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]

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ダ系淖饔茫稍诩?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ダ系挠绊慬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。

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8. Anerillas C, Gorospe M, et al. A BDNF-TrkB autocrine loop enhances senescent cell viability. Nat Commun. 2022 Oct 20;13(1):6228.

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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).

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