要体现在三方面。
1 基因损伤的积累效应
一些学者认为,细胞衰老是由物种的遗传因素所决定的,由于基因中的遗传密码逐渐积累了一些错误信息或基因的丢失,造成蛋白质合成错误。开始,染色体中存在着密码复制错误的修复系统,不断地纠正复制错误,但这种修复能力随着分裂次数的增多而降低,同时修复系统本身的编码也可发生错误,导致编码出错误的修复酶,这方面最有代表性的是自由基导致细胞的衰老[8 ,9 ] 。衰老的自由基理论是Harman 于1995 年在美国的原子能委员会提出的,他认为衰老是自由基(主要是氧自由基) 对细胞成分的有害攻击造成,维持体内适当水平的抗氧化剂和自由基清除剂水平可以推迟衰老。30多年来,很多人对此进行了研究,提供了大量实验事实支持这一理论,但也有一些实验结果对这一理论提出质疑。氧自由基是细胞正常代谢产生,一方面,它具有细胞毒性,另一方面它具有一些生物功能(如白细胞吞噬杀伤细菌) ,正常情况下,体内有多种清除氧自由基的酶,能清除代谢过程中产生的氧自由基,主要有超氧化物歧化酶(SOD) ,以及过氧化氢酶和过氧化物酶。超氧化物歧化酶是体内歧化超氧阴离子自由基的一个抗氧化酶,有两类不同金属离子的SOD ,即Cu ,Zn SOD 和Mn ,Fe SOD ,前者主要存在红细胞和肝细胞里。尽管体内有如此严密的防护体系,但仍然有一些氧自由基引起的损伤,因此在生物进化中形成了另一道防护体系———修复体系,它能对损伤的蛋白质、酶和DNA 修复,对不正常蛋白质进行水解。一旦氧自由基产生过多,或抗氧化酶活性下降、修复体系受损时,氧自由基就能对细胞造成损伤。体内外实验表明:自由基可使细胞膜、线粒体膜脂质过氧化及DNA 损伤[3 ,4 ] 。细胞膜脂质过氧化的影响
是多方面的,可减少对受体的配位结合,抑制ATP 腺苷酸环化酶的活性,而ATP 合成的改变将影响和限制细胞总代谢[9 ] 。线粒体内膜脂质过氧化可造成膜流动性减少,酶活性改变及ATP 和ADP 偶合载体流的减少,线粒体DNA 损伤及丢失,引起线粒体依赖性的细胞衰老[10 ,11 ] 。核膜的脂质过氧化将直接损伤DNA ,同时,核-细胞质交换和RNA 运输也将受到影响。目前认为,氧自由基与DNA 的嘌呤、嘧啶碱基及脱氧核糖的相互作用可引起DNA 共价断裂和链分离[9 ,11 ] 。有实验表明体内超氧化物歧化酶(SOD) 的含量与物种的寿限有关。该实验测量12 种灵长类和两种啮齿类动物脑、肝和心组织中SOD 含量,除以基础代谢(SMP) 所得的值与寿限趋势有显著相关性,即SOD/ SMP
越大,寿命越长[12 ] 。人们研究了老年小鼠和成年鼠血浆、肝、肾、脑、脊髓等组织中SOD ,谷胱甘肽氧化酶和脂
质过氧化物丙二醛(MDA) 的含量,发现与成年鼠相比,老年鼠SOD、谷胱甘肽氧化酶活性明显下降,MDA 含量升高。目前发现一些衰老退行性疾病,如白内障、动脉粥样硬化、神经变性疾病、皮肤衰老的发病与氧自由基有关,在这些组织内可检测到较高的氧自由基、MDA ,用抗氧化剂,如Vit E、Huperzine A、大蒜提取物可减轻病变
2 基因程序衰老
基因程序衰老理论认为有一个程序存在于每种生物体的基因里,生物体的生长、发育、老化和死亡都由这一程序控制,一个活细胞在其发育、成形过程中,还可能对细胞内外信号产生响应而导致发生程序性衰老
(programmed aging) [8 ] 。1996 年Lakowski 和Hekimi[17 ]发现Caenorhabditis elegans 线虫母系受影响造成的clk - 1、clk - 2、clk - 3 和gro-1 四个基因的突变可影响胚胎后期的发育及线虫的寿命。他们通过不同温度使线虫的上述基因发生改变,结果线虫寿命延长,两个基因突变的线虫比单个基因突变者寿命更长。通过两种不同途径获得的基因突变型线虫daf - 2 (el370) clk - 1 (e2519) ,其寿命比野生型延长近5 倍,提出了生命钟基因的概念。1999 年Vanfleteren
和Braeckman[18 ]在该种线虫又发现由一组基因:daf - 2、age - 1、akt - 1、akt - 2、daf - 16 ,其编码蛋白构成的一个胰岛素样蛋白的信号级联系统,该系统调控着线虫的滞育、繁殖、寿命,这个级联系统与clk - 1、clk - 2、clk - 3、gro - 1 四个钟基因构成线虫体内两条寿命控制通路,后者主要调节新陈代谢及影响寿命。目前认为,人的寿命的长短取决于基因、环境和生活方式。对长寿的研究表明,长寿者除不患或少患心肺等重要器官疾病及免疫功能良好外,体内有长寿基因。体外培养细胞的研究亦表明,有些基因与细胞寿命有关,如P53 、P16INK4a 、P19ARF、P18INK4a 、cdk2、cdk4、cydlinsD1 、D3 和E[6～8 ] 。近年来,生命钟基因、端粒DNA 的缩短、以及细胞寿命之间的关系日益引起学者们的重视。Vaziri H 等[19 ]的实验发现:当培养的成纤维细胞端粒缩短至一定长度,细胞进入衰老时有P53蛋白的激活,P53蛋白表达增强伴随有双着丝粒染色体的出现和细胞的衰老;他们还发现获得ATM(ataxia - telangiectasia) 基因的成纤维细胞,其端粒DNA
的丢失加快,P53蛋白活性增强,细胞迅速进入衰老阶段。他们认为P53和ATM在端粒DNA 与细胞衰老间起着关键的作用,它们监视和调节着端
粒DNA ,一旦接受到端粒缩短的信息,则引起细胞向衰老发展。
3 端粒的缩短
端粒是终端染色体结构,对染色体末端起着保护作用,端粒的长度随着细胞的不断分裂而缩短,其DNA丢失到一定程度,细胞随之发生衰老和死亡[8 ] 。端粒是位于染色体3Ä- 末端的一段富含G的DNA 重复序列。端粒和端粒结合蛋白组成核蛋白复合物,广泛存在于真核生物细胞中。人类端粒由5ÄTTAGGG3Ä的重复序列构成,长度在5 - 15bp 范围,与端粒特异性结合的端粒结合蛋白,迄今发现了一种,但人类染色体末端的DNA - 蛋白复合体的结构及表达基因还不清楚。端粒具有高度的保守性,其主要功能有: (1) 端粒DNA -
蛋白复合物如帽子一样保护染色体末端免于被化学修饰或被核酶降解; (2) 防止染色体在复制过程中发生丢失或形成不稳定结构;
(3) 固定染色体位置,即通过′TTAGGG′结构附着于细胞核基质;
(4) 决定细胞的寿命,体外培养细胞端粒的长度随着细胞逐代相传而缩短,每复制一代即有50 - 200 nt 的DNA 丢失,端粒丢失到一定程度即失去对染色体的保护,细胞随之发生衰老和死亡。人正常双倍体细胞有限分裂能力可能就是染色体末端端粒长度缩短而启动了一个DNA 损伤检测点(DNA damage checkpoint) 。该点可能为P53所识别,导致细胞不可逆地退出细胞周期,并发生老化[5 ,19 ] 。如果细胞被病毒感染,或P53 、Rb、P16INK4a 、ATM、APC 等抑癌基因发生突变,或K- ras 等原癌基因被激活,或DNA
发生突变,这时细胞可以越过阻断点继续进行有丝分裂[20 ] 。大量的实验证明表明,大部分永生化细胞系、肿瘤细胞、胚胎细胞和生殖细胞的端粒长度不随细胞分裂次数的增加而缩短,究其原因是由于端粒酶的存在,端粒酶维持着端粒的长度,使细胞寿命延长,并具有无限分裂的能力。端粒酶是由端粒酶RNA 和蛋白质组成的核糖核蛋白酶,通过识别并结合于富含C 的端粒末端,以自身为模板,逆转录合成端粒。人端粒酶RNA 已被克隆,其RNA 具有450 个核苷酸,模板区包含11 个核苷酸(5′- CUAACCCUAAC - 3′) 。至今对端粒酶蛋白成分的了解还未完全明白。端粒酶活性的调节机理仍不清楚,说法不一,目前的研究认为可能与以下因素有关: (1)
端粒酶有关的蛋白、hTR ( human telomerase RNA com2ponent) 、hTRT (human telomerase reverse transcriptase) 。体外转录和转译实验证明:hTRT 和hTR 共同培养可以模拟天然端粒酶的活性,而hTRT蛋白质保证区上单个氨基酸改变可以使端粒酶活性降低或消失[21 ] 。(2) 端粒酶催化亚基基因hTER(human
telomerase catalytic subunit gene) 。有实验证明其转录水平的表达量与端粒酶活性成正比,hTER 可诱导端粒酶活性阴性的细胞表现出端粒酶活性,使端粒延长,细胞分裂旺盛,β- 半乳糖苷酶活性(细胞衰老的标志之一) 降低[22 ] 。hTER 可诱导人成纤维细胞永生化,但对包皮角化细胞和乳腺上皮细胞则需要hTER 和HPVE7 同时表达或hTER 表达而P16INK4a不表达。对5 株hTER 诱导的永生的上皮细胞系的检测发现:4 株均有P16INK4a (其基因位于染色体9P) 的表达抑制,1 株有P16INK4a轻度下调性表达,同时P14ARF完全阴性表达,5 株细胞均有ras 和Rb 的突变[20 ] 。上述实验表明上皮细胞的永生需要端粒酶活性上调和相关基因
的改变,也说明端粒酶的活性可能与上述基因有关。(3) 抑癌基因P53 、Rb、P16INK4a等[20 ] 。(4) 端粒的长度。在某些细胞,端粒的缩短才有端粒酶的激活。(5) 细胞分化及细胞周期。目前认为肿瘤的发生与端粒酶密切相关。正常情况下,胚胎细胞端粒酶的活性随着胚胎的发育而逐渐消失(生殖细胞除外) 或活性很低,