解析長壽與抗衰老背后的作用機制

何為衰老

 

衰老取決于無法抵抗的時間推移，這是生物體自發(fā)的必然過程，表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)的退行性變性和生理功能的衰退。衰老會增加患癌癥、糖尿病、心血管疾病等惡性或者慢性疾病的風險，并且也會降低對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信號傳遞較慢，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重^[1]。了解衰老的機理不僅對于延長人類壽命有指導意義，還對老年人疾病的預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 SARS-CoV-2 的清除能力^[1]

SARS-CoV-2 病毒在上呼吸道氣道上皮細胞被內(nèi)吞后，病毒傳播到肺泡能被巨噬細胞和樹突細胞識別。在老年的機體內(nèi)，病毒警報信號最初較慢，病毒大量復制。有缺陷的巨噬細胞和受體數(shù)量有限的 T 細胞殺傷效果較差(右下)，更多的細胞被感染，引發(fā)高水平的炎癥細胞因子風暴。

 

過去 30 年對衰老的研究已經(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)了多個與衰老相關(guān)的基因和通路，包括與營養(yǎng)感應相關(guān)的 mTOR 通路、胰島素樣信號通路、線粒體和氧化應激等通路^[2]。Carlos López-Otín 等人總結(jié)了衰老的九個共同特征 (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、營養(yǎng)感應失調(diào)、線粒體功能障礙、細胞衰老、干細胞衰竭和細胞間通訊改變^[3]。這些對衰老特征和相關(guān)通路的研究對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)，可通過抑制線粒體呼吸鏈復合體 I、活性氧 (ROS) 以及促炎細胞因子等來發(fā)揮抗衰老作用。
 

圖 2. 衰老的九大標志：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、營養(yǎng)感應失調(diào)、線粒體功能障礙、細胞衰老、干細胞衰竭和細胞間通訊改變^[3]

 

衰老是任何人都不可避免的，隨著時間的推進，對于 “老” 的定義也在不斷更新，衰老領(lǐng)域的研究也不會停滯不前，讓我們來看看最近又有什么新發(fā)現(xiàn)~

 

研究“衰老”，探索長壽的秘密

 

• 長壽與低活性核糖體途徑

核糖體生物合成和蛋白質(zhì)合成是高度消耗能量的細胞過程，相關(guān)基因的低表達可減少合成并節(jié)省能量，同時也意味著一些誘發(fā)疾病的基因也不會過表達。在其他模式生物中也證明了，抑制核糖體通路能延長壽命。例如，使用 RNAi 抑制線粒體核糖體基因 mrps (mitochondrial ribosomal proteins) 延長了線蟲的壽命^[7]。

 
衰老也被認為是細胞機能亢奮 (hyperfunction) 引起的，一些通路過度激活，如 mTOR 通路，那么就會更容易使各細胞和器官功能喪失、引起疾病，進而導致死亡 (圖 3)^[4]。壽命長短與健康密切相關(guān)，衰老常會伴隨各種疾病，而長壽老人在生命的大部分時間里往往是健康的，與衰老相關(guān)的疾病 (如心血管疾病、神經(jīng)退行性疾病) 在他們身上通常會延遲發(fā)生^[5]。

 

圖 3. 細胞機能亢奮理論示意圖^[4]

衰老是由不必要的、持續(xù)激活的信號通路 (如 mTOR) 引起的。這些信號通路的激活直接導致與衰老有關(guān)的疾病發(fā)生與發(fā)展。

 

為了找到長壽在遺傳學上的秘密，中國科學院昆明動物研究所孔慶鵬研究員團隊分析了來自海南省陵水縣和臨高縣的 185 位女性長壽老人 (98.9 ± 3.8 歲) 和 86 位長壽老人后代 (57.4 ± 9.0 歲) 的外周白細胞轉(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)境對分析的影響)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在長壽老人中，ETS1 (ETS proto-oncogene 1) 基因與核糖體途徑相關(guān)基因顯著下調(diào)，這可能是長壽老人延長壽命的因素之一。這一研究成果發(fā)表在 Science Advances 雜志上^[6]。
 

孔慶鵬研究員團隊發(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)，在這些女性長壽老人中顯著下調(diào)。下調(diào) RPG 的啟動子中，得分最高的 TF 基序涉及 ETS 家族，ETS1 是其中表達差異最顯著的基因。ETS1 基因與 RPGs 正向共表達 (positively co-express)，其低表達能下調(diào) RPGs。該基因被確定為是長壽老人中 RPG 轉(zhuǎn)錄的潛在關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子。

 
 
研究者們在人真皮成纖維細胞 (HDF) 和人胚胎肺成纖維細胞 (IMR-90) 細胞中驗證了 ETS1 是否能延緩衰老，使用 siRNA 敲低了 ETS1。結(jié)果顯示，ETS1 的低表達顯著降低了衰老標志物的 β-半乳糖苷酶 (SA-β-Gal) 染色細胞的占比 (圖 4a)，也降低了CDKN2A (p16) 和 CDKN1A (p21) 的表達 (圖 4b) (SA-β-Gal 是應用最廣泛的細胞衰老標志；CDKN2A 和 CDKN1A 是啟動衰老的兩個重要調(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) 表達也降低 (圖 4c)。對敲低 ETS1 的 HDF 和對照組進項了 RNA-seq 檢測，結(jié)果顯示，61 個差異表達的 RPG 中有 60 個在 ETS1 敲低的 HDF 細胞中顯著下調(diào)。
 

圖 4. 細胞水平下調(diào) ETS1 的功能研究^[6]

a. ETS1 敲低的細胞中衰老細胞 (β-半乳糖苷酶染色) 顯著減少；b. 在 ETS1 敲低的細胞中，衰老調(diào)控因子 CDKN2A (p16) 和 CDKN1A (p21) 表達顯著降低；c. 在 ETS1 敲低的細胞中，衰老相關(guān)分泌表型 (SASP) 基因表達顯著降低

 

這些結(jié)果表明，至少部分女性長壽老人中存在由 ETS1 下調(diào)引起的核糖體生物合成減少。通過減少蛋白質(zhì)合成來節(jié)省能量可以作為包括人類在內(nèi)的各種物種的保守長壽機制^[6]。
 
 

• 抗衰老與 BDNF-TrkB 通路

要是沒有長壽基因還有機會加入百歲老人的行列嗎？不用擔心~沒有先天條件我們可以靠后天努力來抗衰老呀~來看看研究者們在抗衰老上又有什么新發(fā)現(xiàn)
 
細胞衰老是指細胞處于穩(wěn)定的細胞周期停滯狀態(tài)。器官內(nèi)衰老細胞不受控制的積累會導致組織功能障礙，進而導致疾病發(fā)生。因此從組織和器官中去除有害的衰老細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 TrkB 的自分泌/旁分泌激活能維持衰老細胞的活力，在小鼠中使用 TrkB 抑制劑能誘導衰老細胞凋亡從而降低肝臟衰老標志物的水平。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 信號級聯(lián)介質(zhì)抑制劑的化合物庫，以 β-半乳糖苷酶為指標，來篩選能去除衰老細胞但不影響增殖細胞 (非衰老細胞) 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)。然后進一步研究了 Trk 通路在衰老中的作用。通過免疫熒光檢測發(fā)現(xiàn)，TrkB 在衰老細胞膜上非常豐富。增加 TrkB 的水平能增強衰老細胞對細胞凋亡的抵抗。在衰老模型中 TrkB 的首選配體 BDNF 的 mRNA 也持續(xù)升高。TrkB 和 BDNF 水平在誘導細胞衰老 2 天后顯著上升，并且沉默 TrkB 或 BDNF 會增加衰老細胞死亡。
 
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 可通過減少衰老細胞的積累來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志物 p16 (a) β-半乳糖苷酶 (b) 水平顯著降低^[8]

 

衰老機制研究的“千層套路”

 

接下來是干貨時間~

 

無論是研究衰老表型還是衰老背后的機制，通常會在體內(nèi)外兩個水平進行研究，研究者會使用模式動物 (表 1) 或細胞來模擬人的衰老過程和表型。

 

 

表 1. 衰老研究中常用的模式動物^[9]

 

研究衰老，第一步就是要對細胞或動物模型進行衰老誘導。在細胞中可使用各類抗生素 (如依托泊苷^[8])，以及輻照 (誘導 DNA 損傷)、雙氧水 (H₂O₂)^[8]等。在動物中也可使用輻照^[10]、抗生素 (如曲美替尼^[10])、D-半乳糖^[11]等。如要驗證某基因?qū)λダ系淖饔�，可在細胞或動物模型中進行敲低或敲除，例如上文孔慶鵬研究員團隊使用 siRNA 敲低 EST1 來驗證該基因?qū)λダ系挠绊?sup>[6]。

檢測衰老指標是證明細胞或動物衰老的直接方式。細胞衰老時 DNA、蛋白質(zhì)、分泌的因子、形態(tài)等都會發(fā)生改變 (圖 6)，包括細胞體積變大、細胞周期蛋白依賴性激酶 (CDK) 抑制子表達的增加 (如 p16 和 p21)、溶酶體膨脹等，還會分泌大量促炎因子^[12]。這些物質(zhì)就可以作為檢測的標志物。常用的標志物包括 β-半乳糖苷酶、p53、p21、p16、SASP、Rb 等。其他檢測方法還包括表型的觀察^[10]、轉(zhuǎn)錄組或代謝組測序^[8]。

 

圖 6. 細胞衰老時細胞內(nèi)發(fā)生的變化^[12]

包括DNA損傷、細胞增殖停止、應激反應蛋白的表達 (p16、Rb、p53 和 p21)、pH 為 6 時溶酶體膨脹 β-半乳糖苷酶染色為陽性；SASP 的產(chǎn)生和分泌增加

 

也許有一天科學家能夠克服衰老的問題，能更大限度地延長壽命，人類能夠老而不衰，健康變老。
 

相關(guān)產(chǎn)品

抗衰老化合物庫 3,400+ 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。

抗衰老天然產(chǎn)物庫 在抗衰老研究中，天然產(chǎn)物被稱為有效分子，通過影響多種途徑延緩衰老過程，從而確保延長壽命。MCE 可以提供 190+ 種具有明確抗衰老的天然產(chǎn)物。MCE 抗衰老天然產(chǎn)物庫是研究衰老相關(guān)疾病藥物和藥理學的有用工具。

抗氧化化合物庫 抗氧化劑一直是治療諸如阿爾茲海默癥和癌癥等多種疾病的重要藥物。MCE 抗氧化化合物庫包括 900+ 對氧化應激具有抑制作用的小分子化合物，可以用于高通量篩選和高內(nèi)涵篩選。該化合物庫是開發(fā)新的抗氧化劑，研究氧化應激的有用工具。

Metformin 導致 AMPK 活化，增強胰島素敏感性，可用于 2 型糖尿病的研究，能夠調(diào)節(jié)線粒體功能，可通過抑制線粒體呼吸鏈復合體 I、活性氧 (ROS) 以及促炎細胞因子等來發(fā)揮抗衰老作用。

Rapamycin 一種有效且特異性的 mTOR 抑制劑，作用于 HEK293 細胞，抑制 mTOR，IC50 為 0.1 nM。雷帕霉素可用于抗腫瘤、抗衰老和改善神經(jīng)退行性疾病的相關(guān)研究。

MCE 的所有產(chǎn)品僅用作科學研究或藥證申報，我們不為任何個人用途提供產(chǎn)品和服務

 

 

 

參考文獻

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.