【衰老分子生物学】
拼译：molecular biology of aging
衰老是一古老的生物学现象与命题。在60年代以前，人们的主要注意力集中于器官，组织的功能减退和衰竭上。60年代初期，Hayflick的实验表明正常人的成纤维细胞具有限制分裂的能力，从胎儿身上取得的细胞群最多可连续分裂50次，被取得细胞的人越老，细胞分裂次数越少，细胞生存的时间也越短，只有癌细胞才能永久分裂，这一发现使人们对细胞生物学产生了浓厚兴趣，因而细胞生物学成为研究衰老的出发点，但是，对于影响衰老和长寿的细胞变化情况、最基本的生物过程如何影响细胞的衰老、衰老的细胞如何影响组织、器官和整个机体的功能等方面的了解，这仅仅是一个开端，70年代以来，人们才逐渐从遗传学、基因结构、基因调控、细胞寿命、衰老相关疾病的分子发病机制、分子生理学等方面获得对衰老的分子机制认识。衰老的免疫理论指出：调节许多免疫系统的MHC系统影响最长寿命。70年代，利用H－2同系小鼠从存活曲线和年龄相关的肿瘤发生率两方面获取了直接证据。80年代Walford表明MHC可影响大量非免疫系统：如某些自由清除酶、混合的功能氧化酶、DNA修复和生殖衰老。而这些均与衰老相关。M．R．Rose发现果蝇的许多突变体其寿命大大缩短。然而，是衰老的加速还是表型变异的病理效应导致死亡，尚有争议。实际上，得到一种真正的衰老加速或衰老延迟的突变体极为困难。D．Subobscura有一种突变的等位基因可同时导致雌性卵巢缺乏、寿命延长。它类似于C．cleganss的age－1。但由于位点连锁所致的近交退化，不大可能从果蝇中筛选出短命的突变体。寿命增加的突变体则通过远交的实验室繁殖得到。研究表明这些品系在许多位点上与野生型不同，而这些位点一般说来存在能产生附加效应的等位基因。1990年Hutchinson等得到一种寿命增加70%的单一基因(age－1)突变体。age－1已在线虫C．eelegans的第2连锁群上定位，是一种隐性基因。它既可影响雄体，也可影响两性体(使其自育力下降4／5)。作者正采用多因子杂交和缺陷分析对此基因进行精密定位，并正克隆。此外，他们在果蝇中也筛选到衰老延迟突变体，并证明它们以孟德尔方式遗传、不近交退化、非性连锁、非全直接显性。数量遗传分析表明，1个以上的位点参与寿命延长。1990年W．J．Mackay等则对果蝇的过氧化氢酶缺陷突变体进行了遗传学及分子生物学分析，以检验衰老的氧自由基理论。结果表明，这些突变体在标准实验室条件下可以存活，但寿命大大缩短。为检验抗氧化剂酶的过量表达能否延长果蝇的寿命，他们正将多拷贝过氧化氢酶基因通过P因子介导的转化导入果蝇的基因组内以进行观察。
小鼠肝中DNA甲基化随年龄增加而减少，附加序列(如卫星DNA、a1球蛋白)在衰老过程中逐渐失去甲基化。Spuck等正努力确定哪些限制因素参与衰老相关的去甲基化。他们认为甲基化位点的专一性、DNA甲基转移酶作用的调节、5－甲基胱氨酸糖基酶的参与和衰老相关。Randerath等在衰老哺乳动物组织中发现加合物样DNA修饰在体内的含量随衰老增加。此化合物有组织种属特异性，在胆脏中含量可为非致突性致癌剂减低。它是一种DNA结构的永久性变化，影响DNA的复制并由此引起细胞恶变或衰老。1990年Richardson等探讨了饮食限制延长寿命的分子机制，发现它阻止了aau－球蛋白表达因衰老而出现的下降，提高了此蛋白基因的转录和翻译。同时，超氧化物歧化酶(SOD)基因、过氧化氢酶基因的转录和翻译也提高了50%，但脱脂蛋白B和c－myc因衰老而出现的表达增加则不受其影响。此外，还发现肝脏中热激蛋白70的产率随年龄增加而大幅度下降。作者认为，这种变化中至少SOD和过氧化氢酶表达的增加会有利于寿命的延长。雏鸡、小鼠、大鼠、人等的皮肤、肺中的成纤维干细胞系统可演变为9种细胞，这些细胞分别分布于4个不同“库”(干细胞库、增殖与分化库、后分裂与成熟库、退化库)。前3种能增殖的库的数量无论在体内还是在体外均随衰老而急剧减少。Smith等观察到，无论将正常人成纤维细胞与多少数量的永生(immortal)人细胞形成融合体，其分裂潜能总是有限的。从而表明细胞衰老的表型为显性，细胞永生是源于隐性变异。通过互补实验，证明有4个互补群与细胞永生相关。同一互补群内的细胞融合，细胞获得永生。群间融合的细胞其寿命不是无限期的。因此，作者认为有4条途径通向细胞永生。在一系列实验中，均发现衰老细胞产生抑制DNA合成起始的蛋白因子，含有丰富的能抑制DNA合成的mRNA。这些mRNA通过抑制DNA合成的起始而起作用。1992年，他们将其定位于人4号染色体上。Alzheimer氏病(AD)的特征是42到43残基的淀粉粒A4蛋白(又称β蛋白)在大脑中的大量沉积。此蛋白源于前体的裂解。相似的过程在所有Down氏综合征病人的早期也出现。淀粉粒A4蛋白在神经原内或突触间的沉积是导致AD、DS病人痴呆的最重要原因。H．Vlassara报道了一种能解释衰老与糖尿病多种并发症的机制一非酶催化的蛋白高度糖基化。他发现，蛋白的高度糖基化会形成不可逆的高度糖基化终产物(Advanced Glycosylation Endproduct，简称AGE)。这种产物会在长期存在的蛋白(如胶原蛋白、基质膜蛋白、眼晶体蛋白、髓磷脂蛋白)中不断积累，导致众多系统的衰老变化(如血管小球、毛细血管基质膜加厚、动脉粥样硬化，关节周僵硬与外周神经病)。这种修饰还能改变遗传物质的结构与功能。大部分癌症的发生率都与年龄呈正相关。为了肯定这种增加的危险是否源于衰老细胞对恶性转化的敏感性增加，1989年T．Kunisada等用起始点缺陷的SV40DNA转染衰老的大鼠成纤维细胞并计数转化灶。结果表明，衰老细胞的转化灶数大大高于胚胎细胞或断奶鼠细胞。这种增加不是因为细胞对DNA摄取量的增加、DNA整合或外源DNA表达的增加。已知出芽酵母的分裂次数有限，当细胞衰老时其传代时间延长。他们证明酵母中衰老表型为显性，且由衰老细胞产生的一种胞质因子控制，控制点在G1与S期交界处。为了找到此因子的基因，作者观察并克隆了细胞在衰老过程中表达不同的基因，其中有两个基因被证明不仅为静止期特有，而且为衰老期特异。1989年Hornsby等发现，在细胞衰老过程中存在随机丧失分化功能基因表达的过程。他们观察到，牛肾上腺皮质细胞经长期培养，其中分化功能基因一甾体17a－羟基酶基因的表达在子代细胞中随机丧失证明复制对于开启基因表达是必需的。1989年Spiering等证明DNA复制与衰老直接相关。他们在衰老和静止的人二倍体成纤维细胞中发现了DNA合成抑制因子。虽然功能相同的因子在永生的人细胞系SUSM－1中组成性地表达，但这两类来源不同的因子对温度胰酶、环已亚胺、嘌呤霉素的敏感度不同。作者认为这是一类新型的生长负调调控因子，执行控制寿限的遗传程序。1991年Grotendors等则通过TGF－β对不同种属来源内皮细胞生长的影响探讨了衰老的机制。认为衰老表型是某些生长调控基因产物产率降低的结果。HC．Yand等细胞衰老是由于细胞周期停滞在早GO／s期，而且证明蛋白激酶C和87KD蛋白的磷酶化在其中起调节作用。1991Kay等以RBC为模型，进行了衰老指标及衰老机制的研究。其方法是分别采用年轻和衰老细胞特异的cDNA探针对衰老细胞，cDNA文库进行差别筛选。少于0．05%的重组子表达衰老特有的活性。这种衰老特有的cDNA克隆能与7．8kb大小的mRNA杂交，戎cDNA序列与人纤维结合素的3’未端部分有同源性。这种糖蛋白mRNA的水平反映细胞的生长状态(年轻的、增殖的细胞中这mRNA水平低，增殖停止的、衰老的细胞则相反)。实验还肯定，这种增加并不是由于此基因的扩增或重排，而是由于衰老过程中其序列有所改变。采用同样方法，1992年C．Winstrom等获得了6个衰老相关的cDNA克隆。片段最长的为1．8kb，被命名为SAG1(Senescence-AssociaredGene)。基因总长为2．8kb，其表达在老细胞中高5倍，而在细胞周期中表达无变化。由此得知，衰老细胞中SAG1表达的不同并不是由于衰老细胞只能处于Go期，而只能直接与衰老相关。序列测定后经比较表明，在所有已知序列中没有相同顺序。在SV40转化的W138细胞中可见到其表达，Hel2中则没有。此外，SAG1不能与大鼠或小鸡DNA杂交，表明它为人类所特有。作者还指出，虽然SAG1是迄今为止在衰老细胞中发现的唯一高调节(Upregulated)基因，但也存在几种衰老相关的低调节(Downregulated)基因(如精氨酰琥珀酸合成酶基因和胶原蛋白基因)。根据上述进展，不难预期，未来衰老分子生物学的研究将主要侧重于如下方面：(1)发现并克隆新型衰老相关基因；(2)详尽研究已克隆的衰老相关基因的功能及其作用机制；(3)阐明衰老相关酶、蛋白与衰老的因果关系；(4)综合，统一分子、细胞、组织、器官水平上对衰老的已有认识。【参考文献】：1 Phillips P D,et al. J Gerontol, 1984,39:112 CohnJ P. Bio Science, 1987,37:993 Johnson T E. Proc Natl Acad Sci. ,USA 1987,84:37774 Finch C E,et al. J Cell Biochem,1989,13D5 贺福初. 国外医学分子生物学分册, 1990,12:446 Finch C E. Longevity,senescence,and the genome. The Uni-versity of Chicago Press, 19907 Goldstein S. Science, 1990,249:11298 Yi Ning,et al. Proc Natl Acad Sci. ,USA 1991,88:56359 Tomei L D,Cope F D. Apoptosis: The molecular basis of ce-ll death. Current Communications 3 in Cell and Molecular Biology. Cold Spring Harbor Lab Press, 199110 Schwartz L M. Bio Essays,1991,13:389(北京放射医学研究所贺福初副研究员撰；夏寿
审)