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朱欽士 （美國南加州大學醫(yī)學院）

（上接2020年第12 期第11 頁）

9 生長激素與壽命的關(guān)系

脊椎動物的身體構(gòu)造比無脊椎動物復雜，原來促進生長的基因（例如，胰島素和胰島素樣生長激素IGF-1）已不夠用，于是脊椎動物還發(fā)展出生長激素（growth hormone，GH），專門負責動物的生長。生長激素是由腦垂體前葉 （anterior pituitary gland）分泌的一種多肽激素，能加速合成反應，促使細胞增殖和身體生長，成年后的身高也與生長時期生長激素的水平密切相關(guān)。

生長激素除了直接促進生長外，還能刺激肝臟生產(chǎn)IGF-1，因此和胰島素／IGF-1 信號通路相聯(lián)系，即與壽命相關(guān)。血液中生長激素水平高意味著血液中IGF-1 濃度也較高，對動物的壽命有負面的影響。例如，超量表達牛生長激素的轉(zhuǎn)基因小鼠提前出現(xiàn)衰老跡象，包括生殖周期縮短、腎臟提前出現(xiàn)病變、認知能力加速下降、血液中皮質(zhì)類固醇水平異常等，使這些轉(zhuǎn)基因小鼠的壽命明顯縮短。腦垂體被切除后，不能再分泌生長激素的小鼠血液中IGF-1 濃度低，壽命延長；給予這些小鼠生長激素又會使其壽命縮短。

前文談及體型小的狗比體型大的狗活得久，一個重要原因就是血液中生長激素的水平低。低濃度的生長激素除了使這些狗體型較小，同時也使血液中IGF-1 的濃度較低，延長小型狗的壽命。類似的現(xiàn)象在小鼠、大鼠、馬身上也被發(fā)現(xiàn)，即在同類動物中，體型較小的動物壽命較長。

人的高度與壽命的關(guān)系比較復雜，因為人類的生存環(huán)境與動物相比已有很大的不同，影響壽命的因素也很多，早期關(guān)于身高和壽命關(guān)系的研究常得出互相矛盾的結(jié)論。在過去的幾十年中，由于營養(yǎng)狀況的不斷改善，人的身高也不斷增加，年輕一代普遍比父母長得高，要研究身高與壽命的關(guān)系，不能用縱向比較的方式，而要橫向比較同一時代，各種條件彼此相似的人。近年來的大量研究表明，人的身高與其他動物一樣，也與壽命呈負相關(guān)的關(guān)系，即身體越高，由于各種原因?qū)е碌乃劳雎试礁撸瑝勖蕉獭?/p>

北歐國家的人普遍比南歐國家的人高。例如，瑞典人和挪威人的平均身高約177.8 cm，而西班牙人和葡萄牙人高的平均身高約165.1 cm。如果將歐洲國家按照人的平均身高分為南、北兩半，每百萬人中百歲以上老人的數(shù)量，在身高比較低的國家中為75 人，在身高較高的國家中只有48 人。在日本，百歲以上老人的平均身高比活75 歲以下的人約低10 cm。

據(jù)美國加州圣地亞哥（San Diego）已死亡的退伍軍人的資料，身高等于或低于175.3 cm 的人比身高等于或高于182.9 cm 的人多活7.46年。

對2 600 位芬蘭運動員的研究表明，滑雪運動員的平均身高比籃球運動員約低15 cm，平均壽命也比籃球運動員長近6 歲。即使同為籃球運動員，在3 091 位美國國家籃球協(xié)會（National Basketball Association，NBA）和美國籃球協(xié)會（American Basketball Association，ABA）的運動員中，身高在最低的5%中的運動員平均壽命為75.1 歲，而身高在最高的5%中運動員，平均壽命為56.6 歲。

對美國144 701 位更年期后婦女的調(diào)查表明，身高和癌癥發(fā)生率正相關(guān)。個子較高的婦女患多種癌癥的幾率都較高，包括甲狀腺癌、直腸癌、結(jié)腸癌、腎癌、子宮癌、卵巢癌、乳腺癌、黑色素瘤。

當然，這不是說身材高的人就一定壽命比較短，身材矮的人就一定長壽。除了基因的多態(tài)性，生活環(huán)境、生活習慣（包括飲食習慣）、體重指數(shù)（特別是腰圍）、精神狀態(tài)等都對壽命有很大的影響?；蝾愋汀昂谩钡娜耍绻蛔⒁庾约旱慕】?、心態(tài)不好，“好”的基因類型也不能發(fā)揮作用。而基因類型不那么“好”的人，如果生活習慣好、樂觀開朗，也可長壽。

生長激素是從“上游”影響胰島素/類胰島素信號傳遞鏈的。除了生長激素，胰島素/IGF-1 信號傳遞鏈還在“中下游”與另一條與壽命有關(guān)的信息傳遞鏈相連，這就是雷帕霉素靶蛋白（mTOR）信息通路。

10 雷帕霉素靶蛋白（mTOR）信息通路

這條信息通路不是通過基因突變發(fā)現(xiàn)的，而是對一種免疫抑制劑的研究而被揭示的。

1964年，一支加拿大的遠征隊采集了復活節(jié)島（Easter Island）上的土壤樣品，用于提取有藥用效果的微生物。隨后，在加拿大蒙特利爾Ayerst 實驗室（Ayerst Research Lab in Montreal，Canada）工作的印度裔科學家Surendra Nath Sehgal（1932—2003）從這些土壤樣品中提取到了一種稱為“吸水鏈霉菌”（Streptomyces hygroscopicus）的細菌，這種細菌能分泌一種物質(zhì)，抑制真菌（例如，白色絲酵母Candida albicans）的生長。由于復活節(jié)島在當?shù)夭ɡ嵛鱽喺Z（Polynesian）中稱為Rapa Nui，這種物質(zhì)也就被命名為Rapamycin，在中國譯為“雷帕霉素”。

青霉素（penicillin）是由真菌分泌對抗細菌的物質(zhì)，而雷帕霉素相反，是由細菌分泌對抗真菌的物質(zhì)。生物之間的斗爭沒有高低之分。

除了能抑制真菌生長，雷帕霉素還能抑制動物的免疫功能和抑制癌細胞生長，并且被美國食物和藥品管理局（FDA）批準用于抑制腎移植后的排斥反應，盡管當時雷帕霉素的工作原理尚不清楚。至1994年，結(jié)合雷帕霉素的蛋白質(zhì)才被發(fā)現(xiàn)，被命名為“雷帕霉素靶蛋白”，在哺乳動物中的這種蛋白的名稱為mTOR （mammalian target of Rapamycin）。

雷帕霉素不僅能在腎移植者中降低排斥反應，還能減少這些人體內(nèi)的脂肪儲存，降低癌癥發(fā)生率。在動物實驗中，雷帕霉素能延長各種動物的壽命，從酵母、線蟲、果蠅到小鼠都如此，這使人們對mTOR 的興趣大增。

研究發(fā)現(xiàn)，mTOR 是一種蛋白激酶，能使其他蛋白分子磷酸化以調(diào)節(jié)它們的功能。但mTOR 并不單獨行動，而是存在于2 種不同的蛋白復合物中作為它們的催化亞基。一種復合物稱為mTORC1，含有Raptor 等亞基；另一種復合物稱為mTORC2，含有Rictor 等亞基。

mTORC1 使細胞合成更多的核糖體，并且活化激酶S6K（使核糖體中S6 蛋白磷酸化的酶），以促使細胞生產(chǎn)更多的蛋白質(zhì)，同時抑制自噬（autophage）作用，減少細胞中蛋白質(zhì)的更新速度。mTORC1 還促進脂肪酸的合成，使動物儲存更多的脂肪。因此，mTORC1 的作用與生長激素——胰島素／IGF-1 信號通路活性高時（即FOXO 蛋白的活性被抑制時）的效果類似，而與FOXO 蛋白的功能相反。雷帕霉素能抑制mTORC1 的活性，從而延長動物的壽命。

mTORC1 的活化是一個很復雜的過程，需要從胰島素／IG-1 信號通路中得到信號時才能被活化；而且與胰島素／IGF-1 信號通路的活化需要充足的營養(yǎng)物一樣，mTORC1 的活化也需要充足的營養(yǎng)物，特別是氨基酸的存在。因此，mTORC1 信號通路和胰島素／IGF-1 信號通路分別用自己的方式感知營養(yǎng)物的存在狀況。在營養(yǎng)物充足時促進營養(yǎng)物的利用和儲存，加快細胞的生長和繁殖，只是mTORC1 還需要從胰島素／IGF-1 信號通路再次得到營養(yǎng)物充足的“證實”信號，即需要“雙保險”。

mTORC1 從胰島素／IGF-1 信號通路得到信息的方式是通過激酶AKT-1。AKT-1 這個名稱來自從Ak 品系的小鼠身上提取到的具轉(zhuǎn)化（transformation，即使細胞狀態(tài)發(fā)生改變例如癌變）功能的病毒中所含的致癌基因的名稱v-Akt，其中v代表病毒（virus），t 代表transformation。AKT-1 是胰島素／IGF-1 信號傳遞鏈中的一個重要成分，它從PI3K 接收信息（即被PI3K 磷酸化）而被活化，活化的AKT-1 又使FOXO 蛋白磷酸化，移出細胞核而失去功能。AKT-1 激酶不僅能抑制FOXO 蛋白的功能，還能活化mTORC1，使胰島素／IGF-1信息通路的信息被傳遞到mTORC1 上，開啟另一條功能類似的信息通路，以增加胰島素／IGF-1 通路的效果。

AKT-1 并不是直接使mTORC1 活化，而是解除對mTORC1 的抑制。mTORC1 是被一種稱為RHEB（ras homolog enriched in brain）的蛋白活化的，在沒有胰島素／IGF-1 信號通路的信息時，RHEB 被TSC1／TSC2 復合物（tuberous sclerosis complex genes 1 and 2）所抑制，不能活化mTORC-1；在胰島素／IGF-1 信號通路被活化時，AKT-1 使TSC1／TSC2復合物磷酸化，失去抑制RHEB 的功能，使mTORC1 能被RHEB 活化。

但僅解除TSC1／TSC2 復合物的抑制作用還不夠。mTORC1 被RHEB 活化是在溶酶體表面進行的，RHEB 由于含有一個親脂的法尼基（Farnesyl）而附著在溶酶體的膜上，在缺乏營養(yǎng)物例如氨基酸的情況下，mTORC-1 卻并不在溶酶體膜上，所以與RHEB“無緣相見”，也不能被活化。在有氨基酸（特別是亮氨酸和精氨酸）存在時，細胞里有蛋白與這些氨基酸結(jié)合，例如，蛋白SESTRIN2 結(jié)合亮氨酸，蛋白CASTOR1／2 結(jié)合精氨酸，這些結(jié)合了氨基酸的蛋白使蛋白復合物PPAR A／B 結(jié)合GTP，結(jié)合了GTP 的PPAR A／B 復合物與mTORC1 中的Raptor蛋白相作用，使mTORC1 移動至溶酶體的表面，被RHEB 活化。

mTORC2 調(diào)節(jié)細胞中由肌纖蛋白（actin）組成的細胞骨架的結(jié)構(gòu)，影響細胞的極性。更重要的是，mTORC2 也從胰島素／IGF-1 信號通路得到信息，并將信息反饋給胰島素／IGF-1 信號通路。與mTORC1 被AKT-1 活化不同，mTORC2 是被AKT-1上游的分子PIP3 活化的（見上一節(jié)，胰島素／IGF-1信號通路）。在食物缺乏、胰島素／IGF-1 信號通路沒有被激活的情況下，激酶PI3K 沒有活性，沒有PIP3 生成。這時mTORC2 中mTOR 的激酶活性被這個復合物中的亞基SIN1（stress activated protein kinase interacting protein 1）所抑制；在食物充足、胰島素／IGF-1 信號通路被激活的情況下，PIP3 生成，PIP3 與SIN1 蛋白亞基相作用，解除它對mTOR的抑制，釋放其激酶活力?；罨膍TORC2 能使胰島素／IGF-1 信號通路中的胰島素受體、IGF-1 受體和AKT-1 激酶進一步磷酸化，將這些蛋白的活性提到更高的程度，以“正反饋”的方式增強胰島素／IGF-1 信號通路的作用。

因此，胰島素／IGF-1 信號通路和mTOR 信號通路是2 條并行的信號傳遞鏈，各自都有被豐富的食物活化的機制，生理效果也彼此相似，都是在營養(yǎng)物質(zhì)豐富時增加生物的合成作用，促進動物的生長發(fā)育，同時抑制動物抵抗逆境的能力，使動物的壽命相對較短，增加生物更新?lián)Q代的速度。但mTOR 路線的活化需要從胰島素／IGF-1 信號通路得到信號，否則靠自身對食物狀況的感知還不足以啟動。mTORC1 從AKT-1 那里得到胰島素／IGF-1 信號通路的信號，增強胰島素／IGF-1 信號通路的作用；而mTORC2 從PIP3 那里得到信號，又將信號反饋回胰島素／IGF-1 信號通路。胰島素／IGF-1 信號通路和mTOR 信號通路就這樣彼此獨立，又互相依存，共同負擔感知營養(yǎng)狀況，并根據(jù)營養(yǎng)狀況決定動物反應的任務。由于這2 條信號通路都能促使動物生長，同時又使動物的抵抗力降低，壽命較短，降低這2 條通路的活性都能延長動物的壽命。

從這些例子說明，信息傳遞鏈中信息傳遞的方式是很靈活的：可直接活化，這通常是通過底物分子的磷酸化，例如，IGF-1 受體使PI3K 磷酸化而被活化，PI3K 又使AKT-1 磷酸化而被活化；也可通過磷酸化而抑制，例如，AKT-1 使FOXO 蛋白磷酸化而失去作用；還可使抑制物被抑制，用“負負得正”的方式達到活化的目的，例如，AKT-1使TSC1／TSC2 復合物磷酸化，失去抑制RHEB 的功能，達到活化RHEB 的目的；PIP3 解除SIN1 對mTOR 的抑制，使mTORC2 被活化，也是“負負得正”的例子。通過這些復雜的步驟，充足的營養(yǎng)物都能使胰島素／IGF-1 信號通路和mTORC1 信號通路得以活化，加速動物的生長繁殖，同時降低動物的抵抗能力，縮短動物的壽命。

這2 條通路都是在食物充足的情況下被活化的，都縮短動物的壽命。是否有直接感知食物不足，從而使動物在食物不足的情況下作出反應，同時延長動物壽命的信號通路？

1935年，美國康奈爾大學（Cornell University）的Clive Maine McCay（1898—1967）發(fā)現(xiàn)，對大鼠限食，即將食物供給量控制在隨意進食時的60%～70%，能使大鼠的壽命幾乎加倍。這是一項意義重大的發(fā)現(xiàn)，是對Kirkwood 資源分配說的致命打擊，也促使人們對限食延長壽命的機制進行研究。這些研究發(fā)現(xiàn)，減少動物的進食量，但又不到營養(yǎng)不良的程度，可延長各種生物的壽命，包括酵母、線蟲、果蠅、哺乳動物（大鼠和小鼠），甚至靈長類動物（恒河猴rhesus monkeys）。在哺乳動物中，限食可延遲伴隨著年齡增長而出現(xiàn)的疾病，例如，糖尿病、心血管病和癌癥等病癥。由于在限食中總熱量是最重要的因素，這種通過非基因手段而延長動物壽命的方法又被稱為“熱量限制”（caloric restriction，簡稱CR）。有2 條信號通路與CR 延長壽命的作用有關(guān)，AMPK 信號通路和Sirtuin 信號通路。

11 AMPK 信號通路

當食物不足時，動物細胞內(nèi)合成高能分子ATP（三磷酸腺苷）的“燃料”缺乏，使ATP 的合成減少。ATP 在“交出”能量后，會變?yōu)锳DP（二磷酸腺苷）和AMP（一磷酸腺苷）。ATP 合成的減少，會增加AMP／ATP 的比值或ADP／ATP 的比值。

AMP／ATP 比值或ADP／ATP 比值的增加，會被“AMP 依賴的蛋白激酶”（AMP dependent protein kinase，AMPK）所感知。AMPK 由3 個亞基組成，其中α 亞基具有激酶活性，β 亞基和γ 亞基起調(diào)節(jié)作用。當2 分子AMP 或ADP 結(jié)合到γ 亞基上時，AMPK 的形狀會發(fā)生變化，激活α 亞基的蛋白激酶的活性，相當于告訴細胞：“能量不足”，促使細胞發(fā)生一系列的變化，幫助細胞度過逆境。AMPK在各種生物中廣泛存在，從酵母到人，其結(jié)構(gòu)高度一致，是調(diào)節(jié)能量代謝狀況的重要蛋白。

AMPK 能增加細胞對葡萄糖和脂肪酸的攝取與氧化，以增加ATP 的合成；同時抑制各種耗費能量的合成活動（例如，抑制蛋白、甘油三脂和膽固醇的合成），以減少ATP 的消耗。同時，AMPK還抑制胰島素／IGF-1 信號通路和mTOR 信號通路以達到減少消耗、增加細胞在逆境中生存能力的目的。

例如，AMPK 能使胰島素／IGF-1 信號通路中的FOXO3 蛋白磷酸化，但與FOXO 蛋白被AKT-1磷酸化后從細胞核中轉(zhuǎn)移至細胞質(zhì)中，從而失去功能不同，F(xiàn)OXO 蛋白被AMPK 磷酸化是在不同的氨基酸殘基上，這些磷酸化的作用不會影響FOXO蛋白在細胞核中的位置，反而會增加FOXO 結(jié)合DNA 的能力，發(fā)揮更大的作用。如前所述，F(xiàn)OXO蛋白是哺乳動物抵抗逆境的“主控開關(guān)”，能增加細胞的抗氧化能力和修復DNA 損傷的能力、促進自噬活動、將葡萄糖的代謝方式從酵解轉(zhuǎn)換為氧化磷酸化，增加葡萄糖利用的效率、并且動用脂肪酸作為細胞的能源、延緩細胞進入分裂周期，降低細胞繁殖的速度等。這些活動許多靠AMPK 自身的活性也可直接完成，但借助FOXO 蛋白，AMPK的作用可被放大。

AMPK 可直接使mTORC1 復合物中的Raptor亞基磷酸化，讓mTORC1 中α 亞基的激酶作用無從發(fā)揮。AMPK 還能使mTORC1 的抑制物TSC1／TSC2 中的TSC2 磷酸化，增強TSC1／TSC2 對mTORC1 的抑制作用。AMPK 的這2 個作用都能降低mTORC1 的活性，抵消mTORC1 促進合成反應和加快細胞生長的作用。

由于AMPK 有與胰島素／IGF-1 信號通路和mTOR 信號通路相反的作用，而且還可抑制這2條使動物壽命縮短的信息通路，而與延長動物壽命的FOXO 蛋白的功能相似，因此，提高動物中AMPK 的活性可延長動物的壽命。例如，在線蟲和果蠅中超量表達AMPK 會使這些動物活得更長；敲除小鼠的AMPK 中α 亞基的基因，小鼠的壽命就縮短。治療Ⅱ型糖尿病的藥物“二甲雙胍”（metformin）能在不增加AMP／ATP 比值的情況下增加AMPK 的活性，延長動物的壽命。因此，AMPK 與FOXO 蛋白一樣，是動物的“延壽蛋白”。

AMPK 還有一個重要功能，就是能活化另一個“延壽蛋白”Sirtuin，進一步增強其作用。

12 Sirtuin 信號通路

當食物不足時，動物的細胞內(nèi)還會發(fā)生另一個變化，就是氧化程度增加。食物除了供給能量，還通過脫氫酶將氧化型的“煙酰胺腺嘌呤二核苷酸”（nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+）轉(zhuǎn)換為還原型的NADH，給合成反應提供氫原子。在食物供給不足時，NADH 的濃度會降低，而NAD+的濃度增加，使細胞內(nèi)NAD+／NADH 的比值增加。這個比值的變化也是可被細胞感知的。

NAD+濃度增加時，會使“依賴于NAD+的蛋白去乙酰化酶”（NAD-dependent protein deacetylases）被激活。這個酶的基因最先是在酵母的突變體中被發(fā)現(xiàn)的，由于它有使一些酵母基因“沉默”（silence）的作用，被稱為silent information regulator 2，簡稱sir2。sir2 能除去蛋白分子中與賴氨酸殘基相連的乙?；允且环N去乙?；?，但是與其他單純除去乙酰基的去乙?；覆煌?，sir2除去乙?；鶗r還需要NAD+的參與，即將乙?；D(zhuǎn)移到NAD+分子中的核糖上，使NAD+分解為煙酰胺（nicotinamide）和氧-乙 酰ADP 核糖（O-acetylADP-ribose）。sir2 的活性需要NAD+的參與，就使得sir2 蛋白能感知細胞中NAD+／NADH 的比值，即感知細胞的能量狀態(tài)。

在除去蛋白分子中的乙?；?，賴氨酸殘基側(cè)鏈上的正電荷就被暴露，使蛋白質(zhì)的性質(zhì)發(fā)生變化，例如，活性增加或降低、在細胞中的位置的變化、更穩(wěn)定或更不穩(wěn)定、與其他分子相互作用方式的改變等，是調(diào)節(jié)蛋白功能的又一種手段。如果被除去乙?；牡鞍资桥cDNA 結(jié)合的組蛋白，由于組蛋白的正電荷增多，就會增強與帶負電的DNA 結(jié)合，染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)會更為緊密，使許多轉(zhuǎn)錄因子無法結(jié)合到基因的啟動子上，使得許多基因被關(guān)閉。

增加酵母中這個酶基因的拷貝數(shù)可延長酵母的壽命30%左右，而敲除這個基因會使酵母的壽命縮短。sir2 延長壽命的效果隨后也在線蟲（Caenorhabditis elegans）和果蠅（Drosophila melanogaster）中被觀察到。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，所有的生物都含有這個基因，改稱為Sirtuin，簡稱SIRT。人體有7 種SIRT 蛋白，分別稱為SIRT1～SIRT7，其中SIRT1 與酵母的sir2 蛋白最為相似，也是被研究得最詳細的。在小鼠腦中超量表達SIRT1 能延長小鼠的壽命，還防止吃得過飽的小鼠壽命縮短。除去動物的SIRT1 蛋白，限食就不再能延長這些動物的壽命。這些結(jié)果說明，從酵母、線蟲、果蠅到哺乳動物，SIRT 蛋白都起到“長壽蛋白”的作用。

與FOXO 蛋白和AMPK 的作用類似，SIRT 蛋白能增加線粒體的數(shù)量和氧化磷酸化的活性，合成更多的ATP；SIRT 蛋白增加細胞的抗氧化能力，使細胞更加能抵抗逆境。SIRT 蛋白還能抑制β-連蛋白（β-catenin）的功能，除去生癌蛋白MYC上的乙酰基而降低其活性，因此，SIRT 蛋白還有抵御癌癥發(fā)生的作用。

SIRT 蛋白還能活化AMPK，增加FOXO 蛋白的活性，同時抑制mTORC1 信號通路，進一步增強細胞在逆境下的生存能力。

白藜蘆醇（resveratrol）是存在于紅酒（實為釀紅酒的葡萄，特別是葡萄皮）、藍莓和花生中的一種化合物，能活化SIRT1 和AMPK，因而能在不限食的情況下模擬限食的效果，延長酵母、線蟲和果蠅的壽命。

（待續(xù)）