解析长寿与抗衰老背后的作用机制
2022-11-28 来源:MedChemExpress 点击次数:995何为衰老
衰老取决于无法抵抗的时间推移，这是生物体自发的必然过程，表现为结构的退行性变性和生理功能的衰退。衰老会增加患癌症、糖尿病、心血管疾病等恶性或者慢性疾病的风险，并且也会降低对外界伤害的抵抗能力。例如，老年人由于免疫系统功能衰减，SARS-CoV-2 病毒感染后初始警报信号传递较慢，病毒容易在体内快速增殖 (图 1)，COVID-19 感染在老年人中症状更严重[1]。了解衰老的机理不仅对于延长人类寿命有指导意义，还对老年人疾病的预防和治疗有重要的临床意义，也能提高老年人生活质量和幸福感。
图 1. 年轻人与老年人的免疫系统对 SARS-CoV-2 的清除能力[1]
SARS-CoV-2 病毒在上呼吸道气道上皮细胞被内吞后，病毒传播到肺泡能被巨噬细胞和树突细胞识别。在老年的机体内，病毒警报信号最初较慢，病毒大量复制。有缺陷的巨噬细胞和受体数量有限的 T 细胞杀伤效果较差(右下)，更多的细胞被感染，引发高水平的炎症细胞因子风暴。过去 30 年对衰老的研究已经从鉴定衰老表型转变为表型背后的遗传途径。研究者们发现了多个与衰老相关的基因和通路，包括与营养感应相关的 mTOR 通路、胰岛素样信号通路、线粒体和氧化应激等通路[2]。Carlos López-Otín 等人总结了衰老的九个共同特征 (图 2)：基因组不稳定性、端粒损耗、表观遗传改变、蛋白质稳态丧失、营养感应失调、线粒体功能障碍、细胞衰老、干细胞衰竭和细胞间通讯改变[3]。这些对衰老特征和相关通路的研究对于抗衰老药物的研发有重要意义。例如能够调节线粒体功能的二甲双胍 (Metformin)，可通过抑制线粒体呼吸链复合体 I、活性氧 (ROS) 以及促炎细胞因子等来发挥抗衰老作用。
衰老是任何人都不可避免的，随着时间的推进，对于 “老” 的定义也在不断更新，衰老领域的研究也不会停滞不前，让我们来看看最近又有什么新发现~
研究“衰老”，探索长寿的秘密
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长寿与低活性核糖体途径
核糖体生物合成和蛋白质合成是高度消耗能量的细胞过程，相关基因的低表达可减少合成并节省能量，同时也意味着一些诱发疾病的基因也不会过表达。在其他模式生物中也证明了，抑制核糖体通路能延长寿命。例如，使用 RNAi 抑制线粒体核糖体基因 mrps (mitochondrial ribosomal proteins) 延长了线虫的寿命[7]。
衰老也被认为是细胞机能亢奋 (hyperfunction) 引起的，一些通路过度激活，如 mTOR 通路，那么就会更容易使各细胞和器官功能丧失、引起疾病，进而导致死亡 (图 3)[4]。寿命长短与健康密切相关，衰老常会伴随各种疾病，而长寿老人在生命的大部分时间里往往是健康的，与衰老相关的疾病 (如心血管疾病、神经退行性疾病) 在他们身上通常会延迟发生[5]。
图 3. 细胞机能亢奋理论示意图[4]
衰老是由不必要的、持续激活的信号通路 (如 mTOR) 引起的。这些信号通路的激活直接导致与衰老有关的疾病发生与发展。
为了找到长寿在遗传学上的秘密，中国科学院昆明动物研究所孔庆鹏研究员团队分析了来自海南省陵水县和临高县的 185 位女性长寿老人 (98.9 ± 3.8 岁) 和 86 位长寿老人后代 (57.4 ± 9.0 岁) 的外周白细胞转录组 (选择他们后代的原因是，相似的生活条件能减少生活环境对分析的影响)。结果发现在长寿老人中，ETS1 (ETS proto-oncogene 1) 基因与核糖体途径相关基因显著下调，这可能是长寿老人延长寿命的因素之一。这一研究成果发表在 Science Advances 杂志上[6]。
孔庆鹏研究员团队发现，与核糖体途径相关的基因，尤其是核糖体蛋白基因 (RPGs)，在这些女性长寿老人中显著下调。下调 RPG 的启动子中，得分最高的 TF 基序涉及 ETS 家族，ETS1 是其中表达差异最显著的基因。ETS1 基因与 RPGs 正向共表达 (positively co-express)，其低表达能下调 RPGs。该基因被确定为是长寿老人中 RPG 转录的潜在关键转录因子。
研究者们在人真皮成纤维细胞 (HDF) 和人胚胎肺成纤维细胞 (IMR-90) 细胞中验证了 ETS1 是否能延缓衰老，使用 siRNA 敲低了 ETS1。结果显示，ETS1 的低表达显著降低了衰老标志物的 β-半乳糖苷酶 (SA-β-Gal) 染色细胞的占比 (图 4a)，也降低了CDKN2A (p16) 和 CDKN1A (p21) 的表达 (图 4b) (SA-β-Gal 是应用最广泛的细胞衰老标志；CDKN2A 和 CDKN1A 是启动衰老的两个重要调控因子)。另外，衰老相关分泌表型 (SASP) 基因 (包括 CXCL1、CXCL1、IL-6 等) 表达也降低 (图 4c)。对敲低 ETS1 的 HDF 和对照组进项了 RNA-seq 检测，结果显示，61 个差异表达的 RPG 中有 60 个在 ETS1 敲低的 HDF 细胞中显著下调。
图 4. 细胞水平下调 ETS1 的功能研究[6]
a. ETS1 敲低的细胞中衰老细胞 (β-半乳糖苷酶染色) 显著减少；b. 在 ETS1 敲低的细胞中，衰老调控因子 CDKN2A (p16) 和 CDKN1A (p21) 表达显著降低；c. 在 ETS1 敲低的细胞中，衰老相关分泌表型 (SASP) 基因表达显著降低
这些结果表明，至少部分女性长寿老人中存在由 ETS1 下调引起的核糖体生物合成减少。通过减少蛋白质合成来节省能量可以作为包括人类在内的各种物种的保守长寿机制[6]。
- 抗衰老与 BDNF-TrkB 通路
细胞衰老是指细胞处于稳定的细胞周期停滞状态。器官内衰老细胞不受控制的积累会导致组织功能障碍，进而导致疾病发生。因此从组织和器官中去除有害的衰老细胞成为一种治疗衰老引起的疾病的新策略。
Carlos Anerillas 等人发现 BDNF-TrkB 通路也与抗衰老有关。他们发现 BDNF 对 TrkB 的自分泌/旁分泌激活能维持衰老细胞的活力，在小鼠中使用 TrkB 抑制剂能诱导衰老细胞凋亡从而降低肝脏衰老标志物的水平。这一研究结果于今年 10 月 20 日发表在 Nature Communications 杂志上[8]。
Trk 家族由 NTRK 基因编码，在神经系统的发育中发挥重要作用。Trk 受体是由一种称为神经营养因子的分泌配体家族激活的，包括 NGF、NTF3、NTF4 和 BDNF 15，它们对神经元功能至关重要。
研究者首先使用包含 43 种 MAPK 信号级联介质抑制剂的化合物库，以 β-半乳糖苷酶为指标，来筛选能去除衰老细胞但不影响增殖细胞 (非衰老细胞) 活力的化合物。结果表明，TrkB 受体抑制剂 GNF 5837 和 ANA 12 具有最佳表现。然后进一步研究了 Trk 通路在衰老中的作用。通过免疫荧光检测发现，TrkB 在衰老细胞膜上非常丰富。增加 TrkB 的水平能增强衰老细胞对细胞凋亡的抵抗。在衰老模型中 TrkB 的首选配体 BDNF 的 mRNA 也持续升高。TrkB 和 BDNF 水平在诱导细胞衰老 2 天后显著上升，并且沉默 TrkB 或 BDNF 会增加衰老细胞死亡。
在自然衰老的小鼠 (21月龄) 中注射 Trk B 抑制剂 GNF 5837、ANA 12 和 PF 06273340 (接受治疗至 24 月龄)，结果显示，GNF 5837 和 PF 06273340 显著降低了老年小鼠肾脏、肺和肝脏中升高的衰老标记物 p16 (图 5a)、p21 以及 β-半乳糖苷酶 (图 5b) 的水平。这些结果表明，Trk B 抑制剂 GNF 5837 和 PF 06273340 可通过减少衰老细胞的积累来缓解衰老器官的功能衰退。
图 5. 注射 GNF 5837 和 PF 06273340 后自然衰老小鼠的肾脏中衰老标志物 p16 (a) β-半乳糖苷酶 (b) 水平显著降低[8]
衰老机制研究的“千层套路”
接下来是干货时间~
无论是研究衰老表型还是衰老背后的机制，通常会在体内外两个水平进行研究，研究者会使用模式动物 (表 1) 或细胞来模拟人的衰老过程和表型。
表 1. 衰老研究中常用的模式动物[9]
研究衰老，第一步就是要对细胞或动物模型进行衰老诱导。在细胞中可使用各类抗生素 (如依托泊苷[8])，以及辐照 (诱导 DNA 损伤)、双氧水 (H2O2)[8]等。在动物中也可使用辐照[10]、抗生素 (如曲美替尼[10])、D-半乳糖[11]等。如要验证某基因对衰老的作用，可在细胞或动物模型中进行敲低或敲除，例如上文孔庆鹏研究员团队使用 siRNA 敲低 EST1 来验证该基因对衰老的影响[6]。
检测衰老指标是证明细胞或动物衰老的直接方式。细胞衰老时 DNA、蛋白质、分泌的因子、形态等都会发生改变 (图 6)，包括细胞体积变大、细胞周期蛋白依赖性激酶 (CDK) 抑制子表达的增加 (如 p16 和 p21)、溶酶体膨胀等，还会分泌大量促炎因子[12]。这些物质就可以作为检测的标志物。常用的标志物包括 β-半乳糖苷酶、p53、p21、p16、SASP、Rb 等。其他检测方法还包括表型的观察[10]、转录组或代谢组测序[8]。
图 6. 细胞衰老时细胞内发生的变化[12]
包括DNA损伤、细胞增殖停止、应激反应蛋白的表达 (p16、Rb、p53 和 p21)、pH 为 6 时溶酶体膨胀 β-半乳糖苷酶染色为阳性；SASP 的产生和分泌增加
也许有一天科学家能够克服衰老的问题，能更大限度地延长寿命，人类能够老而不衰，健康变老。
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参考文献
1. Mueller AL, McNamara MS, Sinclair DA. Why does COVID-19 disproportionately affect older people? Aging (Albany NY). 2020 May 29;12(10):9959-9981.2. Campisi J, Kapahi P, Lithgow GJ, Melov S, Newman JC, Verdin E. From discoveries in ageing research to therapeutics for healthy ageing. Nature. 2019 Jul;571(7764):183-192.
3. López-Otín C, Blasco MA, Partridge L, Serrano M, Kroemer G. The hallmarks of aging. Cell. 2013 Jun 6;153(6):1194-217.
4. Blagosklonny MV. The hyperfunction theory of aging: three common misconceptions. Oncoscience. 2021 Sep 17;8:103-107.
5. Brooks-Wilson AR. Genetics of healthy aging and longevity. Hum Genet. 2013 Dec;132(12):1323-38.
6. Xiao FH, Kong QP, et al. ETS1 acts as a regulator of human healthy aging via decreasing ribosomal activity. Sci Adv. 2022 Apr 29;8(17):eabf2017.
7. Molenaars M, Houtkooper RH, et al. A Conserved Mito-Cytosolic Translational Balance Links Two Longevity Pathways. Cell Metab. 2020 Mar 3;31(3):549-563.e7.
8. Anerillas C, Gorospe M, et al. A BDNF-TrkB autocrine loop enhances senescent cell viability. Nat Commun. 2022 Oct 20;13(1):6228.
9. Osborne B, et al. New methodologies in ageing research. Ageing Res Rev. 2020 Sep;62:101094.
10. Yu, Y., et al. A stress-induced miR-31-CLOCK-ERK pathway is a key driver and therapeutic target for skin aging. Nat Aging 1, 795-809 (2021).
11. Liang, W., Chen, Q., Cheng, S. et al. Skin chronological aging drives age-related bone loss via secretion of cystatin-A. Nat Aging 2, 906–922 (2022).
12. Payea MJ, Anerillas C, Tharakan R, Gorospe M. Translational Control during Cellular Senescence. Mol Cell Biol. 2021 Jan 25;41(2):e00512-20.