細胞自噬與衰老的相關性研究進展

史敏 陳雷 尚叢珊 杜劍青 封興華

[摘要]衰老是每個生命體從生到亡的必經階段，自噬是繼凋亡之后目前生命科學研究最熱的領域之一。本文從細胞自噬功能增強和減弱兩個角度，分析了其對衰老過程的影響，文中對關于衰老與自噬這兩者之間相關性的研究進行了回顧，從分子水平分析了mTOR和AMPK信號通路及p53蛋白在衰老–自噬這一細胞適應內外環境重要的調節機制中的作用，從而提示細胞自噬可以調節細胞衰老進程，因此，利用細胞自噬來治療某些衰老性疾?。ò┌Y、心腦血管病、神經退行性疾病等）必將成為未來醫學研究的重點。

[關鍵詞]衰老；細胞自噬；mTOR-AMPK信號通路；p53；研究進展

[中圖分類號]R339.3+8 [文獻標志碼]A [文章編號]1008-6455（2018）04-0136-05

Advances in the Correlation between Autophagy and Aging

SHI Min1， CHEN Lei1， SHANG Cong-shan1， DU Jian-qing2， FENG Xing-hua1

（1.Xi'an Peihua University，Xi'an 710125，Shaanxi，China；2.Xi'an Jiaotong University School of Medicine，Xi'an 710061，Shaanxi，China）

Abstract： Aging is one of the necessary stage for every organism from birth to death，and autophagy is one of the most popular fieldss of current life science research following apoptosis. We analyzed the effects of autophagy on the aging process from enhancement and attenuation of the cell autophagy function， reviewed related studies on the correlation between aging and autophagy， and analyzed the role of mTOR， AMPK signaling pathway and p53 protein at the molecular level on aging-autophagy， the important regulatory mechanism by which cells adapt to internal and external environment. Thus suggested that autophagy can regulate cell aging process. Therefore， the use of cell autophagy to treat some aging diseases （such as cancer， cardiovascular disease， neurodegenerative diseases， etc.） will surely be the focus of future medical research.

Key words： aging； autophagy； mTOR-AMPK signaling pathway； p53 protein； review

衰老（Senescence or Aging）是每個生命的必經之途，是生物體在伴隨年齡增長中所出現的各器官功能逐漸減退的表現形式。從分子水平來看，衰老的發生與受損細胞器和變性蛋白的累積有關，尤其是線粒體的受損和功能異常是衰老過程中最重要的一個病理特征。當線粒體受損后導致細胞內氧化–磷酸化障礙、活性氧（ROS）蓄積、錯誤折疊蛋白累積，以此形成惡性循環。因此，在衰老過程中細胞內損傷或有害物質的累積成為衰老細胞的普遍特征，然而良好的功能調節系統和受損細胞器的清除是細胞穩態維持的關鍵所在，這也是延長細胞生存能力和壽命的關鍵所在。

細胞自噬能夠消除受損細胞器，幫助細胞抵抗惡劣應激條件，使受損細胞器和有害成分經溶酶體酶降解，降解產物再用于合成細胞生存所需的蛋白質或損傷細胞的修復原料。簡而言之，自噬就是細胞自身降解并回收已受損或功能喪失的零部件過程，降解材料既可為細胞提供能量，也可作為應急所需。最新研究表明，細胞自噬與機體衰老密切相關，在衰老機制研究中，隨著年齡增長，自噬功能逐漸喪失，自噬效率也相應降低[1]，自噬水平因基因功能缺失使機體壽命縮短。相反，經各因素誘導增強自噬功能可延長生物體壽命。因此，細胞自噬能夠改善蛋白質內穩態和線粒體內穩態，從而延緩器官功能退化，實現壽命延長[2]。顯然，細胞自噬在衰老病因學研究及抗衰老機制研究中具有非常重要地位，本文就細胞自噬與衰老的相關性研究進展進行綜述。

1 細胞自噬的機制及功能

1.1 自噬的概念及由來：細胞自噬（Autophagy）是目前繼凋亡之后生命科學最熱的研究領域之一?！白允伞币辉~源于英文“self-eating”，意為“自食”，是Ashford和Porter于1962年在肝細胞內發現。1963年由比利時科學家Christian de Duve在溶酶體國際會議上首次提出并將其命名為“自噬”，1974年他因對該領域的卓越貢獻獲得當年諾貝爾生理學或醫學獎。

自噬，是細胞面臨短暫的生存壓力（如營養缺乏無法供給）時，通過細胞內溶酶體降解無用或有害成分以維持生命的過程。細胞自噬在衰老細胞器的更新和質量控制中起著關鍵作用，自噬可調節細胞生長、實現細胞內物質和能量的穩態維持[3]。自噬有三種[4]：巨自噬（macroautophagy，MA）、伴侶蛋白介導自噬（chaperone-mediated autophagy，CMA）和微自噬（microautophagy）。MA是將受損或衰老的細胞器、錯誤折疊或變性的蛋白質，或入侵的微生物吞噬后進入擁有雙層包膜的囊泡中，形成雙層膜結構的自噬體，并與溶酶體融合后消化降解，降解后的生物大分子再被釋放回細胞質內循環再利用，供細胞在應對惡劣環境時循環再利用，實現了機體組織細胞的新陳代謝。CMA是底物在細胞質和溶酶體中的伴侶蛋白或共伴侶蛋白的幫助下，選擇性作用于含有KFERQ（Lys-Phe-Glu-Arg-Gln）五肽片段蛋白，后直接進入溶酶體腔降解。除泛素–蛋白酶體系統降解蛋白外，胞內溶質中約有30%蛋白質經CMA代謝[5]。生物體在長時間饑餓或氧化應激下，CMA功能明顯增強。微自噬，即經溶酶體膜內陷包裹蛋白質或所吞噬的胞質形成囊泡，之后囊泡被夾斷進入溶酶體腔，在腔內經蛋白酶降解。通常在一般性饑餓刺激下可發生微自噬。三類自噬中，一般所說的自噬是指MA。MA是細胞自噬的主要形式，是目前被研究最多的一種，也是目前自噬范疇研究最深的一種。

1.2 自噬的功能：細胞自噬是機體內廣泛存在的一種正常生理過程，在生理情況下很多細胞都可發生自噬。細胞經自噬可清除老化或受損的細胞器，并確保長壽蛋白質的正常周轉。自噬也是機體在應對內環境的不良環境刺激下所表現出的一種防御機制，如：饑餓、缺氧或生長因子缺乏等應激狀態，自噬可通過再生新陳代謝前體細胞及清除亞細胞碎片來維持細胞的完整性，這一過程既可以維持機體內環境的穩態平衡，也具有調控高等生物發育和相關疾病發展的重要意義。

機體內一般水平的自噬可保護細胞免受內環境刺激的影響，但自噬過度或低下都會形成自噬應激，造成細胞器損傷（如線粒體損傷和功能障礙等）和疾病的發生。當細胞自噬不足時，可引起細胞內受損細胞器及變性蛋白不能及時清除，破壞內環境穩態；當自噬過度時，可誘導自噬性細胞死亡，因為過度的自噬活動會導致胞質溶解和細胞器破壞，最終導致細胞功能喪失。如在心肌肥厚中，細胞自噬功能降低可使心肌肥厚加??；在心力衰竭中，細胞自噬增強會導致心肌細胞自噬性死亡而致心功能持續降低。

近年研究發現，自噬參與許多生理病理發展進程。當機體發生感染時，細胞自噬能夠降解細菌、病毒等微生物而增強免疫反應。此外，自噬通過下調干擾素對病毒感染的反應和促炎因子對入侵病原體的反應而抑制炎癥[6]。再者，隨著對細胞自噬研究的深入，自噬還參與清除在應激、衰老、疾病發展中因錯誤折疊而引起的多聚泛素化蛋白質聚合物的降解。此外，自噬也被認為與癌癥、心腦血管疾病、帕金森病等神經系統疾病等密切相關。

2 衰老的機制及表現

細胞是構成生物體的基本結構和功能單位，機體老化常以細胞衰老為代表進行描述。細胞衰老，是正常細胞的必然歸宿，最早用于描述在人二倍體成纖維細胞（human diploid fibroblasts，HDF），是機體在多因素作用下使細胞脫離細胞周期呈現“不可逆”停滯狀態，最終表現為不可逆性喪失增殖能力。究其增殖能力喪失，是端?？s短至Hayflick界限而觸發DNA損傷?？傊?，衰老由多因素誘發，如自由基損傷、氧化應激、端?？s短、DNA損傷和一些應激狀態等。

細胞衰老有復制性衰老（replicative senescence，RS）和應激誘導的衰老（stress-induced senescence，SIS）兩種類型。RS因端粒DNA縮短所致，SIS為應激誘發所致，如氧自由基（ROS）激活、致癌基因活化等。研究表明，致瘤性應激可誘發細胞衰老，即癌基因誘導的衰老（oncogene-induced senescence，OIS）。但迄今為止，單一性的細胞衰老標志仍未被發現。然而，隨著衰老機制研究的深入，腫瘤抑制因子如p53、p16或Rb等，其調節途徑蘊育衰老進程，作為衰老的標志現已被廣泛認可，但對衰老進程的確切調節機制不明。為解釋衰老表型的多樣性，人們展開了深入研究，諸如線粒體DNA損傷反應、端?？s短、表觀遺傳學調節、生物膜損傷，以及最近發現的自噬調節均參與了細胞衰老的調控。

3 細胞自噬與衰老的關聯

經典的衰老觀點認為，衰老是細胞對多種應激做出的一種反應，主要表現為細胞周期停滯、增殖能力下降、衰老相關基因表達增加，以及衰老細胞退行性改變和功能衰退。自噬，是應激狀態下細胞呈現的一種防御保護生存機制，把自噬與應激反應緊密聯系在一起的，即為細胞衰老。越來越多的研究顯示，自噬現象廣泛存在于機體的各種病理生理狀態中，尤其與衰老關系密切。隨著年齡的增長，自噬功能會逐漸減弱，而且自噬基因的功能喪失會導致機體壽命縮短，更有甚者，通過激活自噬功能來延長壽命。因此，細胞自噬已成為當前衰老與抗衰老研究的熱點與潛在突破點。

3.1 衰老進程中可啟動細胞自噬：已有大量文獻顯示出細胞自噬與衰老的關系，Young等[7]報道抑制細胞自噬可減輕原癌基因激活引起的細胞衰老；雷岳山[8]利用Ras誘導HDF的模型研究中，重現了OIS的動態過程，并且在Ras誘導的衰老細胞中觀察到顯著的細胞自噬活動，從而證實自噬在癌基因誘導的衰老中啟動。再者，經自噬相關基因5（autophagy-related gene5， ATG5）、ATG8、ATG16研究得知，細胞自噬可直接引發細胞的OIS表型，并形成細胞衰老途徑。再比如：限制飲食能延長酵母菌的時序壽命且能誘導MA，雷帕霉素抑制TOR激酶可延長酵母菌時序壽命且誘導MA，而ATG16變異的酵母菌進行飲食限制和雷帕霉素處理后并不能延長壽命[9]。此外，運動能夠誘導骨骼肌細胞、心肌細胞等發生自噬[10]。郭獻靈等[11]研究發現，缺營養會成為化療不敏感肝癌細胞自噬的天然誘導劑。此外，細胞內、外環境改變所形成的刺激亦可啟動細胞自噬，如細胞外pH的改變會影響細胞自噬活性[12]；Suk等[13]研究發現堿性環境可上調CHO、293T等細胞的自噬活性；Decuypere等[14]發現細胞內游離Ca2+升高可激活Ca2+/Ca MKKβ通路誘導自噬發生。熱休克蛋白（heat shock protein，HSP）在內外應激源刺激下所產生高表達HSP27的轉基因小鼠心肌細胞自噬增強，可提高對心肌細胞老化的保護作用，改善老化心肌細胞收縮舒張功能障礙。細胞衰老的主要特征是因代謝產物的清除降低而引起受損蛋白過度累積，最終引起機體的生存能力降低[15]。啟動細胞自噬達到抗衰老機制即為清除受損物質，實現能量循環利用，以及預防神經退行性病變、腫瘤等疾病的發生發展[16]。這說明細胞自噬極有可能是細胞衰老過程中的重要環節。

3.2 衰老進程中細胞自噬功能衰退：最新衰老機制研究顯示，與年齡相關的細胞自噬功能衰減，從而導致衰老表現的觀點已逐漸被接受，而且細胞衰老中變性蛋白質和受損細胞器的累積在衰老中的促進作用也被認可。研究顯示，自噬功能的減退是造成衰老的首要原因，自噬機制受損與老年疾?。ㄈ缗两鹕〉龋┟芮邢嚓P。在研究哺乳動物ATG6（真核生物稱Beclin-1）、微管相關蛋白輕鏈3（LC3）及mRNA表達水平上調中發現，因衰老而減弱巨自噬及分子介導的CMA功能，可降低CMA效率，導致受損蛋白結合在溶酶體膜上及轉運進入溶酶體的活動顯著減弱。其CMA效率降低機制與衰老原因所造成溶酶體相關膜蛋白 2A（lysosomal-associated membrane protein 2A，LAMP-2A）的表達減少有關。細胞自噬功能降低會引起各器官功能衰退、機體老化及相關疾病發生。研究發現，衰老的人類大腦ATG5、Beclin1表達減少[17]；此外，在低等真核生物研究中發現，自噬已廣泛作為抗年齡相關性衰老的效應因子并作為遺傳學證據[18]。例如，在線蟲中的研究發現，生理水平下自噬功能激活在延長壽命中是必需的，在胰島素樣信號通路下，DAF2功能缺失突變體線蟲壽命縮短。另外，植物研究中也發現，剔除自噬基因ATG7、ATG4的擬南芥，可正常生長，但葉片衰老加快。此外，mTOR是自噬的負調控因子，雷帕霉素、白藜蘆醇作為mTOR激酶抑制劑可延長生命晚期的實驗小鼠平均壽命，且可觀察到顯著增強的自噬活動[19]。

3.3 增強細胞自噬功能可延緩衰老：最新研究表明，促進細胞自噬可延緩機體衰老，并非單是受損細胞器的降解和代謝廢物的清理。通過增強細胞自噬功能可延長壽命、發揮抗衰老作用已在許多動物模型中得到證明。例如：在營養限制造成饑餓條件下可促進細胞自噬，從而實現了不同物種平均壽命的延長。這種促進細胞自噬的實驗條件通常還有胰島素的負性調節和抑制mTOR信號通路，此延長壽命的實驗條件與自噬激活及功能增強是一致的。Pyo等[20]對小鼠進行轉基因處理使其過表達自噬小體ATG5，達到中期壽命延長17.2%，且改善了衰老特征（如：體型消瘦、胰島素敏感性提高、運動技能增強等）。自噬小體ATG5的增多使小鼠的抗衰老作用增強，其機制可能與變性蛋白或病原體清除增多、免疫應答增強、炎癥反應降低等有關，從而使機體抵抗惡劣環境的能力增強。李麗等[21]證實，通過有氧運動訓練上調老年小鼠心肌中Beclin-1和AGT7的表達，可顯著改善衰老小鼠心肌收縮舒張能力。此外，當前激活自噬最重要的兩種轉錄因子TFEB（transcriptionfactor EB）和FOXO（Forkhead boxclass O），通過直接激活自噬基因的表達而誘發自噬功能，實現延緩衰老和壽命延長。因此，通過誘導細胞自噬可延緩衰老并降低相關疾病已成為近年來關注的熱點。

4 mTOR和AMPK信號通路在細胞自噬和衰老中的作用

伴隨細胞水平上自噬對衰老調節認識的深入，科學家們進一步探討了分子水平上自噬功能的調節，因此對信號通路有了一定認識。營養感應信號通路被認為是誘導細胞自噬功能發揮的重要途徑之一。mTOR/TOR（target ofrepamycin）是自噬調節中非常關鍵的一個負調控因子，該因子由MTORC1和 MTORC2兩種復合體組成。TOR激酶在復合體MTORC1中的作用主要是調控細胞生長、分化及自噬水平，在復合體MTORC2中主要調節細胞形態結構及功能代謝，起到間接調節自噬功能，兩種復合體共同調控細胞衰老進程。復合體MTORC1經磷酸化使ULK/Atg1失活，達到抑制自噬。然而，腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase， AMPK）經激活ULK/Atg1復合體而激活自噬功能。通過基因操控使衰老小鼠肝細胞表達LAMP-2A，可改善小鼠的CMA功能并維持細胞內環境穩態，增強衰老小鼠器官功能和對不同應力的抵抗，從而有效延長衰老動物的壽命。這種延長壽命的方法是通過CMA功能實現的，因此，CMA也是抗衰老的一個重要機制。此外，AMPK也是一種能量感應因子，在感應細胞內能量水平下調節細胞自噬[22]。mTOR和AMPK經蛋白磷酸化可調節細胞代謝與自噬水平，研究表明，抑制mTOR激酶信號通路、激活AMPK信號通路都能誘導細胞自噬來延緩衰老，延長生物體壽命。Decuypere等[14]研究發現，細胞內游離的Ca2+升高可激活Ca2+/Ca MKK β通路，后激活AMPK通路，誘導細胞自噬發生。

通過藥物影響信號通路達到誘導細胞自噬、實現延緩衰老是當前的研究熱點。自噬誘導劑如雷帕霉素（mTOR抑制劑）、白藜蘆醇、組蛋白脫乙?；せ顒┑缺徽J為具有抗衰老作用[19]；還有最近發現的抗衰老的自噬誘導劑，如：肌酸類似物胍基丙酸[23]和生物膜組成部分的前體乙醇胺[24]等。自噬誘導劑不僅具有抗衰老作用，在治療癌癥和神經退行性疾病中也具有較好的應用前景，部分已用于臨床評估。然而，有些自噬誘導劑的作用機制尚不明確，如何更好、有針對性地調控細胞自噬以提高療效，還需深入研究。

5 p53在細胞自噬和衰老中的作用

衰老是細胞應對各種應激所表現的一種反應，以細胞周期停滯為主要表現。細胞自噬是機體在應激狀態下所表現的一種防御性生存機制。p53是細胞自噬與衰老共同調控的關鍵蛋白，該蛋白位于多種調控網絡關鍵節點。p53能夠控制細胞周期，其機制是通過控制細胞周期G1向S期移行的控制點來發揮細胞周期調控。此外，p53在細胞的多種應激反應中具有極其重要作用。研究表明，p53可抑制mTOR信號通路，對細胞自噬和衰老發揮重要作用。如果干擾p53的表達，可減少衰老陽性細胞所占比例而促使衰老延遲，且干擾p53后的衰老細胞中自噬基因的表達顯著降低。經轉基因技術使攜帶有p53片段的轉基因鼠因自噬抑制出現早老癥狀，對攜帶有完整p53基因和Arf的轉基因鼠，因p53的適度表達表現為衰老延遲。同時位于p53下游的p21細胞衰老調控蛋白表達水平也相應下調，表明衰老可能與p21激活后阻止細胞調控點進而抑制細胞分裂程序達到阻斷細胞增殖有關?？偠灾?，p53對細胞自噬的可能調節機制為：①p53可抑制mTOR信號通路激活自噬功能；②核內p53與自噬促進因子的基因啟動子相結合，翻譯表達AMPK、TSC2等誘發自體吞噬；③最近發現p53也能夠激活ATG10和ATG7等自噬相關蛋白的表達。

6 中醫中藥調控細胞自噬延緩衰老的相關研究

中醫多從“腎氣”“陰陽調和”“氣化”等方面來探討自噬。中醫認為，人體的衰老與“腎”密切相關，腎氣盛則天癸至，腎氣衰則天癸竭。所說之“腎”為廣義，其既為生殖器官，又涵蓋腎功能，“腎藏精，主生殖”即為此意。從功能看，腎為先天之本，元氣之根，腎陰腎陽為人體陰陽的本源。中醫認為自噬可“化精氣”，具有改善衰老機體的氣虛痰阻血瘀狀態及平和陰陽之功[25]。因此，補腎益精，養血活血可延緩衰老，是治療女性卵巢功能低下的根本大法。有學者發現在卵泡的整個發育過程中都有細胞自噬參與其中，因此自噬對女性的生殖功能具有重要作用[26]。

近年來，發現許多中藥可明顯促進自噬發生，尤其是補腎類中藥在延緩衰老方面備受重視。從藥理學看，補腎類中藥在激素水平上主要調節機體H-P-G（下丘腦-垂體-性腺軸），從而調節促卵泡刺激素（FSH）和黃體生成素（LH）的分泌及調節中樞神經系統的功能，補腎中藥可調節下丘腦-垂體-性腺功能，促使卵泡發育、排卵及改善黃體功能[27]。許多生物活性物質對自噬也有顯著作用，如：白藜蘆醇、南蛇藤素、姜黃素、芍藥苷、β欖香烯、漢黃芩苷等。研究發現，白藜蘆醇可保護心血管內皮細胞、心肌細胞，其機制可能與白藜蘆醇激活環磷酸腺苷（cAMP），增加自噬相關基因 AGT3、LC3B表達，且可誘導內皮型一氧化氮合酶（eNOS）生成，以誘導細胞自噬發生[28]。另外，南蛇藤素可促進血管平滑肌細胞自噬，而抑制血管緊張素Ⅱ誘導的血管平滑肌細胞中ROS 的產生和細胞衰老，其機制與南蛇藤素抑制PI3K/Akt/m TOR信號的蛋白表達及其磷酸化水平有關，從而保護心血管系統并延緩衰老[29]。經姜黃素處理后的血管內皮細胞LC3B蛋白上調、p62蛋白下調，且姜黃素處理后內皮細胞自噬體增加以降低氧化應激損傷所致的內皮損傷，通過自噬保護而延緩心臟衰老[30]。許志榮[31]在增生性瘢痕研究中發現，一定濃度的芍藥苷可誘導成纖維細胞發生自噬，且經Western Blot檢測成纖維細胞TIMP-2蛋白表達水平與芍藥苷增加呈依賴性，其自噬機制可能與TIMP-2高表達有關。然而，當前中醫藥有關細胞自噬對衰老調節作用的研究尚處于起步階段，其具體的作用機制尚不明確，如何將微觀機制研究與傳統的中醫理論有機結合需做深入研究。

7 總結與展望

生命科學研究的深入使人類預期壽命延長，但有關衰老研究的具體問題面臨諸多挑戰。伴隨生物分子、組織細胞及器官的慢性持續性損傷和功能減退，衰老機體易受疾病侵害而使死亡加速。細胞自噬能夠幫助細胞抵抗惡劣應激條件，使受損細胞器降解，降解產物再用于合成細胞生存所需的蛋白質或損傷細胞的修復原料。自噬是維持真核細胞內穩態、實現細胞更新的一種重要進化機制。最新研究表明，衰老細胞病理生理的多方面改變與自噬功能密切相關，自噬在衰老進程中發揮著重要作用，細胞自噬功能增強可清除體內累積的衰老蛋白，成為細胞維持年輕的重要機制。而且，細胞自噬與衰老是細胞適應內外環境重要的調節機制，當前的研究提示細胞自噬可以調節細胞衰老進程，因此，利用細胞自噬來治療某些衰老性疾?。ㄈ绨┌Y、心腦血管病、神經退行性疾病等）必將成為未來醫學研究的重點。但自噬影響衰老的確切機制及是否存在直接因果關系尚不清楚，有關自噬誘導劑的抗衰老效果需通過臨床運用后進行評估。因此，對細胞自噬與衰老的關系及自噬影響衰老的作用機制需深入研究，不斷發掘延緩衰老與衰老相關疾病治療的新方法，以期延長人類壽命。

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