細(xì)胞衰老研究進(jìn)展

1、細(xì)胞衰老研究進(jìn)展吳其?。ò不战ㄖI(yè)學(xué)院，土木學(xué)院地質(zhì)專業(yè)，11地質(zhì)班）摘要 細(xì)胞衰老的機理不詳。綜觀至目前的各種研究,主要與以下三方面因素有關(guān): (1)基因損傷的積累效應(yīng)。自由基不斷作用導(dǎo)致基因積累的錯誤信息超出了機體的修復(fù)能力,引起細(xì)胞衰竭死亡。(2) 生命鐘基因控制著細(xì)胞程序衰老。生物體細(xì)胞內(nèi)存在一系列基因,它們控制著細(xì)胞的生長、分化、老化和死亡。(3) 染色體端粒的縮短。端粒的長度隨細(xì)胞的不斷分裂而縮短,當(dāng)DNA 丟失到一定程度,細(xì)胞隨之發(fā)生衰老和死亡。端粒酶能延長被縮短的端粒,延遲細(xì)胞的衰老,端粒酶的活性受到許多因素影響,其中包括與衰老有關(guān)的基因。關(guān)鍵詞 細(xì)胞衰老; 自由基; 生命鐘

2、基因; 端粒 衰老是生物界的普遍現(xiàn)象,對多細(xì)胞有機體來說,由受精卵開始,通過分裂分化出執(zhí)行不同功能的細(xì)胞,這些細(xì)胞從產(chǎn)生時始,就處在衰老的過程中,直至死亡。多細(xì)胞有機體的體細(xì)胞大致可分為兩類, (1) 干細(xì)胞:是已發(fā)生了分化但仍可產(chǎn)生同類型子細(xì)胞的細(xì)胞,在個體一生中,保持有絲分裂能力,能不斷補充被消耗的細(xì)胞,如表皮生發(fā)層細(xì)胞、造血干細(xì)胞、消化道的隱窩上皮生發(fā)細(xì)胞等,這類細(xì)胞衰老緩慢。(2) 功能細(xì)胞:是不能分裂的高度特化細(xì)胞,常執(zhí)行一定細(xì)胞的功能后死亡,這些細(xì)胞一般不再分裂,但在受到某種刺激或再生時,可恢復(fù)分裂能力,如上皮細(xì)胞、紅細(xì)胞等,這類細(xì)胞在執(zhí)行功能過程中可明顯地表現(xiàn)出衰老的征象。影響細(xì)

3、胞衰老的因素很多,涉及到細(xì)胞內(nèi)基因及細(xì)胞外因素的影響,本文就目前細(xì)胞衰老的研究進(jìn)展從分子水平上進(jìn)行綜述。細(xì)胞衰老是細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的改變積累至一定程度的后果。功能上,表現(xiàn)氧化磷酸化減少,呼吸速率減慢,酶活性及受體蛋白降低,導(dǎo)致細(xì)胞功能降低,細(xì)胞的增殖出現(xiàn)抑制,其生長停滯在細(xì)胞G1 期,不能進(jìn)入S期1 ,或停滯在有絲分裂后期2 。形態(tài)上,不規(guī)則的和不正常分葉的核、多形性空泡狀線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)減少,高爾基體變形,色素、鈣、各種惰性物質(zhì)沉積,常有細(xì)胞膜性結(jié)構(gòu)改變,如膜脂過氧化3 。近年的研究發(fā)現(xiàn),某些衰老的細(xì)胞,有異常染色體、染色體端?？s短及基因組的改變4 ,5 ,細(xì)胞早衰現(xiàn)象也可見一些遺傳性疾病6 ,

4、表明細(xì)胞衰老是基因變化的后果。目前發(fā)現(xiàn)很多與細(xì)胞衰老有關(guān)的基因,如P53 、P16ARF 、P16INK4a 、P19ARF 、P18INK4a 、Cip/ k family、cdk2、cdk4、cyclins D、cyclins D3 、cyclones E 等6 ,7 。細(xì)胞衰老是多因素的,關(guān)于細(xì)胞衰老的機制方面的學(xué)說,主要體現(xiàn)在三方面。1 基因損傷的積累效應(yīng)一些學(xué)者認(rèn)為,細(xì)胞衰老是由物種的遺傳因素所決定的,由于基因中的遺傳密碼逐漸積累了一些錯誤信息或基因的丟失,造成蛋白質(zhì)合成錯誤。開始,染色體中存在著密碼復(fù)制錯誤的修復(fù)系統(tǒng),不斷地糾正復(fù)制錯誤,但這種修復(fù)能力隨著分裂次數(shù)的增多而降低,同時

5、修復(fù)系統(tǒng)本身的編碼也可發(fā)生錯誤,導(dǎo)致編碼出錯誤的修復(fù)酶,這方面最有代表性的是自由基導(dǎo)致細(xì)胞的衰老8 ,9 。衰老的自由基理論是Harman 于1995 年在美國的原子能委員會提出的,他認(rèn)為衰老是自由基(主要是氧自由基) 對細(xì)胞成分的有害攻擊造成,維持體內(nèi)適當(dāng)水平的抗氧化劑和自由基清除劑水平可以推遲衰老。30多年來,很多人對此進(jìn)行了研究,提供了大量實驗事實支持這一理論,但也有一些實驗結(jié)果對這一理論提出質(zhì)疑。氧自由基是細(xì)胞正常代謝產(chǎn)生,一方面,它具有細(xì)胞毒性,另一方面它具有一些生物功能(如白細(xì)胞吞噬殺傷細(xì)菌) ,正常情況下,體內(nèi)有多種清除氧自由基的酶,能清除代謝過程中產(chǎn)生的氧自由基,主要有超氧化物

6、歧化酶(SOD) ,以及過氧化氫酶和過氧化物酶。超氧化物歧化酶是體內(nèi)歧化超氧陰離子自由基的一個抗氧化酶,有兩類不同金屬離子的SOD ,即Cu ,Zn SOD 和Mn ,Fe SOD ,前者主要存在紅細(xì)胞和肝細(xì)胞里。盡管體內(nèi)有如此嚴(yán)密的防護(hù)體系,但仍然有一些氧自由基引起的損傷,因此在生物進(jìn)化中形成了另一道防護(hù)體系修復(fù)體系,它能對損傷的蛋白質(zhì)、酶和DNA 修復(fù),對不正常蛋白質(zhì)進(jìn)行水解。一旦氧自由基產(chǎn)生過多,或抗氧化酶活性下降、修復(fù)體系受損時,氧自由基就能對細(xì)胞造成損傷。體內(nèi)外實驗表明:自由基可使細(xì)胞膜、線粒體膜脂質(zhì)過氧化及DNA 損傷3 ,4 。細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化的影響是多方面的,可減少對受體的配位

7、結(jié)合,抑制ATP 腺苷酸環(huán)化酶的活性,而ATP 合成的改變將影響和限制細(xì)胞總代謝9 。線粒體內(nèi)膜脂質(zhì)過氧化可造成膜流動性減少,酶活性改變及ATP 和ADP 偶合載體流的減少,線粒體DNA 損傷及丟失,引起線粒體依賴性的細(xì)胞衰老10 ,11 。核膜的脂質(zhì)過氧化將直接損傷DNA ,同時,核-細(xì)胞質(zhì)交換和RNA 運輸也將受到影響。目前認(rèn)為,氧自由基與DNA 的嘌呤、嘧啶堿基及脫氧核糖的相互作用可引起DNA 共價斷裂和鏈分離9 ,11 。有實驗表明體內(nèi)超氧化物歧化酶(SOD) 的含量與物種的壽限有關(guān)。該實驗測量12 種靈長類和兩種嚙齒類動物腦、肝和心組織中SOD 含量,除以基礎(chǔ)代謝(SMP) 所得的值

8、與壽限趨勢有顯著相關(guān)性,即SOD/ SMP越大,壽命越長12 。人們研究了老年小鼠和成年鼠血漿、肝、腎、腦、脊髓等組織中SOD ,谷胱甘肽氧化酶和脂質(zhì)過氧化物丙二醛(MDA) 的含量,發(fā)現(xiàn)與成年鼠相比,老年鼠SOD、谷胱甘肽氧化酶活性明顯下降,MDA 含量升高。目前發(fā)現(xiàn)一些衰老退行性疾病,如白內(nèi)障、動脈粥樣硬化、神經(jīng)變性疾病、皮膚衰老的發(fā)病與氧自由基有關(guān),在這些組織內(nèi)可檢測到較高的氧自由基、MDA ,用抗氧化劑,如Vit E、Huperzine A、大蒜提取物可減輕病變2 基因程序衰老基因程序衰老理論認(rèn)為有一個程序存在于每種生物體的基因里,生物體的生長、發(fā)育、老化和死亡都由這一程序控制,一個活

9、細(xì)胞在其發(fā)育、成形過程中,還可能對細(xì)胞內(nèi)外信號產(chǎn)生響應(yīng)而導(dǎo)致發(fā)生程序性衰老(programmed aging) 8 。1996 年Lakowski 和Hekimi17 發(fā)現(xiàn)Caenorhabditis elegans 線蟲母系受影響造成的clk - 1、clk - 2、clk - 3 和gro-1 四個基因的突變可影響胚胎后期的發(fā)育及線蟲的壽命。他們通過不同溫度使線蟲的上述基因發(fā)生改變,結(jié)果線蟲壽命延長,兩個基因突變的線蟲比單個基因突變者壽命更長。通過兩種不同途徑獲得的基因突變型線蟲daf - 2 (el370) clk - 1 (e2519) ,其壽命比野生型延長近5 倍,提出了生命鐘基因的

10、概念。1999 年Vanfleteren和Braeckman18 在該種線蟲又發(fā)現(xiàn)由一組基因:daf - 2、age - 1、akt - 1、akt - 2、daf - 16 ,其編碼蛋白構(gòu)成的一個胰島素樣蛋白的信號級聯(lián)系統(tǒng),該系統(tǒng)調(diào)控著線蟲的滯育、繁殖、壽命,這個級聯(lián)系統(tǒng)與clk - 1、clk - 2、clk - 3、gro - 1 四個鐘基因構(gòu)成線蟲體內(nèi)兩條壽命控制通路,后者主要調(diào)節(jié)新陳代謝及影響壽命。目前認(rèn)為,人的壽命的長短取決于基因、環(huán)境和生活方式。對長壽的研究表明,長壽者除不患或少患心肺等重要器官疾病及免疫功能良好外,體內(nèi)有長壽基因。體外培養(yǎng)細(xì)胞的研究亦表明,有些基因與細(xì)胞壽命有關(guān)

11、,如P53 、P16INK4a 、P19ARF、P18INK4a 、cdk2、cdk4、cydlinsD1 、D3 和E68 。近年來,生命鐘基因、端粒DNA 的縮短、以及細(xì)胞壽命之間的關(guān)系日益引起學(xué)者們的重視。Vaziri H 等19 的實驗發(fā)現(xiàn):當(dāng)培養(yǎng)的成纖維細(xì)胞端?？s短至一定長度,細(xì)胞進(jìn)入衰老時有P53蛋白的激活,P53蛋白表達(dá)增強伴隨有雙著絲粒染色體的出現(xiàn)和細(xì)胞的衰老;他們還發(fā)現(xiàn)獲得ATM(ataxia - telangiectasia) 基因的成纖維細(xì)胞,其端粒DNA 的丟失加快,P53蛋白活性增強,細(xì)胞迅速進(jìn)入衰老階段。他們認(rèn)為P53和ATM在端粒DNA 與細(xì)胞衰老間起著關(guān)鍵的作用

12、,它們監(jiān)視和調(diào)節(jié)著端粒DNA ,一旦接受到端粒縮短的信息,則引起細(xì)胞向衰老發(fā)展。3 端粒的縮短端粒是終端染色體結(jié)構(gòu),對染色體末端起著保護(hù)作用,端粒的長度隨著細(xì)胞的不斷分裂而縮短,其DNA丟失到一定程度,細(xì)胞隨之發(fā)生衰老和死亡8 。端粒是位于染色體3Ä- 末端的一段富含G的DNA 重復(fù)序列。端粒和端粒結(jié)合蛋白組成核蛋白復(fù)合物,廣泛存在于真核生物細(xì)胞中。人類端粒由5ÄTTAGGG3Ä的重復(fù)序列構(gòu)成,長度在5 - 15bp 范圍,與端粒特異性結(jié)合的端粒結(jié)合蛋白,迄今發(fā)現(xiàn)了一種,但人類染色體末端的DNA - 蛋白復(fù)合體的結(jié)構(gòu)及表達(dá)基因還不清楚。端粒具有高度的保守性,其主要

13、功能有: (1) 端粒DNA - 蛋白復(fù)合物如帽子一樣保護(hù)染色體末端免于被化學(xué)修飾或被核酶降解; (2) 防止染色體在復(fù)制過程中發(fā)生丟失或形成不穩(wěn)定結(jié)構(gòu); (3) 固定染色體位置,即通過TTAGGG結(jié)構(gòu)附著于細(xì)胞核基質(zhì); (4) 決定細(xì)胞的壽命,體外培養(yǎng)細(xì)胞端粒的長度隨著細(xì)胞逐代相傳而縮短,每復(fù)制一代即有50 - 200 nt 的DNA 丟失,端粒丟失到一定程度即失去對染色體的保護(hù),細(xì)胞隨之發(fā)生衰老和死亡。人正常雙倍體細(xì)胞有限分裂能力可能就是染色體末端端粒長度縮短而啟動了一個DNA 損傷檢測點(DNA damage checkpoint) 。該點可能為P53所識別,導(dǎo)致細(xì)胞不可逆地退出細(xì)胞周期

14、,并發(fā)生老化5 ,19 。如果細(xì)胞被病毒感染,或P53 、Rb、P16INK4a 、ATM、APC 等抑癌基因發(fā)生突變,或K- ras 等原癌基因被激活,或DNA 發(fā)生突變,這時細(xì)胞可以越過阻斷點繼續(xù)進(jìn)行有絲分裂20 。大量的實驗證明表明,大部分永生化細(xì)胞系、腫瘤細(xì)胞、胚胎細(xì)胞和生殖細(xì)胞的端粒長度不隨細(xì)胞分裂次數(shù)的增加而縮短,究其原因是由于端粒酶的存在,端粒酶維持著端粒的長度,使細(xì)胞壽命延長,并具有無限分裂的能力。端粒酶是由端粒酶RNA 和蛋白質(zhì)組成的核糖核蛋白酶,通過識別并結(jié)合于富含C 的端粒末端,以自身為模板,逆轉(zhuǎn)錄合成端粒。人端粒酶RNA 已被克隆,其RNA 具有450 個核苷酸,模板區(qū)

15、包含11 個核苷酸(5- CUAACCCUAAC - 3) 。至今對端粒酶蛋白成分的了解還未完全明白。端粒酶活性的調(diào)節(jié)機理仍不清楚,說法不一,目前的研究認(rèn)為可能與以下因素有關(guān): (1) 端粒酶有關(guān)的蛋白、hTR ( human telomerase RNA com2ponent) 、hTRT (human telomerase reverse transcriptase) 。體外轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)譯實驗證明:hTRT 和hTR 共同培養(yǎng)可以模擬天然端粒酶的活性,而hTRT蛋白質(zhì)保證區(qū)上單個氨基酸改變可以使端粒酶活性降低或消失21 。(2) 端粒酶催化亞基基因hTER(human telomerase c

16、atalytic subunit gene) 。有實驗證明其轉(zhuǎn)錄水平的表達(dá)量與端粒酶活性成正比,hTER 可誘導(dǎo)端粒酶活性陰性的細(xì)胞表現(xiàn)出端粒酶活性,使端粒延長,細(xì)胞分裂旺盛,- 半乳糖苷酶活性(細(xì)胞衰老的標(biāo)志之一) 降低22 。hTER 可誘導(dǎo)人成纖維細(xì)胞永生化,但對包皮角化細(xì)胞和乳腺上皮細(xì)胞則需要hTER 和HPVE7 同時表達(dá)或hTER 表達(dá)而P16INK4a不表達(dá)。對5 株hTER 誘導(dǎo)的永生的上皮細(xì)胞系的檢測發(fā)現(xiàn):4 株均有P16INK4a (其基因位于染色體9P) 的表達(dá)抑制,1 株有P16INK4a輕度下調(diào)性表達(dá),同時P14ARF完全陰性表達(dá),5 株細(xì)胞均有ras 和Rb 的突變

17、20 。上述實驗表明上皮細(xì)胞的永生需要端粒酶活性上調(diào)和相關(guān)基因的改變,也說明端粒酶的活性可能與上述基因有關(guān)。(3) 抑癌基因P53 、Rb、P16INK4a等20 。(4) 端粒的長度。在某些細(xì)胞,端粒的縮短才有端粒酶的激活。(5) 細(xì)胞分化及細(xì)胞周期。目前認(rèn)為腫瘤的發(fā)生與端粒酶密切相關(guān)。正常情況下,胚胎細(xì)胞端粒酶的活性隨著胚胎的發(fā)育而逐漸消失(生殖細(xì)胞除外) 或活性很低,而腫瘤細(xì)胞則是在某些機制的作用下,啟動端粒酶表達(dá)而使染色體端粒穩(wěn)定地維持在一定長度,從而使腫瘤細(xì)胞得以持續(xù)增殖,獲得永生化。近年的研究表明:人類腫瘤中85 %左右的腫瘤細(xì)胞存在端粒酶活性的表達(dá)22 。衰老的機制復(fù)雜,有關(guān)端粒

18、、端粒酶與細(xì)胞衰老的聯(lián)系仍有待進(jìn)一步研究。目前也發(fā)現(xiàn)在某些永生化細(xì)胞中,即使細(xì)胞中端粒酶活性缺乏,染色體末端端粒長度還可以發(fā)生延長,而某些有端粒酶活性的正常體細(xì)胞隨著有絲分裂的持續(xù)進(jìn)行,端粒長度卻會逐漸縮短21 。一些體細(xì)胞雜交實驗揭示,在某些情況下,端粒酶活性與細(xì)胞衰老和細(xì)胞增殖之間的關(guān)系并不是很密切?？傊?細(xì)胞衰老是一個很復(fù)雜的涉及到內(nèi)外因素的分子事件,其形態(tài)和功能的變化受到基因的影響,至今其發(fā)生發(fā)展機理仍不詳。參考文獻(xiàn)1 黃英,張宗玉,童坦君. 人衰老成纖維細(xì)胞凋亡的可誘導(dǎo)性J , 中華老年醫(yī)學(xué)雜志, 2000 , 19 (3) : 170173.2 OSTLER E L , WALLI

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