08 / 02 / 2021

导致个体衰老死亡的原因是什么?已有超过300种衰老假说(Medvedev,1990)。本文系统地回答这个千古难题,让众说纷纭的征服衰老方案变的明确,少走弯路,以便集中财力物力去攻克难题,并最终实现人类返老还童的梦想。

组成个体的体细胞可分为:

1、成体干细胞:可自我复制和分化成组织器官中的各种功能细胞。

2、功能细胞:功能细胞分3种,(1)容易磨损脱落的皮肤的表层细胞和肠道粘膜的表层细胞,血液中的各种短命的血液细胞,大脑中的长寿命的神经元,等等等等;(2)肝细,肝细胞比较特殊,需要更新时能靠自我复制来完成,因此,肝细胞的身份即是干细胞也是功能细胞;(3)心肌细胞,心肌细胞属于长寿命几乎很少或不会更新的功能细胞。

导致个体衰老的原因包括:

1、成体干细胞本身会衰老,由衰老的成干细胞分化补充的功能细胞也是衰老的,从而导致整个组织器官的功能衰退和紊乱。

2、心肌细胞这种不会更新的终末分化细胞本身会逐渐衰老,因此,即使个体中的其它组织器官好好的,个体照样会在预定时间内死亡。

3、肝脏中的肝细胞虽然会自我更新,但肝细胞本身会逐渐衰老掉,因此,即使个体中的其它组织器官好好的,个体照样会在预定时间内死亡。

问:如何定义细胞衰老?

答:细胞衰老过程就是细胞的生命活力的退化和功能改变过程,而生命活力退化与总基因转录活性逐渐下降有关,功能改变与少数基因转录活性上升有关。更详细的说,管家基因(house-keeping genes)的启动子DNA甲基化水平上升和少数基因甲基化水平下降是细胞生命活力退化与改变的原因。管家基因是指所有细胞中均要表达的一类基因,其产物是对维持细胞基本生命活动所必需的,例如线粒体呼吸链相关的各种基因,因此,管家基因表达水平的不断下降就会导致细胞无法维持生命活动直到死亡。而少数基因如淀粉样蛋白基因表达上升并在细胞中沉积淀粉样蛋白也会导致细胞死亡。

问:细胞衰老为什么会导致个体衰老?

答:根本原因是衰老的细胞基因表达效率下降和表达谱发生了改变,例如,年轻人的肝细胞会合成白蛋白,而老年人的肝细胞白蛋白基因逐渐关闭了,转而高表达衰老标志蛋白2(senescence marker protein 2),由于白蛋白是血浆中重要蛋白质,参与维持许多重要的正常的生化生理过程,因此,白蛋白的减少到一定程度,就会结束个体的生命,根据血浆中白蛋白水平可以预测个体的寿命。

目前较好的理论认为,细胞基因表达谱增的龄性或复制性的改变的驱动力是由端粒缩短等介导的,或者说,不同长度的端粒就有不同的基因表达谱,因此,随着端粒不断缩短,就会发生基因的程序化表达,才能发生个体的发育、成熟和衰老生。

问:细胞衰老是因为细胞自噬功能下降造成的吗?

答:不是,因为增强细胞自噬水平并不能使细胞停止衰老。因此,自噬水平的高低只是众多影响细胞衰老速度的因素之一,自噬只是通过清除细胞中代谢残渣和突变的线粒体而让细胞保持更健康的完成由端粒缩短主导的细胞衰老。

问:个体衰老是因为组织器官中的细胞更新变慢造成的吗?

答:不是,因为心肌很少更新,反而心脏老的非常慢,雷帕霉素会抑制皮肤和粘膜细胞更新,反而会延长个体寿命。

问:成体干细胞数量减少会导致组织器官衰老吗?

答:如果某组织器官中的成体干细胞完全消失的话,这个组织器官不是衰老了,而是直接萎缩消失。如人体中的松果体腺在青春期就发生了钙化,究其的原因可能就是松果体组织中的干细胞因衰老导致凋亡或过度分化而消失殆尽导致的。衰老导致白发也是毛囊中黑色素干细胞的消失造成的。当然,如果是少白头,毛囊中的黑色素干细胞并不是因为衰老而消失的,而是因为压力大或营养不良导致黑色素干细胞过度分化所致。2020年1月22日,哈佛大学的许雅捷实验室在Nature杂志上报道,压力会使连接到皮肤每个毛囊中的交感神经释放出大量神经递质“去甲肾上腺素”直接作用于毛囊附近的黑色素干细胞,驱使黑色素干细胞过度分化,使这些干细胞的2个子细胞都分化为黑色素细胞,实验发现,在短短几天内,小鼠所有的黑色素干细胞都消失了。一旦解除压力或补充营养,年轻人残余的年轻的黑色素干细胞还是会通过自我复制恢复数量的,使白发转黑。

问:1962年,Krohn把年龄为680天的小鼠和74天小鼠皮肤移植到74天的小鼠身上,研究了供体年龄对移植组织的影响,发现老年小鼠皮肤在年轻鼠身上经200天后开始坏死,年轻小鼠皮肤移植组织可维持300天。1967年,Horton把32月龄的老龄小鼠的皮肤移植到3月龄宿主中,移植皮肤组织又恢复了生机,在宿主的移植中,存活时间超过了4年,这远远超过了小鼠的最高寿命。为什么衰老的小鼠皮肤连续移植到年轻的小鼠身上,所移植的皮肤寿命会超过小鼠个体寿命的一倍以上?

答:衰老的皮肤端粒还剩很长,还能再分裂N次,只因它的宿主因为心脏等关键器官寿终正寝,只能同归于尽。例如,造血干细胞第二次移植的效率出现了实质性的降低(Spangrude等人,1995);90岁人皮肤的成纤维细胞还可倍增20~40PD(Martin等人,1970)。因此换个宿主就能继续完成剩余分裂。还有一个原因是年轻的小鼠血液循环中的年轻的间充质干细胞也会归巢于衰老的移植物中并分化为皮肤细胞,从而延长了连续移植的来自衰老小鼠的衰老皮肤的寿命,因为2002年,北大医学部免疫系邓为民等将白毛的BALB/C小鼠骨髓多能间充质干细胞注入致死量照射的黑毛小鼠,背部长出一片白毛。但生理状态下血液中的骨髓间充质干细胞数量非常少,因此对移植物的皮肤延寿贡献较小。

问:个体或细胞的衰老是不是各种代谢残渣如脂褐素、突变的线粒体DNA、突变的细胞核DNA、淀粉样蛋白、糖化交联化的蛋白质等废物积累造成的?

答:不是,因为Tappel(1973)发现,用含有维生素E的饲料喂养成年老鼠1年,脂褐素少见了,但死亡率未见减少。在亿万年进化过程,个体和细胞都有能力通过降解、更新和排泄等手段清除掉各种代谢残渣。如突变的线粒体DNA会被通过线粒体自噬的方式而清除掉。也就是说,线粒体突变不是造成细胞衰老的原因之一,很多关于线粒体与细胞衰老的研究都是徒劳的。细胞核DNA突变会通过DNA修复系统修理好,修不好会启动自杀程序自杀掉,修不好又不会自杀的少量细胞,最终会被免疫系统清除掉。各种代谢残渣之所以会随增龄而积累,是因为体细胞通过有意的预先设定的基因程序,逐渐关闭掉处理各种代谢残渣的酶的基因转录,这是生物进化选择的结果,因为进化选择了有限寿命而非永生。

问:老年人细胞端粒还有一段,还能再分裂几次,为什么老年人寿命无法再延长?

答:上面已经说过的基因表达谱已经发生了改变,不能再为了维持个体正常运转服务了。

问:增殖细胞的早熟性衰老和复制性衰老的衰老机制有区别吗?

答:没有。所谓的早熟性衰老,是指增殖细胞在活性氧、DNA损伤剂、不良的培养条件等协迫下会出现早衰现象。有证据表明,很多因素都会加速端粒缩短,例如,细胞在40%的高压氧下培养时却只能传几代,每次分裂使端粒缩短的速率由原来的90bp增大到500bp。也有发现,细胞培养在浓度为40%氧气中很快停止生长,同时端粒缩短了,显示不经细胞分裂端粒也会缩短(Von Zglinicki等人,1995;Von Zglinicki,1998)。当然,受到不良培养条件抑制所表现的早熟性衰老,并非真正的衰老,而是受到不良条件暂时性的抑制,一旦换上好的培养条件,细胞再次显得年轻和恢复分裂能力,例如有人将老年的小鼠骨髓干细胞移植到年轻小鼠会恢复增殖力,原因是老年小鼠的体液血液含有很多种有害的抑制因子,炎性因子等,缺乏有利细胞增殖的生长因子,生长激素等。但老年小鼠的干细胞终究会衰老,因此只能连续移植1-2次数。

问:清除衰老细胞能大幅度延长寿命吗?

答:不能,因为清除衰老细胞并不能让野生型小鼠停止衰老,而实验用的是早衰小鼠,更不能证明清除衰老细胞能大幅度延长寿命。还有清除衰老细胞也没能延长最高寿命。存在即合理,由于细胞分裂会导致端粒缩短,而衰老细胞会抑制年轻细胞分裂,因此,组织中一定比例的衰老细胞有延缓干细胞的“复制型衰老”和抑制干细胞耗竭的作用。最近研究也证明,清除衰老细胞会导致干细胞耗竭[https://www.nature.com/articles/s41573-020-0067-7]。组织纤维化是衰老的表型,发表在《细胞代谢》杂志上的研究也证明,清除掉的衰老细胞会诱发组织纤维化,导致健康恶化[https://www.cell.com/cell-metabolism/fulltext/S1550-4131(20)30241-2]。其实衰老细胞数量并不多,即使在老年组织中,其最大占比仅为15%,衰老细胞会被巨噬细胞清除掉,人为清除是不是有点吃力不讨好?

问:靠药物在代谢层面上的干预能否大幅度延长寿命?

答:不能,因为导致细胞衰老的底层机制是DNA,而非代谢层面,这也是至今没有找到有效的抗衰老药的原因。

问:DNA甲基化修饰主要是是5mC(5-甲基胞嘧啶)修饰和少量6mA修饰,DNA甲基化水平会随细胞的连续传代不断下降(Wilson和Jones,1983;Fairweather等人,1987;Matsumura等人,1989)。用能抑制DNA甲基转移酶的5-杂氮-胞嘧啶(5-aza-C)单次处理年轻细胞,可降低DNA甲基化水平,细胞寿命也会显著缩短(Holliday,1986;Fairweather等人,1987)。据此,主流理论认为,DNA甲基化水平下降是导致细胞衰老的主要原因,是决定细胞衰老的表观遗传分子钟,对吗?

答:不对,因为秀丽隐杆线虫等少数动物中并不存在DNA胞嘧啶甲基化现象,因此无法用表观遗传分子钟来解释线虫细胞的衰老机制。而且上面说过了导致细胞衰老的底层机制是DNA,是个硬件调控,很稳定,表观遗传修饰只是个软件调控,是不稳定的,每时每刻都处于去甲基化和再次甲基化的动态变化中,无法成为稳定计时的分子钟,因此,甲基化水平增龄性的下降必定是由DNA水平的分子钟调控的。

问:细胞衰老的自由基学说对吗?

答:不对,因为考虑到被自由基破坏掉的大分子会很快被更新掉,因此,一定水平的自由基不一定会导致衰老,甚至有意想不到的好处。例如,有人发现百草枯会产生超氧化物和过氧化氢,但浓度为0.01-0.1mM的百草枯处理线虫不但不会缩短寿命,而且还使寿命最高延长了58%。

问:细胞衰老的线粒体DNA突变积累学说对吗?

答:不对,如果细胞衰老是细胞质中积累了突变的线粒体DNA,那么,换上年轻的细胞核也会无济于事,然而,1965年,Haiflick把年轻的细胞核植入去核的衰老的细胞质中,结果细胞恢复了分裂,这不但说明细胞核是决定细胞衰老的部位,而且还说明了突变的线粒体、交联的大分子等等的代谢残渣都会被年轻的细胞核选择性地清除掉。因此,在导致细胞衰老的因果关系中,突变的线粒体在细胞质中积累不是导致细胞衰老的原因,而是细胞衰老产生的结果。

问:已经发现过表达某个基因,会显著延长或缩短线虫等动物寿命,据此科学家提出了细胞衰老的基因学说对吗?

答:不对,因为人体和细胞的衰老过程,基因的表达谱是在不断变化的过程,而衰老过程一些所谓的与衰老有关的衰老基因或长寿基因的排列、拷贝数都没有发生任何变化,因此,衰老的原根本原因不是基因出问题,基因仅仅是影响衰老快慢的众多因素之一。

问:2007年,英国科学家Anastasia在顶级杂志Nature上指出,导致个体衰老的原因是成体干细胞数量的减少,而DNA突变是导致成体干细胞数量减少的原因对吗?

答:不对,因为老年个体中的毛囊干细胞数量不变,造血干细胞数量反而是年轻个体5-20倍。生长激素能提高小鼠造血干细胞和间充质干细胞数量,不但不能延长寿命,反而会缩短寿命。还有,射线能损伤DNA和杀死成体干细胞,然而,有人发现,经45Gy照射的果蝇反而比对照长。如果不引起癌症的话,照射小鼠也能延长寿命。

问:年轻血液抗衰老法行得通吗?

答:行不通,因为用小牛血清或鸡胚汁培养细胞,最终细胞照样衰老和停止分裂,提示,年轻的血清或鸡胚汁还是无法挽救细胞走向衰老的命运。还有,几十年前就有人实验发现,老麻雀与小麻雀血液循环共生一段时间,小麻雀迅速衰老。2016年7月份,来自加州伯克利大学的副教授Irina Conboy也发现,血液循环共生的年轻小鼠衰老了,老年小鼠却没有变年轻。

当然,年轻血液会使衰老个体的一些衰老指标逆转,但不要认为这是真正的回春,而是暂时性的。因为衰老个体中的细胞还有剩余增殖潜能,只是受到衰老的体液血浆的不良培养条件的抑制,因为老年小鼠的体液血浆中含有很多种有害的抑制因子,炎性因子等,同时也缺乏有利细胞增殖的生长因子,生长激素等,因此,一旦换上好的培养条件,细胞就会再次显得年轻和恢复分裂能力,例如老年小鼠的皮肤或造血干细胞移植到年轻小鼠就会恢复青春。

总结:导致个体衰老的根本原因是由成体干细胞、肝细胞和心肌细胞的端粒缩短造成的。而由端粒缩短等驱动各种功能细胞的基因表达谱的改变是导致组织、器官和个体衰老的直接原因。因此,只有同时延长个体中的各种成体干细胞、肝细胞和心肌细胞的端粒长度,个体才会发生返老还童。-黄必录,原创。

08 / 02 / 2021

关于生物的衰老原因,很多学者都从不同角度去独立阐释,各持己见,分歧严重,把结果当成原因,因果颠倒,最后达成了共识,认为导致个体衰老的原因是多因素的共同结果,从而分散了对征服衰老的主力,造成了不必要的时间与资金的浪费。

比如说,有的学者认为,造成个体衰老的原因,并非单单是由组织中的细胞衰老造成的,还有细胞间质成分的老化也是造成个体衰老的原因之一。这样,导致个体衰老的原因就变成了两个,那就是个体衰老是由细胞衰老和细胞间质老化这两个问题的共同结果。

大家都懂得,导致个体衰老的原因越多,衰老就越难征服,希望就越渺茫。剑桥大学生物学博士,奥布里·德格雷(Aubrey De Gery)认为造成个体衰老有“七宗罪” :包括线粒体突变、细胞减少等。 而根据2013年发表在顶级杂志Cell上的一篇论文,科学家归纳和共识了导致机体衰老的原因多达9个[1]:包括基因的不稳定性、端粒减少等。

那么,导致个体衰老的原因,真的有那么多吗? 笔者不以为然!下面笔者将对各种衰老理论进行辩证并统一。

首先,笔者根据生物在亿万年的演化过程中,已经构建好了冗余的完善的修复、降解和更新的防御系统作为准则,认为象衰老细胞所表现的积累突变的线粒体、脂褐素等等的垃圾,只是生命主动设计的衰老程序而已。在因果关系中,突变的线粒体、脂褐素等等的垃圾在细胞中的增龄性积累,只是细胞衰老的结果而非原因。

事实也证明笔者的辩证统一思路是完全正确的,例如,在上个世纪60年代,Hayflick等把年轻的女性细胞核植入去核的老年男性细胞质中,结果细胞恢复了分裂,说明决定细胞衰老的部位是细胞核,而非细胞质中的线粒体或细胞质中的其它组份。还有,敲出了细胞里的线粒体,细胞反而停止了衰老[2]。这些例子都说明了导致细胞衰老的原因并非细胞质中的线粒体、脂褐素等等的垃圾的积累。

再说一下细胞间质。有人认为,组成细胞间质成分的大分子物质发生了交联和变性是不可修复或更新的,因此,由于受到间质组份的机械束缚,即使间质中的细胞是年轻的,整个组织或器官也不会因此而变得年轻。

然而,肝硬化经过治疗也能好转,而肝硬化就是细胞外间质的胶原蛋白硬化纤维化造成的。癌细胞、免疫细胞和其它正常细胞的转移也是靠一路降解细胞间质成份开路的[3],说明变性硬化的细胞外蛋白也是能够降解的,间质组份的机械束缚并非坚不可摧。

还有,哈佛大学医学院David Sinclair团队的吕垣澄博士(一作)与何志刚及Bruce Ksander等团队合作在顶级杂志Nature上发表了题为Reprogramming to recover youthful epigenetic information and restore vision的封面文章,用3个山中因子靶向衰老的个体组织中让细胞重编程,返老还童后的细胞能在衰老的间质中使得视神经能在损伤后再生,并逆转青光眼和衰老造成的视力下降[4],说明衰老的间质、体液和微环境都不是导致组织和个体的衰老原因。

脂褐素是由溶酶体中不能被消化的剩下的残渣物质,细胞中的脂褐素会随着年龄的增长而增多,是衰老的重要指征之一,老年神经细胞中的脂褐素能占细胞的一半空间,老年斑的主要成分包括脂褐素和β-淀粉样蛋白。1973年,Tappel发现,用含有维生素E的饲料喂养成年老鼠1年,发现神经元脂褐素确定少见了,但死亡率未见减少,说明脂褐素这种曾被认为非常顽固的垃圾也是可以清除的,但是,清除掉脂褐素也不能阻止衰老进程,说明导致细胞或个体的衰老原因,根本不是因为垃圾物质的积累。

淀粉样蛋白会积累在大脑和心脏等器官,细胞内外有着多积种降解淀粉样蛋白途径[5],因此,随着年龄增长而增多的淀粉样蛋白并非是导致细胞和组织衰老的原因,而是由细胞本身衰老产生的结果。造成淀粉样蛋白增龄性的积累,只是细胞衰老过程中主动增加淀粉样蛋白的基因表达和降低对淀粉样蛋白的降解的结果。DNA甲基化通常会抑制基因表达,已发现AD患者中淀粉样前蛋白基因启动子区的甲基化程度有随着年龄的增加而下降,说明了细胞衰老过程中存在着主动的基因程序,并发出指令让淀粉样前蛋白的基因去甲基化。

在细胞核的DNA发生突变或突变到一定阈值的细胞株,也会被免疫系统清除掉。衰老的个体之所以会积累突变的细胞,是因为免疫系统的主动衰退。

衰老,从个体水平到分子水平的层次顺序:个体衰老是由系统衰老导致的,系统衰老是由器官衰老导致的,器官衰老是由组织衰老导致的,组织衰老是由组织中的细胞衰老导致的,由于组织细胞分为功能细胞和成体干细胞,由衰老的成体干细胞分化出的功能细胞也是衰老的功能细胞,因此,造成组织衰老的原因,归根结底是由组织中的成体干细胞本身的衰老。因此可以统一总结:导致个体衰老的根本原因,归根结底是由成体干细胞自身的衰老造成的[6-7]。因此,剩下的最重要的唯一的问题就是成体干细胞为什么会衰老了?

各种正常的体细胞包括成体干细胞的分裂次数也是有限的,称为“海夫利克极限”。海夫利克极限是由美国佛罗里达大学遗传学研究中心的奥那多·海夫利克(Leonard Hayflick)在1965年发表的论文提出的,他发现来自人类胎儿的成纤维细胞,在体外只能分裂50次左右就会停止分裂并发生凋亡,把50次左右的倍增极限称“海夫利克极限”[8]。由于人体中的细胞受到接触抑制的作用,大部分的成体干细胞处于静息状态,只有少数处于细胞周期,据此估计人类细胞的平均每次分裂周期约为2.4年。2.4×50=120,即人类最高寿命是120岁。

然而,大部分人连100岁也无法达活到,因此,有很多学者并不认同海夫利克极限与个体寿命的关系,其实这与人类对海夫利克极限认识太片面有关,即只按细胞分裂次数计算个体寿命,而勿视了细胞传代过程的功能变化。

其实,海夫利克极限包括2个含义,那就是除了细胞分裂次数是有限的外,细胞每分裂一次,上一代的母细胞和下一代的子细胞的性状也是不一样的,主要变化包括:(1)总蛋白质合成速率逐渐下降;(2)线粒体合成ATP速率逐渐下降;(3)基因表达谱逐渐改变(大部分基因表达活性下降,少数基因表达活性上升)。这些变化就是导致细胞还没达到分裂次数的极限,个体就已经变得老态龙钟的原因,也就是说,个体的逐渐衰老是因为细胞性状的逐渐变化。那么,是什么原因导致细胞在传代过程中代与代之间的性状发生了变化的?这篇论文[9]也许可以阐释这个终极问题。

原创:黄必录

【参考文献】

[1] López-Otín C, Blasco MA, Partridge L, Serrano M, Kroemer G. The hallmarks of aging[J]. Cell. 2013 ,6;153(6):1194-217.

[2] Correia㎝elo C, Marques F D M, Anderson R, et al. Mitochondria are required for pro゛geing features of the senescent phenotype[J]. The EMBO journal, 2016: e201592862.

[3] Wolf K. Friedl P. Extracellular matrix determinants of proteolytic and non-proteolytic cell migration[J]. Trends in cell biology 21, 736-744,

DOI:10.1016/j.tcb.2011.09.006 (2011).

[4] https://www.nature.com/articles/s41586-020-2975-4

[5] 洪 亮,黄汉昌,姜招峰,等.β – 淀粉样蛋白的体内清除机制 [J].生命科学研究,2013,17(2):169-184.

[6] 黄必录. 衰老的机理意义及治疗[M]. 北京:燕京函授医学院, 1998:1049–1064.

[7] Sahin E, Depinho R A. Linking functional decline of telomeres, mitochondria and stem cells during ageing[J]. Nature, 2010, 464(7288):520–528.

[8] Hayflick L. The limited in vitro lifetime of human diploid cell strains[J].Exp Cell Re,1965,37:614-636.

[9] 黄必录.细胞衰老的端粒DNA和核糖体DNA共调控假说[J]. 医学争鸣,2021,12(2):15–21.

DOI:10.13276/j.issn.1674-8913.2021.02.001