衰老是隨著時(shí)間的推移，機(jī)體生物學(xué)功能衰退的過(guò)程，會(huì)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(gè)方面，延緩衰老是一件極具困難的挑戰(zhàn)。在過(guò)去的幾十年，生物學(xué)家以模式動(dòng)物為研究對(duì)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(duì)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(zhǎng)壽命。上世紀(jì)末，Tom Johnson和Cynthia Kenyon以秀麗隱桿線蟲(chóng) （Caenorhabditis elegans）為研究對(duì)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(zhǎng)。這些里程碑式的科學(xué)發(fā)現(xiàn)引領(lǐng)我們進(jìn)入人類(lèi)健康研究的新時(shí)代。

       7月10日，美國(guó)巴克衰老研究所所長(zhǎng)Eric Verdin 及多名衰老研究領(lǐng)域的專(zhuān)家在Nature上推出From discoveries in ageing research to therapeutics for healthy ageing的專(zhuān)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(guò)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(duì)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(cè)這兩類(lèi)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(wàn)個(gè)基因，研究人員認(rèn)為任何單基因的突變對(duì)生物體的影響應(yīng)該是微乎其微。但是，以秀麗隱桿線蟲(chóng)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(zhǎng)，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(gè)基因已經(jīng)被鑒定出來(lái)參與調(diào)節(jié)線蟲(chóng)的壽命進(jìn)程。

       參與壽命調(diào)節(jié)的信號(hào)通路和過(guò)程

       過(guò)去30年對(duì)于衰老研究已經(jīng)從簡(jiǎn)單地鑒定壽命長(zhǎng)短轉(zhuǎn)變?yōu)樘剿饔绊憠勖L(zhǎng)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(hào)傳導(dǎo)途徑和生物學(xué)過(guò)程。

       胰島素類(lèi)生長(zhǎng)因子信號(hào)通路

       20世紀(jì)90年代，美國(guó)加州大學(xué)舊金山分校的Keyon教授為了找到秀麗隱桿線蟲(chóng)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(huì)使得秀麗隱桿線蟲(chóng)在幼蟲(chóng)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(zhǎng)。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，daf-2和daf-16作用在同一條信號(hào)通路參與調(diào)控線蟲(chóng)dauer的形成以及壽命的調(diào)控。線蟲(chóng)中這些與壽命調(diào)控相關(guān)的基因與哺乳類(lèi)動(dòng)物中胰島素類(lèi)信號(hào)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(lèi)信號(hào)通路中的關(guān)鍵因子可以延長(zhǎng)了壽命。這表明胰島素樣信號(hào)通路對(duì)于壽命的調(diào)控在多個(gè)物種中是保守的。這說(shuō)明我們從模式生物中探索人類(lèi)衰老進(jìn)程是可行的。

       雷帕霉素受體信號(hào)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(lái)。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(zhǎng)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(yíng)養(yǎng)和生長(zhǎng)因子的激活，通過(guò)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(guò)程，促進(jìn)細(xì)胞的生長(zhǎng)與增殖。TOR與飲食限制之間存在一定的關(guān)系。飲食限制對(duì)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(huì)從生殖生長(zhǎng)傾向于維持體細(xì)胞運(yùn)行轉(zhuǎn)變，從而延長(zhǎng)壽命。TOR作為一個(gè)保守的營(yíng)養(yǎng)感應(yīng)因子，在多個(gè)物種中被發(fā)現(xiàn)參與調(diào)控生長(zhǎng)和維持能量轉(zhuǎn)換以及壽命等過(guò)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(zhǎng)。另外一個(gè)矚目的發(fā)現(xiàn)是：當(dāng)同時(shí)抑制TOR和胰島素類(lèi)信號(hào)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(zhǎng)。

       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(lài)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(zhǎng)的表型。其他物種中也將Sir2相關(guān)蛋白都統(tǒng)稱(chēng)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(lài)氨酸殘基上的酰基，包括乙?；?、琥珀?；捅；?。小鼠和人中共有七種sirtuins蛋白。SIRT1，SIRT2，SIRT3，SIRT6和SIRT7是真正的去乙?；福鳶IRT4和SIRT5不表現(xiàn)出去乙?；富钚裕菚?huì)去除蛋白質(zhì)賴(lài)氨酸殘基中的其他?；Ｖ档米⒁獾氖?，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(gè)反應(yīng)的電子傳遞到另一個(gè)反應(yīng)來(lái)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(lái)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(huì)降低，同時(shí)，高脂飲食飼喂的動(dòng)物也會(huì)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(dòng)都會(huì)使得NAD +水平升高，促進(jìn)壽命延長(zhǎng)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(huì)產(chǎn)生壽命延長(zhǎng)。

       Circadian clocks （生物鐘）

       對(duì)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(dòng)，通過(guò)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(lái)。在哺乳類(lèi)動(dòng)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(gè)常見(jiàn)標(biāo)志是晝夜節(jié)律行為（睡眠 - 覺(jué)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(duì)生物鐘有顯著的影響，以小鼠和果蠅為研究對(duì)象發(fā)現(xiàn)飲食限制通過(guò)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(zhǎng)的過(guò)程需要生物鐘過(guò)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(guò)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(lái)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(zhǎng)，氧化損傷會(huì)在物種的多個(gè)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(zhǎng)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(dòng)物中過(guò)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(gè)產(chǎn)生壽命延長(zhǎng)表型的模型，這些研究表明新陳代謝過(guò)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(guò)表達(dá)線粒體抗氧化過(guò)程中的關(guān)鍵因子超氧化物歧化酶2與野生型相比并沒(méi)有壽命延長(zhǎng)的表型。但是進(jìn)一步的發(fā)現(xiàn)特異性地將過(guò)氧化氫清除蛋白過(guò)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(zhǎng)。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(lèi)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(guò)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(chóng)、蒼蠅和小鼠中壽命延長(zhǎng)的原因。用線蟲(chóng)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(guò)程的幾個(gè)基因可以顯著的延長(zhǎng)壽命，這個(gè)過(guò)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(hào)因子。線粒體功能紊亂會(huì)在轉(zhuǎn)錄層面影響很多過(guò)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(gè)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(huì)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(chēng)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(huì)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(guò)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(huì)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(zhǎng)。同樣的，在秀麗隱桿線蟲(chóng)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(hào)通路控制分子伴侶的表達(dá)， TOR信號(hào)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(duì)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(mèng)。根據(jù)早期的研究，參與壽命延長(zhǎng)過(guò)程的基因有很多，這預(yù)示著衰老過(guò)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(hào)通路在酵母，線蟲(chóng)，果蠅，小鼠及人類(lèi)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(zhǎng)人類(lèi)壽命和提高生活質(zhì)量提供了可行性。

       未來(lái)的挑戰(zhàn)

       將模式生物中獲得的研究成果轉(zhuǎn)移到人類(lèi)上仍面臨著巨大的挑戰(zhàn)，需要克服幾個(gè)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(duì)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(zhǎng)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(gè)體對(duì)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(shí)別疾病的關(guān)鍵遺傳決定因素并定制對(duì)獨(dú)特遺傳變異的干預(yù)和治療。此外，人類(lèi)個(gè)體中存在自然遺傳變異，藥物干預(yù)可能在不同的人類(lèi)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(cè)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(guó)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(zhǎng)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(dòng)物模型的健康狀況。在延長(zhǎng)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(lái)驗(yàn)證其功效。目前，正在進(jìn)行測(cè)試的具有延緩衰老的另外五種藥物包括****、雷帕霉素類(lèi)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(zhǎng)的道路。

       運(yùn)動(dòng)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(kāi)發(fā)上，但值得注意的是運(yùn)動(dòng)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(méi)有合適的治療方法時(shí)，運(yùn)動(dòng)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(gè)非常復(fù)雜的領(lǐng)域。衰老領(lǐng)域幾乎專(zhuān)注于研究飲食限制對(duì)壽命和健康影響，暴飲暴食及肥胖會(huì)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(zhǎng)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(lèi)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(guò)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(shí)別疾病發(fā)生前特有的表征，對(duì)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(huì)伴隨著年齡的增長(zhǎng)呈現(xiàn)很高的發(fā)病率。識(shí)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(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，多年來(lái)識(shí)別衰老的生物學(xué)標(biāo)志物仍舊是一個(gè)尚未攻克的難題。