遗传学说基因水平的研究

一、遗传学说基因水平的研究

（一）“衰老基因”、“长寿基因”与衰老

目前很多学者认为，衰老过程可能与分化发育过程相似，是由早已安排好的遗传程序控制的。生物成年以后，基因组内“衰老基因”开放，其表达产物也许能特异地决定生物的寿命。华纳综合征是与遗传有关的衰老病，此病患者较正常人提前数十年出现衰老症状，1996年发现该病的WRN基因位于第8对染色体，WRN基因是首次鉴定的与人类衰老有关的基因。近年来，研究者已从多个物种中找到与衰老有关的基因。我国学者发现，人类细胞衰老的主导基因p16是细胞衰老遗传控制程序中的重要环节，可影响细胞寿命与端粒长度，抑制p16表达，细胞寿命延长，端粒长度缩短减慢；增加p16表达，细胞寿命缩短，端粒长度缩短加快。美国学者发现，在线虫体内存在一种daf－2“衰老基因”，在线虫生命周期的合适时机抑制daf－2基因，可使线虫的寿命延长至原来的2倍，人体内可能也存在这种基因，用类似方法干预，也许能安全延长人类的寿命。“衰老基因”还包括小鼠身上发现的Klotho基因，导致小鼠早衰，人4号染色体内的morf4基因、p21基因等。据报道科学家总共发现了60余种与衰老有关的基因，人的1、4、6、7、11和18号染色体上都存在“衰老基因”。

另外有报道，将蛋白质生物合成延长因子（EF－1α）基因转化果蝇生殖细胞，可使培育所得的新品种比其他果蝇寿命延长40%，因此，EF－1α基因被认为是“长寿基因”。酵母中有一个SIR2基因，控制酵母的寿命，线虫内存在相似的基因，称为SIR2．1，如果增加一个同样的基因，使原来只能生存2周的线虫增加到3周，而缺失SIR2．1基因的线虫寿命则缩短。bcl－2基因能抑制正常细胞的凋亡，有人认为它有“长寿基因”的功效。此外，俄罗斯学者通过给结缔组织细胞植入一种特殊基因，已从中分离出长命细胞；中国学者发现6种“不老基因”，其中一种可能对癌细胞有抑制作用；一种可能延长人体内细胞的寿命。关于其作用机制目前尚在研究中。

（二）细胞生长停滞现象

1．停滞蛋白（Statin）　1985年Wang等人发现在静止细胞和衰老细胞的胞核中存在一种分子量为57　000的核蛋白，称为生长停滞蛋白，Statin可能以某种方式促使细胞从增殖状态进入非增殖状态，从而阻止DNA的合成以及阻止细胞由G1期进入S期。但Statin既存在于衰老细胞，又存在于静止细胞，因此它不是衰老细胞的特异性指标。

2．细胞凋亡（apoptosis）与衰老　为了寻找只与衰老有关的基因表达，1994年他们发现了终末蛋白（Tp）。Tp有3种分子形式，即Tp90、Tp60和Tp30，分子量分别为90　000、60　000和30　000。Tp90存在于年轻的增殖细胞和静止细胞，Tp60存在于衰老细胞，Tp30则存在于凋亡细胞。

临床上常见的阿尔茨海默病（Alzheimer disease，AD），它的发生与细胞凋亡及衰老有关。细胞凋亡过盛可能是阿尔茨海默病神经退行性变的原因。

3．DNA合成抑制因子（DNA synthesis inhibition factor）　细胞衰老时DNA合成受阻，且可产生一种DNA合成抑制因子，抑制DNA合成的启动。衰老细胞可抑制年轻细胞DNA的合成（图6－1）。这种DNA合成抑制因子存在于衰老细胞的细胞膜上，它是一种蛋白质，其mRNA在衰老细胞中含量较高。

图6－1　衰老细胞抑制年轻细胞DNA的合成

（三）DNA和衰老

1．端粒、端粒酶和衰老　端粒（telomere）是位于真核细胞内染色体末端由DNA和蛋白质构成的复合结构，能维持染色体的稳定和完整，避免其发生融合、降解、重组等变化。不同种动物其端粒长短是不同的，同一种生物在其发生发育过程中端粒长度会有变化。一般DNA每复制一次，端粒丢失50～200bp。1990年，Harley提出端粒－端粒酶假说，认为正常细胞的端粒缩短到一定程度时，会启动终止细胞分裂的信号，使细胞进入第1死亡期M1，并退出细胞周期而老化。

因此，有人认为衰老是由于端粒DNA在复制和修复过程中变短的结果，这在人成纤维细胞、淋巴细胞、皮肤细胞、血液及结肠黏膜细胞的研究中都已得到证实。端粒丢失随增龄而增加，21－三体先天愚型者随增龄丢失频率增加，由于端粒丢失过快，导致先天愚型者早衰。有些学者认为，这个端粒就是人们千方百计企图寻找的生命时钟。研究也发现，有些肿瘤细胞在繁殖过程中端粒不缩短，因此肿瘤细胞的繁殖永无休止。

端粒酶（telomerase），位于细胞核内，由RNA和蛋白质组成，是一种反转录酶，能以自身的RNA为模板合成端粒DNA，修复被损伤的端粒DNA，稳定其长度。人类正常组织的实体细胞中一般不存在端粒酶活性，而胚胎组织、生殖细胞和少数造血干细胞中端粒酶的活性较稳定，以确保遗传信息完整地遗传给后代及保持一定的造血功能。鉴于端粒酶的作用，可以把有活性的端粒酶导入衰老细胞，探索对老年性疾病、早衰等治疗的新途径。

2．线粒体DNA（mtDNA）和衰老　mtDNA由16　569个碱基对组成环状双链超螺旋DNA，分子量为1．1×10⁷，存在于线粒体基质中。人的mtDNA的基因结构已清楚。mtDNA易受自由基的侵害。研究表明，心脏、脑细胞中mtDNA的缺失随增龄而显著增加。线粒体是细胞的供能器官，mtDNA随增龄损伤缺失积累越来越多，导致能量转换酶系统功能异常、ATP减少，这可能是引发衰老和疾病的原因。2005年5月，Rabinovitch在Science发表文章指出，线粒体内有较多过氧化氢酶的大鼠寿命延长20%。研究表明，自由基、活性氧粒子在老化过程中的重要性，有力地支持了衰老的自由基学说。未来的药物开发应向为保护人体免受自由基侵害的方向努力。

3．DNA甲基化（DNA methylation）作用和衰老　DNA甲基化对DNA具有重要作用，可阻止限制性内切酶对甲基化作用后位点的再作用，以保护宿主DNA不被外来DNA的重感染作用。真核细胞中DNA甲基化与基因表达调节有着密切的关系，是基因多层次调控的一个方面。随着生物的衰老，基因组甲基化水平明显下降。

4．染色质DNA（chromatin DNA）与衰老　染色质DNA包含全部生命遗传信息，它的任何变化均可影响遗传信息的调控与表达，影响生物生长、发育和衰老。

（1）DNA合成与衰老：DNA合成是传递遗传信息的重要手段，一旦出现差错，无论是数量、质量还是位置发生变化，都会引起生命现象的重要变化，导致加速衰老和死亡。

（2）DNA分子损伤修复和衰老：有人认为，生物衰老时DNA分子的损伤修复能力下降，致使损伤的DNA积累，进而引起基因及其表达异常。目前，人们对DNA损伤修复能力重要性的认识已与日俱增。人体的免疫功能负责对机体实行整体水平的监管，而DNA修复功能则负责基因DNA水平的监管。因此，促进或调节DNA损伤修复能力不仅关系到延缓衰老，而且将成为预防与治疗许多疾病的手段。

（四）基因调控（gene regulation）能力减退

高等动物的遗传物质存在于染色质中，细胞生长、分化与衰老及基因表达均可在染色质水平进行调控。衰老时染色质转录活性明显下降，活性基因减少，表现为染色质对DNA酶Ⅰ消化敏感性下降。原因是衰老时组成染色质的蛋白质与DNA结合较紧密，化学修饰作用难以进行，从而影响染色质的构象，不利于转录的启动。

细胞丧失生长能力是细胞衰老的特点之一，因此了解控制细胞生长的基因有助于了解衰老的机制。

从衰老的遗传学说（genetic theory）可以看出衰老并非由单一基因决定，而是一连串基因激活与阻抑，及其通过各自产物相互作用的结果。细胞衰老是复杂的遗传调控所致，根据这些研究现在又有人提出了衰老的复合途径假说。此外，DNA包括基因在内的遗传控制体系可受内外环境，特别是自由基等损伤因素的影响，加速衰老过程。