细胞衰老机制

第二节　细胞衰老机制

关于衰老机制的假说很多，而这些学说间又相互重叠、相互补充，甚至有些学说非常相似。例如，有一种“DNA修复说”就与“体细胞DNA突变学说”大同小异，只不过前者重点在于细胞防御体系而不在于损伤本身。再有“蛋白错误假说”与“体细胞DNA突变学说”又相互重叠。由此，可以通过各种学说大致把握衰老机制的全貌。

一、遗传决定学说

众所周知，在一定环境条件下，一个种内所有个体的寿命非常一致。例如，一个特殊品系大鼠的群体寿命为3年，果蝇只能活30d;而人的最长寿命可达100多岁。最高寿限是指一个种潜在可能的寿命，但在野生或在不加控的条件下，或在不同的环境中，不是一个种内的所有个体都能活到最高的寿限。事实上，人类的平均寿命远低于最高寿限，但是随着生物学及医学的不断进步，去除战争及自然灾害等因素，人类的寿命正不断延长。统计数据表明，人类的寿命在过去的几十年来有明显的延长，越来越接近人类的最高寿限，但是人类作为一个种属，必定存在着它的生命极限，这正是由人类的遗传物质基础所决定的。

人们都有这种体验，长寿双亲的子孙寿命比平均寿命要长。还有，女性的平均寿命高于男性。在别的动物中也可见到寿命上的这种性别差异。例如，雄性家蝇平均寿命只有18d，而雌性家蝇平均寿命却有30d之多。再有，人们对黑腹果蝇中的短、中、长3种寿命品系的兄妹进行交配实验，也证实了这种寿命差异的遗传基础。

现代生物学者认为，衰老本身就是一个遗传过程，即在正常情况下控制生长发育的基因在各个发育时期有序地开启和关闭。有些在生命后期才开启的基因控制着机体的衰老过程，这些或许便是“衰老相关基因”(senescence-associated gene)。基因是生物一切信息的主要来源。尽管机体生存的外环境，如温度、湿度、食物和应激反应等均可以影响衰老速度，但一般认为引起老化过程的各种变化首先发生在基因上。目前，基因影响生物的衰老及寿限已为大量研究所证明。20世纪90年代，人类病理性衰老相关基因的研究取得了重大突破。Werner早老综合征是一种隐性遗传病，患者的DNA损伤修复、转录等都有异常表现，其细胞体外可传代数远低于同龄人。已经知道该综合征是位于8号染色体短臂的一种DNA解旋酶(helicase)基因突变所致。另有报道人的1、4、7号与X染色体各自存在着与衰老相关的基因，在细胞衰老中9号染色体短臂的p16基因与染色体端区长度可能起关键作用。

对细胞衰老分子水平的研究表明，衰老和细胞凋亡一样，也是一个程序化的细胞反应，在细胞到达Hayflick极限时启动。细胞进入衰老程序后，增殖停止并且发生一系列形态和功能上的变化。研究表明，细胞一旦收到来自P53和P16途径的衰老信号后，Rb蛋白就成为控制衰老过程的中心环节。细胞衰老是机体老化的前提，也是一种重要的肿瘤抑制机制，而且衰老也牵涉到干细胞功能失活和人类慢性疾病的发生机制，细胞在压力作用下会发生成熟前衰老，并且表现出一些特殊症状。

在遗传决定说的基础上，从基因组水平上又有多种学说进行补充和加强，典型的有体细胞突变学说、“差误”学说、密码子限制学说和基因调节学说等。

(一)体细胞突变学说

该学说认为在生物体的一生中，随机的和自发的突变能损伤某些分裂后细胞的基因和染色体，并逐渐增加它的突变负荷。这种突变的增加和功能基因的丧失减少了功能性蛋白质的产生。当细胞内的突变负荷超过临界值时，细胞发生衰老死亡。因此，有丝分裂后细胞的数量减少，机体的整个功能便降低。有实验证明，通过X线照射或用化学突变剂氮芥作用后的小鼠存活率随着时间的推移，下降速率要大大快于正常对照组。另外，有学者发现在衰老的人成纤维细胞中某些DNA序列会自然地发生改变。因此基因的诱发和自发突变均有可能与细胞的衰老相关。

(二)“差误”学说

随着年龄增长，机体细胞内不但DNA复制效率下降，而且常会发生核酸、蛋白质、酶等大分子的合成差错，而且这种差错与日俱增，导致细胞功能降低，并因此逐渐衰老、死亡，这是“差误”学说的基本内容。因为细胞功能下降，细胞代谢废物不能及时排出体外，又不能将其降解与消化，所以代谢废物越积越多，在细胞中占据的空间越来越大，机械地影响细胞代谢废物运输，以致阻碍了细胞的正常生理功能，细胞开始衰老。近年来也有学者认为过量的大分子交联是衰老的一个主要因素，如DNA交联和胶原交联均可损害其功能，引起衰老。临床研究表明胶原交联和动脉硬化、微血管病变有密切关系。

(三)密码子限制学说

密码子限制学说以一个假说作为基础，即细胞中翻译的保真度或精确度取决于对mRNA中三联密码子破译的能力。tRNA与aa-tRNA合成酶对于翻译的精确性起着关键作用，随着年龄的增长，由于tRNA和合成酶发生变化，翻译作用可能丧失了精确性，从而引起衰老。

(四)基因调节学说

这一学说将衰老归因于达到生殖成熟期后，基因表达作用所发生的变化。该学说认为分化和生长的出现，是由于这个时期所特有的某些基因发生了有顺序的激活或阻遏作用。分化和生长期基因的产物或副产物，在达到临界水平时，可以刺激生殖期某些基因表达。例如，类固醇性激素维持机体生殖的能力。可是，由于不断生殖，某些因子被消耗，同时又不能及时获得补充，生殖受到阻遏。如果有某种机制能够不断补充生殖耗尽的因子，同时能够防止由于生殖作用而导致某些抑制因子的积累，机体就可以保持较长的生殖期和较长的寿命。虽然不具备无限生殖期使得个体消亡，但是对一个物种是有益的，它可以使有机体更新，有助于物种的进化。因此，没有很长的生殖期和寿命，从物种形成这个意义来说是有利的。

(五)细胞有限分裂学说

Hayflick(1961)报道，人的成纤维细胞在体外培养时增殖次数是有限的。后来许多实验证明，正常的动物细胞无论是在体内生长还是在体外培养，其分裂次数总存在一个“极限值”。此值被称为“Hayflick”极限，亦称最大分裂次数。现在普遍认为细胞增殖次数与端粒DNA长度有关。1990年，Harley等发现体细胞染色体的端粒DNA会随细胞分裂次数增加而不断缩短。DNA复制一次，端粒就缩短一段，当缩短到一定程度至Hayflick点时，细胞停止复制，而走向衰亡。资料表明，人的成纤维细胞端粒每年缩短14～18bp，可见染色体的端粒有细胞分裂计数器的功能，能记忆细胞分裂的次数。端粒的长度还与端粒酶的活性有关。端粒酶是一种反转录酶，能以自身的RNA为模板合成端粒DNA，在精原细胞和肿瘤细胞(如HeLa细胞)中有较高的端粒酶活性，而正常体细胞中端粒酶的活性很低，呈抑制状态。1998年，Wright等将人的端粒酶亚基基因经转染引入正常的人二倍体细胞，发现表达端粒酶的转染细胞分裂旺盛，端粒长度明显增加，细胞寿命比正常细胞至少长20代，且核型正常。此外，研究发现提前衰老的克隆羊“Dolly”的端粒长度较同龄羊缩短20％。

以上几种假说在一定程度上解释了生物学研究中有关衰老的一些问题，并都有一定数量的实验支持和证实，但都未能全面地对衰老现象进行阐明，而且或多或少存在着一些缺陷。例如，如果认定“差误”的发生是细胞衰老和死亡的原因，那么由于转化细胞或肿瘤细胞具有永生性，也就说它们应不含有“差误”;但实际上它们的DNA复制和蛋白质合成并不具有绝对的精确性。有研究表明，某些小鼠终身保持较长的端粒，但并未因此获得较长的寿命。二倍体仓鼠胚细胞分裂的各个阶段，其端粒长度保持恒定，然而经过20～30代的分裂后，细胞仍然进入衰老。可见细胞衰老的“端粒学说”也同样需经受更多的检验。

二、自由基学说

由于电离辐射或者在细胞发生的氧化还原反应中，细胞能产生诸如自由基之类的物质。所谓自由基是指在外层轨道上具有不成对电子的分子或原子基团，它是一种高度活化的分子，当这种分子与其他物质反应时会夺取电子，可能引起一些极重要的生物分子失活，因而自由基对细胞和组织会产生十分有害的生物效应。机体中具有清除这类自由基的机制和功能，但随着年龄的增加，细胞清除能力下降，这些自由基分子的积聚会对细胞的质膜和内膜系统，包括核被膜，尤其是线粒体的膜系统造成严重损害。因为生物膜上含有的磷脂酰乙醇胺极易与自由基发生过氧化反应，使其含量逐步减少，而磷脂酰胆碱含量相应增加，生物膜脆性增加，对离子尤其是K⁺的通透性发生改变，使细胞内依赖DNA的RNA聚合酶活性受到抑制，细胞进入衰老过程。有人认为衰老中有近99％是自由基造成的，因而消除自由基可以延缓机体的衰老。研究发现，超氧化物歧化酶(SOD)与维生素E具有延缓衰老的作用，前者能歧化或重组两分子的超氧化物，使它们转化为H²O²和O²，而H²O²又能在过氧化氢酶的作用下转化为H² O及O²;而维生素E是一种抗氧化剂，能保护不饱和脂肪酸，使其不发生过氧化反应，并能在脂类过氧化作用时终止自由基的增加。类似的抗氧化剂还有乙氧喹、巯乙胺、2，6-二丁基羟基甲苯等。有实验证明，用巯乙胺和2，6-二丁基羟基甲苯喂小鼠，可使小鼠寿命增加30％～40％。尽管有大量的理论及实践表明自由基与机体衰老密切相关，但毕竟自由基主要还是新陈代谢的次级产物，不大可能是衰老的原发性原因，防止机体衰老仅仅防止自由基的危害是远远不够的。

三、神经内分泌--免疫调节学说

神经内分泌系统与免疫系统被认为与机体衰老有着密切的关联，其中下丘脑被认为是人体的“衰老生物钟”，下丘脑的衰老是导致神经内分泌器官衰老的中心环节。该学说认为神经细胞及激素起主要调节作用。随年龄增长下丘脑及垂体功能变化，影响各内分泌器官的靶细胞功能。Frank及Finch等认为下丘脑--垂体轴功能降低，通过促激素减少或对靶组织直接调控失调加速衰老。随年龄增加，神经递质单胺类含量及代谢均发生改变，如多巴胺调节功能紊乱，影响了自主神经(植物神经)功能及代谢。神经内分泌调节酶合成随年龄增加而减少。Adelman等实验证明，给予大鼠葡萄糖，这种刺激可诱发大鼠肝的葡萄糖激酶(GK)活性增强，而老年大鼠这种诱发GK活性增强出现时间明显延缓，说明老年期此功能减退。

此外，随着下丘脑的“衰老”，机体免疫功能也下降，尤其是胸腺随年龄增长而体积缩小，重量变轻。例如，新生儿胸腺重15～20g，13岁时30～40g，青春期后胸腺开始萎缩，40岁时胸腺实体组织逐渐由脂肪组织代替，而到老年时实体基本消失，功能也基本丧失。胸腺所分泌的胸腺素、胸腺增生素等激素水平下降，T细胞减少，活性也明显下降。有实验证明小鼠在年老时排斥组织移植物的能力也是较低的。在胸腺退化之后，辅助T细胞的功能或者它们的数目可能会降低，而这又可能影响B细胞的功能，使免疫应答能力有所下降。因而老年人免疫功能低下，传染病、自身免疫性疾病和癌症等的发病率都会增加。从而，人们认为通过改善机体免疫状况如控制饮食、移植免疫活性细胞、药物治疗等有助于预防这些疾病的发生。

四、其他学说

除上述学说外，还有钙调蛋白学说、微量元素学说以及微循环理论等，这都表明衰老是一个多因子过程。如钙调蛋白学说认为钙调蛋白是一种进化稳定性化合物，在衰老时含量明显下降，因而推测与衰老有关。再如一系列的研究表明微量元素与生长、发育及衰老密切相关，它们作为辅酶和酶的活性中心，在细胞代谢中起着特殊的作用。尤其是其中锌的作用非常重要;而微循环功能的下降又会导致组织与细胞的慢性缺氧、能量物质代谢减慢、DNA受损、细胞分裂能力丧失，继而机体适应力、抗病力下降，最后出现机体衰老。

(新疆医科大学　夏米西努尔　南通大学　刘　梅)