衰老過程中的信號途徑中最具有抗衰潛力的信號通路

如同愛情是文學(xué)永恒的話題，長生不老也是人類永恒的話題。
 
近年來，與抗衰老相關(guān)的各類“神藥”甚囂塵上，如李嘉誠投資的煙酰胺核糖 (Nicotinamide Riboside; NR)。NR 是煙酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NAD⁺) 前體之一，可以提高人體內(nèi) NAD⁺ 水平。眾所周知，NAD⁺ 在衰老過程中會下降，這是為什么呢？上個月 Nature Metabolism 同期兩篇研究揭示了其中的一項重要原因：衰老誘導(dǎo)的炎癥會促進 CD38 在免疫細胞中的積累或激活，增加了 NAD⁺ 消耗，從而引起 NAD⁺ 水平下降。
 
其實，衰老過程與許多其他生物學(xué)過程一樣，受到經(jīng)典信號通路和轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控。事實上，科學(xué)家們通過對不同生物系統(tǒng)和信號通路的干預(yù)，已經(jīng)在多種動物模型中改變衰老的進程，延緩與衰老相關(guān)的多種疾病的發(fā)生。
 
目前，已經(jīng)確定了幾種衰老相關(guān)的關(guān)鍵信號通路，包括 Insulin/IGF-1 signaling (IIS)、mTOR、AMPK、NF-κB 和 Sirtuins 通路。這些信號傳導(dǎo)途徑感應(yīng)營養(yǎng)物質(zhì)或代謝產(chǎn)物，調(diào)節(jié)葡萄糖、氨基酸、cAMP 和 NAD⁺ 的水平，并形成復(fù)雜的與長壽和衰老相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)。

 

圖 1. 衰老相關(guān)的信號網(wǎng)絡(luò)^[4]

 

■ Insulin/IGF-1 signaling (IIS) 信號傳導(dǎo)

 

IIS 信號傳導(dǎo)途徑是在模型生物中最早定義的與衰老和年齡有關(guān)的途徑。胰島素/胰島素樣肽 (ILP) 與目標(biāo)細胞表面表達的胰島素受體結(jié)合，從而觸發(fā)經(jīng)由 IIS 途徑的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。這將啟動細胞內(nèi)激酶級聯(lián)反應(yīng)，最終導(dǎo)致激酶 AKT 的激活。AKT 激活后則磷酸化下游轉(zhuǎn)錄因子 FOXO，這會抑制 FOXO 的轉(zhuǎn)錄功能，從而促進細胞存活、生長和增殖。另外，IIS 信號通路還與 mTOR、AMPK 等通路相互關(guān)聯(lián)，形成一個復(fù)雜的調(diào)控壽命和衰老的網(wǎng)絡(luò)。
 
越來越多的證據(jù)表明，生長激素/胰島素樣生長因子-1 (GH/IGF-1) 信號通路也在調(diào)節(jié)衰老和疾病中起重要作用。在哺乳動物中，生長激素可誘導(dǎo)肝臟中 IGF-1 的釋放，IGF-1 通過與細胞表面的高親和性 IGF-1R 結(jié)合，并激活胰島素受體底物分子 (IRS) 磷酸化和 PI3K-Akt 途徑及 MAPK 信號級聯(lián)，來啟動復(fù)雜的細胞內(nèi)信號級聯(lián)，控制多個功能包括 mTOR 活性和 FOXO 易位。
 

圖 2. IIS 信號通路與其他長壽相關(guān)的細胞信號網(wǎng)絡(luò)^[3]

 

■ mTOR 通路
 
mTOR 是一種進化保守的絲氨酸-蘇氨酸激酶，可感知并整合多種環(huán)境和細胞內(nèi)信號，例如生長因子和營養(yǎng)物質(zhì)，以控制蛋白質(zhì)和脂質(zhì)合成或自噬等過程。越來越多的證據(jù)表明，mTOR 信號會影響壽命和衰老。
mTORC1 調(diào)控的衰老相關(guān)分泌表型 (SASP)。PS：衰老細胞分泌促炎介質(zhì)以促進衰老，被稱為 SASP。mTORC1 的抑制劑 Rapamycin 可降低 IL-6 和其他細胞因子 mRNA 水平，并選擇性抑制膜結(jié)合的細胞因子 IL-1A 的翻譯。IL-1A 的減少降低了 NF-κB 的轉(zhuǎn)錄活性，從而控制了大部分的 SASP。
 
此外，mTOR 還通過控制著 MAPKAPK2 (MK2) 的翻譯來調(diào)控 SASP。這是由于在衰老過程中 MAPKAPK2 使 RNA 結(jié)合蛋白 ZFP36L1 磷酸化，從而抑制其降解眾多 SASP 組分的轉(zhuǎn)錄本的能力。此外，在衰老小鼠和細胞中，兩種重要的 DNA 損傷修復(fù)蛋白 MGMT 和 NDRG1 受到 mTORC1 的負調(diào)控。
 
值得注意的是，IIS 通路可與 mTOR 相互聯(lián)系調(diào)節(jié)衰老，例如 IIS 通過 AKT 激活了 mTORC1，而 mTORC1 可以通過 S6K 負調(diào)控 IIS，從而抑制了胰島素受體底物 1 (IRS-1)。研究表明，降低 IIS 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)可延長線蟲、果蠅和小鼠的壽命。

 

■ AMPK 通路
 

AMPK 在細胞和有機體的能量代謝中起基礎(chǔ)性作用。由能量不足引起的 ATP 消耗激活 AMPK 信號，而 AMPK 信號反過來又刺激分解代謝過程來維持能量穩(wěn)態(tài)，相應(yīng)的，AMPK 關(guān)閉了許多與能量消耗有關(guān)的反應(yīng)，如蛋白質(zhì)和脂類合成。研究表明，AMPK 信號的激活能力隨著年齡的增長而下降，這會損害細胞內(nèi)環(huán)境的有效平衡，并加速衰老過程。因此，AMPK 信號的激活受損會干擾下游信號網(wǎng)絡(luò)的功能，從而導(dǎo)致細胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)維持的問題。

 

研究表明 AMPK 信號通過作用于下游，控制著復(fù)雜的信號網(wǎng)絡(luò)，包括幾個長壽相關(guān)通路，如 FOXO、mTOR/ULK1 和 SIRT1 信號。大量文獻表明，IIS 信號通路抑制 AMPK 的激活，進而降低其下游活性。
 
另外，AMPK 可激活 ULK1，抑制增強自噬的 mTOR 信號。而隨著年齡的增長，AMPK 信號的下降會干擾自噬和細胞蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)的維持。鑒于 AMPK 在能量代謝中具有如此重要的作用，與年齡相關(guān)的線粒體內(nèi)穩(wěn)態(tài)惡化可能也是由 AMPK 活化效率低下引起的。此外，AMPK 信號可以抑制 NF-κB 系統(tǒng)，從而控制炎癥和免疫反應(yīng)，后者隨著年齡的增長而受到干擾。

 

圖 3. AMPK 激活的上游和下游信號通路的示意圖^[9]

 

總之，AMPK 的激活與許多延長壽命的途徑有關(guān)，如抑制炎癥，抑制 IIS、mTOR 信號，刺激 Sirtuin 信號，防止線粒體紊亂等。而 AMPK 激活劑 (如Metformin) 在減緩人類衰老過程中發(fā)揮了重要作用。

 

■ NF-κB 通路

 

NF-κB 系統(tǒng)是古老的宿主防御系統(tǒng)，涉及免疫應(yīng)答，和多種外部和內(nèi)部危險信號的應(yīng)對，例如氧化應(yīng)激，缺氧和遺傳毒性應(yīng)激等。許多研究表明，哺乳動物的衰老與 NF-κB 轉(zhuǎn)錄因子系統(tǒng)的激活有關(guān)。
 
免疫衰老是一種典型的與年齡有關(guān)的免疫系統(tǒng)功能下降，而 NF-κB 系統(tǒng)在調(diào)節(jié)先天免疫和適應(yīng)性免疫方面均具有重要功能，例如 NF-κB 信號傳導(dǎo)參與 T 細胞發(fā)育、活化、和增殖。

 

另外，NF-κB 還與 SASP 的控制有關(guān)。有意思的是，一些與長壽相關(guān)的基因能夠抑制 NF-κB 信號傳導(dǎo)，例如 SIRT1、SIRT6 和 FOXOs，它們通過抑制 NF-κB 信號延緩衰老過程，延長壽命。
 
由于 NF-κB 信號通路與信號網(wǎng)絡(luò)有許多相互作用，因此抑制整個 NF-κB 系統(tǒng)可能是有害的。因此，開發(fā)針對 NF-κB 信號級聯(lián)反應(yīng)不同分支的特異性抑制劑至關(guān)重要。
 

■ Sirtuins 通路

 

Sirtuins 在調(diào)節(jié)多種細胞過程中非常重要，如代謝、線粒體內(nèi)穩(wěn)態(tài)、自噬、DNA 修復(fù)、凋亡、氧化/抗氧化平衡和衰老。其中，SIRT1 催化組蛋白 H1、H3 和 H4 以及非組蛋白脫乙�；�，包括 p53、Ku70、FoxOs、PGC1-a、PPAR-γ 和 NF-κB，并通過這些底物的乙�；�和脫乙�；�改變它們的轉(zhuǎn)錄和酶活性以及蛋白質(zhì)水平，廣泛參與調(diào)節(jié)細胞衰老和生物體壽命。除此之外，SIRT1 還可通過整合多種信號參與衰老調(diào)節(jié)。
 
SIRT1 負向調(diào)節(jié) NF-κB 信號。上文提到 NF-κB 信號在許多與炎癥和衰老相關(guān)的疾病中被激活，并促進衰老過程。研究表明，SRT1720、白藜蘆醇均可通過激活 SIRT1，抑制 NF-κB 的活性，在抗炎和衰老過程中起著重要作用。
 

另外，SIRT1 與 AMPK 在調(diào)節(jié)能量、新陳代謝和衰老方面有密切的相互作用，它們可以相互增強對方的活性，二者“互幫互助”。如 AMPK 通過誘導(dǎo) NAD⁺/SIRT1 和上調(diào)自噬來延緩細胞衰老。SIRT1 還和 mTOR 通過調(diào)節(jié)自噬功能參與衰老調(diào)節(jié)，如 SIRT1 通過阻斷 mTOR 通路恢復(fù)了氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的自噬損傷，提高了胚胎干細胞的存活率，有研究表明，白藜蘆醇可抑制 mTOR 活性并改善細胞衰老。

 

圖 4. SIRT1 與衰老相關(guān)途徑^[13]

 

總之，SIRT1 信號通路與 NF-κB、FOXOs、p53、AMPK、mTOR、PGC1α 等許多重要通路密切相關(guān)，這些通路都與衰老及衰老相關(guān)疾病的發(fā)生有關(guān)。SIRT1 的上調(diào)可以影響衰老和衰老相關(guān)疾病中這些途徑的調(diào)節(jié)。因此，用小分子激動劑激活 SIRT1 有望成為延長壽命、改善衰老相關(guān)疾病的有效手段。
 
另外，Sirtuin 家族成員 SIRT6 也被認為是衰老和衰老相關(guān)疾病的關(guān)鍵因素，但它在細胞衰老中的作用尚未清楚。

 

總結(jié)：衰老相關(guān)信號途徑的確定擴展了可能刺激壽命途徑或抑制衰老途徑的小分子潛在靶標(biāo)。影響衰老的化合物可以幫助預(yù)防多種與年齡有關(guān)的疾病，包括癌癥和神經(jīng)退行性疾病。相信隨著對與衰老相關(guān)的信號網(wǎng)絡(luò)日益深入的探索，改善老年健康，改變老年醫(yī)學(xué)時日可期。

 

抗衰老化合物

Picropodophyllin 選擇性的胰島素樣生長因子-1 受體 (IGF-1R) 抑制劑，IC50 為 1 nM。

Rapamycin 有效且特異性的 mTOR 抑制劑；與 FKBP12 結(jié)合且抑制 mTORC1；自噬 (autophagy) 激活劑；免疫抑制劑。

Metformin 抑制肝臟中的線粒體呼吸鏈，導(dǎo)致 AMPK 活化，增強胰島素敏感性，可用于 2 型糖尿病的研究。

Sodium Salicylate NF-κB 抑制劑，可降低炎癥基因的表達，促進老化肌肉的修復(fù)。

BAY11-7082 IκBα 磷酸化和 NF-κB 抑制劑，選擇性且不可逆地抑制 TNF-α 誘導(dǎo)的 IκB-α 磷酸化，并減少 NF-κB 和粘附分子的表達。

Resveratrol 天然多酚，具有抗氧化、抗炎、保護心臟和抗癌的特性；它的靶點廣泛，如 mTOR、JAK、β-amyloid、Adenylyl cyclase、IKKβ、DNA polymerase；特異性的 SIRT1 活化劑；Nrf2 激活劑，在小鼠模型中可以改善衰老相關(guān)的進行性腎損傷。

抗衰老化合物庫 (Anti-Aging Compound Library) 收錄了 2500+ 種化合物，主要靶向 Sirtuin、mTOR、IGF-1R、AMPK、p53、Telomerase、Mitophagy、Mitochondrial Metabolism、COX、Cytochrome P450、Oxidase 等靶點，是研究抗衰老機制的重要工具。   CCK8 Cell Counting Kit-8，簡稱CCK-8試劑盒或CCK8試劑盒，是一種基于WST-8而廣泛應(yīng)用于細胞活性和細胞毒性檢測的快速、高靈敏度試劑盒。

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參考文獻

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