细胞自噬和衰老及衰老相关疾病

刘爱玲，吕红，钱家鸣

【提要】 细胞自噬和衰老及衰老相关疾病密切相关。从自噬角度延缓衰老和治疗衰老相关疾病的方法包括使用自噬诱导剂、抗氧化剂和热量限制。本文就自噬和衰老及衰老相关疾病的关系及机制方面做一综述，以提高临床医师的认识。

衰老进程伴随分子、细胞、组织和器官损伤的不断累积，导致机体生理功能减退，使之易受疾病侵害。衰老相关疾病包括心血管疾病、中枢神经系统退行性病变、肿瘤等。细胞自噬是一种在进化上高度保守的细胞代谢过程，它可吞噬和消化降解衰老的细胞器、异常折叠的蛋白质或侵入体内的病原体，作为细胞自身的防御机制[1]。研究显示，衰老渐进过程中自噬活性渐降低，适度增强自噬可延长寿命。自噬是衰老研究中的热点。笔者通过复习文献，对自噬在衰老及衰老相关疾病中的作用作一综述。

1 细胞自噬

细胞自噬是生物有机体适应不同环境的有效的内部调节机制。自噬异常会导致一系列的疾病状态，如神经退行性疾病、感染性疾病、癌症和衰老等。根据底物运输方式不同，可将自噬分为三种类型，包括巨自噬、微自噬和分子伴侣介导的自噬(chaperone-mediated autophagy，CMA)。巨自噬是传统意义上的自噬，其过程是，非溶酶体起源的双层膜结构包裹待降解物质，形成自噬体(autophagosome)，然后与溶酶体融合，形成自噬溶酶体，最终在溶酶体酶的作用下，其内容物被降解。在微自噬中，溶酶体通过溶酶体膜内陷直接降解。CMA过程为，具有KFERQ五肽序列的蛋白质分子(即底物)，被胞质内的热休克蛋白70/73(hsp70/73)识别并形成复合物，其与溶酶体膜上的受体溶酶体相关膜蛋白-2A(LAMP2A)结合，另一种热休克蛋白(hsp90)介导去折叠的底物进入溶酶体，底物被降解[2]。

细胞自噬可被多种因素诱导，如营养限制、炎症等。在酵母和哺乳动物中的研究已发现至少40种自噬相关基因(ATG)，其编码参与自噬的蛋白质[3]。细胞自噬途径包括哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物1(mTORC1)失活、UNC-51样激酶复合物(ULK1/2)去磷酸化和活化，继而促进ATG13、FIP200活化，激活自噬。另一重要的复合物是Beclin1复合物，其中的组分VPS34可磷酸化磷脂腺肌醇，生成3-磷酸磷脂酰肌醇(PI3P)。该分子可募集ATG16L，其结合ATG5-ATG12以产生ATG12-ATG5-ATG16L复合物。该复合物参与LC3(微管相关蛋白轻链3)的脂化。此外，ATG3与LC3-I结合，并通过ATG12与该复合物结合，使LC3-I与磷脂酰乙醇胺结合，产生LC3-II。LC3-II存在于自噬体结构的内外膜上，LC3II或LC3II/I在一定程度上反应了自噬的活性。

2 衰老

衰老伴随机体功能障碍的增多，表现为DNA、蛋白质、脂类物质以及细胞器等的损伤和有害物质的累积，这些变化在组织水平上具有普遍的特征。不能继续分裂增殖的细胞中出现脂褐素聚集，这是细胞开始衰老的典型特征，标志着细胞内清除系统功能障碍。

普遍认为，衰老是一个多因素过程。但也有些学者试图将其解释为与年龄相关的主要变化。其中一种是“随机理论”，认为衰老是由随机损害累积造成，即随年龄增长，机体修复能力损伤，有害物质积累。也有学者认为衰老是受调节的过程，主要受遗传密码如端粒长度调控。另有衰老的自由基(或氧化应激)理论，其假设活性氧物质(reactive oxygen species，ROS)导致生物分子的氧化损伤，从而使细胞功能下降[4]。很多证据支持这一观点，如细胞ROS水平随着年龄增长而增高、抗氧化系统损伤后ROS水平增高。

3 细胞自噬和衰老及衰老相关疾病

自噬在抗衰老机制的研究中占有独特地位。衰老是细胞适应内外环境的重要调节机制，它可启动自噬，而在衰老渐进过程中自噬功能渐减退，适度增强自噬可延缓衰老。研究显示[5]，自噬蛋白ATG5表达增多，小鼠抗衰老能力增强，可能的机制是自噬增强后增加了变性蛋白或病原体的清除、增强免疫应答及减轻炎性反应。ATG基因组织特异性敲除表现为早衰症状[6]。与青年人比较，在健康的长寿老人中Beclin1水平增高[7]。这些研究为人类长寿的机制提供了理论基础。

自噬在阿尔兹海默病和亨廷顿病中起到神经保护的作用[8]。在多数文献报道中，特异性敲除ATG5 和ATG7导致神经系统退行性变。帕金森病的病理生理机制与线粒体自噬相关[9-10]。儿童期静态性脑病成年期神经变性病是一种神经退行性疾病，病因可能是自噬基因WDR45/WIPI4缺陷引起[11-12]。

自噬也在急性肺损伤和败血症中起作用[13]。高压氧治疗或者机械通气会引起急性肺损伤。长期暴露在高浓度氧(>95%)环境中可导致活性氧(ROS)产生增加，造成类似急性呼吸窘迫综合征的急性肺损伤[14]。Tanaka等报道[15]，活体生物暴露于高浓度氧环境中会引起LC3B-II升高，激活自噬。同样，体外培养肺上皮细胞，在高浓度氧作用下，也会引起LC3B增高。Lee等研究发现在败血症的小鼠模型中，LC3B表达增高、自噬激活；而一氧化碳(CO)通过增强自噬下调促炎因子，可作为治疗败血症的药物[16]。

吸烟和衰老均是慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease, COPD)的危险因素。自噬在肺对感染和应激的炎症反应中起重要作用。在吸烟、低氧等刺激下，自噬活性增强，其可清除受损的蛋白和细胞器，作为细胞的自我保护机制。在慢性肺疾病中，自噬缺陷引起肺部炎症和损伤，提示自噬起到保护作用。但在某些条件下，自噬活性过度增强，会过度消化细胞内组分，导致自噬性细胞死亡。这种自噬失控也会引起肺部炎症和损伤，从而引发COPD和哮喘等肺部疾病[17]。

自噬在心血管稳态中起重要作用，包括受损的蛋白和细胞器的清除和利用[18]。自噬活性减弱导致心血管功能损伤，并与衰老加速相关。受损的线粒体通过线粒体自噬降解，这可能是自噬在心脏中的主要保护功能。线粒体自噬完全消化线粒体DNA，可避免导致心力衰竭的炎症反应。研究显示[19]，自噬还可能预防动脉粥样硬化性心脏病，机制为自噬可促进胆固醇外流，抑制坏死中心形成和脂质积累。

衰老过程中的肌肉萎缩，也称为肌肉减少症，其严重影响老年人的生活质量，甚至缩短寿命。自噬和泛素化蛋白系统激活均可引起肌肉蛋白减少，但自噬体在清除损伤细胞器的同时会保护肌纤维免受降解[20]。文献报道，ATG5或ATG7敲除鼠会出现肌萎缩[21]。

4 从自噬角度延缓衰老及治疗衰老相关疾病的方法

诱导自噬、恢复抗氧化系统可延缓衰老和用于治疗衰老相关疾病。目前认为主要有三种方法：自噬诱导剂、抗氧化剂(富含多胺)和热量限制[22]。

雷帕霉素可抑制mTORC1，从而激活自噬。已证明其可延长果蝇、线虫、酵母和小鼠的寿命。中等剂量的雷帕霉素可用于治疗动脉粥样硬化症[23]。在心肌缺血的小鼠模型中，心肌梗塞后再灌注期间给予雷帕霉素可改善心脏功能，并提高小鼠的存活率。雷帕霉素还可通过增强自噬，改善机体的代谢水平，从而用于治疗代谢性疾病[24]。

多胺包括腐胺、亚精胺、精胺等。通过外源性补充亚精胺可诱导自噬，酵母、线虫和果蝇的寿命延长[25]。白芦藜醇也可通过激活自噬延长线虫的寿命，但机制却不相同[26]：白芦藜醇激活组蛋白去乙酰化酶，而亚精胺抑制组蛋白乙酰化酶。在小鼠中，富于多胺的食物和雷帕霉素均可延长寿命[27-28]。给果蝇外源性补充亚精胺可抑制其过早死亡[29]。最近的研究显示[30]，亚精胺可激活T细胞蛋白质酪氨酸磷酸酶(TCPTP)，从而用于治疗COPD和哮喘等呼吸系统疾病。在人群的队列研究中，亚精胺的摄入量与心血管病变呈负相关[31]。在动物模型和人类中，亚精胺被认为是神经系统和心血管系统的保护剂，这也突出了富含多胺饮食的重要性[32]。

热量限制(Caloric restriction，CR)是在无营养不良的情况下总热量摄入量减少30%～40%。文献报道，CR可减少氧化应激、延长小鼠寿命。已经发现CR可减少ROS产生和DNA损伤。关于CR和自噬的研究显示[33]，CR与运动组合或单独CR能够上调大鼠骨骼肌中的ATG7、LC3和LAMP2蛋白表达；衰老可增加Beclin1蛋白的表达和氧化应激，但CR降低Beclin1水平及细胞凋亡指数，两者都与LAMP2基因表达呈负相关。用CR处理的Sod-/-小鼠在DNA损伤、细胞衰老和炎症方面，其衰老相关性表型均不显著[34]。根据流行病学研究，CR可能对人类健康有益。还需要进行更多的研究才能充分了解CR抗衰老的机制。

综上所述，衰老与ROS产生、基因组不稳定性增高、抗氧化和DNA的修复能力下降等相关。自噬在维持细胞稳态方面起着重要作用。自噬和衰老及衰老相关疾病密切相关。从自噬角度延缓衰老和治疗衰老相关疾病的方法包括使用自噬诱导剂、抗氧化剂和热量限制。雷帕霉素、白藜芦醇和多胺是临床上可用的自噬诱导剂。未来还需要深入研究自噬和衰老的关系及机制，对于抗衰老和治疗衰老相关疾病具有重要的临床意义。