線粒體在細(xì)胞衰老中的作用

王玉全，李程程，孟愛民，樊飛躍

(中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物研究所 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院比較醫(yī)學(xué)中心 國家衛(wèi)生健康委員會(huì)人類疾病比較醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京市人類重大疾病實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型工程技術(shù)研究中心，北京 100021)

細(xì)胞衰老是指細(xì)胞在執(zhí)行生命活動(dòng)過程中增殖分化能力和生理功能逐漸發(fā)生衰退的過程。研究發(fā)現(xiàn)眾多疾病與細(xì)胞衰老有關(guān)，如腫瘤、特發(fā)性肺纖維化、高血壓、帕金森病、糖尿病等[1-4]。因此，細(xì)胞衰老機(jī)制的研究對(duì)于相關(guān)疾病致病機(jī)制的認(rèn)識(shí)、治療方法的發(fā)現(xiàn)、治療藥物的研發(fā)具有重要意義。近年來對(duì)于細(xì)胞衰老分子機(jī)制的研究主要包括氧化自由基學(xué)說、DNA損傷積累和端粒縮短等。線粒體作為細(xì)胞“能量工廠”，其質(zhì)量、活性改變與細(xì)胞衰老密切相關(guān)。線粒體損傷引發(fā)的線粒體功能障礙導(dǎo)致活性氧類(reactive oxygen species，ROS)代謝紊亂，過多的ROS具有細(xì)胞毒性作用，造成脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、DNA損傷，激活DNA損傷應(yīng)答，導(dǎo)致細(xì)胞衰老。有研究表明，提高衰老細(xì)胞中線粒體自噬水平可以清除損傷的線粒體，降低細(xì)胞內(nèi)ROS，緩解細(xì)胞衰老表型[5]。近年來研究發(fā)現(xiàn)衰老與干細(xì)胞功能的下降密切相關(guān)，而線粒體自噬可以有效清除干細(xì)胞中功能缺陷的線粒體，維持干細(xì)胞功能[6]。由此，線粒體改變可能影響細(xì)胞衰老過程，線粒體損傷修復(fù)可能是應(yīng)對(duì)細(xì)胞衰老有效的靶向策略?，F(xiàn)就衰老細(xì)胞中線粒體的改變，線粒體DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)、ROS、線粒體自噬、線粒體介導(dǎo)的干細(xì)胞功能和炎癥調(diào)節(jié)在細(xì)胞衰老中的作用進(jìn)行綜述。

1 衰老細(xì)胞中線粒體形態(tài)、數(shù)量改變

正常細(xì)胞中線粒體是一個(gè)雙層膜的囊狀小體，由外膜、膜間隙、內(nèi)膜、基質(zhì)組成。電鏡下觀察外膜光滑連續(xù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；內(nèi)膜高度折疊成嵴；通常情況下呈短棒狀或圓球狀，大小0.5～1.0 μm。研究發(fā)現(xiàn)，與正常細(xì)胞相比，衰老的卵巢細(xì)胞中線粒體的結(jié)構(gòu)形態(tài)、數(shù)量發(fā)生了很大變化，主要表現(xiàn)為線粒體體積腫脹增大，線粒體數(shù)目減少或增加，線粒體內(nèi)膜損傷或嵴縮短，線粒體變性導(dǎo)致空泡等[7]。臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞的傳代培養(yǎng)中發(fā)現(xiàn)衰老細(xì)胞出現(xiàn)線粒體減少，線粒體腫脹、積水樣變[8]。在阿奇霉素所致的大鼠心力衰竭模型中也發(fā)現(xiàn)了心肌細(xì)胞線粒體結(jié)構(gòu)的損傷改變[9]。對(duì)人和嚙齒類動(dòng)物卵巢的研究發(fā)現(xiàn)，卵母細(xì)胞線粒體數(shù)量隨年齡的增長而減少，線粒體基質(zhì)密度下降，線粒體嵴減少，甚至出現(xiàn)空泡和破裂現(xiàn)象[10]。這表明線粒體形態(tài)、結(jié)構(gòu)、數(shù)量的變化與細(xì)胞衰老密切相關(guān)。線蟲衰老研究發(fā)現(xiàn)神經(jīng)、腸、肌肉組織細(xì)胞中線粒體數(shù)量逐漸累積，這種線粒體數(shù)量穩(wěn)態(tài)改變受到線粒體生成和線粒體自噬相關(guān)基因的協(xié)同調(diào)節(jié)，穩(wěn)態(tài)失衡導(dǎo)致功能障礙線粒體的累積，造成細(xì)胞功能衰退[11]。但對(duì)不同年齡人的骨骼肌細(xì)胞線粒體分離研究中并未發(fā)現(xiàn)線粒體數(shù)目的差異[12]。小鼠和果蠅研究中發(fā)現(xiàn)[13],老年果蠅線粒體內(nèi)膜出現(xiàn)顯著的形態(tài)改變及功能改變，這種改變是由衰老相關(guān)氧化磷酸化系統(tǒng)損傷及線粒體ROS產(chǎn)生導(dǎo)致；然而在小鼠心臟細(xì)胞線粒體中無明顯的鼠齡改變，1/4肝臟細(xì)胞線粒體出現(xiàn)嚴(yán)重衰老相關(guān)表型但整體氧化磷酸化水平?jīng)]有降低，具有明顯的組織特異性。隨著年齡增長或在衰老的器官組織細(xì)胞中會(huì)發(fā)生線粒體形態(tài)、結(jié)構(gòu)、數(shù)量的改變，但它們之間確切的因果關(guān)系及分子機(jī)制還需要進(jìn)一步研究。

2 mtDNA突變引發(fā)細(xì)胞衰老

人mtDNA是由16 569個(gè)堿基組成的環(huán)狀DNA分子，沒有內(nèi)含子，D環(huán)是唯一的非編碼區(qū)，調(diào)控mtDNA的復(fù)制轉(zhuǎn)錄。mtDNA主要編碼電子傳遞鏈復(fù)合體蛋白及其相關(guān)組分，與線粒體的功能密切相關(guān)。mtDNA缺乏組蛋白和內(nèi)含子，極易發(fā)生突變。與衰老有關(guān)的mtDNA突變主要有點(diǎn)突變、缺失和重排，mtDNA的點(diǎn)突變和缺失發(fā)生頻率最高。研究證明mtDNA損傷突變與骨骼肌、心、肝、腦、皮膚等器官的衰老密切相關(guān)，衰老的骨骼肌，心肌細(xì)胞中檢測(cè)到mtDNA4977缺失，mtDNA4977突變會(huì)干擾細(xì)胞中呼吸相關(guān)蛋白的合成，導(dǎo)致線粒體功能障礙，導(dǎo)致細(xì)胞功能受損而發(fā)生衰老[14-15]。同時(shí)，心肌細(xì)胞中mtDNA突變的累積會(huì)導(dǎo)致電子傳遞鏈功能組分的合成障礙，從而導(dǎo)致電子傳遞鏈功能下降，加劇心肌細(xì)胞衰老[16]。mtDNA聚合酶缺陷小鼠模型檢測(cè)到mtDNA突變累積，表現(xiàn)壽命縮短和過早衰老[17]；加速衰老小鼠易發(fā)8(senescence-accelarated mouse prone 8，SAMP8)模型表現(xiàn)與年齡有關(guān)的神經(jīng)退行性變，學(xué)習(xí)和記憶能力受損，這與其大腦細(xì)胞中mtDNA修復(fù)能力改變和mtDNA損傷水平有關(guān)[18]。綜上，mtDNA突變一方面會(huì)造成線粒體呼吸相關(guān)功能組分的合成障礙和缺失，線粒體呼吸能力的下降，從而引發(fā)細(xì)胞衰老；另一方面，mtDNA突變可能會(huì)造成mtDNA復(fù)制、修復(fù)障礙，突變mtDNA在線粒體內(nèi)的積累，加重線粒體損傷，加劇細(xì)胞衰老。

3 線粒體ROS參與細(xì)胞衰老調(diào)節(jié)

線粒體是細(xì)胞的“能量工廠”和自由基代謝中心，線粒體的主要功能是將高能物質(zhì)經(jīng)過三羧酸循環(huán)產(chǎn)生的煙酰胺腺嘌呤二核苷磷酸/煙酰胺腺嘌呤二核苷酸、黃素腺嘌呤二核苷磷酸/黃素腺嘌呤二核苷酸通過電子傳遞鏈轉(zhuǎn)化為腺苷三磷酸，為機(jī)體細(xì)胞供能，調(diào)節(jié)能量代謝。線粒體作為機(jī)體細(xì)胞最重要的供能“機(jī)器”，線粒體的呼吸能力直接關(guān)系心肌和骨骼肌的功能，因此線粒體呼吸能力下降會(huì)導(dǎo)致心肌和骨骼肌功能障礙，誘發(fā)心肌、骨骼肌細(xì)胞衰老[19]。同時(shí)，線粒體電子傳遞鏈的完整對(duì)于維持線粒體正常呼吸功能至關(guān)重要，許多動(dòng)物模型中發(fā)現(xiàn)線粒體電子傳遞鏈復(fù)合體的生物合成直接影響細(xì)胞衰老[20-21]。目前研究認(rèn)為，線粒體損傷及功能障礙引發(fā)細(xì)胞衰老主要與ROS代謝有關(guān)。線粒體呼吸鏈中電子傳遞是ROS的主要發(fā)生器，ROS對(duì)于細(xì)胞生存、激發(fā)損傷應(yīng)答、細(xì)胞增殖、能量代謝具有重要作用[22]。然而，高水平的ROS對(duì)細(xì)胞具有毒性，造成細(xì)胞脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、DNA損傷[23]。傳統(tǒng)的線粒體自由基損傷理論認(rèn)為ROS作為線粒體能量代謝的副產(chǎn)物在影響線粒體功能導(dǎo)致細(xì)胞衰老上有重要作用。1950年，Harmon首次提出ROS直接調(diào)控細(xì)胞衰老過程，同時(shí)，Linnane和Fleming認(rèn)為ROS的產(chǎn)生增多導(dǎo)致mtDNA突變，引發(fā)細(xì)胞衰老[24]。由此可見，線粒體ROS是細(xì)胞衰老的重要誘導(dǎo)因素。有研究證實(shí)，27-羥基膽固醇通過促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)ROS積累并激活白細(xì)胞介素-6/信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子3信號(hào)通路誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞衰老，ROS產(chǎn)生阻斷可以緩解27-羥基膽固醇誘導(dǎo)的神經(jīng)細(xì)胞衰老[25]。線粒體ROS穩(wěn)態(tài)的破壞也是誘導(dǎo)細(xì)胞衰老的關(guān)鍵因素。在間充質(zhì)干細(xì)胞中，阻止線粒體ROS的積累可以抑制間充質(zhì)干細(xì)胞衰老，酪氨酸蛋白激酶B2受體可以通過調(diào)節(jié)線粒體乙?；?的表達(dá)維持線粒體ROS的穩(wěn)態(tài)，減少間充質(zhì)干細(xì)胞的衰老[26]。研究發(fā)現(xiàn)，人和小鼠成纖維細(xì)胞中DNA損傷應(yīng)答能激活過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔助活化因子1β調(diào)節(jié)的線粒體生物合成，引起ROS水平增高，加劇細(xì)胞衰老[27]。在羥基脲誘導(dǎo)的小鼠成纖維細(xì)胞衰老模型中，可以通過調(diào)節(jié)線粒體乙?；?的表達(dá)調(diào)節(jié)叉頭框轉(zhuǎn)錄因子O亞族3和超氧化物歧化酶的表達(dá)來減少ROS的產(chǎn)生，延遲衰老[28]。因此，線粒體內(nèi)過多ROS的清除及其穩(wěn)態(tài)的維持可以有效抑制細(xì)胞衰老。

4 線粒體自噬減緩細(xì)胞衰老

線粒體自噬是一種細(xì)胞防御代謝過程，通過自噬途徑選擇性清除衰老、損傷的線粒體，以促進(jìn)線粒體更新，維持線粒體功能。這一概念由Lemasters[29]首次提出。細(xì)胞衰老中線粒體自噬調(diào)節(jié)與一般自噬稍有不同，一般的自噬活性根據(jù)衰老模型而升高或降低，而在衰老細(xì)胞中，線粒體自噬活性在體外和體內(nèi)均降低[30-31]。在磷酸酶及張力蛋白同源物誘導(dǎo)的蛋白激酶1(PTEN induced putative protein kinase 1，PINK1)-PRKN(Parkin RBR E3 ubiquitin protein ligase)通路介導(dǎo)的線粒體自噬中，Parkin激酶能泛素化線粒體外膜蛋白，這些蛋白一旦被泛素化便可被線粒體自噬受體蛋白視神經(jīng)蛋白(Optineurin)、核點(diǎn)蛋白52和Tax1結(jié)合蛋白1識(shí)別，從而激發(fā)自噬體的組裝，清除損傷線粒體[32]。細(xì)胞衰老過程細(xì)胞質(zhì)中積累p53與Parkin相互作用，阻止其轉(zhuǎn)運(yùn)到功能失調(diào)的線粒體，從而抑制線粒體自噬，維持細(xì)胞衰老[31]。這進(jìn)一步提示線粒體自噬在細(xì)胞衰老過程中的重要作用。人支氣管上皮細(xì)胞中PINK1和Parkin的敲除會(huì)加速其衰老，同時(shí)伴隨損傷線粒體累積和ROS產(chǎn)生增加[33]。暴露于香煙的PRKN敲除小鼠中，呼吸道上皮細(xì)胞表現(xiàn)出線粒體損傷積累和氧化修飾增加，并伴有細(xì)胞衰老的加速，PRKN過表達(dá)則可以誘導(dǎo)線粒體自噬，減弱線粒體ROS的產(chǎn)生，減緩細(xì)胞衰老[34]。這表明線粒體自噬受損會(huì)導(dǎo)致?lián)p傷線粒體累積，細(xì)胞ROS水平升高，加速細(xì)胞衰老。也有研究發(fā)現(xiàn)衰老細(xì)胞中，PINK1-Parkin介導(dǎo)的線粒體自噬激活能夠清除損傷線粒體，消除通常情況下表達(dá)的衰老相關(guān)表型，進(jìn)一步揭示線粒體自噬在清除受損線粒體，減緩細(xì)胞衰老中的重要作用[35]。線蟲衰老研究發(fā)現(xiàn)細(xì)胞應(yīng)激下SKN-1轉(zhuǎn)錄因子的激活可以通過調(diào)節(jié)DCT-1的表達(dá)調(diào)節(jié)線粒體自噬和線粒體生物合成，從而清除損傷線粒體，維持線粒體穩(wěn)態(tài)。細(xì)胞衰老過程中，這種穩(wěn)態(tài)的失衡會(huì)導(dǎo)致?lián)p傷線粒體的過度增殖，細(xì)胞功能衰退[36]。在糖尿病腎病中，腎小管上皮細(xì)胞的早衰主要是由受損線粒體的積累導(dǎo)致的，視神經(jīng)蛋白調(diào)節(jié)的線粒體自噬可以保護(hù)腎小管上皮細(xì)胞抵抗高糖誘導(dǎo)的衰老[37]。由此可見，線粒體自噬能夠清除受損線粒體，減緩細(xì)胞衰老。

5 線粒體與干細(xì)胞衰老

干細(xì)胞衰老通常伴隨著組織代謝和再生潛能的下降，成年人干細(xì)胞功能衰退與線粒體密切相關(guān)[38]。在所有組織中，衰老相關(guān)線粒體功能的衰退效應(yīng)對(duì)成體干細(xì)胞群功能具有重要影響。造血干細(xì)胞研究發(fā)現(xiàn)，靜止期造血干細(xì)胞主要通過糖酵解代謝供能來維持較低的氧環(huán)境，以減少線粒體ROS產(chǎn)生的毒性作用[39]。同時(shí)，有研究表明ROS作為信號(hào)分子，一定水平的ROS對(duì)造血干細(xì)胞增殖分化有調(diào)節(jié)作用[40]，水平過高對(duì)造血干細(xì)胞功能具有損傷作用[41-42]。mtDNA突變小鼠研究揭示了線粒體與干細(xì)胞功能之間的聯(lián)系，mtDNA突變鼠存在干細(xì)胞缺陷及功能損傷，給予抗氧化劑治療，干細(xì)胞缺陷及功能損傷得到改善[43-44]。這表明，線粒體損傷直接干擾、損傷小鼠干細(xì)胞功能，而這種干擾損傷作用很有可能是由線粒體異常引發(fā)的ROS代謝異常導(dǎo)致的。線粒體幫助干細(xì)胞維持功能的另一種機(jī)制主要是通過調(diào)節(jié)代謝物乙酰輔酶A、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸、腺嘌呤核糖核苷酸、S-腺苷甲硫氨酸/S-腺苷同型半胱氨酸的比率來調(diào)節(jié)干細(xì)胞的自我更新和穩(wěn)態(tài)[45-46]，如老年小鼠給予煙酰胺核苷治療可以恢復(fù)肌肉干細(xì)胞活力，煙酰胺核苷也可以阻止肌營養(yǎng)不良小鼠肌肉干細(xì)胞衰老，這主要是由于氧化型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD+)水平的提高誘導(dǎo)線粒體非折疊蛋白效應(yīng)(UPRmt)和抗增殖蛋白合成的激活，提高了線粒體穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)功能[47]。同時(shí)，干細(xì)胞可以通過一定的機(jī)制清除功能缺陷的線粒體，大腦研究發(fā)現(xiàn)大腦神經(jīng)干細(xì)胞富集區(qū)域線粒體自噬率升高[48]，PINK1基因缺陷小鼠實(shí)驗(yàn)也證實(shí)線粒體自噬對(duì)線粒體質(zhì)量的控制是干細(xì)胞命運(yùn)至關(guān)重要的決定因素[49]，人乳腺干細(xì)胞分裂研究發(fā)現(xiàn)干細(xì)胞樣細(xì)胞可以通過不對(duì)稱分裂來隔離年輕和衰老的線粒體，以保持干細(xì)胞活性[50]。上述研究為了解線粒體對(duì)于干細(xì)胞全能性的維持及組織分化修復(fù)上提供了新的觀點(diǎn)，也為細(xì)胞衰老及衰老相關(guān)疾病的研究提供了新的指導(dǎo)方向。

6 線粒體調(diào)節(jié)的炎癥反應(yīng)與衰老

衰老細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生一系列復(fù)雜的分泌因子，包括基質(zhì)金屬蛋白酶、生長因子和促炎癥細(xì)胞因子，統(tǒng)稱為衰老相關(guān)分泌表型，衰老相關(guān)分泌表型可以加重衰老細(xì)胞的促衰老效應(yīng)。衰老相關(guān)分泌表型的形成與線粒體密切相關(guān)，線粒體損傷調(diào)節(jié)的機(jī)體免疫應(yīng)答的激活在一定程度上促進(jìn)炎癥細(xì)胞因子的分泌。一方面mtDNA類似于細(xì)菌DNA，能夠通過Toll樣受體9、Nod樣受體蛋白3炎癥小體[51]、受體蛋白干擾素基因刺激物快速激活抗菌免疫應(yīng)答[52]。同時(shí)，損傷的線粒體可以釋放甲酰多肽，通過甲酰多肽受體1激起免疫應(yīng)答[53]。另一方面，采用化學(xué)藥物抑制線蟲線粒體功能，發(fā)現(xiàn)短暫的線粒體功能障礙也可以作為病原攻擊激活免疫應(yīng)答[54]，表明線粒體功能異常同樣可以激發(fā)炎癥反應(yīng)，而這種激發(fā)作用很有可能是由于線粒體ROS代謝異常導(dǎo)致的。在對(duì)阿爾茨海默病風(fēng)險(xiǎn)因素——環(huán)境毒素(百草枯)暴露對(duì)哺乳動(dòng)物認(rèn)知功能障礙的作用研究中發(fā)現(xiàn)線粒體ROS清除可以抑制Nod樣受體蛋白3炎癥應(yīng)答的激活，減少大腦炎癥反應(yīng)，緩解認(rèn)知功能障礙[55]。在SAMP8小鼠神經(jīng)退行性改變?cè)绨l(fā)的研究中也發(fā)現(xiàn)線粒體ROS在炎癥激活中的作用，SAMP8小鼠具有較多的線粒體ROS產(chǎn)生，較低的mtDNA修復(fù)能力，高水平的氧化應(yīng)激誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)，促進(jìn)炎癥細(xì)胞因子釋放，同時(shí)，mtDNA損傷的增加加劇線粒體功能障礙及細(xì)胞功能障礙，最終協(xié)同導(dǎo)致SAMP8小鼠神經(jīng)退行性改變的早發(fā)[18]。盡管如此，在細(xì)胞衰老過程中，線粒體損傷既可能是炎癥的激發(fā)劑，也可能是炎癥反應(yīng)的結(jié)果，它們均可在一定程度上促進(jìn)衰老的發(fā)生、發(fā)展。

7 展 望

線粒體在受到輻射等氧化刺激時(shí)會(huì)發(fā)生mtDNA突變。mtDNA突變一方面會(huì)造成線粒體內(nèi)與電子傳遞鏈相關(guān)組分的合成障礙和缺失，線粒體功能障礙。線粒體功能障礙導(dǎo)致機(jī)體組織細(xì)胞的能量代謝障礙，ROS代謝失調(diào)，引發(fā)細(xì)胞衰老。另一方面，mtDNA突變會(huì)造成mtDNA復(fù)制障礙，造成突變mtDNA在線粒體內(nèi)的積累，突變的累積可以激活DNA損傷應(yīng)答，造成細(xì)胞周期阻滯及ROS生成增加，高水平的ROS則可作為毒性分子進(jìn)一步損傷線粒體，加劇細(xì)胞衰老甚至導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。同時(shí)，線粒體功能損傷，ROS代謝障礙可以影響干細(xì)胞功能調(diào)節(jié)，造成組織再生、修復(fù)障礙、炎癥反應(yīng)的激活。線粒體損傷導(dǎo)致的線粒體蛋白、mtDNA外溢以及線粒體功能受損可以作為損傷相關(guān)分子模式激活免疫應(yīng)答，免疫因子大量表達(dá)，進(jìn)一步損傷機(jī)體其他細(xì)胞。當(dāng)然，機(jī)體可以通過線粒體自噬等途徑來清除損傷、功能障礙的線粒體，以維持機(jī)體代謝穩(wěn)態(tài)，延緩細(xì)胞衰老。說明線粒體損傷修復(fù)、線粒體功能復(fù)原及提高線粒體質(zhì)量控制將是應(yīng)對(duì)細(xì)胞衰老的有效策略。隨著對(duì)衰老機(jī)制的深入研究，線粒體在細(xì)胞衰老中的作用會(huì)更加清楚，大范圍的線粒體靶向治療很可能成為對(duì)應(yīng)對(duì)衰老的有效策略，在緩解或治愈衰老相關(guān)疾病中發(fā)揮重要作用。