營養與衰老關系研究

馬 潔，趙鵬飛，張學嬌

（內蒙古大學 生命科學學院，內蒙古 呼和浩特010021）

1 引言

營養與一個人的健康密切相關。人類的許多慢性疾病的發生發展，如心血管疾病、糖尿病、腫瘤等與營養息息相關。在全球范圍，慢性疾病所造成的負擔正在迅速加重。據2001年的統計，慢性疾病在世界所報道的5650萬人死亡人數中約占60%，在全球疾病類型的總數中約占46%。如何預防和治療慢性疾病成為全球關心的問題［1］。

2 飲食因素對表觀遺傳修飾的影響

2.1 飲食因素對DNA甲基化的影響

DNA甲基化是一種常見的表觀遺傳修飾，由DNA甲基轉移酶（DNA methyl－transferase，DNMT）催化，以S－腺苷甲硫氨酸（SAM）作為甲基供體而發生反應。通常DNA的甲基化會抑制基因表達。DNA的甲基化狀態對染色體的結構維持、X染色體失活、基因印記以及胚胎發育、正常細胞功能的維持，乃至疾病的發生是十分重要的［2］。

現在發現葉酸、維生素B12可以促進DNA甲基化，但是硒、綠茶多酚（表沒食子兒茶素－3－沒食子酸酯（EGCG），表兒茶酸，染料木素）和生物類黃酮（槲皮素，非瑟酮和楊梅酮）會抑制DNA甲基化［3］。

2.2 飲食因素對組蛋白修飾的影響

組蛋白修飾是指組蛋白的基礎氨基末端尾部突出于核小體，常在轉錄后發生變化，包括甲基化、乙酰化、磷酸化和泛素化等翻譯后的修飾，這些修飾構成了豐富的“組蛋白密碼”，能影響染色質的壓縮松緊程度，因此在基因表達中起重要的調節作用。蛋白乙酰轉移酶（histone acetlytransferases ，HATs）、轉 甲 基 酶（methyltransferases，HMTs）、組蛋白去乙酰化酶（deacetylases，HDACs）和組蛋白去甲基化酶（demethylases，HDMs）等參與組蛋白翻譯后修飾過程［4］。研究發現大蒜和肉桂中的多酚抑制 HDAC活性，綠茶多酚和銅抑制HAT活性，EGCG抑制HMT活性［5］。

2.3 飲食因素對miRNA的影響

miRNAs是在真核生物中發現的一類內源性的具有調控功能的非編碼RNA，其大小約為20～25個核苷酸。成熟的miRNAs是由較長的初級轉錄物經過一系列核酸酶的剪切加工而產生的，隨后組裝進RNA誘導的沉默復合體，通過堿基互補配對的方式識別靶mRNA最終降解靶mRNA或者阻遏靶mRNA的翻譯［6］。

在人和動物模型實驗中發現脂肪、蛋白質、乙醇或是維生素E可以影響miRNA的表達。多酚（花青素、姜黃色素和槲皮素）可以影響小鼠體內肝臟miRNA的表達。染料木黃酮、姜黃色素和魚油可以調節miRNA的表達，因而具有預防癌癥的作用［7］。不僅如此，一些營養物質攝入不足會改變miRNA的表達。比如葉酸攝取不足會導致人體細胞內miRNA－222的過表達［8］。

2.4 飲食因素對TOR信號途徑的影響

mTOR信號通路是調控細胞生長與增殖的一個關鍵通路，該通路將從營養分子、能量狀態以及生長因子傳來的信號整合在一起，調控大量的生命過程，包括自我吞噬、核糖體的生物組合和代謝等。該通路的失調與多種人類疾病相關，包括癌癥、糖尿病與心血管疾病［9］。

在哺乳動物中，mTOR與其他不同的蛋白質結合，形成了兩種復合體—mTORC1和mTORC2。營養充足或細胞內ATP含量高會促進mTORC1磷酸化，當營養匱乏或細胞內AMP含量較多時會抑制mTORC1活性［10，11］。在嬰兒食品中過量的亮氨酸會促進TORC1／S6K1信號轉導使大量間充質干細胞分化為脂肪細胞誘發早期兒童肥胖［12］。

3 營養與衰老

1935年，McCay首次提出卡路里限制（caloric restriction，CR）的攝入可延長嚙齒類動物的壽命［13］。CR是指一種營養俱全，但是含能量較低的營養條件，這種條件下飼養的大鼠壽命比高卡路里飼養條件下大鼠的壽命長，后續在酵母、線蟲、果蠅等模式生物的研究中證實CR均有延緩衰老和延長壽命的效應［14］。美國威斯康星國家靈長類研究中心科學家，經過20年的連續觀察研究，終于證明了CR對延長恒河猴的壽命和預防疾病有明顯的作用。研究結果發現：自由飲食的猴子一半存活，CR組80%的猴子存活。CR組死于心臟病、癌癥和糖尿病的幾率也減至1／3，腦萎縮的癥狀也明顯減輕。這項研究表明，降低食物中的熱量攝取可以延緩靈長類動物恒河猴的衰老進程，降低它們患與衰老有關的一些疾病的風險，并延長其壽命［15］。這一項在最接近人類的動物上得到的實驗結果成果，進一步奠定了人體抗衰老的科學基礎。

4 卡路里限制對人類的影響

在人類的研究中，CR可能延緩癌癥、糖尿病、心血管疾病和神經組織退化等多種與年齡相關的疾病，這預示著CR在人類壽命延長過程中也可能有重要作用［16］。目前主要是Fontana等人在研究CR對于人類的積極作用。

Fontana和他的同事發現，經過6年的熱量限制后進行卡路里限制的實驗組成員患有動脈粥樣硬化的風險降低。實驗組成員血清膽固醇水平、低密度脂蛋白膽固醇水平、總膽固醇與高密度脂蛋白比率、甘油三酸酯、空腹血糖值、空腹胰島素含量、C－反應蛋白、血小板源生長因子AB、心臟收縮壓和心臟舒張壓水平較低。研究發現熱量限制不僅能夠預防動脈粥樣硬化，還可以使人的心臟更加健康，心臟彈性和心律變異性更佳［17，18］。

5 卡路里限制的細胞機制

CR延長壽命的機制存在許多假設，普遍認為是CR通過調節mTOR信號途徑、胰島素樣生長因子／胰島素信號途徑、脂肪細胞因子表達、DNA甲基化以及組蛋白乙酰化和去乙酰化作用實現的。

5.1 卡路里限制調節脂肪細胞因子分泌

CR可以減少生物體內的脂肪含量。脂肪組織不僅可以儲存脂肪還可以分泌大量的脂肪細胞因子來調控血液葡萄糖動態平衡、免疫應答和炎癥反應。現在發現，CR可以促進脂肪細胞因子的分泌。脂肪細胞因子抑制2型糖尿病、肥胖癥、動脈粥樣硬化等疾病的發生和發展。不僅如此，CR通過促進脂肪細胞因子分泌增強了AMPK活性因而具有保護心血管系統的作用。脂肪細胞因子會抑制TNFα釋放和內皮細胞黏附分子的合成［19］。

5.2 卡路里限制調節胰島素／胰島素樣生長因子信號途徑

隨著年齡的增加，胰島素抵抗的發生率升高并且2型糖尿病能夠加速衰老的癥狀。CR可以改善體內胰島素抵抗狀況。小鼠CR模型中，CR降低小鼠血漿中胰島素樣生長因子含量。胰島素／胰島素樣生長因子可以抑制FOXOs活性。FOXOs參與調控哺乳動物細胞凋亡、細胞周期、分化以及參與DNA修復和抗氧化應激的基因表達。哺乳動物肥胖癥和胰島素抵抗與FOXOs信號失調有關［20］。不僅如此，CR抑制FOXOs活性可以減少Aβ產生。現認為Aβ與阿爾茨海默氏病型淀粉樣蛋白的神經病理學和空間記憶力衰退有關［21］。

5.3 卡路里限制調節mTOR信號途徑

實驗發現用雷帕霉素抑制mTOR可以延長小鼠壽命。抑制mTORC1活性可以增強造血干細胞自我更新和造血功能、提高機體免疫并延長壽命。mTORC1信號途徑下游效應器是S6K1和4E－BP1。Kapahi發現充足營養條件下過表達4E－BP1延長蒼蠅壽命，抑制6K1活性可延長小鼠壽命。不僅如此，抑制mTORC1活性可以促進細胞自我吞噬。細胞吞噬可以將細胞內長時間積累的錯誤蛋白質和損傷細胞器進行降解延長壽命。CR還可以通過調節mTOR信號途徑增強線粒體氧化還原功能［22］。

5.4 卡路里限制調節DNA甲基化

生物體在衰老過程中，其穩態會逐漸被破壞，染色質完整性也會由于不正常基因的表達而喪失。這個過程中5－甲基胞嘧啶在基因組上的分布發生顯著改變，主要表現為DNA甲基化的總體減少和局部增加。甲基化增加的位置主要在一些基因的啟動子區域，造成相應基因如一些腫瘤／衰老相關基因（p16INK4α、RUNX3和TIG1）的沉默。CR可以改變DNA甲基化增加基因組穩定性最終延長壽命。例如，CR促進p16INK4α啟動子甲基化，抑制p16INK4α與E2F－1結合，導致p16INK4α的下調，延長細胞壽命［23］。

肥胖是一種嚴重的代謝紊亂疾病，可以加速衰老和死亡。CR可以延緩肥胖癥的發展進程。臨床觀察發現，CR可以改變患者體內ATP10A，WT1和TNF－α基因甲基化狀況。目前需要進一步研究基因甲基化狀態改變與代謝途徑的關系［24］。

5.5 卡路里限制調節組蛋白反應后修飾

5.5.1 組蛋白乙酰化與去乙酰化

組蛋白修飾是一種重要的影響染色質結構從而調節基因活性的修飾手段，包括乙酰化、甲基化、泛素化和ADP核糖基化等。乙酰化和去乙酰化是其中最普遍的兩種形式。去乙酰化可以導致染色質結構更加緊密，從而抑制轉錄，而乙酰化則可以激活基因的轉錄活性。CR可增強去乙酰化酶活性。例如，CR增強p16INK4α和人端粒酶反轉錄酶 （hTERT）基因的啟動子區內HDAC1活性，改變這兩個基因的表達，延長壽命。

組蛋白去乙酰化酶中最引人注目的是一種代謝相關、NAD＋依賴的去乙酰化酶Sirtuins。SIRT1可以通過激活負調控促凋亡因子如p53和FOXO增加其對應激的抵抗能力［25］，二是SIRT1可調控機體能量代謝，通過關鍵的代謝相關基因如PGC－1α來抑制脂肪發生和增加胰島β細胞的胰島素分泌，進而增加應激的抵抗能力并延長壽命［26］。不僅如此，SIRT1還可以調控關鍵轉錄因子（FOXO））、調節蛋白（p53，p16INK4α）和DNA修復蛋白（Ku70）的去乙酰化作用。FOXO 在SIRT1作用下脫去乙酰基，由FOXO介導的細胞凋亡作用受到抑制。SIRT1能夠催化p53去乙酰化，使p53激活下游目標基因轉錄的活性下降，阻止DNA損傷或環境壓力所造成的細胞衰老或細胞凋亡，延長壽命。SIRT1介導DNA修復蛋白Ku70去乙酰化作用會抑制凋亡因子BAX活性抑制細胞凋亡［27］。最近發現，SIRT1可以調節新陳代謝基因的表達。CR通過SIRT1去乙酰化作用上調PGC－1α表達調節糖質新生和脂肪酸氧化過程［7］。

5.5.2 甲基化

甲基化是另一個重要的調控基因表達的組蛋白修飾。組蛋白殘基的賴氨酸可以被單甲基化、二甲基化或三甲基化，依賴于特定的賴氨酸殘基，基因可能被激活，也可能被抑制。CR可以促進組蛋白H3上賴氨酸3位或4位殘基二甲基化或三甲基化來調控p16INK4α和hTERT基因的表達延長人細胞壽命［28］。

5.6 卡路里限制調節miRNA表達

隨著年齡增長，miRNA表達會發生變化。現在發現人類腫瘤與整體miRNA表達減少有關。隨著年齡增加，miRNA表達減少會增加細胞轉化和腫瘤發生的頻率，縮短人類壽命。在老年人體內miRNA表達減少與磷脂酰肌醇3－激酶、干細胞因子受體和組蛋白H2A等靶蛋白的表達增加有關。實驗發現敲除miRNA－239秀麗隱桿線蟲突變體比野生型對照組具有更長的壽命［29］。

CR可以改變miRNA表達情況。在CR條件下，小鼠乳腺組織中miR－203表達增加可以降低乳腺癌發生、發展和遷移頻率。在實驗組小鼠腦組織中發現miRNA－181a，miRNA－30e、miRNA－34a和BAX表達量減少，降低了Caspases 9和3活性抑制細胞凋亡。CR為老年癡呆癥和帕金森疾病提供了一個潛在的治療方法［30］。

6 結語

CR是目前公認的對不同生物廣泛具有延緩衰老作用的機制。CR通過調節mTOR信號途徑、胰島素樣生長因子／胰島素信號途徑、脂肪細胞因子表達、DNA甲基化以及組蛋白乙酰化和去乙酰化來實現其作用。通過對CR延長壽命機制的研究，為延緩心血管疾病、糖尿病、腫瘤的發生提供一個潛在的預防方法，并能為開發對抗由衰老所引起疾病的相關藥物提供重要的理論支持。

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