08 / 02 / 2021

在《Science重磅!揭开衰老之谜背后的关键机制》这篇论文[1],说同一基因的酿酒酵母在同一环境表现两种衰老模式与不同的细胞器故障有关:模式1核仁衰退,核仁rDNA丧失沉默而高表达,但线粒体正常。模式2线粒体衰退,但核仁正常。

笔者认为,模式1端粒没缩短或缩短少,但rDNA缩短太多,端粒没缩短导致sir2不足,使rDNA丧失沉默高表达。而rDNA高表达要消耗占80%能量ATP,所以线粒体只能保持不变以,但染色体上的总蛋白合成肯定下降,因为ATP都用于rDNA转录了,反而合成蛋白质缺乏ATP。模式2端粒缩短,但rDNA缩短少或没缩短,端粒缩短会释放sir2和sir4,其中sir2沉默rDNA,sir4沉默线粒体,所以核仁不变,但线粒体衰退,但染色体上的总蛋白合成肯定下降。所以模式1和2的共同之处是总蛋白质合成下降。

综上所述笔者认为,模式1和模式2都是细胞核问题,而与线粒体无关。证明方法:模式2换上正常的线粒体,如果正常的线粒体也会衰退,就可以确定模式1和模式2都是细胞核出了问题。

原创:黄必录

【参考文献】

[1]Yang Li,et al.A programmable fate decision landscape underlies single-cell aging in yeast[J].Science,2020,369(6501):325-329.

DOI: 10.1126/science.aax9552

08 / 02 / 2021

东京大学的岩间厚志教授发现,将衰老的造血干细胞植入年轻的骨髓中,年轻的骨髓虽然能够将干细胞的整个转录组和基因表达状态逆转回年轻状态,但这种“返老还童”其实只是一种假象,他们发现,这些干细胞的DNA甲基化模式并没有发生任何改变,他们的再生能力以及对损伤的修复功能依然停留在了衰老的状态。这一颠覆性的发现以题为Limited rejuvenation of aged hematopoietic stem cells in young bone marrow niche发表在著名科研期刊《Journal of Experimental Medicine》2021年刊上[1]。

笔者几年前就在微信群发表关于年轻的微环境无法逆转衰老的观点,看来我观点是正确的。依据包括:1.婴儿成体干细胞是在婴儿这样的年轻体液和微环境中,但照样会让个体变老(如果不变老就无法发育);2.早期的细胞培养都是用鸡胚汁培养细胞,但细胞照样会变老;3.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体液和微环境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[2],说明衰老的体液和微环境无法阻止细胞再生和组织修复。

综上所述,笔者认为,年轻血液或美国加州大学伯克利分校的研究人员在 Aging 杂志上发表题为Rejuvenation of three germ layers tissues by exchanging old blood plasma with saline-albumin 的盐水稀释血液抗衰老方法[3],都将会以失败告终。

原创:黄必录

【参考文献】

[1]https://rupress.org/jem/article-abstract/218/3/e20192283/211561/Limited-rejuvenation-of-aged-hematopoietic-stem?redirectedFrom=fulltext

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

[3]https://www.aging-us.com/article/103418/text

08 / 02 / 2021

科学家归纳和共识了导致机体衰老的9大标志[1] :基因的不稳定性、端粒减少、表观遗传改变、蛋白质稳态的丧失、营养感测失调、线粒体功能障碍、细胞衰老、干细胞衰竭、细胞间通讯改变。但是,这些的归纳和共识很混乱,因果混淆不清,笔者将作一一分析,让衰老原因九九归一。

衰老的九大特征

一、基因的不稳定性(Genomic Instability)

随着年龄的增长,细胞核中的基因组会变得不稳定性,DNA容易发生突变,染色体容易发生畸变。

导致基因的不稳定性的原因,是因为各种维持基因稳定性和修复基因突变的酶类的基因表达水平下降导致的,而非端粒长度的不足,因为人类衰老的细胞端粒长度还剩下有儿童端粒的一半长度。

二、端粒缩短(Telomere Attrition)

端粒缩短可以导致代谢变化,包括线粒体功能障碍,干细胞耗竭和细胞间通讯的变化,从而影响老化的速度以及程度。

细胞分裂过程染色体DNA复制是导致端粒缩短的主要原因,但我们不能去阻止细胞分裂,因为细胞分裂是组织细胞更新或伤口修复的前提。

三、表观遗传改变(Epigenetic Alterations)

细胞衰老过程 ,DNA的甲基化模式也会发生变化,总甲基化水平也会下降。

端粒长度可能是决定甲基化模式和甲基化水平的主要原因,因为SV40病毒及大T抗原转染细胞会激活端粒酶,DNA甲基化水平会重新上升[2]。

DNA甲基化修饰是不稳定的,甲基化水平是处于动态变化中。细胞衰老、细胞分化或环境因素都会影响某些基因的甲基化状态,而且甲基化水平越高,包裹在该基因外的组蛋白的乙酰化水平就会越低,从而抑制基因表达。

某个基因的DNA甲基化了,转录活性就会降低,甲基化程度越高,转录活性就会越低。问题是,到底是先甲基化后才导致转录活性下降,还是转录活性先下降后才导致了甲基化,这是个先有鸡先有蛋的问题。

已找到答案,那就是转录活性先下降后才导致了甲基化。也就是说,衰老先导致一些转录因子活性下降,然后才导致与该转录因子相对应的基因甲基化水平升高。或者说,转录过程会清除甲基化,不转录会复甲基化。

在20世纪90年代,我国童坦君院士在肽类生长因子信号传递方面提出了生长因子干预原癌基因转录因子及DNA甲基化的设想。他领导的研究组揭示表皮生长因子(EGF)具有降低某些原癌基因甲基化、促进染色质蛋白激酶的活性,使某些原癌基因特异结合蛋白增多等作用[童坦君、李刚,生物化学[M],北京大学医学出版社,2005(第一版),2009(第二版).]。具体机制如下:

长非编码RNA是一种反义RNA(antisense lncRNA),通常是由编码蛋白质的基因的反义链转录的,并与该基因的mRNA存在序列重叠。占70%的基因均有反义lncRNA。反义lncRNA的转录往往与其基因的正义链转录存在相关性。反义lncRNA的转录时,会使该位点的DNA被DNA去甲基化酶TET3识别,从而清除掉该位点的甲基化修饰。

四、蛋白质稳态的丧失(Loss of Proteostasis)

衰老以及各种神经退化类疾病(如老年痴呆,亨廷顿舞蹈病等)多与蛋白质内稳态受损相关[3]。这种内稳态一旦打破,就会触发细胞的适应性变化,造成细胞的凋亡。

新合成的肽链中,平均有约30%不能折叠成为正确的形状,已经折叠好的蛋白质分子也有可能变性。为了应付这种情况,细胞发展出了多种机制来减少折叠错误和清除折叠错误的蛋白。一种机制是细胞发展出的“伴侣蛋白”(chaperones),它们结合在尚未完成的肽链上,防止它们过早折叠,并且帮助它们折叠成为正确的形状。这些蛋白也能够减少温度升高时蛋白质的变性,在细胞遇到热冲击时会增加这些伴侣蛋白的量,所以这些蛋白又叫做“热休克蛋白”(heat-shock protein, hsp),例如hsp70,hsp90、hsp104等。

热休克蛋白的基因表达水平下降是导致蛋白质稳态的丧失的主要原因。例如,65岁和85岁年龄组的单核细胞HSP70表达水平也明显低于25岁年龄组[4]。

五、营养感测失调(Deregulated Nutrient Sensing)

衰老和代谢疾病的产生与营养传感器(例如AMPK和sirtuin)的调节息息相关[5]。在一般情况下,营养传感器会随着衰老而下调。

各种与营养感测有关的蛋白的基因表达下降是导致营养传感器随着衰老而下调的主要原因。

六、线粒体功能障碍(Mitochondrial Dysfunction)

人类细胞衰老与线粒体功能障碍也有一定的关联。然而,在上个世纪60年代,Haiflick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。也就是说,只要细胞核年轻,即使植入衰老的线粒体也会变成年轻的线粒体。如果细胞核衰老了,即使植入年轻的线粒体也会变成衰老的线粒体。而细胞核衰老是由端粒DNA和核糖体DNA的总拷贝数减少造成的[6]。

还有,敲出了细胞里的线粒体,细胞反而停止了衰老[7]。那么敲掉线粒体,细胞是否就会缺少能量而死呢?答案是否定的,因为人体还有另外一套产能系统,就是糖酵解途径,产生乳酸,乳酸具有抗衰老作用。

七、细胞衰老(Cellular Senescence)

现有体外和体内实验证据表明,细胞衰老(定义为:细胞的增殖和分化能力逐渐衰退的变化过程)。

决定细胞衰老的部位是细胞核,而非细胞质。

八、干细胞耗竭(Stem Cell Exhaustion)

所谓的干细胞耗竭并非是指干细胞数量的减少,而是指干细胞功能的随着老化逐渐下降。干细胞耗竭的本质同细胞衰老,决定干细胞衰老的部位是细胞核,而非细胞质。

九、细胞间通讯改变(Altered Intracellular Communication)

年龄相关的代谢改变与细胞间通讯也会相互影响,其中涉及多种复杂过程,包括神经内分泌信号传导,炎症和昼夜节律的调节。细胞间通讯改变是由细胞衰老造成的,因为细胞衰老过程,基因的表达模式发生了改变。基因的表达模式的改变可能是由端粒长度和核糖体基因拷贝数介导的[6],从而导致了细胞间的通讯改变。例如,2013年,德克萨斯大学达拉斯西南医学中心的Guido Stadler说,端粒越短,DUX4表达活性越强,随着端粒逐渐缩短,DUX4表达活性最多上升10倍。

综上所述,导致机体衰老的9大标志的主要原因是与之相关的基因表达水平下降导致的。而细胞衰老主要表现是总蛋白质合成速率下降,因此,大部分蛋白质或酶的基因表达水平质都会下降,这就是导致与机体衰老的9大标志相关的基因表达水平下降的主要原因。

那么,细胞衰老为什么会导致基因表达水平下降?

研究发现,染色体组蛋白的乙酰化水平会随着细胞的衰老而降低,而组蛋白乙酰化水平降低会导致基因转录效率的下降。

那么,细胞衰老为什么会导致组蛋白乙酰化水平的降低?

研究发现,随着细胞越来越衰老,抑癌蛋白P53的浓度或活性会越来越高。P53会通过调控下游基因表达,改变组蛋白乙酰化酶/脱乙酰化酶的比值[8],使组蛋白脱乙酰化速率大于乙酰化速率,因此,随着P53的浓度或活性会越来越高,染色体组蛋白的乙酰化水平就会越来越低。

那么,细胞衰老过程,是什么原因导致P53的浓度或活性会越来越高?

原来,P53会结合和存储在多拷贝的端粒DNA[9-10]和核糖体DNA上,由于P53半衰期较短,因此,端粒DNA和核糖体DNA的拷贝数越多,结合和消耗的P53也越多,细胞中的P53的浓度或活性就会越低。然而,随着细胞分裂或/和新陈代谢,端粒DNA和核糖体DNA的拷贝数会不断丢失,从而使细胞中的P53的浓度或活性越来越高[6]。

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] Matsumura T., Hunter J.L., Malik F, et al. Maintenance of DNA methy-lation level in SV40-infected human fibroblasts during their in vitro limited proliferative life span [J]. Cell Res, 1989, 184(1): 148–157.

[3] Labbadia, J., and Morimoto, R.I. The biology of proteostasis in aging and disease[J]. Annu. Rev. Biochem. . 2015,84:435–464.

[4] Njemini R , Demanet C , Lambert M , et al . Age-Related Decrease in Inducibility of Heat-Shock Protein 70 in Human Peripheral Blood M nuclear Cells[J]. Journal of Clinical Immunology, 2002, 22: 195-205.

[5] Efeyan, A., Comb, W.C., and Sabatini, D.M. Nutrient-sensing mechanisms and pathways[J]. Nature,2015,517:302–310.

[6] 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,2021,2:15–21.

[7] 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.

[8]刘 健, 李春晓, 雷 箴, 等. 结直肠癌中p53对组蛋白去乙酰化酶2表达的调控作用[J]. 肿瘤, 2017, 37(10):1017–1023.

[9] 李 玲, 张 波, 邹万忠, 等. P53与端粒重复序列结合蛋白质1的体外相互作用[J].北京大学学报(医学版), 2004, 36(5):510–513.

[10] 徐熠熠. 端粒结合因子1对p53和ATM的功能调控及其机理研究[D]. 杭州:浙江大学医学院, 2008:1–128.

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

08 / 02 / 2021

本文是微信群中关于阿卡波糖的讨论的整理。

@Ron:@黄必录阿卡波糖能让雄鼠延寿39%,这个药适合男人吃。

阿卡波糖延长小鼠寿命39%的实验数据要排除掉,因为有些样本太少,不能反映实际问题。就象有人说的,辛克莱用NMN对小鼠寿命的实验,最后只剩下不到10只老鼠,统计得到延寿效果明显被垮大了。而雷帕霉素延寿实验老鼠有500只。

来自多个实验室数据说明,阿卡波糖中剂量延寿效果最好,对男性老鼠达平均17%,对女性老鼠延寿效果不显著。

阿卡波糖能降低肠道吸收葡萄糖,与限食起到异曲同工之妙。因此,笔者认为,阿卡波糖显著延长男性寿命可能是因为男性饭量大于女性,而阿卡波糖降低了饭消化的葡萄糖吸收。但农民工不能吃阿卡波糖抗衰老,因为有可能会没力气搬砖。

阿卡波糖、雷帕霉素和二甲双胍都能够抑制或间接降低mTOR,核糖体基因是多拷贝的,已知道小鼠造血干细胞mTOR活性上升会加速核糖体基因的丢失。

核糖体DNA和端粒DNA都会存储P53蛋白。因此,端粒缩短或/和核糖体基因拷贝数减少都会导致P53蛋上升,而且P53蛋白水平取决于端粒DNA和核糖体DNA的总拷贝数。P53水平上升会使细胞产生衰老特征,因为p53基因是一种衰老基因或肿瘤抑制基因《参考文献:细胞衰老的端粒DNA和核糖体DNA共调控假说》。

mTOR活性越高,新陈代谢率和细胞复制就越快。mTOR会促进核糖体DNA和端粒DNA转录,因为新陈代谢和细胞复制都需要通过核糖体的生物合成来维持。但是,核糖体基因转录是个油老虎,因为蛋白质合成过程需要先合成占RNA总量82%的核糖体RNA,因此,核糖体生物合成占据了多达80%的能量。核糖体DNA和端粒DNA是多拷贝的串联重复,就象冰糖葫芦串,特别不稳定,在转录和复制过程很容易受到损伤,而损伤的核糖体基因会被重组酶切除掉,从而导致核糖体基因或端粒DNA的拷贝数量减少,这就是吃的多,老的快的根本的分子机制。而不是吃得多,新陈代谢也快,产生自由基也多,然后因自由基增加了蛋白质交联和变性使人老的快的这种分子机制。因为变性和交联的蛋白质理论上是可以被迅速更新掉的。

由于新陈代谢和细胞分裂都需要核糖体基因转录和蛋白质合成,因此,限制热量摄入或抑制mTOR会降低新陈代谢率,抑制细胞复制,有利又有弊,是一把双刃剑。说明抗衰老药只能小幅度延长寿命,如果想用药物大幅度延长寿命反而会要人的命。

原创:黄必录,2021.1.28日

08 / 02 / 2021

目前常见的延长人类寿命的策略,主要是通过调控代谢层面的途径,包括:(1)降低新陈代谢率,如抑制TOR信号通路、胰岛素信号通路,提高SIRTs、热量限制等等。这类方案对于低等动物能够延长一至数倍寿命,但对于人类不怎么有效,原因是人类是属于恒温动物,新陈代谢率不足时无法保持恒温,这时会通过反馈增加新陈代谢率以提高产热率来维持恒定的体温。而且降低新陈代谢延寿方法副作用很大,例如表现行动缓慢,整天昏昏沉沉,伤口愈合困难,免疫力下降,这样对老年期反而会增加死亡率。(2)提高新陈代谢率,如甲状腺激素、生长激素、各种NAD+前体等等。这类方案对低等动物和人类的延长寿命效果都不理想,甚至会缩短寿命。例如,小鼠从幼年期开始使用生长激素或甲状腺激素都会缩短寿命。能有效升高血液中NAD+浓度的烟酸,有报道对人类只能延寿11%[1],有的报道反而会缩短寿命10%[2]。也有报道小鼠喂NAD+前体烟酰胺核苷(NR)只能延长雄性小鼠寿命10%左右,对性小鼠似乎没能延长寿命,而且是老年期开始喂的[3]。因为从幼年期开始喂,可能没有延长寿命甚至有缩短寿命的作用。

为什么降低新陈代谢率的延寿途径对动物幼年期有效,而对老年期反而会增加死亡率?原因是老年期新陈代谢率已经下降了,再降低新陈代谢,等于雪上加霜,就像让弱不禁风的火苗更容易熄灭是一样的道理。相反,提高新陈代谢率的延寿策略对幼年期动物会加速发育与衰老,缩短寿命,但对老年期有一定效果,因为对新陈代谢率已下降的动物的老年期,有提高新陈代谢率作用,相当给微弱的火苗助燃,因此更能抵抗逆境,不易熄灭。

降低新陈代谢率延长寿命的根本原因,就是通过降低端粒DNA和核糖体DNA等重复DNA的丢失速度来实现的[4]。例如,限制热量能提高SIRTs,而SIRTs能与端粒DNA和核糖体DNA紧密结合,因此能使端粒DNA和核糖体DNA能够保持一定的稳定性[ 5-6 ],从而减少不稳定的多拷贝的端粒DNA和核糖体DNA的拷贝的丢失。反之,促进新陈代谢率等于加速端粒等重复DNA的丢失,因为新陈代谢过程需要合成并消耗蛋白质,而合成蛋白质过程需要先合成rRNA,但让端粒DNA和核糖体DNA高速转录会使本来不稳定的这些串连重复DNA变得更不稳定,从而加速了端粒和核糖体DNA的重复序列的丢失。

但是,事物总有个度,过度增加SIRTs会导致端粒DNA和核糖体DNA过于稳定而无法转录和复制,影响新陈代谢和细胞增殖。而过度降低SIRTs虽然会加快新陈代谢和细胞分裂,但也会使端粒DNA和核糖体DNA变得更加不稳定,从而加速了端粒DNA和核糖体DNA的丢失。例如,SIRT6缺失会促进造血干细胞分裂,加速衰老((Wang 等人,2016))。因此,注定通过调控代谢层面的延寿策略具有很大的局限性。

下面列出几项关于通过调控代谢层面延长寿命的弊端:

一项发表在《自然·衰老》杂志上的研究发现[7],限制饮食中的亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸这三种必需支链氨基酸(BCAA)即可延长健康小鼠寿命30%!不过这么好的效果需要从小就开始养成习惯,而且仅在雄性身上体现,对雌性小鼠来说,如果从中年开始限制BCAA,反而会导致早死。BCAA氨基酸也是mTORC的激动剂。限制饮食中的BCAA即可延长健康雄性小鼠寿命30%!但对雌性小鼠来说,BCAA限制饮食甚至成为催命符,早死的风险是对照组雌性小鼠的三倍多。同时从中年从小鼠23个月开始进行BCAA限制,虽然身体稍微变得强壮了一些,代谢也有所好转,但寿命并没有变得更长。BCAA对两性寿命影响的差别应该与代谢强度有关,雄性代谢率高于性。降低代谢率能够延长寿命,但过度降低代谢率也会增加死亡率。由于BCAA都能够激活mTOR,而抑制mTOR能降低代谢率。因此,降低BCAA会让本来代谢率不高的性代谢率变得更低,所以增加了死亡率。

2014年,发表在《Nature》上的一项研究中,加州大学洛杉矶分校的科学家指出α-酮戊二酸(AKG)能够抑制线粒体的ATP合成效率,进而降低mTOR信号通路的活性。该研究显示,AKG能够使秀丽隐杆线虫的寿命延长50%以上。此前已有研究表明,随着年龄增长,血浆中AKG的水平会下降10倍。禁食和运动已经显示出可以促进长寿,增加AKG的产生。笔者觉得也许增加老年期动物的AKG会增加死亡率。

二甲双胍和雷帕霉素也能抑制mTOR,对老年动物也能增加死亡率,也是因为老年动物代谢率已降低了很多,再抑制mTOR等于雪上加霜,所以抑制mTOR能延长年轻动物寿命,也能增加老年动物死亡率。例如,《自然·代谢》杂志发表了一篇来自德国科研团队的论文[8],研究者们发现,机体对二甲双胍的反应竟然“因年龄而异”,与在年轻线虫中起到的抗衰老作用相反,在年老的线虫中,二甲双胍会加剧衰老相关的线粒体功能障碍,导致寿命缩短。二甲双胍对线粒体ATP合成能力的抑制,既能让过分热情的年轻线粒体冷静下来,从而减缓衰老,也能反过来,使功能本就开始衰退的老年线粒体雪上加霜,最终导致死亡。如果再用Sirt1激活剂(SRT1720)来抵消二甲双胍的这种负面效果,还进一步的缩短了这些小鼠近35%的最大寿命。相关的反应在人类细胞中也有观察到。

那么,为什么二甲双胍加Sirt1激活剂会导致寿命进一步缩短掉?笔者认为可能是Sirt1能够沉默端粒DNA和核糖体DNA的转录,特别是核糖体DNA的转录受到抑制则会降低新陈代谢率。

《自然·通讯》杂志的一篇报道,雷帕霉素会增加衰老小鼠的死亡率[9]。一项由美国康奈尔大学主导的研究为我们敲响了警钟[10]:过低的mTOR活性将会引发造血系统衰老。研究起始于一组令人意外的实验数据,24个月大的老年小鼠在接受了为期两周的低剂量雷帕霉素摄入后(14ppm,即百万分之14的浓度),体内的白细胞和血小板计数开始显著降低,造血干细胞和祖细胞(HSPCs)功能也被严重扰乱。

题为《Science 子刊:逆转衰老「新武器],脐带间充质干细胞外囊泡》的文章说的是脐带间充质干细胞外囊泡中的一些物质能够逆转细胞的衰老[11]。而东京大学的岩间厚志教授发现,将衰老的造血干细胞植入年轻的骨髓中,年轻的骨髓虽然能够将干细胞的整个转录组和基因表达状态逆转回年轻状态,但这种“返老还童”其实只是一种假象,他们发现,这些干细胞的DNA甲基化模式并没有发生任何改变,他们的再生能力以及对损伤的修复功能依然停留在了衰老的状态。这一颠覆性的发现以题为Limited rejuvenation of aged hematopoietic stem cells in young bone marrow niche发表在著名科研期刊《Journal of Experimental Medicine》2021年刊上[12]。也有发现造血干细胞植入胚胎也能看起来返老还童。

其实,年轻的骨骼中就含有年轻的间充质干细胞,但是,骨髓组织照样会随着时间的推移而逐渐衰老掉,说明年轻的间充质干细胞的外囊泡中的一些物质没有真正的逆衰老作用。所谓的外泌体外囊泡逆衰老只是推动了细胞周期,然而,过频的细胞周期会加速端粒等重复DNA的耗竭。因此,有些抗衰老药虽然表面上是有抗衰作用,但实际上是对寿命的提前透支,例如,《自然》杂志 2010年08月发表的文章说,给小鼠注射生长激素增抗衰老,会增加间充质干细胞的数目和导致造血干细胞数目双倍增长。然而,老鼠的生长激素受体基因敲除实验显示,其寿命可延长2/3。所以说没有小鼠寿命对照实验都不可信。

已经发现过度清除衰老细胞会加速成体干细胞的衰老,导致肺部组织纤维化。原因是组织中的衰老细胞被清除后,会诱导组织附近的成体干细胞增殖并分化成相应的组织细胞来填补上去,而细胞的增殖过程就会导致端粒等重复DNA的丢失。

顶级科研刊物《Science》发行了一期特刊,对耗时近10年的超大型研究计划“基因型-组织表达(GTEx)”进行了专题报道[13],衰老对人体最直接的影响之一,就是引发海量基因的表达变化,而这次的研究指出,在这些衰老引起的基因表达变化中,有近千种是通过端粒长度进行介导的。有关端粒长度介导基因表达理论早已提出[14-15],端粒相当于驱动基因程序运作的时序驱动器或基因选择性表达的索引装置,因为要实现基因的程序化表达,就需要一个时序驱动器来驱动基因按照时间顺序进行表达,和计算机硬盘、软盘或光盘都需要一个驱动器的原理是一样的。基因组相当数据库,染色体上端粒和rDNA相当数据库的索引,不同长度的端粒和不同拷贝数的rDNA就会有不同的基因表达谱。因此,随着端粒DNA和rDNA的拷贝数不断因增龄而减少,就可驱动基因群进行程序化表达[4]。

已有报道,端粒酶基因的病毒载体转染的成体干细胞,已经能让细胞分裂超过100次,似乎使细胞实现了永生化。是不是说明了端粒就是决定细胞衰老的全因?笔者认为不是,因为约翰·拉穆纳斯等[16]将hTERT modRNA递送到人的成纤细胞和成肌细胞瞬间延伸端粒,即使多次延伸端粒,细胞倍增次数最多只能分别增加约28次和3.4次。说明导致细胞衰老的原因除了端粒,还有其他因素[4]。

那么,端粒酶基因的病毒载体转染的成体干细胞,为何能让细胞分裂超过100次?细胞衰老的端粒DNA和核糖体DNA共调控学假说[4]认为,决定细胞衰老的因素,是由端粒DNA和核糖体DNA的总拷贝数决定的,而端粒超长的细胞,端粒DNA的拷贝数较多,弥补了核糖体DNA拷贝数的不足,因此细胞照样能够永生化。

那么,向衰老的组织移植了核糖体DNA拷贝数不足的超长端粒的成体干细胞,能否让衰老的组织恢复青春活力?笔者认为行不通,原因包括:(1)在年轻人的成体干细胞,端粒长度才7-8kb,而且只要7-8kb就能保持细胞的年轻态。而病毒延长的端粒长度超过10kb才能让细胞保持年轻态,如果让端粒长度回复到7-8kb,细胞可能已经很衰老了无法增殖了。(2)离开了端粒酶的持续作用,端粒太长的细胞,端粒会很快被端粒修剪机制修剪掉,使细胞迅速衰老。(3)核糖体DNA拷贝数不足的超长端粒的成体干细胞,与核糖体DNA拷贝数和端粒DNA拷贝数恰到好处的成体干细胞相比,基因表达谱可能不一样。(4)年轻的个体只能匹配端粒长度相应的年轻的成体干细胞,而核糖体DNA拷贝数不足的超长端粒的成体干细胞,由于端粒超长而无法匹配。

综上所述,通过调控代谢层面的延寿途径,不但效果差,而且副作用大,唯有通过调控DNA层面的延寿途径,让细胞突破海夫利克极限,才能实现逆转衰老,青春永驻。而其它的什么抗衰老基因、抗衰老小分子、稳定端粒、清除衰老细胞、换血等等抗衰老都是浪费时间与金钱,花钱吃力不讨好。-原创:黄必录

【参考文献】

[1] Bregar U, Jug B,Keber I,et al.Extended-release niacin/laropiprant improves endothelial function in patients after myocardial infarction.Heart and Vessels,2014, 29(3):313-319.

[2] Jenkins D, et al. Supplemental Vitamins andMinerals for CVD Prevention and Treatment. JACC, 2018,71 (22): 2570.

[3] Hongbo Zhang, Dongryeol Ryu, Yibo Wu,et al.NAD+ repletion improves mitochondrial and stem cell function and enhances life span in mice.Science,2016,352(6292):1436-1443. DOI:10.1126/science.aaf2693

[4] 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

[5] Straight A F, Shou W, Dowd G J, et al. Net1, a Sir2-associated nucleolarprotein required for rDNA silencing and nucleolar integrity[J]. Cell, 1999, 97(2):245–256.

[6] Strahl-Bolsinger S, Hecht A, Luo K,et al. SIR2and SIR4 interactions differ in core and extended telomericheterochromatin in yeast[J]. Genes Dev, 1997, 1 1(1):83–93.

[7] https://www.nature.com/articles/s43587-020-00006-2

[8] https://www.nature.com/articles/s42255-020-00307-1

[9] Ferrara-Romeo,I. et al. The mTOR pathway is necessary for survival of mice with short telomeres. Nat. Commun. https://doi.org/10.1038/s41467-020-14962-1 (2020).

[10] Ramalingam, Pradeep, et al. “Endothelial MTOR Maintains Hematopoiesis during Aging.” Journal of Experimental Medicine, vol. 217, no. 6, 2020, doi:10.1084/jem.20191212.

[11] Lei Q, et al. Extracellular vesicles deposit PCNA to rejuvenate aged bone marrow–derived mesenchymal stem cells and slow age-related degeneration. Science Translational Medicine. 2021 Jan 27; 13(578): eaaz8697.

https://stm.sciencemag.org/content/13/578/eaaz8697

[12] https://rupress.org/jem/article-abstract/218/3/e20192283/211561/Limited-rejuvenation-of-aged-hematopoietic-stem?redirectedFrom=fulltext

[13] Kathryn Demanelis et al. Determinants of telomere length across human tissues. Science, 2020, doi:10.1126/science.aaz6876.

[14] 黄必录. 衰老的生命周期程序驱动学说[J]. 中国老年病杂志, 2011, 8(3):167–185.

[15] 黄必录. 个体衰老与干细胞应用 颠覆传统理论, 揭示衰老原因[C]. 中国老年学学会衰老与抗衰老科学委员会, 第二届全国衰老与抗衰老学术大会论文集. 2009:112–115.

[16] 约翰·拉穆纳斯,爱德华·雅库博夫, 海伦·M·布劳, 等. 与端粒延伸相关的化合物、组合物、方法和试剂盒:美国,201480021010.1, 2015[P]. 2015-12-16.