衰老是隨著時(shí)間的推移，機(jī)體生物學(xué)功能衰退的過程，會大大提高神經(jīng)退行性疾病、糖尿病以及腫瘤等相關(guān)疾病的發(fā)病率。衰老的表征體現(xiàn)在各個方面，延緩衰老是一件極具困難的挑戰(zhàn)。在過去的幾十年，生物學(xué)家以模式動物為研究對象，在不斷地探索中發(fā)現(xiàn)衰老主要受遺傳和環(huán)境兩方面因素影響。1939年，對小鼠和大鼠進(jìn)行卡路里攝入限制（約減少30%碳水化合物的攝入），研究人員發(fā)現(xiàn)可以顯著的延長壽命。上世紀(jì)末，Tom Johnson和Cynthia Kenyon以秀麗隱桿線蟲 （Caenorhabditis elegans）為研究對象先后發(fā)現(xiàn)，抑制age-1和daf-2可以引起近乎兩倍的壽命延長。這些里程碑式的科學(xué)發(fā)現(xiàn)引領(lǐng)我們進(jìn)入人類健康研究的新時(shí)代。
7月10日，美國巴克衰老研究所所長Eric Verdin 及多名衰老研究領(lǐng)域的專家在Nature上推出From discoveries in ageing research to therapeutics for healthy ageing的專題綜述。現(xiàn)將該文編譯如下，供大家參考學(xué)習(xí)。
衰老研究的遺傳學(xué)手段
經(jīng)過近幾十年的研究，生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)壽命（lifespan）是一種遺傳性狀，其具有遺傳基礎(chǔ)。不同物種具有不同的遺傳基礎(chǔ)，因此其壽命也存在巨大的差異，從幾天到幾十年不等。1952年，Peter Medawar提出衰老是物種生殖后自然選擇力下降的結(jié)果。遺傳學(xué)家和進(jìn)化學(xué)家以果蠅（Drosophila）為研究對象，選擇性的培育具有遺傳多樣性的在早期進(jìn)行繁育的果蠅種群和在晚期進(jìn)行繁育的果蠅種群。檢測這兩類種群壽命和基因結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)：在晚期進(jìn)行繁育的果蠅壽命是在早期進(jìn)行繁育的果蠅壽命的兩倍，且這些壽命差異及基因差異具有可遺傳性。生物體含有成千上萬個基因，研究人員認(rèn)為任何單基因的突變對生物體的影響應(yīng)該是微乎其微。但是，以秀麗隱桿線蟲為模式生物，科研人員發(fā)現(xiàn)了一項(xiàng)具有里程碑意義的研究，單基因敲除age-1產(chǎn)生40%~60%的壽命延長，這大大打破了科研人員以往的認(rèn)知。運(yùn)用遺傳學(xué)手段研究衰老的成果如雨后春筍，目前，根據(jù)GenAge上的數(shù)據(jù)，已經(jīng)有800多個基因已經(jīng)被鑒定出來參與調(diào)節(jié)線蟲的壽命進(jìn)程。
參與壽命調(diào)節(jié)的信號通路和過程
過去30年對于衰老研究已經(jīng)從簡單地鑒定壽命長短轉(zhuǎn)變?yōu)樘剿饔绊憠勖L短的遺傳通路。衰老的遺傳學(xué)研究揭示了一系列復(fù)雜的細(xì)胞內(nèi)信號傳導(dǎo)途徑和生物學(xué)過程。
胰島素類生長因子信號通路
20世紀(jì)90年代，美國加州大學(xué)舊金山分校的Keyon教授為了找到秀麗隱桿線蟲中的衰老調(diào)控因子進(jìn)行一系列的遺傳篩選工作，發(fā)現(xiàn)在25℃，daf-2突變體會使得秀麗隱桿線蟲在幼蟲時(shí)期進(jìn)入dauer（發(fā)育停滯）狀態(tài)；daf-2突變體產(chǎn)生2倍的壽命延長。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，daf-2和daf-16作用在同一條信號通路參與調(diào)控線蟲dauer的形成以及壽命的調(diào)控。線蟲中這些與壽命調(diào)控相關(guān)的基因與哺乳類動物中胰島素類信號通路的關(guān)鍵作用因子是同源物。age-1基因編碼磷脂酰肌醇-3激酶，daf-2基因編碼胰島素樣受體，daf-16基因編碼FOXO樣轉(zhuǎn)錄因子。令人驚喜的是，抑制酵母和果蠅中胰島素類信號通路中的關(guān)鍵因子可以延長了壽命。這表明胰島素樣信號通路對于壽命的調(diào)控在多個物種中是保守的。這說明我們從模式生物中探索人類衰老進(jìn)程是可行的。
雷帕霉素受體信號通路
雷帕霉素受體蛋白最早在雷帕霉素的研究中被鑒定出來。早期的研究發(fā)現(xiàn)雷帕霉素具有顯著的抗真菌特性，進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，其還可以抑制細(xì)胞的生長和參與免疫調(diào)節(jié)。隨后在酵母中鑒定出抑制雷帕霉素產(chǎn)生的細(xì)胞周期阻滯特性的突變體，分別是編碼TOR1和TOR2基因的突變。雷帕霉素受體受營養(yǎng)和生長因子的激活，通過調(diào)節(jié)mRNA翻譯、自噬、線粒體功能、核糖體合成及代謝等生物學(xué)過程，促進(jìn)細(xì)胞的生長與增殖。TOR與飲食限制之間存在一定的關(guān)系。飲食限制對機(jī)體是有益，從進(jìn)化學(xué)角度分析認(rèn)為，飲食限制條件下，能量分配會從生殖生長傾向于維持體細(xì)胞運(yùn)行轉(zhuǎn)變，從而延長壽命。TOR作為一個保守的營養(yǎng)感應(yīng)因子，在多個物種中被發(fā)現(xiàn)參與調(diào)控生長和維持能量轉(zhuǎn)換以及壽命等過程。TOR途徑的各種組分活性抑制的果蠅可以模仿飲食限制產(chǎn)生壽命延長。另外一個矚目的發(fā)現(xiàn)是：當(dāng)同時(shí)抑制TOR和胰島素類信號通路中的關(guān)鍵因子rsks-1和daf-2可以產(chǎn)生5倍的壽命延長。
Sirtuins and NAD
1995年，運(yùn)用遺傳篩選手段鑒定影響壽命的表觀遺傳“沉默”因子。Sir2被鑒定出是一種保守的蛋白質(zhì)，參與調(diào)控酵母的壽命。Sir2編碼一種去乙酰基酶，呈現(xiàn)出NAD 依賴性的去除組蛋白中的乙酰基。酵母飲食限制條件下，Sir2可以誘導(dǎo)產(chǎn)生壽命延長的表型。其他物種中也將Sir2相關(guān)蛋白都統(tǒng)稱為sirtuins，通常利用其蛋白質(zhì)脫酰酶的作用，去除目標(biāo)蛋白賴氨酸殘基上的酰基，包括乙酰基、琥珀酰基和丙二酰基。小鼠和人中共有七種sirtuins蛋白。SIRT1，SIRT2，SIRT3，SIRT6和SIRT7是真正的去乙酰基酶，而SIRT4和SIRT5不表現(xiàn)出去乙酰基酶活性，但是會去除蛋白質(zhì)賴氨酸殘基中的其他酰基。值得注意的是，SIRT1，SIRT2，SIRT6和SIRT7可能具有表觀遺傳調(diào)節(jié)因子的作用，而SIRT3，SIRT4和SIRT5位于線粒體中。
NAD 是所有活細(xì)胞中關(guān)鍵的氧化還原輔酶。它既可作為關(guān)鍵的輔酶，將一個反應(yīng)的電子傳遞到另一個反應(yīng)來促進(jìn)氧化還原反應(yīng)，也可作為其他酶的底物，如sirtuins和聚腺苷二磷酸 - 核糖聚合酶（PARPs）。越來越多的證據(jù)表明，NAD 水平和sirtuins的活性隨著衰老的發(fā)生會降低，同時(shí)，高脂飲食飼喂的動物也會使得這兩者降低。但是，當(dāng)飲食限制、禁食、葡萄糖限制，或者是運(yùn)動都會使得NAD 水平升高，促進(jìn)壽命延長和提高健康水平。結(jié)合一系列的研究，使用NAD 補(bǔ)充劑可能會產(chǎn)生壽命延長。
Circadian clocks （生物鐘）
對sirtuins 和NAD 的研究也幫助我們了解了生物鐘與衰老之間的聯(lián)系。NAD 水平呈現(xiàn)晝夜節(jié)律方式波動，通過SIRT1表觀遺傳機(jī)制將外周時(shí)鐘與代謝的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)聯(lián)系起來。在哺乳類動物小鼠中，核心的生物鐘機(jī)制是BMAL1和CLOCK直接調(diào)節(jié)NAD 補(bǔ)救途徑中NAMPT的表達(dá)。SIRT1的去乙酰酶活性取決于NAMPT的存在。同樣的，其他幾種穩(wěn)態(tài)反應(yīng)也受生物鐘的調(diào)節(jié)。衰老的一個常見標(biāo)志是晝夜節(jié)律行為（睡眠 - 覺醒周期）的逐漸喪失和晝夜節(jié)律相關(guān)基因的表達(dá)受到抑制。飲食限制對生物鐘有顯著的影響，以小鼠和果蠅為研究對象發(fā)現(xiàn)飲食限制通過影響節(jié)律相關(guān)基因的表達(dá)促進(jìn)晝夜節(jié)律的穩(wěn)態(tài)影響生物鐘。更重要的是，飲食限制促進(jìn)果蠅和小鼠壽命延長的過程需要生物鐘過程的參與。
線粒體和氧化應(yīng)激反應(yīng)
在20世紀(jì)50年代，一些理論認(rèn)為機(jī)體內(nèi)源性產(chǎn)生的或者是基礎(chǔ)代謝過程如呼吸產(chǎn)生的氧自由基分子是促進(jìn)衰老發(fā)生的關(guān)鍵元素。這些理論的依據(jù)來源于線粒體產(chǎn)生的超氧化物是衰老病理生理學(xué)的關(guān)鍵介質(zhì)。實(shí)際上，隨著科技發(fā)展，研究人員發(fā)現(xiàn)隨著年齡的增長，氧化損傷會在物種的多個組織中進(jìn)行堆積。我們不能否定的是這些氧化損傷主要是由年齡增長引起的，但是氧化損傷的堆積是否是造成衰老的原因依舊是未知的。在20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)初，研究人員在模式動物中過表達(dá)參與自由基分子解毒反應(yīng)的關(guān)鍵因子如超氧化物。其中有多個產(chǎn)生壽命延長表型的模型，這些研究表明新陳代謝過程中產(chǎn)生的氧化損傷在某種程度上限制了壽命。然而，這一研究結(jié)果在小鼠中進(jìn)行驗(yàn)證的時(shí)候受到了挑戰(zhàn)。在小鼠中過表達(dá)線粒體抗氧化過程中的關(guān)鍵因子超氧化物歧化酶2與野生型相比并沒有壽命延長的表型。但是進(jìn)一步的發(fā)現(xiàn)特異性地將過氧化氫清除蛋白過氧化氫酶靶向到線粒體上可以顯著的改善小鼠的健康狀況和促進(jìn)壽命延長。這些矛盾的結(jié)果并不奇怪，因?yàn)榫€粒體內(nèi)的自由基的產(chǎn)生是復(fù)雜的，呼吸鏈中至少有十處反應(yīng)節(jié)點(diǎn)可以誘導(dǎo)產(chǎn)生氧自由基，而且不同的生理狀態(tài)，不同的年齡以及不同的細(xì)胞類型產(chǎn)生氧自由基的效率也是有很大的差異。
雖然機(jī)體中高水平的氧自由基與細(xì)胞損傷和炎癥有關(guān)，但是低水平的氧自由基可以通過適應(yīng)性應(yīng)答反應(yīng)（Mitohormesis）增強(qiáng)細(xì)胞的抵御能力。這種Mitohormesis能力也是當(dāng)線粒體功能受到損害時(shí)，仍舊可以促進(jìn)線蟲、蒼蠅和小鼠中壽命延長的原因。用線蟲作為模式生物進(jìn)行全基因組篩選發(fā)現(xiàn)敲降參與電子傳遞鏈過程的幾個基因可以顯著的延長壽命，這個過程需要UPRmt（Mitochondrial unfolded protein response，線粒體未折疊蛋白應(yīng)答）的參與。破壞神經(jīng)元中的線粒體功能能夠細(xì)胞非自主性的激活腸道中的UPRmt，預(yù)示著存在協(xié)調(diào)組織間代謝調(diào)控的信號因子。線粒體功能紊亂會在轉(zhuǎn)錄層面影響很多過程基因的表達(dá)，包括參與調(diào)控蛋白質(zhì)折疊的基因，抗氧化防御相關(guān)基因和新陳代謝相關(guān)基因。UPRmt受若干因素的調(diào)節(jié)，包括轉(zhuǎn)錄因子ATFS-1，DVE-1以及泛素樣蛋白UBL-5，線粒體蛋白酶ClpP和線粒體內(nèi)膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白HAF- 1。
Senescence （細(xì)胞衰老）
60年前，人體細(xì)胞的分裂能力是有限度的理論首次被發(fā)表。細(xì)胞分裂的停滯在后期的研究中被認(rèn)為是細(xì)胞衰老的一種現(xiàn)象。細(xì)胞衰老的特征主要表現(xiàn)在三個方面：細(xì)胞增殖停滯，抵抗細(xì)胞凋亡以及復(fù)雜的衰老相關(guān)表型的發(fā)生。細(xì)胞增殖受阻主要是由于端粒變短功能喪失引起的。功能失調(diào)的端粒會引發(fā)持續(xù)的DNA損傷反應(yīng)，進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞周期停滯和衰老相關(guān)因子的表達(dá)。例如一些致癌因子誘發(fā)衰老就是由于基因復(fù)制紊亂以及DNA損傷導(dǎo)致的。細(xì)胞培養(yǎng)研究表明，細(xì)胞衰老是各種衰老表型和疾病發(fā)生的標(biāo)志。
免疫衰老
免疫系統(tǒng)的衰老被稱為免疫衰老，是“炎癥”的原因之一，是指生物體在年老時(shí)，其細(xì)胞和組織中炎癥標(biāo)志物的水平升高，這會導(dǎo)致慢性炎癥的發(fā)生。與急性炎癥相反 ，這是一種旨在保護(hù)宿主免受感染和傷害的進(jìn)化保守機(jī)制。免疫衰老與很多衰老相關(guān)疾病有關(guān)，包括癌癥、II型糖尿病、心血管疾病以及神經(jīng)退行性疾病。
蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)
蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)是主要是維持蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的重要過程，在衰老進(jìn)程中被打破。蛋白質(zhì)組的穩(wěn)定性與生物體的壽命存在很大的關(guān)系，例如在自然條件下，隨著衰老進(jìn)程的發(fā)生，大量的蛋白質(zhì)會在胞質(zhì)內(nèi)沉積，而裸鼴鼠體內(nèi)蛋白水解酶的活性升高，蛋白質(zhì)組的穩(wěn)定性升高，壽命延長。同樣的，在秀麗隱桿線蟲中，這些不溶性蛋白質(zhì)的高度富集影響壽命。影響壽命的主要途徑也參與調(diào)節(jié)保護(hù)性因子的表達(dá)水平。例如，胰島素信號通路控制分子伴侶的表達(dá)， TOR信號通路調(diào)節(jié)許多形式自噬的發(fā)生。
科學(xué)手段延緩衰老的轉(zhuǎn)折點(diǎn)
隨著對衰老分子機(jī)制的深入了解，運(yùn)用科學(xué)的手段延緩衰老可能不再是遙不可及的夢。根據(jù)早期的研究，參與壽命延長過程的基因有很多，這預(yù)示著衰老過程中的可塑性水平遠(yuǎn)高于預(yù)期。其次，參與調(diào)控衰老進(jìn)程的信號通路在酵母，線蟲，果蠅，小鼠及人類中具有高度保守性。這些發(fā)現(xiàn)預(yù)示著以模式生物為研究基礎(chǔ)探索衰老相關(guān)因子為延長人類壽命和提高生活質(zhì)量提供了可行性。
未來的挑戰(zhàn)
將模式生物中獲得的研究成果轉(zhuǎn)移到人類上仍面臨著巨大的挑戰(zhàn)，需要克服幾個關(guān)鍵的困難，如下所述。首先，在特定的遺傳環(huán)境中獲得的有效的干預(yù)措施可能在另一種遺傳環(huán)境中不起作用。例如，對多種重組近交系小鼠進(jìn)行飲食限制，分析發(fā)現(xiàn)壽命有長有短。另外，人口群體存在很大的遺傳異質(zhì)性，這與疾病易感性、壽命以及個體對藥物的反應(yīng)有很大的關(guān)系。這種異質(zhì)性是當(dāng)前精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)，其旨在識別疾病的關(guān)鍵遺傳決定因素并定制對獨(dú)特遺傳變異的干預(yù)和治療。此外，人類個體中存在自然遺傳變異，藥物干預(yù)可能在不同的人類中取得不同的結(jié)果。最后，在模式生物中的研究并不總能預(yù)測在人體中的現(xiàn)象。這可能是由于小鼠和人之間的內(nèi)在生物學(xué)差異。生物學(xué)的復(fù)雜性以及影響生物表型的已知和未知變量的多樣性導(dǎo)致研究相同生物的不同實(shí)驗(yàn)室之間的差異性，不僅在小鼠研究中，在其他模式生物中已然存在。
臨床試驗(yàn)的藥物
美國衰老研究所實(shí)施的ITP計(jì)劃（Intervention Testing Program）已經(jīng)確定了五種促進(jìn)小鼠壽命延長的藥物，包括雷帕霉素、阿卡波糖、去甲二氫愈創(chuàng)木酸、17-α-雌二醇和阿司匹林。這些藥物中的一些可以顯著地改善動物模型的健康狀況。在延長小鼠壽命的其他研究中發(fā)現(xiàn)metformin，靶向血管緊張素轉(zhuǎn)換酶和醛固酮受體的藥物，以及sirtuin活化劑具有顯著的作用。但是這些藥物需要進(jìn)一步的工作來驗(yàn)證其功效。目前，正在進(jìn)行測試的具有延緩衰老的另外五種藥物包括二甲雙胍、雷帕霉素類似物、Senolytics、Sirtuin激活劑、NAD 前體。但是需要注意的是藥物延緩衰老依舊是一條漫長的道路。
運(yùn)動改善生活質(zhì)量
雖然目前人們更多的注意力都集中在藥物開發(fā)上，但值得注意的是運(yùn)動是一種真正有效的延緩衰老以及提高生活質(zhì)量的方式。目前研究發(fā)現(xiàn)衰老引發(fā)的功能性障礙在沒有合適的治療方法時(shí)，運(yùn)動是唯一一種能夠顯著改善機(jī)體、提高生活質(zhì)量的方法。
飲食和衰老
飲食可能是影響健康和衰老最重要的因素之一。然而，這是一個非常復(fù)雜的領(lǐng)域。衰老領(lǐng)域幾乎專注于研究飲食限制對壽命和健康影響，暴飲暴食及肥胖會縮短壽命并降低健康狀況。不可否認(rèn)的是合理的飲食的習(xí)慣與壽命的延長和慢性疾病的發(fā)病率之間存在著密切的關(guān)系。令人興奮的近期的研究發(fā)現(xiàn)飲食限制（5天正常飲食 2天限制飲食）可以顯著改善人類的健康狀況。另外，生酮飲食被發(fā)現(xiàn)可以被用作兒童癲癇的治療方法。衰老研究依舊是一條任重而道遠(yuǎn)的路。
探索衰老的生物學(xué)標(biāo)志物
在過去的40年里，醫(yī)學(xué)的發(fā)展經(jīng)歷了一種漸進(jìn)式的轉(zhuǎn)變，從“sick care”（疾病發(fā)生后再進(jìn)行治療）轉(zhuǎn)變成“health care”（識別疾病發(fā)生前特有的表征，對疾病進(jìn)行預(yù)防）。例如，膽固醇含量升高及血壓升高都不是疾病，但是這兩者卻是心肌梗塞和中風(fēng)疾病發(fā)生的主要表征。同樣地，衰老嚴(yán)格意義上也不是一種疾病，但是多種慢性疾病都會伴隨著年齡的增長呈現(xiàn)很高的發(fā)病率。識別衰老的生物學(xué)標(biāo)志物可以幫助我們更好的尋找延緩衰老的方法，降低衰老相關(guān)疾病的發(fā)病率。衰老進(jìn)程是一個非常復(fù)雜的過程，多年來識別衰老的生物學(xué)標(biāo)志物仍舊是一個尚未攻克的難題。
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https://doi.org/10.1038/s41586-019-1365-2
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