衰老的分子機(jī)制及相關(guān)代謝組學(xué)研究

劉玥辰，閻星旭，趙換，孫桂江，李遇伯

（1.天津中醫(yī)藥大學(xué)中藥學(xué)院，天津 301617；2.天津醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院腎臟病血液凈化治療科，天津 300211）

衰老是一個(gè)“生命力”逐漸衰退的過程，隨著機(jī)體不斷衰老，其免疫器官的功能會(huì)逐漸衰退，使機(jī)體免疫力下降，加速細(xì)胞老化[1]，從而引發(fā)一系列與衰老相關(guān)的疾病。經(jīng)濟(jì)和生活水平的日益提高，使得人們對(duì)保健養(yǎng)生抗衰老的需求也日益提高。傳統(tǒng)中藥在抗衰老方面具有巨大的應(yīng)用價(jià)值，其可以通過多種途徑抑制免疫器官的老化，提高機(jī)體免疫力，達(dá)到延緩衰老的功效。以衰老的分子機(jī)制為切入點(diǎn)，對(duì)國內(nèi)外中藥抗衰老的代謝組學(xué)研究進(jìn)行綜述，為臨床深入探索中藥延緩衰老的作用提供參考。

1 衰老的分子機(jī)制

1.1 端粒學(xué)說 端粒是一種能夠穩(wěn)定染色體末端結(jié)構(gòu)的一段DNA序列，是染色體的重要組成部分。有研究表明，隨著細(xì)胞不斷的增殖分化，端粒將會(huì)不斷縮短，且一旦縮短到某一極限后，細(xì)胞將停止分裂自發(fā)走向凋亡[2]。端粒主要由與蛋白質(zhì)相關(guān)的DNA組成，這些蛋白質(zhì)與雙鏈或單鏈端粒DNA相互作用，形成具有端粒維護(hù)和長(zhǎng)度調(diào)節(jié)有序且動(dòng)態(tài)的復(fù)合物[3]。

Cheung等[4]研究揭示了端粒酶在特定干細(xì)胞譜系中衰老的作用，端粒酶的活性下調(diào)可以抑制細(xì)胞增殖，從而加速細(xì)胞衰老。也有研究發(fā)現(xiàn)，端粒長(zhǎng)度是決定整個(gè)哺乳動(dòng)物物種壽命和癌癥易感性的關(guān)鍵因素。TZAP（端粒鋅指相關(guān)蛋白）是一種特定的端粒相關(guān)蛋白，可以與含有較低濃度的庇護(hù)素復(fù)合物的長(zhǎng)端粒結(jié)合，啟動(dòng)端粒的修剪，防止異常的長(zhǎng)端粒積累，為控制端粒長(zhǎng)度的上限提供依據(jù)[5]。

1.2 自由基學(xué)說 衰老的自由基學(xué)說是美國科學(xué)家Harman 1955年提出的，他首先指出衰老及其相關(guān)的退化性疾病基本上歸因于自由基對(duì)細(xì)胞成分和結(jié)締組織有害的攻擊。自由基主要是通過由氧化酶在細(xì)胞中催化的分子氧和由鐵、鈷、錳等微量金屬在結(jié)締組織中的催化反應(yīng)而產(chǎn)生的[6]。而隨著機(jī)體的衰老，自由基清除系統(tǒng)的清除能力不斷降低，導(dǎo)致體內(nèi)自由基的累積[7]。隨著年齡，遺傳和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素的發(fā)展，氧化還原系統(tǒng)變得不平衡。過量的自由基產(chǎn)生過氧化氫、陰離子自由基超氧化物、羥基自由基等多種活性氧（ROS），繼而導(dǎo)致線粒體蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和DNA氧化等氧化應(yīng)激的發(fā)生。氧化應(yīng)激在各種疾病如關(guān)節(jié)炎，癌癥，自身免疫性疾病，衰老，心血管和神經(jīng)退行性疾病的發(fā)展中起重要作用。盡管中等濃度的ROS在生理過程中起著重要作用（例如信號(hào)傳導(dǎo)途徑，促有絲分裂反應(yīng)，對(duì)傳染性病原體的防御），但是內(nèi)源性抗氧化劑的過度防御和平衡作用失敗會(huì)導(dǎo)致氧化損傷[8]。

1.3 非酶糖基化學(xué)說 非酶糖基化學(xué)說的提出起源于對(duì)糖尿病加速老化現(xiàn)象的研究，還原糖可以以非酶促方式與蛋白質(zhì)和其他大分子中的氨基酸結(jié)合，最終會(huì)形成高級(jí)糖基化終產(chǎn)物（AGEs）。Monnier等[9]指出非酶糖基化會(huì)損害細(xì)胞器和蛋白質(zhì)的生物功能。研究表明，AGEs自身會(huì)誘導(dǎo)形成反應(yīng)性物種（RS），RS的積累會(huì)加速AGEs的形成，高水平的RS則引起細(xì)胞損傷。此外，也有證據(jù)表明糖基化可能與脂褐素的生成有關(guān)。由于脂褐素對(duì)有絲分裂后的細(xì)胞具有毒性作用，因此脂褐素的積累是限制細(xì)胞壽命的重要因素[10]。除此之外，許多糖基化反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)均是在有氧條件下進(jìn)行的，所以非酶糖基化反應(yīng)進(jìn)行的同時(shí)常常伴隨著氧自由基反應(yīng)的發(fā)生，兩者有著密不可分的聯(lián)系。

1.4 DNA甲基化學(xué)說 胞嘧啶可被脫氧核糖核酸甲基轉(zhuǎn)移酶甲基化生成5－甲基胞嘧啶（5mC）[11]。5mC被稱為人類基因組的第五堿基，主要與基因阻抑有關(guān)，特別是在基因的增強(qiáng)子和啟動(dòng)子區(qū)域，其通過影響轉(zhuǎn)錄而發(fā)揮重要作用。有研究表明，隨著年齡的增長(zhǎng)，DNA甲基化的增多或減少可以通過影響DNA的穩(wěn)定性導(dǎo)致細(xì)胞的衰老凋亡，最終導(dǎo)致有害的生理效應(yīng)，影響整個(gè)機(jī)體的健康[12]。Hannum等[13]通過構(gòu)建衰老率的預(yù)測(cè)模型，顯示出DNA甲基化受年齡、性別和特定遺傳變異的影響。

1.5 自噬學(xué)說 自噬是一種機(jī)體的保護(hù)性措施，通過維持控制蛋白質(zhì)和細(xì)胞器的質(zhì)量從而達(dá)到保護(hù)自身的效果[14]。伴侶蛋白介導(dǎo)的自噬（CMA），是一種蛋白水解系統(tǒng)，可以通過去除受損或功能異常的蛋白質(zhì)來促進(jìn)細(xì)胞質(zhì)量控制。有研究表明CMA隨著年齡的增長(zhǎng)而降低，這強(qiáng)調(diào)了自噬活性隨年齡上升而下降，導(dǎo)致與年齡相關(guān)疾病發(fā)展的可能性，加速細(xì)胞衰老[15]。

2 衰老相關(guān)代謝組學(xué)研究

代謝組學(xué)是系統(tǒng)生物學(xué)的重要領(lǐng)域，可以對(duì)生命系統(tǒng)病理生理刺激，遺傳修飾或環(huán)境壓力下的動(dòng)態(tài)代謝反應(yīng)進(jìn)行全面分析[16-18]，其捕獲生物化學(xué)網(wǎng)絡(luò)中低分子量代謝物的整體變化，并在這些代謝物和整體生理狀態(tài)之間建立模型，以闡明擾動(dòng)部位并鑒定相關(guān)的生物標(biāo)志物，揭示相關(guān)代謝途徑[19-20]。有研究表明部分傳統(tǒng)中藥及其提取物具有抗衰老和預(yù)防衰老相關(guān)疾病的作用[21]。因此，研究代謝組學(xué)在中藥抗衰老中的應(yīng)用非常重要，其可以幫助更好地了解衰老過程，解決中藥抗衰老的相關(guān)問題。

2.1 衰老的代謝途徑

2.1.1 脂類代謝 線粒體脂肪酸氧化途徑與衰老過程可能發(fā)生的各種分子和代謝機(jī)制密切相關(guān)，長(zhǎng)鏈?；鈮A是脂肪酸氧化的中間產(chǎn)物。有文獻(xiàn)報(bào)道，?；鈮A的積累表明線粒體功能障礙[22]，線粒體功能障礙可改變細(xì)胞產(chǎn)生能量的能力，從而改變由線粒體氧化劑產(chǎn)生和調(diào)節(jié)的各種重要功能[23-24]。其中，脂質(zhì)代謝是長(zhǎng)壽的重要決定因素，研究表明脂質(zhì)通過各種機(jī)制調(diào)節(jié)壽命，是應(yīng)激信號(hào)及相關(guān)蛋白活性的調(diào)節(jié)因子[25]。近年來，越來越多的專家們一致認(rèn)為脂類及其代謝產(chǎn)物與體內(nèi)很多化學(xué)反應(yīng)密切相關(guān)，其在衰老的過程中充當(dāng)著非常重要的角色，影響著多數(shù)的衰老相關(guān)疾病的病情進(jìn)展及結(jié)果，并且改善脂質(zhì)代謝具有明顯的抗衰老作用[26-27]。

2.1.2 氨基酸代謝 Rajeswari等[28]研究了大鼠大腦中谷氨酸基團(tuán)（谷氨酸，γ-氨基丁酸，谷氨酰胺，天冬氨酸和丙氨酸）水平的代謝變化，結(jié)果表明，這些氨基酸水平的變化與衰老有關(guān)。隨著年齡的增長(zhǎng)，谷氨酸，谷氨酰胺和天門冬氨酸的含量下降，而γ-氨基丁酸和丙氨酸的含量則上升。谷氨酸水平的降低與其合成酶谷氨酸脫氫酶的降低有關(guān)[29-31]。谷氨酰胺酶的活性增加會(huì)分解谷氨酰胺，谷氨酰胺和ATP水平的變化將反映游離氨的相應(yīng)變化[32]，有研究表明衰老小鼠的大腦中氨水平更高，向?qū)嶒?yàn)動(dòng)物中注入更高劑量的氨會(huì)增加大腦中谷氨酰胺的合成[33]。

肌肽和牛磺酸具有強(qiáng)烈的抗氧化性能以及抗衰老和神經(jīng)保護(hù)的作用[34]。Aydn等[35]研究了肌肽和牛磺酸對(duì)半乳糖誘導(dǎo)大鼠的氧化應(yīng)激和腦損傷的影響，結(jié)果表明肌肽和牛磺酸可能有效預(yù)防半乳糖誘導(dǎo)的大鼠大腦中的氧化應(yīng)激，細(xì)胞凋亡和組織病理學(xué)惡化。肌肽是活性氧和醛類的有效清除劑，它能抑制脂質(zhì)過氧化和蛋白質(zhì)氧化[36-37]。?；撬嵊砂腚装彼岷偷鞍彼岷铣?，是細(xì)胞內(nèi)主要的游離β-氨基酸。它通過清除或淬滅氧衍生的自由基來減少組織脂質(zhì)過氧化作用[38]。此外，據(jù)報(bào)道牛磺酸具有抗凋亡特性[39]，抗衰老作用以及作為抗氧化劑的神經(jīng)保護(hù)特性[40-41]。

2.2 基于代謝組學(xué)的中藥抗衰老

2.2.1 淫羊藿 淫羊藿是一種著名的中草藥，其中淫羊藿總黃酮（TFE）是淫羊藿的主要活性成分，TFE不僅能調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝，而且具有激素調(diào)節(jié)、抗骨質(zhì)疏松、免疫功能調(diào)節(jié)、抗氧化和抗腫瘤等作用，廣泛應(yīng)用于抗衰老及脂代謝紊亂等老年病的治療[42-43]。已有藥理學(xué)研究和臨床實(shí)踐表明淫羊藿及其活性化合物具有明顯的抗膽固醇藥理作用，可預(yù)防多種與年齡相關(guān)的心腦血管疾病，實(shí)現(xiàn)健康老齡化[44]。Yan等[45]采用液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用的代謝組學(xué)方法對(duì)衰老大鼠血清樣品進(jìn)行了分析，研究了TFE的抗衰老作用。結(jié)果表明，衰老的特征是脂質(zhì)代謝的變化和自由基的積累。TFE給藥導(dǎo)致超氧化物歧化酶水平顯著升高，丙二醛水平顯著降低，表明TFE能增強(qiáng)抗氧化防御系統(tǒng)，具有清除自由基的作用，其可能通過調(diào)節(jié)脂質(zhì)代謝和抗氧化達(dá)到抗衰老作用。Wu等[46]基于代謝組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)的分析結(jié)果，進(jìn)行了集成網(wǎng)絡(luò)分析，發(fā)現(xiàn)TFE可通過調(diào)節(jié)3種不飽和脂肪酸代謝途徑：亞油酸代謝、花生四烯酸代謝和白三烯新陳代謝來延緩衰老。總之，TFE在衰老代謝中的作用是多方面和多層次的，對(duì)TFE抗衰老脂質(zhì)代謝機(jī)制的不斷挖掘，可為老年醫(yī)學(xué)和預(yù)防醫(yī)學(xué)提供信息。

2.2.2 甘草 甘草是一種藥食同源植物，其表現(xiàn)出許多藥理作用和生物學(xué)功能。有研究表明[47]甘草能改善由半乳糖誘導(dǎo)的衰老大鼠的認(rèn)知損傷、氧化應(yīng)激和細(xì)胞凋亡。為了進(jìn)一步探討甘草衰老過程中代謝譜的變化及延緩衰老的機(jī)制，F(xiàn)anfan等[48]采用核磁共振代謝組學(xué)的方法對(duì)衰老大鼠的血清和尿樣進(jìn)行分析，并鑒定可能的生物標(biāo)志物。結(jié)果表明衰老大鼠血清和尿液中?；撬岷烤@著降低，其體內(nèi)影響合成反應(yīng)的關(guān)鍵酶：Ⅰ型半胱氨酸雙加氧酶（CDO1）、半胱氨酸磺酸脫羧酶（CSAD）和Ⅰ型谷氨酸脫羧酶（GAD1）水平均有所下降。甘草給藥后?；撬?、CDO1和CSAD水平均顯著升高，首次證明了牛磺酸代謝途徑的調(diào)節(jié)與甘草抗衰老作用有關(guān)。

2.2.3 紅參 紅參是人參根和根莖的主要加工產(chǎn)品之一，作為一種傳統(tǒng)中藥，其在維持人類健康方面具有很大作用[49-50]，特別是在抗衰老及其與年齡有關(guān)的神經(jīng)退行性疾病的方面[51-53]。研究表明[54-56]，人參皂苷是主要的藥理活性成分，它通過抑制脂肪生成，達(dá)到抗氧化和自由基清除作用，從而延緩衰老。Sun[57]基于RRLC-Q-TOF-MS的代謝組學(xué)方法來研究大鼠衰老過程的特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)能量代謝和脂質(zhì)代謝水平下降，氨基酸代謝紊亂和腎功能不全是衰老過程的主要特征。紅參總?cè)藚⒃碥眨═GRG）給藥后，脂質(zhì)代謝和氨基酸代謝恢復(fù)到年輕水平。這表明TGRG可能通過干預(yù)脂質(zhì)代謝并調(diào)節(jié)衰老大鼠的氨基酸代謝紊亂而產(chǎn)生抗衰老作用。

2.2.4 其他中藥 除此之外，還有部分中藥也通過代謝組學(xué)的技術(shù)手段研究其延緩衰老的作用。Sun等[58]采用快速分離液相色譜結(jié)合飛行時(shí)間質(zhì)譜（RRLC-Q-TOF-MS）的方法研究衰老大鼠血清中標(biāo)志物的變化，發(fā)現(xiàn)五味子的主要成分木脂素可以通過調(diào)節(jié)衰老大鼠的能量代謝、氨基酸代謝、脂質(zhì)代謝和磷脂代謝，使丙酮酸、酪氨酸、磷脂酰膽堿和二氫鞘氨醇等代謝物的水平恢復(fù)正常，緩解大鼠的代謝紊亂，達(dá)到延緩衰老的作用。Gregorio等[59]采用超高效液相色譜結(jié)合高分辨質(zhì)譜（UPLC-HR-MS）的方法研究了虎杖提取物白藜蘆醇對(duì)健康衰老大鼠的影響。多變量分析結(jié)果表明，與對(duì)照組相比，給藥組的N-甲基-2-吡啶酮-5-羧酰胺（2PY）和苯乙酰基甘氨酸（PAG）的水平顯著較低，這可能與虎杖中的白藜蘆醇的抗氧化作用有關(guān)。Zhao等[60]使用質(zhì)子核磁共振（1H NMR）技術(shù)手段結(jié)合多元數(shù)據(jù)分析，考察使用黃芩乙醇提取物對(duì)衰老大鼠干預(yù)后血清和肝臟中代謝物的變化。代謝組學(xué)結(jié)果表明，使用黃芩進(jìn)行干預(yù)后，與衰老相關(guān)生物標(biāo)志物的水平顯著回調(diào)，并通過影響氨基酸代謝，糖代謝和脂質(zhì)代謝起到延緩衰老的作用。由此可見，代謝組學(xué)方法有助于揭示衰老的復(fù)雜機(jī)制，也是探索中藥抗衰老的有用工具。

3 展望

衰老是一個(gè)復(fù)雜的生理過程，其分子機(jī)制是多方位的，所以中藥也從多方面發(fā)揮抗衰老的功效。在中國中藥資源極其豐富的條件基礎(chǔ)下，深入挖掘中藥抗衰老作用的潛能，發(fā)揮中藥巨大的抗衰老優(yōu)勢(shì)，為人類合理利用中藥來提高自身免疫水平、延緩衰老提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，為臨床抗衰老中藥的研究提供廣闊的前景。