細胞老化

?://

[收稿日期] 2000-03-15

[作者簡介] 黃丹(

1961-

)

,女廣東人,副教授,碩士.

細胞衰老的研究進展(綜述)

黃 丹

(暨南大學醫學院病理解剖學教研室,廣東廣州510632

)

[摘 要] 細胞衰老的機理不詳。綜觀至目前的各種研究,主要與以下三方面因素有關:

(

1

)

基因損傷的積累效應。自由基不斷作用導致基因積累的錯誤信息超出了機體的修復能力,引

起細胞衰竭死亡。(

2

)生命鐘基因控制著細胞程序衰老。生物體細胞內存在一系列基因,它

們控制著細胞的生長、分化、老化和死亡。(

3

)染色體端粒的縮短。端粒的長度隨細胞的不斷

分裂而縮短,當DNA丟失到一定程度,細胞隨之發生衰老和死亡。端粒酶能延長被縮短的端

粒,延遲細胞的衰老,端粒酶的活性受到許多因素影響,其中包括與衰老有關的基因。

[關鍵詞] 細胞衰老; 自由基; 生命鐘基因; 端粒

[中圖分類號] R361 [文獻標識碼] A [文章編號] 1000-9965

(

2001

)

06-0036-04

衰老是生物界的普遍現象,對多細胞有機體來說,由受精卵開始,通過分裂分化出執行不同功能的細胞,

這些細胞從產生時始,就處在衰老的過程中,直至死亡。多細胞有機體的體細胞大致可分為兩類,

(

1

)干細胞:

是已發生了分化但仍可產生同類型子細胞的細胞,在個體一生中,保持有絲分裂能力,能不斷補充被消耗的細

胞,如表皮生發層細胞、造血干細胞、消化道的隱窩上皮生發細胞等,這類細胞衰老緩慢。(

2

)功能細胞:是不

能分裂的高度特化細胞,常執行一定細胞的功能后死亡,這些細胞一般不再分裂,但在受到某種刺激或再生

時,可恢復分裂能力,如上皮細胞、紅細胞等,這類細胞在執行功能過程中可明顯地表現出衰老的征象。影響

細胞衰老的因素很多,涉及到細胞內基因及細胞外因素的影響,本文就目前細胞衰老的研究進展從分子水平

上進行綜述。

細胞衰老是細胞結構和功能的改變積累至一定程度的后果。功能上,表現氧化磷酸化減少,呼吸速率減

慢,酶活性及受體蛋白降低,導致細胞功能降低,細胞的增殖出現抑制,其生長停滯在細胞G

1

期,不能進入S

期[1],或停滯在有絲分裂后期[2]。形態上,不規則的和不正常分葉的核、多形性空泡狀線粒體、內質網減少,高

爾基體變形,色素、鈣、各種惰性物質沉積,常有細胞膜性結構改變,如膜脂過氧化[3]。近年的研究發現,某些

衰老的細胞,有異常染色體、染色體端粒縮短及基因組的改變[4,5],細胞早衰現象也可見一些遺傳性疾病[6],

表明細胞衰老是基因變化的后果。目前發現很多與細胞衰老有關的基因,如P53、P16ARF、P16INK4a、P19ARF、P18INK4a、

Cip/kfamily、cdk2、cdk4、cyclinsD、cyclinsD

3

、cyclonesE等[6,7]。細胞衰老是多因素的,關于細胞衰老的機制方面

的學說,主要體現在三方面。

1 基因損傷的積累效應

一些學者認為,細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,造成蛋白質合成錯誤。開始,染色體中存在著密碼復制錯誤的修復系統,不斷地糾正復制錯

誤,但這種修復能力隨著分裂次數的增多而降低,同時修復系統本身的編碼也可發生錯誤,導致編碼出錯誤的

修復酶,這方面最有代表性的是自由基導致細胞的衰老[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,他認為衰老是自由基(主要是氧

自由基)對細胞成分的有害攻擊造成,維持體內適當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,但也有一些實驗結果對這一理論提出質

疑。氧自由基是細胞正常代謝產生,一方面,它具有細胞毒性,另一方面它具有一些生物功能(如白細胞吞噬

第22卷第6期

2001年12月

暨南大學學報(醫學版)

JournalofJinanUniversity

(

MedicineEdition

)

Vol.22No.6

Dec.2001

?://

殺傷細菌)

,正常情況下,體內有多種清除氧自由基的酶,能清除代謝過程中產生的氧自由基,主要有超氧化物

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,ZnSOD和Mn,FeSOD,前者主要存在紅細胞和肝細胞里。盡管體內有

如此嚴密的防護體系,但仍然有一些氧自由基引起的損傷,因此在生物進化中形成了另一道防護體系———修

復體系,它能對損傷的蛋白質、酶和DNA修復,對不正常蛋白質進行水解。一旦氧自由基產生過多,或抗氧化

酶活性下降、修復體系受損時,氧自由基就能對細胞造成損傷。

體內外實驗表明:自由基可使細胞膜、線粒體膜脂質過氧化及DNA損傷[3,4]。細胞膜脂質過氧化的影響

是多方面的,可減少對受體的配位結合,抑制ATP腺苷酸環化酶的活性,而ATP合成的改變將影響和限制細

胞總代謝[9]。線粒體內膜脂質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胞衰老[10,11]。核膜的脂質過氧化將直接損傷DNA,同時,核-

細胞質交換和RNA運輸也將受到影響。目前認為,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]。

有實驗表明體內超氧化物歧化酶(

SOD

)的含量與物種的壽限有關。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,除以基礎代謝率(

SMP

)所得的值與壽限趨勢有顯著相關性,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

質過氧化物丙二醛(

MDA

)的含量,發現與成年鼠相比,老年鼠SOD、谷胱甘肽氧化酶活性明顯下降,MDA含量

升高[13,14]。

目前發現一些衰老退行性疾病,如白內障、動脈粥樣硬化、神經變性疾病、皮膚衰老的發病與氧自由基有

關,在這些組織內可檢測到較高的氧自由基、MDA,用抗氧化劑,如VitE、HuperzineA、大蒜提取物可減輕病

變[15,16]。

2 基因程序衰老

基因程序衰老理論認為有一個程序存在于每種生物體的基因里,生物體的生長、發育、老化和死亡都由這

一程序控制,一個活細胞在其發育、成形過程中,還可能對細胞內外信號產生響應而導致發生程序性衰老

(

programmedaging

)[8]。

1996年Lakowski和Hekimi[17]發現Caenorhabditilegans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育及線蟲的壽命。他們通過不同溫度使線蟲的上述基因發生改變,

結果線蟲壽命延長,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概念。1999年Vanfleteren

和Braeckman[18]在該種線蟲又發現由一組基因:daf-2、age-1、akt-1、akt-2、daf-16,其編碼蛋白構成的一個

胰島素樣蛋白的信號級聯系統,該系統調控著線蟲的滯育、繁殖、壽命,這個級聯系統與clk-1、clk-2、clk-3、

gro-1四個鐘基因構成線蟲體內兩條壽命控制通路,后者主要調節新陳代謝及影響壽命。

目前認為,人的壽命的長短取決于基因、環境和生活方式。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,體內有長壽基因。體外培養細胞的研究亦表明,有些基因與細胞壽命有

關,如P53、P16INK4a、P19ARF、P18INK4a、cdk2、cdk4、cydlinsD

1

、D

3

和E[6～8]。近年來,生命鐘基因、端粒DNA的縮短、以

及細胞壽命之間的關系日益引起學者們的重視。VaziriH等[19]的實驗發現:當培養的成纖維細胞端粒縮短至

一定長度,細胞進入衰老時有P53蛋白的激活,P53蛋白表達增強伴隨有雙著絲粒染色體的出現和細胞的衰老;

他們還發現獲得ATM

(

ataxia-telangiectasia

)基因的成纖維細胞,其端粒DNA的丟失加快,P53蛋白活性增強,細

胞迅速進入衰老階段。他們認為P53和ATM在端粒DNA與細胞衰老間起著關鍵的作用,它們監視和調節著端

粒DNA,一旦接受到端粒縮短的信息,則引起細胞向衰老發展。

3 端粒的縮短

端粒是終端染色體結構,對染色體末端起著保護作用,端粒的長度隨著細胞的不斷分裂而縮短,其DNA

丟失到一定程度,細胞隨之發生衰老和死亡[8]。

端粒是位于染色體3??-末端的一段富含G的DNA重復序列。端粒和端粒結合蛋白組成核蛋白復合物,

廣泛存在于真核生物細胞中。人類端粒由5??TTAGGG3??的重復序列構成,長度在5-15bp范圍,與端粒特異性結

73

第4期黃 丹: 細胞衰老的研究進展(綜述)

?://

合的端粒結合蛋白,迄今發現了一種,但人類染色體末端的DNA-蛋白復合體的結構及表達基因還不清楚。

端粒具有高度的保守性,其主要功能有:

(

1

)端粒DNA-蛋白復合物如帽子一樣保護染色體末端免于被化學修

飾或被核酶降解;

(

2

)防止染色體在復制過程中發生丟失或形成不穩定結構;

(

3

)固定染色體位置,即通過

′TTAGGG′結構附著于細胞核基質;

(

4

)決定細胞的壽命,體外培養細胞端粒的長度隨著細胞逐代相傳而縮短,

每復制一代即有50-200nt的DNA丟失,端粒丟失到一定程度即失去對染色體的保護,細胞隨之發生衰老和

死亡。人正常雙倍體細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

(

DNAdamagecheckpoint

)。該點可能為P53所識別,導致細胞不可逆地退出細胞周期,并發生老化[5,19]。如果細

胞被病毒感染,或P53、Rb、P16INK4a、ATM、APC等抑癌基因發生突變,或K-ras等原癌基因被激活,或DNA發生

突變,這時細胞可以越過阻斷點繼續進行有絲分裂[20]。

大量的實驗證明表明,大部分永生化細胞系、腫瘤細胞、胚胎細胞和生殖細胞的端粒長度不隨細胞分裂次

數的增加而縮短,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和蛋白質組成的核糖核蛋白酶,通過識別并結合于富含C的端粒末端,以

自身為模板,逆轉錄合成端粒。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。端粒酶活性的調節機理仍不清楚,

說法不一,目前的研究認為可能與以下因素有關:

(

1

)端粒酶有關的蛋白、hTR

(

humantelomeraRNAcom2

ponent

)、hTRT

(

humantelomerarevertranscripta

)。體外轉錄和轉譯實驗證明:hTRT和hTR共同培養可以模

擬天然端粒酶的活性,而hTRT蛋白質保證區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

(

humantelomeracatalyticsubunitgene

)。有實驗證明其轉錄水平的表達量與端粒酶活性

成正比,hTER可誘導端粒酶活性陰性的細胞表現出端粒酶活性,使端粒延長,細胞分裂旺盛,

β

-半乳糖苷酶

活性(細胞衰老的標志之一)降低[22]。hTER可誘導人成纖維細胞永生化,但對包皮角化細胞和乳腺上皮細胞

則需要hTER和HPVE

7

同時表達或hTER表達而P16INK4a不表達。對5株hTER誘導的永生的上皮細胞系的檢

測發現:4株均有P16INK4a(其基因位于染色體9P

)的表達抑制,1株有P16INK4a輕度下調性表達,同時P14ARF完全陰

性表達,5株細胞均有ras和Rb的突變[20]。上述實驗表明上皮細胞的永生需要端粒酶活性上調和相關基因

的改變,也說明端粒酶的活性可能與上述基因有關。(

3

)抑癌基因P53、Rb、P16INK4a等[20]。(

4

)端粒的長度。在

某些細胞,端粒的縮短才有端粒酶的激活。(

5

)細胞分化及細胞周期。

目前認為腫瘤的發生與端粒酶密切相關。正常情況下,胚胎細胞端粒酶的活性隨著胚胎的發育而逐漸消

失(生殖細胞除外)或活性很低,而腫瘤細胞則是在某些機制的作用下,啟動端粒酶表達而使染色體端粒穩定

地維持在一定長度,從而使腫瘤細胞得以持續增殖,獲得永生化。近年的研究表明:人類腫瘤中85%左右的

腫瘤細胞存在端粒酶活性的表達[22]。衰老的機制復雜,有關端粒、端粒酶與細胞衰老的聯系仍有待進一步研

究。目前也發現在某些永生化細胞中,即使細胞中端粒酶活性缺乏,染色體末端端粒長度還可以發生延長,而

某些有端粒酶活性的正常體細胞隨著有絲分裂的持續進行,端粒長度卻會逐漸縮短[21]。一些體細胞雜交實

驗揭示,在某些情況下,端粒酶活性與細胞衰老和細胞增殖之間的關系并不是很密切。

總之,細胞衰老是一個很復雜的涉及到內外因素的分子事件,其形態和功能的變化受到基因的影響,至今

其發生發展機理仍不詳。

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Rearchadvancesincellularaging(Areview)

HUANGDan

(

ology,JNUMC,Guangzhou510632,China

)

[Abstract] arizeanumberofreports,

itmainlyinvolvesthreecaus:

(

1

)

Theaccumalatederrormessayeofgenesinducedbyfreeradicalsre2

peatedinjuryexceedthecapacityoforganism??smodification,thuscausingcellnscence.

(

2

)

Thereare

ariesofgenesincellwhichdetermincellulargrowth,differentiation,aginganddeath

(

3

)

Critical

etelomereofcellshortentoa

racanlengthentelomereanddelaycellular

aginganditsactivityisregulatedbymanyfactorsincludingsomeaginggenes.

[Keywords] cellularaging; freeradicals; clockgenes; telomere

93

第4期黃 丹: 細胞衰老的研究進展(綜述)