［中图分类号］Q342⁺.3［文献标识码］A

［文章编号］1000-4718(2000)01-0079-05

Some recent advances in the molecular mechanisms underlying senescence

TAN Dun-yong, LI Chu-jie

(Department of Pathophysiology, Jinan University Medical College, Guangzhou510632， China)

【A Review】Aging or senescence is a process in which individuals undergo an exponential decline in vitality, leading to death. Recent years,much progress on the molecular mechanisms underlying senescence have been made. (1) Some senescence-related gene such as SEN6A,hic-5,din1 and MORF 4 have been clarified; (2) In 1997, through a set of experiments sponsered by scientists of Department of Biology Massachusetts Institute of Technology, it was found that the accommulation of extrachromosomal rDNA circles (ERC) in budding yeasts nucleolus is responsible for cell-senescence and the researchers propose that when enough of these circles accumulate, they clog the nucleus and prevent the cell from reading or replicating its genome, causing it to stop dividing and ultimately to die; (3) In another work finished by National Institute on Aging and the Geron biotech company of Melo, it was proved that a cells biological clock,which tells the cell how and how many times to divide, lies in its telomeres, little bits of DNA that coat the tips of the chromosome and it was clarified that a powerful enzyme,telomerase, with the potential to rejuvenate the human bodys aging tissues could effectively extend the shortened telomere . Although there is a long way to go, scientists still believe that it will be made reality in the future to greatly extend the life-span of human.

［MeSH］Aging; Genes; Telomere

有关衰老机制的研究，最近已取得了一些令人鼓舞的进展，本文拟对这些最新成果作一简要综述。

一、衰老基因的研究：

有关衰老机制的学说越来越多，但综合起来看，大体分为两类：1.差误说；2.程序说（包括细胞衰老程序说及机体整体衰老程序说）。程序说认为生物的寿命已由DNA编码，如认为在生物的基因组中存在着导致细胞或机体整体衰老的衰老基因。衰老基因在细胞或机体整体生活的一定阶段被激活并表达促进衰老的因子。体内是否存在主动导致细胞衰老的基因？

1972年Kerr发现多细胞生物体内存在一种不同于坏死的主动的细胞死亡，即程序性细胞死亡（programmed cell death,PCD),或称细胞凋亡（apoptosis）^［1］。其后发现细胞凋亡的发生与一些特殊的基因有关，如max、 bcl-2、 p53、c-myc等。其中尤以max及bcl-2的研究引人注目，研究表明，max是一个典型的凋亡基因，max的表达增加导致细胞凋亡，而bcl-2则为凋亡抑制基因，bcl-2的表达有利于细胞的生存。有人将bcl-2基因置入表达载体，转入细胞株中过量表达bcl-2蛋白，结果发现bcl-2转基因细胞株在各种逆境下的生存时间明显延长^［2］。OReilly等^［3］用前B细胞及多种造血细胞均表明，bcl-2的过量表达能使这些细胞在除去生长因子后寿命延长。

bcl-2转基因动物实验表明^［4］，带bcl-2转基因而导致bcl-2产物在免疫系统中大量表达的小鼠，其B细胞及T细胞在体外的存活能力大大增强。Vaux等将带有人的bcl-2基因表达载体注入线虫（C.elegans）的生殖腺中，发现由此产生的转基因线虫细胞凋亡大大减少。由于bcl-2具有抑制细胞凋亡、延长细胞生存期的作用，因而被称之为长寿基因。细胞的存亡决定于凋亡基因及凋亡抑制基因的表达的孰多孰少。

细胞凋亡的研究虽然为探明衰老的细胞分子机制奠定了基础，有力地证明了某些基因参与了细胞的主动死亡。但严格地说，细胞凋亡与细胞衰老及因衰老而致的死亡又有很大的不同，表现在细胞凋亡是因调节细胞数量的平衡而出现的细胞主动死亡的过程，凋亡的发生与细胞的年龄关系不大，而衰老则与细胞的年龄或分裂次数密切相关。况目前尚没有凋亡相关基因与衰老联系的直接证据。因而自凋亡基因发现之后，多数从事衰老研究的研究人员越来越多地致力于与细胞衰老联系更密切的所谓衰老相关基因（senescence related gene, senescence associated gene）的研究。

由于细胞衰老与细胞永生化（immortality）是细胞生命历程中既相互对立又相互联系的两个方面，因而研究人员常将永生化细胞（immortal cell）作为工具细胞来筛选、鉴别衰老相关基因。80年代初，Bunn、Goldstein等人开始尝试将永生化细胞与正常细胞融合（cell fusion）后，观察对永生化细胞的影响，结果表明，融合细胞（hybrids）丢失永生化特性而象正常细胞一样,在分裂一定次数后出现衰老死亡。这一结果说明控制衰老的基因属显性基因。其后，Pereira-Smith(1988)等用显微细胞融合技术（microcell fusion）进一步将单个染色体导入永生化细胞，证明在人的第4号染色体存在一个或数个衰老相关基因。

1997年12月，在全美细胞生物学学会的年会上，Michael Bertram^［5］报道他的研究小组于人的第4号染色体克隆到一种基因，该基因若突变能导致某些类型的细胞永生化。虽然此前研究人员已发现了不少类似的基因突变后均能导致细胞生长的失控，但能直接与永生相联系的报道，此属首次。

该基因能表达一种与细胞衰老死亡有关的转录因子，被称为“源于4号染色体的死亡因子”（mortality factor from chromosome 4，MORF4）。研究表明MORF4基因发生突变可导致细胞永生化。他们将各种由于MORF4基因缺失而导致永生化的细胞与正常的衰老细胞或它们之间进行融合后发现，该基因缺失所致的永生化能被导入正常基因所纠正，与衰老细胞融合后的所谓永生化细胞一样表现出细胞衰老的特征。此外，Pereia-Smith等将MORF4基因片断导入到上述缺失MORF4基因的永生化细胞后，可使永生化细胞发生衰老。这是MORF4基因作为衰老相关基因的最直接的证据。MORF4基因的表达在老化的及处于静止期的细胞中发生上调，而在分裂活泼的细胞中却下调。

随着研究的深入，有关衰老相关基因的报道也越来越多。如SEN6A、 Hic-5、 22 new ESTs、 SM22、 SGPO-2/APO J等。

二、细胞衰老与细胞分裂周期的分子记忆装置：

生物为什么衰老？已知在多细胞生物体内，细胞进行活跃的新陈代谢，老的细胞在经过特定的生命历程后，会被新的从母细胞经有丝分裂而来的新细胞取代，因而，从细胞学水平上看似乎这一过程是无限的，多细胞生物作为整体不该出现死亡。然而事实是，古今中外尚未发现寿命无限的多细胞生物。问题的关键究竟在哪里？Hayflick^［6］的工作为解开这一迷底奠定了一定的基础。他证明多细胞生物体细胞的分裂不是无限的，而是在分裂一定次数后便停止分裂。为什么体细胞在分裂一定次数后会自动停止分裂？而且同种属的多细胞生物具有基本相同的寿命？体细胞内是否存在某种记录细胞分裂周期的分子记忆装置？近几年来已有不少学者正致力于这方面的探讨并取得了一些可喜的重大发现。

(一）特异DNA的累积与细胞衰老：

人类遗传性早老症或称华纳氏综合症（Warners symdrome）患者，较正常人提前数十年出现衰老症状，十余岁时即会出现老态，一般死于50岁之前。 是研究衰老机制的重要模型。1996年有人自华纳氏患者基因组中发现WRN基因^［7］，进一步发现在酵母基因组中亦存在与WRN基本相同的SGS1(slow growth suppressor)基因。酵母是目前研究衰老的一个极好的工具细胞，因而SGS1的发现为研究该病的分子机制开辟了新的途径。

酵母细胞（Saccharomyces cerevisiae）除了可以以配对的方式进行有性生殖外，大多数情况下它会以出芽（budding）的方式生成所谓的女儿细胞（daughter cell）进行无性繁殖。正常酵母细胞一般能重复这一过程约25次，而后便慢慢肿胀，停止出芽、暴露老化征兆。Guarente等^［8］发现，SGS1若突变后可以导致酵母细胞提前出现衰老。突变的酵母细胞在大约出芽9次后便停止出芽而成为不能生殖的细胞。在对相对年轻及衰老的酵母细胞的结构进行比较后，Guarente等发现酵母细胞核内核小体结构上的变化，核小体是RNAs帮助装配细胞蛋白的工厂。年轻的酵母或正常情况下核小体呈紧缩的新月形，而突变及衰老的细胞，其核小体明显变大。进一步研究证实，这种变大的核小体主要由一种环状DNA（extrachromosome rDNA circles, ERC）组成。当母细胞在出芽前对其DNA进行复制时，同时也对ERC进行复制。当此种周期达到一定数目后，它们会阻塞细胞核，妨碍细胞对其基因组的阅读和复制，致使细胞停止分裂并最终死亡。Guarente认为这是一种非常精细的时间机制，其对细胞的作用是非常缓慢的。在ERC DNA的累积过程中，第一个环也许是由于核糖体DNA的高度可复制性而偶然产生。这种DNA很象是细胞的DNA加工系统加工错了的产物。阻止这种环的形成很不容易，但若一旦形成，这些<