细胞自噬与衰老的相关性研究进展

细胞自噬与衰老的相关性研究进展[摘要]衰老是每个生命体从生到亡的必经阶段，自噬是继凋亡之后目前生命科学研究最热的领域之一。本文从细胞自噬功能增强和减弱两个角度，分析了其对衰老过程的影响，文中对关于衰老与自噬这两者之间相关性的研究进行了回顾，从分子水平分析了mTOR和AMPK信号通路及p53蛋白在衰老?C自噬这一细胞适应内外环境重要的调节机制中的作用，从而提示细胞自噬可以调节细胞衰老进程，因此，利用细胞自噬来治疗某些衰老性疾病（癌症、心脑血管病、神经退行性疾病等）必将成为未来医学研究的重点。[关键词]衰老；细胞自噬；mTOR-AMPK信号通路；p53；研究进展[中图分类号]R339.3+8[文献标志码]A[文章编号]1008-6455（2018）04-0136-05AdvancesintheCorrelationbetweenAutophagyandAgingSHIMin1，CHENLei1，SHANGCong-shan1，DUJian-qing2，FENGXing-hua1（1.Xi'anPeihuaUniversity，Xi'an710125，Shaanxi，China；2.Xi'anJiaotongUniversitySchoolofMedicine，Xi'an710061，Shaanxi，China）Abstract：Agingisoneofthenecessarystageforeveryorganismfrombirthtodeath，andautophagyisoneofthemostpopularfieldssofcurrentlifescienceresearchfollowingapoptosis.Weanalyzedtheeffectsofautophagyontheagingprocessfromenhancementandattenuationofthecellautophagyfunction，reviewedrelatedstudiesonthecorrelationbetweenagingandautophagy，andanalyzedtheroleofmTOR，AMPKsignalingpathwayandp53proteinatthemolecularlevelonaging-autophagy，theimportantregulatorymechanismbywhichcellsadapttointernalandexternalenvironment.Thussuggestedthatautophagycanregulatecellagingprocess.Therefore，theuseofcellautophagytotreatsomeagingdiseases（suchascancer，cardiovasculardisease，neurodegenerativediseases，etc.）willsurelybethefocusoffuturemedicalresearch.Keywords：aging；autophagy；mTOR-AMPKsignalingpathway；p53protein；review衰老（SenescenceorAging）是每生命的必经之途，是生物体在伴随年龄增长中所出现的各器官功能逐渐减退的表现形式。从分子水平来看，衰老的发生与受损细胞器和变性蛋白的累积有关，尤其是线粒体的受损和功能异常是衰老过程中最重要的一个病理特征。当线粒体受损后导致细胞内氧化?C磷酸化障碍、活性氧（ROS）蓄积、错误折叠蛋白累积，以此形成恶性循环。因此，在衰老过程中细胞内损伤或有害物质的累积成为衰老细胞的普遍特征，然而良好的功能调节系统和受损细胞器的清除是细胞稳态维持的关键所在，这也是延长细胞生存能力和寿命的关键所在。细胞自噬能够消除受损细胞器，帮助细胞抵抗恶劣应激条件，使受损细胞器和有害成分经溶酶体酶降解，降解产物再用于合成细胞生存所需的蛋白质或损伤细胞的修复原料。简而言之，自噬就是细胞自身降解并回收已受损或功能丧失的零部件过程，降解材料既可为细胞提供能量，也可作为应急所需。最新研究表明，细胞自噬与机体衰老密切相关，在衰老机制研究中，随着年龄增长，自噬功能逐渐丧失，自噬效率也相应降低[1]，自噬水平因基因功能缺失使机体寿命缩短。相反，经各因素诱导增强自噬功能可延长生物体寿命。因此，细胞自噬能够改善蛋白质内稳态和线粒体内稳态，从而延缓器官功能退化，实现寿命延长[2]。显然，细胞自噬在衰老病因学研究及抗衰老机制研究中具有非常重要地位，本文就细胞自噬与衰老的相关性研究进展进行综述。1细胞自噬的机制及功能1.1自噬的概念及由来：细胞自噬（Autophagy）是目前继凋亡之后生命科学最热的研究领域之一。“自噬”一词源于英文“self-eating”，意为“自食”，是Ashford和Porter于1962年在肝细胞内发现。1963年由比利时科学家ChristiandeDuve在溶酶体国际会议上首次提出并将其命名为“自噬”，1974年他因对该领域的卓越贡献获得当年诺贝尔生理学或医学奖。自噬，是细胞面临短暂的生存压力（如营养缺乏无法供给）时，通过细胞内溶酶体降解无用或有害成分以维持生命的过程。细胞自噬在衰老细胞器的更新和质量控制中起着关键作用，自噬可调节细胞生长、实现细胞内物质和能量的稳态维持[3]。自噬有三种[4]：巨自噬（macroautophagy，MA）、伴侣蛋白介导自噬（chaperone-mediatedautophagy，CMA）和微自噬（microautophagy）。MA是将受损或衰老的细胞器、错误折叠或变性的蛋白质，或入侵的微生物吞噬后进入拥有双层包膜的囊泡中，形成双层膜结构的自噬体，并与溶酶体融合后消化降解，降解后的生物大分子再被释放回细胞质内循环再利用，供细胞在应对恶劣环境时循环再利用，实现了机体组织细胞的新陈代谢。CMA是底物在细胞质和溶酶体中的伴侣蛋白或共伴侣蛋白的帮助下，选择性作用于含有KFERQ（Lys-Phe-Glu-Arg-Gln）五肽片段蛋白，后直接进入溶酶体腔降解。除泛素?C蛋白酶体系统降解蛋白外，胞内溶质中约有30%蛋白质经CMA代谢[5]。生物体在长时间饥饿或氧化应激下，CMA功能明显增强。微自噬，即经溶酶体膜内陷包裹蛋白质或所吞噬的胞质形成囊泡，之后囊泡被夹断进入溶酶体腔，在腔内经蛋白酶降解。通常在一般性饥饿刺激下可发生微自噬。三类自噬中，一般所说的自噬是指MA。MA是细胞自噬的主要形式，是目前被研究最多的一种，也是目前自噬范畴研究最深的一种。1.2自噬的功能：细胞自噬是机体内广泛存在的一种正常生理过程，在生理情况下很多细胞都可发生自噬。细胞经自噬可清除老化或受损的细胞器，并确保长寿蛋白质的正常周转。自噬也是机体在应对内环境的不良环境刺激下所表现出的一种防御机制，如：饥饿、缺氧或生长因子缺乏等应激状态，自噬可通过再生新陈代谢前体细胞及清除亚细胞碎片来维持细胞的完整性，这一过程既可以维持机体内环境的稳态平衡，也具有调控高等生物发育和相关疾病发展的重要意义。机体内一般水平的自噬可保护细胞免受内环境刺激的影响，但自噬过度或低下都会形成自噬应激，造成细胞器损伤（如线粒体损伤和功能障碍等）和疾病的发生。当细胞自噬不足时，可引起细胞内受损细胞器及变性蛋白不能及时清除，破坏内环境稳态；当自噬过度时，可诱导自噬性细胞死亡，因为过度的自噬活动会导致胞质溶解和细胞器破坏，最终导致细胞功能丧失。如在心肌肥厚中，细胞自噬功能降低可使心肌肥厚加剧；在心力衰竭中，细胞自噬增强会导致心肌细胞自噬性死亡而致心功能持续降低。近年研究发现，自噬参与许多生理病理发展进程。当机体发生感染时，细胞自噬能够降解细菌、病毒等微生物而增强免疫反应。此外，自噬通过下调干扰素对病毒感染的反应和促炎因子对入侵病原体的反应而抑制炎症[6]。再者，随着对细胞自噬研究的深入，自噬还参与清除在应激、衰老、疾病发展中因错误折叠而引起的多聚泛素化蛋白质聚合物的降解。此外，自噬也被认为与癌症、心脑血管疾病、帕金森病等神经系统疾病等密切相关。2衰老的机制及表现细胞是构成生物体的基本结构和功能单位，机体老化常以细胞衰老为代表进行描述。细胞衰老，是正常细胞的必然归宿，最早用于描述在人二倍体成纤维细胞（humandiploidfibroblasts，HDF），是机体在多因素作用下使细胞脱离细胞周期呈现“不可逆”停滞状态，最终表现为不可逆性丧失增殖能力。究其增殖能力丧失，是端粒缩短至Hayflick界限而触发DNA损伤。总之，衰老由多因素诱发，如自由基损伤、氧化应激、端粒缩短、DNA损伤和一些应激状态等。细胞衰老有复制性衰老（replicativesenescence，RS）和应激诱导的衰老（stress-inducedsenescence，SIS）两种类型。RS因端粒DNA缩短所致，SIS为应激诱发所致，如氧自由基（ROS）激活、致癌基因活化等。研究表明，致瘤性应激可诱发细胞衰老，即癌基因诱导的衰老（oncogene-inducedsenescence，OIS）。但迄今为止，单一性的细胞衰老标志仍未被发现。然而，随着衰老机制研究的深入，肿瘤抑制因子如p53、p16或Rb等，其调节途径蕴育衰老进程，作为衰老的标志现已被广泛认可，但对衰老进程的确切调节机制不明。为解释衰老表型的多样性，人们展开了深入研究，诸如线粒体DNA损伤反应、端粒缩短、表观遗传学调节、生物膜损伤，以及最近发现的自噬调节均参与了细胞衰老的调控。3细胞自噬与衰老的关联经典的衰老观点认为，衰老是细胞对多种应激做出的一种反应，主要表现为细胞周期停滞、增殖能力下降、衰老相关基因表达增加，以及衰老细胞退行性改变和功能衰退。自噬，是应激状态下细胞呈现的一种防御保护生存机制，把自噬与应激反应紧密联系在一起的，即为细胞衰老。越来越多的研究显示，自噬现象广泛存在于机体的各种病理生理状态中，尤其与衰老关系密切。随着年龄的增长，自噬功能会逐渐减弱，而且自噬基因的功能丧失会导致机体寿命缩短，更有甚者，通过激活自噬功能来延长寿命。因此，细胞自噬已成为当前衰老与抗衰老研究的热点与潜在突破点。3.1衰老进程中可启动细胞自噬：已有大量文献显示出细胞自噬与衰老的关系，Young等[7]报道抑制细胞自噬可减轻原癌基因激活引起的细胞衰老；雷岳山[8]利用Ras诱导HDF的模型研究中，重现了OIS的动态过程，并且在Ras诱导的衰老细胞中观察到显著的细胞自噬活动，从而证实自噬在癌基因诱导的衰老中启动。再者，经自噬相关基因5（autophagy-relatedgene5，ATG5）、ATG8、ATG16研究得知，细胞自噬可直接引发细胞的OIS表型，并形成细胞衰老途径。再比如：限制饮食能延长酵母菌的时序寿命且能诱导MA，雷帕霉素抑制TOR激酶可延长酵母菌时序寿命且诱导MA，而ATG16变异的酵母菌进行饮食限制和雷帕霉素处理后并不能延长寿命[9]。此外，运动能够诱导骨骼肌细胞、心肌细胞等发生自噬[10]。郭献灵等[11]研究发现，缺营养会成为化疗不敏感肝癌?胞自噬的天然诱导剂。此外，细胞内、外环境改变所形成的刺激亦可启动细胞自噬，如细胞外pH的改变会影响细胞自噬活性[12]；Suk等[13]研究发现碱性环境可上调CHO、293T等细胞的自噬活性；Decuypere等[14]发现细胞内游离Ca2+升高可激活Ca2+/CaMKKβ通路诱导自噬发生。热休克蛋白（heatshockprotein，HSP）在内外应激源刺激下所产生高表达HSP27的转基因小鼠心肌细胞自噬增强，可提高对心肌细胞老化的保护作用，改善老化心肌细胞收缩舒张功能障碍。细胞衰老的主要特征是因代谢产物的清除降低而引起受损蛋白过度累积，最终引起机体的生存能力降低[15]。启动细胞自噬达到抗衰老机制即为清除受损物质，实现能量循环利用，以及预防神经退行性病变、肿瘤等疾病的发生发展[16]。这说明细胞自噬极有可能是细胞衰老过程中的重要环