衰老相關信號轉導通路的研究進展

細胞衰老是指細胞在生命的進程中,隨著機體的不斷老化而出現的功能紊亂和分化增殖能力下降的過程,是細胞受到某種或多種特定的生理信號刺激后引起的一種常見的基本細胞應答程序[1-3],這些信號刺激包括端粒酶縮短、絲裂原及增殖相關信號的活化、基因組損傷以及腫瘤抑制信號的激活等[4-5]。細胞發生衰老的同時還伴隨著分子、細胞、組織和器官損傷的不斷累積,最終導致機體整體功能減退,從而更易受疾病侵害甚至死亡。

細胞衰老的特征性改變包括細胞體積增大、外形變扁平、細胞增殖能力減弱、永久性的生長停滯、細胞周期停滯在G0期或G1期,即使在正常的生長條件下亦不能進行分裂,任何生理信號刺激均不能使其再次增殖,同時伴隨細胞內溶酶體活性升高,但細胞仍然能維持其自身的生長代謝[6-7]。細胞衰老與機體炎癥、纖維化、癌癥等多種疾病密切相關,多種細胞在衰老后獲得對一些特定的凋亡信號的抵制能力,其具體作用機制目前尚未完全闡明,可能機制為細胞衰老與細胞凋亡之間存在共同的調控分子p53,衰老細胞的細胞周期抑制劑如p21和p16等表達顯著變化,而這些酶抑制劑又參與p53和pRb腫瘤抑制通路[8]。此外,細胞衰老還可抑制細胞周期蛋白A和細胞周期蛋白B等一些促進細胞周期進程的基因表達。目前人們認為細胞衰老可以促進機體受損細胞的清除,作為一種固有的細胞保護性機制來抵制外界壓力的刺激。促衰老已成為預防和治療纖維化等多種疾病的有效途徑,并在腫瘤的治療方面具有重要作用[9-10]。因此,研究細胞衰老的相關信號通路對疾病的研究具有重要的臨床意義。目前的研究已經證實多種調節性蛋白均參與細胞衰老的信號轉導,其中研究最多的是p53-p21和p16-Rb兩條經典通路,此外,還有一些不依賴于p53和p16的其他信號通路。

1 p53-p21相關信號通路

p53是一種半衰期很短的腫瘤抑制因子,在細胞衰老過程中具有重要作用。p21抑制細胞生長是通過抑制細胞周期依賴性蛋白激酶(cyclin-dependent kinase, CDK),阻斷Rb和E2F磷酸化來實現的[11-12]。p53-p21主要通過以下兩種機制參與細胞衰老的過程。第一,p53在維持由端粒酶縮短引起的衰老過程中發揮重要作用,在由細胞過度增殖引起的細胞復制性衰老過程中,ATM激活可引起CHK2磷酸化和p53-p21表達上調,而當ATM缺乏的情況下,ATR將替代ATM通過CHK1誘導的p53在Ser-15位點的磷酸化來激活p53,從而激活細胞衰老進程[13]。第二,細胞內外環境的損傷,尤其是DNA雙鏈的斷裂與衰老和腫瘤的發生息息相關,腫瘤基因突變產生異常增殖信號引起細胞周期阻滯,與DNA損傷及其應答通路的激活有關,通過誘導DNA過度復制并激活DNA損傷應答,引起細胞衰老,稱為癌基因誘導細胞衰老(oncogene-induced senescence, OIS)。在OIS中,癌基因Ras可激活衰老通路,這一過程受p53的影響,Ras的表達可促進表達p53細胞的細胞周期停滯在G1期,而不表達p53的細胞則發生細胞轉化[14-15]。細胞周期分為分裂間期與分裂期,分裂間期又可分為G1期(DNA合成前期)、S期(DNA合成期)、G2期(DNA合成后期),細胞分裂前期即M期,為細胞由1個母細胞分裂成2個子細胞的過程。癌基因Ras激活衰老通路一方面是通過絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)信號轉導通路促進細胞周期在G1期停滯[16]。另一方面,癌基因Ras還可激活DNA損傷應答(DDR),細胞中異常表達的Ras可直接或間接引起DNA雙鏈斷裂,雙鏈斷裂的DNA累積到一定程度即可激活ATM/ATR-p53通路,誘導細胞衰老,引起衰老相關的細胞生長停滯[17]。

2 p16-Rb相關信號通路

p16參與細胞衰老主要與Rb信號通路有關,p16通過抑制細胞周期蛋白和CDK構成的復合物對Rb蛋白的磷酸化作用,從而抑制Rb蛋白結合E2Fs轉錄因子,抑制DNA復制相關基因的轉錄。Rb信號通路抑制CDK的活性,誘導細胞周期在G1期停滯,這一轉錄過程對于細胞周期由G1期到S期的轉變至關重要[18]。此外,p16的表達受Rb的調控,Rb磷酸化會引起p16表達的上調,而表達上調后的p16又會抑制CDK的活性,進而引起去磷酸化的Rb增加,增加的去磷酸化的Rb又可引起p16表達下降,這樣在Rb與p16之間存在一種負反饋的調節機制[19-20]。多項研究還探討了除Rb以外是否還有其他機制調控p16的表達,結果顯示，在不表達Rb的細胞中亦能檢測到p16表達增加[21],說明還有其他調控機制存在,但目前尚未完全闡明。

3 SKP2-p27相關信號通路

SKP2可誘導細胞發生衰老,這一過程不依賴于p53或p16相關信號通路,SKP2的表達降低或失活通常伴隨著p27與FoxO3a的表達上調,促進細胞衰老。衰老刺激物視網膜血管瘤抑制因子(von hippel lindau tumor suppressor, VHL)失活可引起SKP2的表達降低,進而增加p27的表達,從而誘導細胞衰老[22]。第10號染色體缺失的磷酸酶和張力蛋白同源基因Pten蛋白與SKP2的共同失活可引起p27表達增加,誘導細胞發生衰老。

4 核因子(NF)-κB信號通路

轉錄因子蛋白家族NF-κB激活后參與氧化應激、免疫、炎癥、細胞增殖、凋亡、衰老等多種病理生理性的基因轉錄調控過程。研究證實NF-κB有一個由300個氨基酸構成的高度保守的REL同源結構域,其蛋白家族成員包括p50、p52、rel、rel-A以及rel-B[23]。NF-κB信號通路在炎性衰老的發生發展中具有重要作用,當細胞受到內外界各種衰老相關刺激后,NF-κB信號通路被激活,活化的NF-κB進入細胞核內并與DNA結合,參與細胞內的免疫反應。研究證實,多種老年退行性疾病的發生均與NF-κB調控的衰老信號通路密切相關。阿爾茨海默病的發生是由于沉默信息調節因子2相關酶1(Silent mating type information regulation 2 homolog-1, SIRT1)抑制NF-κB信號通路從而抑制小神經膠質細胞對β-淀粉樣蛋白(Aβ)毒素的依賴,Aβ沉積是阿爾茨海默病的典型病理特征[24-25]。

5 雷帕霉素靶蛋白(mTOR)信號通路

哺乳動物mTOR是一種高度保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶,是細胞內重要的壽命調控信號轉導通路。mTOR信號通路調控細胞生長增殖,分為PI3K/Akt/mTOR傳統信號途徑和LKB1/AMPK/mTOR非傳統信號途徑[26]。研究顯示,通過抑制mTOR信號通路,生物體對環境的抗壓能力增強,可延長生物體壽命,并且mTOR信號通路在卡路里限制飲食所致的壽命延長過程中發揮重要作用。

總之,隨著社會人口老齡化的加劇,衰老相關性疾病發病率愈來愈高,給家庭、社會帶來極大的負擔,積極探索衰老相關機制、探索延緩衰老的措施對于提高老年人的生活質量具有重要意義。衰老是由多種因素共同作用的結果,近年來隨著人們對衰老及衰老相關機制的不斷研究,關于衰老的相關信號通路也得到了比較深入的研究,對臨床治療衰老相關性疾病具有重要的意義。