細(xì)胞衰老的端粒DNA和核糖體DNA共調(diào)控假說(shuō)

黃必錄（上海世鵬實(shí)驗(yàn)室科技發(fā)展有限公司，上海 200120）

細(xì)胞發(fā)生的各種功能減退并趨向死亡的現(xiàn)象稱“細(xì)胞衰老”。細(xì)胞衰老的過(guò)程就是細(xì)胞生命活力退化和功能改變的過(guò)程，而生命活力退化主要與管家基因轉(zhuǎn)錄活性逐漸下降有關(guān)，功能改變與少數(shù)基因轉(zhuǎn)錄活性上升有關(guān)。那么，個(gè)體和細(xì)胞是如何衰老的？

1 個(gè)體衰老原因

個(gè)體是由成體干細(xì)胞和功能細(xì)胞組成的。由年輕的成體干細(xì)胞分化補(bǔ)充的功能細(xì)胞是年輕的功能細(xì)胞，個(gè)體就會(huì)顯得年輕；由衰老的成體干細(xì)胞分化補(bǔ)充的功能細(xì)胞是衰老的功能細(xì)胞，個(gè)體就會(huì)顯得衰老。因此，造成個(gè)體衰老的原因，歸根結(jié)底是由成體干細(xì)胞本身衰老造成的[1-2]，而非干細(xì)胞數(shù)量的減少，因?yàn)槔夏陚€(gè)體中的毛囊干細(xì)胞數(shù)量不變，造血干細(xì)胞數(shù)量反而是年輕個(gè)體的5～20倍。據(jù)此，只要找到導(dǎo)致細(xì)胞衰老的原因，就能讓衰老的細(xì)胞或個(gè)體返老還童。

2 衰老理論已進(jìn)入死胡同

衰老理論或?qū)W說(shuō)至今已有300多個(gè)，但卻沒(méi)有一個(gè)能自圓其說(shuō)。

2.1 端粒學(xué)說(shuō)

主流觀點(diǎn)認(rèn)為，Hayflick界限是由端粒長(zhǎng)度決定的。然而，人端粒酶催化亞基（hTERT）基因轉(zhuǎn)染視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞或成纖維細(xì)胞，細(xì)胞只能倍增20多次[3]；約翰·拉穆納斯等[4]將hTERT modRNA遞送到成纖維細(xì)胞瞬間延伸端粒，即使多次延伸端粒，細(xì)胞最終都會(huì)衰老。至于為什么，他們認(rèn)為可能是由于細(xì)胞積累了非端粒的DNA損傷。然而，HeLa細(xì)胞也會(huì)迅速積累非端粒的DNA損傷[5]，但HeLa細(xì)胞的分裂次數(shù)仍然是無(wú)限的。說(shuō)明端粒縮短不是導(dǎo)致細(xì)胞衰老和Haiflick界限的惟一原因，DNA損傷也不會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞衰老。

2.2 核糖體DNA（ribosomal DNA，rDNA）學(xué)說(shuō)

①1997年，Sinclair等[6]認(rèn)為，酵母細(xì)胞積累染色體外環(huán)形rDNA（extrachromo-somal DNA circle，ERC）是導(dǎo)致衰老的原因。然而，有一種ERC水平?jīng)]有升高的酵母菌株壽命反而更短[7]，說(shuō)明細(xì)胞衰老并非是由ERC積累造成的；②只有20和40個(gè)拷貝rDNA的酵母菌株，基因組整體會(huì)變得不穩(wěn)定性，據(jù)此認(rèn)為低拷貝數(shù)的rDNA導(dǎo)致的基因組的不穩(wěn)定性是導(dǎo)致酵母細(xì)胞衰老的原因[8]。然而，衰老的野生型酵母菌株，仍然還有100個(gè)rDNA拷貝，說(shuō)明酵母細(xì)胞衰老并非是基因組的不穩(wěn)定性造成的；③由于細(xì)胞衰老過(guò)程蛋白質(zhì)合成速率是逐漸下降的，而且蛋白質(zhì)合成過(guò)程需要消耗核糖體RNA（ribosomal RNA，rRNA），況且轉(zhuǎn)錄成rRNA的rDNA是多拷貝的，其拷貝數(shù)也會(huì)隨著細(xì)胞衰老而逐漸減少。那么，導(dǎo)致細(xì)胞衰老過(guò)程蛋白質(zhì)合成速率下降的原因，是不是因?yàn)閞DNA拷貝數(shù)減少而引起rRNA供不應(yīng)求？為此，1972年，Johnson等[9]就提出了細(xì)胞衰老的rDNA的選擇性丟失學(xué)說(shuō)。然而Johnson的觀點(diǎn)也是錯(cuò)誤的，因?yàn)樵诤?0個(gè)拷貝和140個(gè)拷貝rDNA的啤酒酵母細(xì)胞中，rRNA含量幾乎是相同的。

2.3 表觀遺傳學(xué)說(shuō)

DNA甲基化水平會(huì)隨著年齡或細(xì)胞分裂次數(shù)的增加而下降，據(jù)此認(rèn)為DNA甲基化水平下降是導(dǎo)致細(xì)胞衰老的原因。然而，秀麗隱桿線蟲(chóng)等少數(shù)動(dòng)物中并不存在DNA胞嘧啶甲基化現(xiàn)象。還有，細(xì)胞的轉(zhuǎn)分化和重編程都會(huì)改變DNA甲基化模式和染色質(zhì)修飾，然而，惟有重編程才能讓細(xì)胞返老還童。至于原因筆者認(rèn)為是因?yàn)橹鼐幊痰募?xì)胞同時(shí)有端粒等重復(fù)序列DNA的拷貝數(shù)重置，而轉(zhuǎn)分化細(xì)胞沒(méi)有，說(shuō)明導(dǎo)致細(xì)胞衰老的原因不在于DNA甲基化模式或染色質(zhì)的修飾的改變。

2.4 自由基學(xué)說(shuō)

考慮到被自由基破壞掉的大分子會(huì)很快被更新，因此，一定水平的自由基不一定會(huì)導(dǎo)致衰老，甚至有意想不到的好處。例如，有人發(fā)現(xiàn)百草枯會(huì)產(chǎn)生超氧化物和過(guò)氧化氫，但濃度為0.01～0.1 mmol/L的百草枯處理線蟲(chóng)不但不會(huì)縮短壽命，而且還使壽命最高延長(zhǎng)了58%。

2.5 衰老基因?qū)W說(shuō)

人體衰老過(guò)程，是生理生化不斷變化的過(guò)程，而衰老過(guò)程一些所謂的與衰老有關(guān)的衰老基因或長(zhǎng)壽基因的排列、拷貝數(shù)都沒(méi)有發(fā)生任何變化，因此，衰老的根本原因不是基因出了問(wèn)題，基因僅僅是影響衰老快慢的眾多因素之一。據(jù)此說(shuō)明，在因果關(guān)系中，衰老細(xì)胞炎癥因子基因的高表達(dá)不是細(xì)胞衰老的原因，而是結(jié)果。

2.6 代謝殘?jiān)e累學(xué)說(shuō)

上個(gè)世紀(jì)60年代，Hayflick把年輕的細(xì)胞核植入去核的衰老的細(xì)胞質(zhì)中，結(jié)果細(xì)胞恢復(fù)了分裂，說(shuō)明決定細(xì)胞衰老的部位是細(xì)胞核，而非細(xì)胞質(zhì)。提示了在億萬(wàn)年的演化過(guò)程中，個(gè)體和細(xì)胞早已經(jīng)形成了完善的防御系統(tǒng)，對(duì)代謝廢物、突變的線粒體、交聯(lián)的大分子等的代謝殘?jiān)寄軌蜻M(jìn)行選擇性地清除掉。因此，在導(dǎo)致細(xì)胞衰老的因果關(guān)系中，代謝殘?jiān)姆e累不是導(dǎo)致細(xì)胞衰老的原因，而是細(xì)胞衰老產(chǎn)生的結(jié)果。筆者在2002年4月1日科技日?qǐng)?bào)發(fā)表的《我們能長(zhǎng)生不老嗎》曾指出：“異?；蚴У木€粒體會(huì)被溶酶體識(shí)別吞食”。溶酶體選擇性吞食線粒體稱“線粒體自噬”（mitophagy），這一名詞由Lemasters[10]于2005年提出。還有很多衰老學(xué)說(shuō)也是錯(cuò)誤且漏洞百出的（由于篇幅有限，不在此贅述），因此迫切需要推出全新的衰老學(xué)說(shuō)。

調(diào)控細(xì)胞分裂次數(shù)和衰老的底層物質(zhì)是什么？由于細(xì)胞衰老過(guò)程是一種逐漸發(fā)生穩(wěn)定的差異過(guò)程，而組蛋白、RNA等組份降解多少就能補(bǔ)充多少，以及大部分的DNA在一個(gè)生命周期中的排序和拷貝數(shù)都沒(méi)有發(fā)生改變，因此，決定細(xì)胞衰老和分裂次數(shù)的底層裝置只能是拷貝數(shù)可變的重復(fù)DNA[1]。

3 細(xì)胞衰老的主要表現(xiàn)

細(xì)胞衰老過(guò)程的表現(xiàn)是各種各樣的，但總結(jié)起來(lái)主要有5大特征：①染色質(zhì)逐漸固縮化或稱“衰老相關(guān)異染色質(zhì)聚集”。例如，在體外培養(yǎng)的細(xì)胞中，晚代細(xì)胞的細(xì)胞核里可以明顯地看到染色質(zhì)的固縮化，而早代只有輕微的固縮。②細(xì)胞的總蛋白質(zhì)合成速率逐漸下降。例如，和年輕大鼠相比，老年大鼠淋巴細(xì)胞的rRNA與信使RNA和蛋白質(zhì)合成下降了近20倍。③在同一種分化的細(xì)胞，基因表達(dá)譜會(huì)隨著年齡的增長(zhǎng)而逐步改變，因此，從胚胎到成年和老年過(guò)程的個(gè)體發(fā)育、成熟和衰老的本質(zhì)就是早中晚三個(gè)不同基因群程序化表達(dá)的結(jié)果[11]。例如，肝細(xì)胞在胎兒期表達(dá)早期基因群，如甲胎蛋白等，而不表達(dá)白蛋白；出生后停止表達(dá)甲胎蛋白，轉(zhuǎn)而表達(dá)中期基因群，如白蛋白等；老年期逐漸停止表達(dá)白蛋白，轉(zhuǎn)而表達(dá)晚期基因群，如衰老標(biāo)志蛋白2等。④線粒體生產(chǎn)三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）速率逐漸下降[12]。⑤新陳代謝率逐漸下降。總之，與年輕細(xì)胞相比，衰老細(xì)胞的總蛋白質(zhì)合成速率和線粒體生產(chǎn)ATP速率都是下降的，這就是引起細(xì)胞衰老的主要原因，因?yàn)榫S持細(xì)胞的三維結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)、分裂、分化和新陳代謝都需要消耗蛋白質(zhì)（酶）和ATP。

細(xì)胞總蛋白質(zhì)合成速率的下降是由染色質(zhì)固縮化造成的，因?yàn)槿旧|(zhì)固縮化不利于DNA轉(zhuǎn)錄。而染色質(zhì)固縮化主要是由染色質(zhì)中的組蛋白乙酰化、磷酸化等修飾水平下降造成的?；虮磉_(dá)譜的改變與轉(zhuǎn)錄因子變化和染色質(zhì)中的DNA及組蛋白的各種化學(xué)修飾差異和水平改變有關(guān)。新陳代謝率下降與總蛋白質(zhì)和ATP的合成速率下降有關(guān)。因此，尋找細(xì)胞衰老機(jī)制主要集中在染色質(zhì)的組蛋白各種修飾水平的調(diào)控和線粒體合成ATP速率的調(diào)控。

4 細(xì)胞衰老的端粒DNA和rDNA共調(diào)控假說(shuō)

組蛋白去乙酰化酶（histone deacetylases，HDACs）有3類，I類包括酵母和果蠅RPD3、HDA1和HST2，人HDAC1-3和HDAC8；II類 包 括HDAC4、5、6、7、9、10；III類包括酵母等的sirtuins（Sir2、Sir3和Sir4等）和哺乳動(dòng)物的SIRTs（SIRT1-SIRT7）。HDACs包括P300/CBP和P300/CBP相關(guān)蛋白因子（P300/CBP associated factor，PCAF），SRC1和MOZ。在人胚肺成纖維細(xì)胞復(fù)制性衰老過(guò)程中，P300和PCAF與總的HDACs活性都逐漸降低，但在HDACs中僅HDAC3降低顯著，應(yīng)是P300、PCAF總體降低程度大于HDAC3的降低，從而導(dǎo)致組蛋白H3和H4整體乙?；街饾u降低[13]。

持續(xù)抑制抑癌蛋白P53會(huì)使成纖維細(xì)胞無(wú)限增殖[14]；敲除P53基因可使肝細(xì)胞無(wú)限增殖[15]，說(shuō)明P53是衰老的主控因子，P53也會(huì)間接使染色質(zhì)固縮化，這與P53本身和P53廣泛調(diào)控的下游基因P21、P16、Rb等有關(guān)[16]。過(guò)表達(dá)Rb或P16INK4a能使染色質(zhì)固縮化[17-18]。P53分布于細(xì)胞的核漿、核仁、線粒體等結(jié)構(gòu)，P53會(huì)抑制rDNA轉(zhuǎn)錄、線粒體生產(chǎn)ATP、細(xì)胞周期、端粒酶逆轉(zhuǎn)錄酶（telomerace reverse transcriptase，TERT）活性（TERT能增加線粒體呼吸鏈活性和抗氧化能力[19]），等等。SIRT1或SIRT2可使P53去乙?；鴨适Щ钚訹20]。因此，隨著衰老過(guò)程SIRT1減少，P53活性會(huì)上升。

SIRTs會(huì)與一些重復(fù)DNA結(jié)合而沉默其轉(zhuǎn)錄和復(fù)制，例如，Sir2與Net1（核仁蛋白）和Cdcl4（磷酸酯酶）一起負(fù)責(zé)沉默rDNA區(qū)域的轉(zhuǎn)錄[21]。Sir2、Sir3和Sir4一起負(fù)責(zé)沉默端粒[22]。RPD3和HDA1也會(huì)沉默端粒和rDNA。rDNA拷貝數(shù)減少時(shí)沉默因子濃度會(huì)升高從而增加了端粒沉默[23]。這暗示了端?？s短和rDNA拷貝數(shù)減少會(huì)加強(qiáng)沉默端粒和rDNA，從而減少rRNA并抑制蛋白質(zhì)合成。同時(shí)端粒和rDNA附近的基因也可能會(huì)被沉默。由于rRNA會(huì)與核糖體蛋白（ribosomal protein，RP）結(jié)合生成核糖體，因此，抑制rRNA的轉(zhuǎn)錄會(huì)留下更多的游離的RP。而游離的 RP 會(huì)與泛素連接酶MDM2結(jié)合而阻礙細(xì)胞各部位P53的MDM2降解途徑，導(dǎo)致P53 水平升高[24-25]。也就是說(shuō)，端粒DNA和rDNA的拷貝數(shù)減少會(huì)抑制rDNA轉(zhuǎn)錄，使P53水平升高。

染色質(zhì)沉默需要Sir2、Sir3和Sir4等參與，Sir2負(fù)責(zé)組蛋白的脫乙酰化，Sir3通過(guò)與低乙酰化的組蛋白H3和H4的氨基尾部作用以阻止DNA轉(zhuǎn)錄，Sir4與組蛋白的尾部相互作用可以使沉默染色質(zhì)更穩(wěn)定。Sir4也定位在線粒體中（哺乳動(dòng)物SIRT4與酵母Sir4蛋白同源），SIRT4會(huì)抑制線粒體中谷氨酰胺代謝進(jìn)入三羧酸循環(huán)，從而抑制ATP的生成。過(guò)表達(dá)SIRT4會(huì)抑制細(xì)胞增殖。

P53與HDAC2轉(zhuǎn)錄水平呈明顯的正相關(guān)性。利用Pathcards數(shù)據(jù)庫(kù)（http://pathcards.genecards.org/）中的“P53 Signaling SuperPath”會(huì)發(fā)現(xiàn)，大量的HDAC家族蛋白（包括HDAC1～3和HDAC5～11）均參與了P53相關(guān)的超級(jí)通路[26]。提示了隨著細(xì)胞衰老導(dǎo)致的P53水平和活性的逐漸上升，會(huì)上調(diào)HDACs水平，從而導(dǎo)致組蛋白H3和H4整體乙?；街饾u降低，以致使DNA轉(zhuǎn)錄速率逐漸降低。

小鼠衰老細(xì)胞的端粒長(zhǎng)度還剩很長(zhǎng)，人類衰老細(xì)胞的端粒長(zhǎng)度還剩約5 kb或相當(dāng)兒童細(xì)胞端粒長(zhǎng)度的一半，因此，把衰老細(xì)胞P53活性升高的事實(shí)理解成端粒過(guò)短導(dǎo)致DNA損傷而激活P53基因表達(dá)是不合理的。P53主要集中在核仁區(qū)，也會(huì)與端粒結(jié)合蛋白TRF1、TRF2、TRBP1結(jié)合而存儲(chǔ)在端粒上[27-28]。P53會(huì)在核仁中降解[29-30]。核仁中的MDM2也是重要的P53降解途徑。SIRTs也主要通過(guò)泛素化途徑降解。

綜上所述，筆者提出了“細(xì)胞衰老的端粒DNA和rDNA共調(diào)控學(xué)假說(shuō)”是由于染色體中的端粒DNA和rDNA會(huì)結(jié)合并降解細(xì)胞中的HDACs和P53等因子，HDACs也會(huì)通過(guò)沉默rDNA轉(zhuǎn)錄而間接抑制細(xì)胞各部位的P53的降解，因此，端粒DNA和rDNA的總拷貝數(shù)決定著HDACs和P53等因子在基因組中的有效濃度和DNA與染色質(zhì)的化學(xué)修飾和狀態(tài)。由于HDACs會(huì)參與組蛋白去乙?；统聊瑀DNA，P53等因子也會(huì)上調(diào)HDACs，因此會(huì)降低組蛋白H3和H4整體乙?；剑瑥亩鴮?dǎo)致染色質(zhì)固縮化和抑制rDNA等基因的轉(zhuǎn)錄，這些因素都共同阻遏了蛋白質(zhì)的合成。而增加的P53、SIRT4和減少的與呼吸相關(guān)蛋白（已觀察到線粒體中很多酶活性發(fā)生增齡性下降）以及TERT會(huì)共同阻遏線粒體合成ATP。因此，隨著染色體中的端粒DNA和rDNA的拷貝數(shù)不斷減少（HDACs雖然是呈增齡性下降，但相對(duì)于組蛋白乙?；高€是上升的），加載到染色體和線粒體上有效性的HDACs和P53等因子就會(huì)越來(lái)越多，從而使染色質(zhì)固縮化程度越來(lái)越高，總RNA、蛋白質(zhì)和ATP的合成速率就會(huì)越來(lái)越低，從而導(dǎo)致細(xì)胞越來(lái)越衰老。據(jù)此筆者認(rèn)為，如單一增加染色體的端粒長(zhǎng)度或rDNA拷貝數(shù)，只能增加野生型細(xì)胞分裂次數(shù)而無(wú)法讓細(xì)胞永生化，要讓野生型細(xì)胞真正實(shí)現(xiàn)返老還童和永生化，必須同時(shí)增加染色體的端粒長(zhǎng)度和rDNA的拷貝數(shù)。

當(dāng)然，端粒DNA和rDNA還會(huì)結(jié)合很多因子，其中有些因子也會(huì)參與DNA和染色質(zhì)修飾與狀態(tài)，例如，已鑒定的與核仁相關(guān)的蛋白約有4 500種，但為了簡(jiǎn)化細(xì)胞衰老模型，暫不討論這些。此外，細(xì)胞中的著絲粒、轉(zhuǎn)座子、衛(wèi)星序列等也屬于多拷貝的重復(fù)DNA序列，SIRT1會(huì)結(jié)合并抑制酵母和哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的主要衛(wèi)星重復(fù)序列。SIRT6在Line1（一種重復(fù)DNA的轉(zhuǎn)座子）元件包裝成抑制性異染色質(zhì)。因此，只要這些重復(fù)DNA拷貝數(shù)會(huì)隨著細(xì)胞衰老而減少或增加，就有可能與細(xì)胞衰老有關(guān)，有必要進(jìn)行研究。

5 端粒長(zhǎng)度與基因表達(dá)譜的關(guān)系

各種生物都有一個(gè)相對(duì)固定的發(fā)育成熟和衰老死亡的時(shí)間表，因此，個(gè)體發(fā)育成熟和衰老的本質(zhì)就是基因群按照預(yù)定的時(shí)間表進(jìn)行程序化表達(dá)的結(jié)果。如上述的肝細(xì)胞基因群的順序表達(dá)譜。由于肝細(xì)胞癌變時(shí)會(huì)重新合成甲胎蛋白，因此，由衰老驅(qū)動(dòng)的基因順序表達(dá)是可逆的，或者說(shuō)，這種基因調(diào)控方式與細(xì)胞分化的基因調(diào)控不一樣，因?yàn)榧?xì)胞分化的基因調(diào)控通常是很穩(wěn)定且不可逆的，肝細(xì)胞不會(huì)因?yàn)榘┳兌兂善つw細(xì)胞等其它分化類型的細(xì)胞。

關(guān)于衰老的遺傳程序?qū)W說(shuō)也不少，但都沒(méi)有說(shuō)明這種遺傳程序是如何運(yùn)作的。由于大部分基因在個(gè)體的一生都是不變的，那么，不變的基因是如何實(shí)現(xiàn)基因的程序化表達(dá)？衰老的生命周期程序驅(qū)動(dòng)學(xué)說(shuō)[31-32]認(rèn)為，要實(shí)現(xiàn)基因的程序化表達(dá)，就需要一個(gè)時(shí)序驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)基因按照時(shí)間順序進(jìn)行表達(dá)，這和計(jì)算機(jī)硬盤(pán)、軟盤(pán)或光盤(pán)都需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)器的原理是一樣的。基因組相當(dāng)于數(shù)據(jù)庫(kù)，染色體上端粒和rDNA相當(dāng)于數(shù)據(jù)庫(kù)的索引，不同長(zhǎng)度的端粒和不同拷貝數(shù)的rDNA就會(huì)有不同的基因表達(dá)譜。因此，隨著端粒DNA和rDNA的拷貝數(shù)不斷因增齡而減少，就可驅(qū)動(dòng)基因群進(jìn)行程序化表達(dá)。端粒DNA和rDNA就是驅(qū)動(dòng)基因群程序化表達(dá)的時(shí)序驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)機(jī)制是以劑量效應(yīng)，如拷貝數(shù)決定基因表達(dá)的位置效應(yīng)或表觀遺傳修飾因子或轉(zhuǎn)錄因子的有效濃度，通過(guò)調(diào)控DNA或組蛋白的甲基化、乙?；刃揎梺?lái)修改表觀遺傳譜，特別是通過(guò)增減相關(guān)基因的DNA甲基化水平來(lái)實(shí)現(xiàn)基因的差異化或程序化的表達(dá)，依據(jù)如：①2013年，德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯西南醫(yī)學(xué)中心的Guido Stadler認(rèn)為，端粒越短，DUX4表達(dá)活性越強(qiáng)，隨著端粒逐漸縮短，DUX4表達(dá)活性最多上升10倍。②SV40病毒及大T抗原轉(zhuǎn)染細(xì)胞會(huì)激活端粒酶，DNA甲基化水平會(huì)重新上升[33]。③DNA甲基轉(zhuǎn)移酶Dnmt3a的表達(dá)水平會(huì)隨增齡而下調(diào)，而該基因缺失的造血干細(xì)胞會(huì)在不同的染色體區(qū)域表現(xiàn)出甲基化升高或者降低的現(xiàn)象，從而改變了基因表達(dá)譜[34]。此外，還發(fā)現(xiàn)端粒酶能直接調(diào)控基因表達(dá)。④不同拷貝數(shù)的rDNA會(huì)有不同分布的異染色質(zhì)/常染色質(zhì)，從而改變了基因表達(dá)譜[35-36]。

由于衰老是一種主動(dòng)的基因程序，是進(jìn)化選擇的結(jié)果。因此，隨著年齡增長(zhǎng)，有益的基因會(huì)逐漸沉默，有害的基因表達(dá)會(huì)上升，以此實(shí)現(xiàn)破壞細(xì)胞和個(gè)體。例如，炎癥因子IL27Ra的受體在衰老的造血干細(xì)胞中高表達(dá)[37]。據(jù)報(bào)道，阿爾茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）患者神經(jīng)元中的淀粉樣前蛋白基因啟動(dòng)子區(qū)的甲基化程度會(huì)隨著年齡的增加而下降，導(dǎo)致該基因表達(dá)上升，從而使神經(jīng)元死亡。由于AD是神經(jīng)干細(xì)胞衰老造成的，由衰老的神經(jīng)干細(xì)胞分化補(bǔ)充的神經(jīng)元也是衰老的，因此，最有效根治AD的方法是更換為年輕的神經(jīng)干細(xì)胞或逆轉(zhuǎn)原位神經(jīng)干細(xì)胞衰老。

細(xì)胞衰老過(guò)程中，P53基因的啟動(dòng)子DNA甲基化水平隨增齡而降低，P53基因的信使RNA表達(dá)升高[38]。也有文獻(xiàn)報(bào)道，有些促進(jìn)細(xì)胞周期的基因中的啟動(dòng)子甲基化過(guò)高。這樣一低一高就會(huì)導(dǎo)致永久性的細(xì)胞周期停滯。

6 熱量限制的延壽機(jī)制

新陳代謝率越高，能量消耗也越快，衰老也越快，因此，目前惟一證明能夠顯著延長(zhǎng)動(dòng)物壽命的途徑就是熱量限制（calorie restriction，CR）。細(xì)胞衰老的端粒DNA和rDNA共調(diào)控學(xué)說(shuō)認(rèn)為，CR主要是通過(guò)沉默端粒DNA和rDNA的轉(zhuǎn)錄，從而減緩端粒DNA和rDNA拷貝丟失來(lái)延壽的。

由于新陳代謝過(guò)程需要消耗蛋白質(zhì)，而蛋白質(zhì)合成過(guò)程需要合成占RNA總量82%的rRNA，因此，核糖體生物合成占據(jù)了多達(dá)80%的能量[39]。新陳代謝會(huì)促進(jìn)端粒轉(zhuǎn)錄[40]，隨著端粒DNA轉(zhuǎn)錄成RNA量的提高，當(dāng)端粒附近RNA水平升高，端粒的丟失速度會(huì)加快[41]。一種早衰癥是因核纖層蛋白A突變，導(dǎo)致端粒聚集了一些與端粒相關(guān)的非編碼RNA而加速端?？s短的。因此，新陳代謝都會(huì)使端粒DNA和rDNA轉(zhuǎn)錄，從而導(dǎo)致端粒DNA和rDNA拷貝的丟失。

由于端粒DNA和rDNA是多拷貝的串聯(lián)重復(fù)序列，本來(lái)穩(wěn)定性很差，在轉(zhuǎn)錄或復(fù)制時(shí)需要?jiǎng)冸x掉組蛋白，裸露出DNA，并解開(kāi)DNA雙鏈，此時(shí)很容易受到各種因素的損傷和干擾而導(dǎo)致拷貝的丟失，如端粒或核仁組織區(qū)聚集著RNA、氧自由基損傷（果蠅16SrDNA的拷貝數(shù)在氧壓力下會(huì)減少）、放射線、復(fù)制叉阻遏蛋白Fob1。RecQ螺旋酶家族（WRN）的基因突變會(huì)導(dǎo)致一種早衰癥（“Wemer綜合癥”，是缺乏WRN時(shí)，靜止復(fù)制叉被一些復(fù)雜的重組過(guò)程或者刪除機(jī)制所分解而加速端粒縮短導(dǎo)致早衰）、端粒相關(guān)鋅指蛋白、營(yíng)養(yǎng)狀況，等等。在人類細(xì)胞也發(fā)現(xiàn)能夠自己合成內(nèi)源性的增加DNA突變的蛋白質(zhì)和一些能夠修剪端粒的蛋白質(zhì)，或阻礙端粒DNA復(fù)制的蛋白，在端粒DNA和rDNA復(fù)制、損傷的修復(fù)或通過(guò)重組修復(fù)過(guò)程，都有可能導(dǎo)致端粒DNA和rDNA拷貝的丟失。也就是說(shuō)，無(wú)論細(xì)胞分裂還是不分裂，端粒DNA和rDNA的拷貝數(shù)都會(huì)逐漸減少，這可能就是導(dǎo)致“復(fù)制型衰老”和“時(shí)序型衰老”的共同機(jī)制。例如，不分裂的心肌細(xì)胞的端粒也會(huì)縮短[42]，不分裂的老年大腦、心臟和骨骼肌細(xì)胞rDNA拷貝數(shù)量明顯減少[9]。據(jù)此，適當(dāng)沉默端粒DNA和rDNA轉(zhuǎn)錄、減少DNA損傷因素和增強(qiáng)對(duì)損傷的DNA修復(fù)水平，都會(huì)延緩端?？s短和rDNA拷貝的丟失，從而延長(zhǎng)壽命。相反，與DNA修復(fù)有關(guān)的基因突變會(huì)加速衰老。由于DNA的轉(zhuǎn)錄與修復(fù)無(wú)法同時(shí)進(jìn)行，而SIRTs能沉默轉(zhuǎn)錄，因此，CR延長(zhǎng)酵母菌壽命是通過(guò)上調(diào)Sir2而沉默端粒DNA與rDNA的轉(zhuǎn)錄，從而減緩端粒DNA和rDNA拷貝的丟失。CR也能上調(diào)SIRT1和SIRT6而延遲非人類靈長(zhǎng)類動(dòng)物模型的衰老。SIRT1和 SIRT6能調(diào)節(jié)TERT表達(dá)，抗氧化和促進(jìn)DNA修復(fù)?？顾ダ纤幚着撩顾啬芤种苖TOR而沉默rDNA轉(zhuǎn)錄[43-44]。據(jù)此筆者推測(cè)，其他能抑制mTOR或沉默rDNA的藥物或條件都有一定抗衰老作用。

由于P53和SIRTs都能夠沉默端粒DNA和rDNA，因此既能抑制蛋白質(zhì)合成，也能減少其拷貝的丟失。但是，過(guò)度沉默rDNA會(huì)影響蛋白質(zhì)合成，使衰老的細(xì)胞更加衰老。而減少沉默則會(huì)增加端粒DNA和rDNA拷貝丟失速度而加速衰老，因此，過(guò)少沉默和過(guò)度沉默都會(huì)促進(jìn)衰老。例如，P53不足和過(guò)度激活都可以促進(jìn)衰老[45]。

7 結(jié)語(yǔ)

由于端粒DNA和rDNA能夠結(jié)合很多種蛋白質(zhì)，特別是可能會(huì)影響P53的降解，因此，染色體兩端的端粒DNA的作用，不只是通常認(rèn)為的類似鞋帶末端的塑料封套保護(hù)鞋帶不會(huì)松開(kāi)那樣保護(hù)染色體的線性DNA，rDNA也不只是用來(lái)轉(zhuǎn)錄rRNA的。因此，筆者提出了“細(xì)胞衰老的端粒DNA和rDNA共調(diào)控假說(shuō)”，據(jù)此假說(shuō)有可能研究出不改變細(xì)胞分化類型讓細(xì)胞返老還童和永生化的技術(shù)，以解決CAR-T細(xì)胞因短命導(dǎo)致療效欠佳的問(wèn)題、源自胚胎期壽命與宿主相當(dāng)?shù)膶?duì)宿主產(chǎn)生免疫耐受性的記憶T細(xì)胞衰老造成的自身免疫性疾病的問(wèn)題，以及用于NK細(xì)胞、腫瘤浸潤(rùn)淋巴細(xì)胞、心肌細(xì)胞、間充質(zhì)干細(xì)胞和造血干細(xì)胞，等等，各種成體干細(xì)胞的返老還童或無(wú)限擴(kuò)增和無(wú)限保持活力，用于治療癌癥、讓衰竭的器官恢復(fù)活力以替代器官移植或大幅度延長(zhǎng)個(gè)體壽命甚至逆轉(zhuǎn)個(gè)體衰老。

致謝：上海世鵬實(shí)驗(yàn)室科技發(fā)展有限公司董事長(zhǎng)宋世鵬先生對(duì)本文提供資助。