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(一)體細胞突變學說
該學說認為在生物體的一生中,誘發(物理因素如電離輻射,x射線,化學因素及生物學因素等)和自發的突變破壞了細胞的基因和染色體,這種突變積累到一定程度導致細胞功能下降,達到臨界值後,細胞即發生死亡.支持該學說的證據有:x線照射能夠加速小鼠的老化,短命小鼠的染色體畸變率較長命小鼠為高,老年人染色體畸變率較高;有人研究了轉基因動物在衰老過程中出現的自發突變的頻率和類型,也為該學說提供了一定的依據.然而,該學說也有解釋不了的事實,如衰老究竟是損傷增加還是染色體修複能力降低,該學說無法解釋;另外,現代生物學證明基因的突變率為10-6-10-9/細胞/基因位點/代,如此低的突變率不會造成細胞的全群死亡,而按該學說要求細胞應有異常高的突變率;衰老是突變造成的,轉化細胞在體外能持續生長,就此而言,轉化細胞應不發生突變,事實卻並非如此.
(二)自由基學說(國際學術界公認)
衰老的自由基學說是denhamharman在1956年提出的,認為衰老過程中的退行性變化是由于細胞正常代謝過程中產生的自由基的有害作用造成的.生物體的衰老過程是機體的組織細胞不斷產生的自由基積累結果,自由基可以引起dna損傷從而導致突變,誘發腫瘤形成.自由基是正常代謝的中間產物,其反應能力很強,可使細胞中的多種物質發生氧化,損害生物膜.還能夠使蛋白質,核酸等大分子交聯,影響其正常功能.自由基學說
支持該學說的證據主要來自一些體內和體外實驗.包括種間比較,飲食限制,與年齡相關的氧化壓力現象測定,給予動物抗氧化飲食和藥物處理;體外實驗主要包括對體外二倍體成纖維細胞氧壓力與代謝作用的觀察,氧壓力與倍增能力及抗氧化劑對細胞壽命的影響等.該學說的觀點可以對一些實驗現象加以解釋如:自由基抑制劑及抗氧化劑可以延長細胞和動物的壽命.體內自由基防禦能力隨年齡的增長而減弱.脊椎動物壽命長的,體內的氧自由基產率低.但是,自由基學說尚未提出自由基氧化反應及其產物是引發衰老直接原因的實驗依據,也沒有說明什麼因子導致老年人自由基清除能力下降,為什麼轉化細胞可以不衰老,生殖細胞何以能世代相傳維持種系存在這些問題.而且,自由基是新陳代謝的次級產物,不大可能是衰老的原發性原因.
(三)生物分子自然交聯學說
其主要論點是:機體中蛋白質,核酸等大分子可以通過共價交叉結合,形成巨大分子.這些巨大分子難以酶解,堆積在細胞內,干擾細胞的正常功能.這種交聯反應可發生于細胞核dna上,也可以發生在細胞外的蛋白膠原纖維中.目前有一些證據支持交聯學說.皮膚膠原的可提取性以及膠原酶對其消化作用隨增齡降低,而其熱穩定性和抗張強度則隨年齡的增高而增強了;大鼠尾腱上的條紋數目及所具備的熱收縮力隨年齡的增高而增加,溶解度卻隨年齡增高而降低.【愛↑去△小↓說△網w qu 】這些結果表明,在年老時膠原的多肽鏈發生了交聯,並日益增多.該學說與自由基學說有類似之處,亦不能說明衰老發生的根本機制.生物分子自然交聯學說:該學說在論證生物體衰老的分子機制時指出:生物體是一個不穩定的化學體系,屬于耗散結構.體系中各種生物分子具有大量的活潑基團,它們必然相互作用發生化學反應使生物分子緩慢交聯以趨向化學活性的穩定.隨著時間的推移,交聯程度不斷增加,生物分子的活潑基團不斷消耗減少,原有的分子結構逐漸改變,這些變化的積累會使生物組織逐漸出現衰老現象.生物分子或基因的這些變化一方面會表現出不同活性甚至作用徹底改變的基因產物,另一方面還會干擾rna聚合酶的識別結合,從而影響轉錄活性,表現出基因的轉錄活性有次序地逐漸喪失,促使細胞,組織發生進行性和規律性的表型變化乃至衰老死亡.生物分子自然交聯說論證生物衰老的分子機制的基本論點可歸納如下:其一,各種生物分子不是一成不變的,而是隨著時間推移按一定自然模式發生進行性自然交聯.其二,進行性自然交聯使生物分子緩慢聯結,分子間鍵能不斷增加,逐漸高分子化,溶解度和膨潤能力逐漸降低和喪失,其表型特征是細胞和組織出現老態.其三,進行性自然交聯導致基因的有序失活,使細胞按特定模式生長分化,使生物體表現出程序化和模式化生長,發育,衰老以至死亡的動態變化曆程.隨年齡增長,對生命重要的大分子有交聯增多傾向,或在同種分子間或在不同分子間都可能產生交聯鍵從而改變了分子理化特性,使之不能正常發揮功能.細胞外的膠原蛋白進行交聯已如前述,此說則設想胞內大分子如核酸,蛋白質也會進行交聯,但迄今在體內還未見證實.把交聯視為衰老的原發性因素也只是一種推測,然而這畢竟是研究衰老中值得探索的一個途徑.
(四)衰老的免疫學說
衰老的免疫學說可以分為兩種觀點:第一,免疫功能的衰老是造成機體衰老的原因;第二,自身免疫學說,認為與自身抗體有關的自身免疫在導致衰老的過程中起著決定性的作用.衰老並非是細胞死亡和脫落的被動過程,而是最為積極地自身破壞過程.從衰老的免疫學說可以看出免疫功能的強弱似乎與個體的壽命息息相關,迄今的研究表明機體在衰老的過程中確實伴有免疫功能的重要改變:1,個體水平伴隨衰老免疫功能改變的特點是對外源性抗原的免疫應答降低,而對自身抗原免疫應答增強.據whittingham報告,用抗原免疫後,老年人抗體效價比年輕人呈現有意義下降.此外隨衰老自身抗體的檢出率升高.細胞免疫也隨增齡而降低.2,器官,組織水平人類的胸腺出生後隨著年齡的增長逐漸變大,13-14歲時達到頂峰,之後開始萎縮,功能退化,25歲以後明顯縮小.新生動物切除胸腺後即喪失免疫功能,年輕動物切除胸腺後,免疫功能逐漸衰退,抗體形成及移植物抗宿主反應下降.3,細胞,分子水平老年動物和人的t細胞功能下降,數量也減少.隨年齡的增長,機體對有絲分裂原刀豆蛋白a(cona),植物血凝素(pha)及抗cd3抗體的增殖反應能力下降.這是衰老的免疫學特征之一.伴隨老化,細胞因子的分泌有明顯的改變.在t細胞的增殖中il-2的產生和il-2受體的出現是很重要的,老年人il-2產生減少,il-2受體,特別是高親和性受體的出現亦減少.自身免疫觀點認為免疫系統任何水平上的失控都可以導致自身免疫反應的過高表達,也從而表現出許多衰老加速的證據.免疫系統控制衰老也有許多相反的證據.小鼠中有一種長命的近交品系-c57bl/6,它的抗核抗體的比例及胸腺細胞毒抗體的含量相對較高,但未顯示較高程度的免疫病理損傷.裸鼠是一種先天性無胸腺無毛綜合症的小鼠,其t細胞免疫功能極度缺乏,以至于可以接受同種異體甚至異種移植物,這種小鼠如果飼養在普通條件下可致早期死亡,但是在無菌條件下飼養其壽命不低于正常鼠.如果在通常的飼養條件下切除新生小鼠的胸腺,死于3月齡左右,若將其置于無菌的環境中,大多數可以活得更長久.可見免疫系統雖然對生存期可以產生影響,但並非決定因素.免疫學說將免疫系統說成是衰老的領步者及根本原因所在,然而至今尚無明顯的理由說明免疫系統隨齡退化的原因,免疫系統的增齡改變也均是衰老導致的多種效應的表現,應該視為整體衰老的一部分,而不是衰老的始動原因.
(五)端粒學說
端粒學說由olovnikov提出,認為細胞在每次分裂過程中都會由于dna聚合酶功能障礙而不能完全複制它們的染色體,因此最後複制dna序列可能會丟失,最終造成細胞衰老死亡.端粒是真核生物染色體末端由許多簡單重複序列和相關蛋白組成的複合結構,具有維持染色體結構完整性和解決其末端複制難題的作用.端粒酶是一種逆轉錄酶,由rna和蛋白質組成,是以自身rna為模板,合成端粒重複序列,加到新合成dna鏈末端.在人體內端粒酶出現在大多數的胚胎組織,生殖細胞,炎性細胞,更新組織的增生細胞以及腫瘤細胞中.正因如此,細胞每有絲分裂一次,就有一段端粒序列丟失,當端粒長度縮短到一定程度,會使細胞停止分裂,導致衰老與死亡.大量實驗說明端粒,端粒酶活性與細胞衰老及永生有著一定的聯系.第一個提供衰老細胞中端粒縮短的直接證據是來自對體外培養成纖維細胞的觀察,通過對不同年齡供體成纖維細胞端粒長度與年齡及有絲分裂能力的關系觀察到隨著增齡,端粒的長度逐漸變短,有絲分裂的能力明顯漸漸變弱;hastie發現結腸端粒限制性片段的長度隨供體年齡增加逐漸縮短,平均每年丟失33bp的重複序列;植物中不完整的染色體在受精作用中得以修複,而不能在已經分化的組織中修複,這在較為高等的真核生物中也證實了體細胞中端粒酶的活性受抑制;精子的端粒要比體細胞長,體細胞缺失端粒酶活性就會逐漸衰老,而生殖細胞系的端粒卻可以維持其長度;轉化細胞能夠通過端粒酶的活性完全複制端粒以得永生.端粒學說
但是許多問題用端粒學說還不能解釋.體細胞端粒長度與有絲分裂能力呈正比,這一點實驗已經證實了,而不同的體細胞其有絲分裂能力是不盡相同的,胃腸黏膜細胞的分裂增殖速度就比較快,神經細胞分裂的速度就比較慢.曾有人就不同年齡供體角膜內皮細胞的端粒長度進行研究發現角膜內皮細胞內端粒長度長期維持在一個較高的水平,而端粒酶卻不表達.另外,kippling發現,鼠的端粒比人類長近5-10倍,壽命卻比人類短的多.這些都提示體細胞端粒長度與個體的壽命及不同組織器官的預期壽命並非一致.生殖細胞的端粒酶活性長期維持較高的水平卻不會象腫瘤那樣無限制分裂繁殖;端粒長度由端粒酶控制,那何種因素控制端粒酶呢?生殖細胞內端粒酶活性較高,為什麼體細胞中沒有較高的端粒酶活性.看來端粒的長度縮短是衰老的原因還是結果尚需進一步研究.
(六)線粒體理論(mitochondrialtheory)
wallace在1999年提出線粒體dna(mtdna)的突變會隨年齡積累,這也是造成細胞衰老的重要因素.之後,有許多文獻都反應了這點.研究中發現,細胞年齡的增長與細胞中細胞色素c氧化酶(cytochromecoxidase,cox,一種和細胞呼吸直接相關的蛋白)缺陷正相關,而這是由mtdna突變導致的,它們在人類肌肉細胞,腦細胞,腸細胞等的存在均有報道.若細胞中的mtdna突變達到較高水平,即能阻礙細胞atp生產,生物能量的供應.
(七)蛋白質改變理論與廢料積累理論(umulationtheory)
生命過程中,蛋白質的新陳代謝是必不可少的.為了保護細胞的正常功能,新生蛋白質的同時會去除損壞或多余的蛋白質,這是顯而易見的.諸多醫學領域的研究已經發現,蛋白質的代謝能力會隨著年齡推移而下降,其中還包括一系列老年疾病,如白內障,阿爾茨海默氏病,帕金森氏病.carrard等人在2002年發布了"蛋白酶,蛋白質的活性隨著年齡增長而功能下降"的證據.之後在2003年,soti和csermely也發現了分子伴侶蛋白與衰老的關系,即分子伴侶蛋白會因為人體進入衰老而活性降低,或者反過來說,因為分子伴侶蛋白活性降低,所以人體進入衰老.隨後,terman和brunk進一步認為,它們僅是細胞廢料中的一部分,更廣的視角應在于細胞的"垃圾處理"過程.
(八)衰老網絡理論(worktheoriesofaging)
通過以上理論,我們已經可以看到細胞衰老存在多種複雜的機制.在實踐中,大多數的研究仍主要集中在單一的機制上.這顯然限制了對衰老過程的觀察.所以,kirkwood等人提出衰老網絡理論,認為多種生命機制和細胞病變共同造成了衰老,它們之間有相互協同的作用,網絡理論著重研究它們之間的作用.比如:mtdna突變隨年齡逐漸積累,導致atp含量逐步下降同時活性氧(reactiveoxygenspecies,ros)增多.這也使得細胞內蛋白質應激損耗,並且積累廢料.這些損耗可以由增殖活躍的組織細胞通過有絲分裂進行稀釋,但同時活躍的dna複制也使得體細胞突變與端粒侵蝕頻率增高.
這種網絡觀察法的優勢是能涵蓋各種細胞衰老的機制,而且也適用于不同的物種之間的差異,或特定類型的分子損傷.
衰老是為了避開癌症?
以上理論雖然都能解釋衰老是細胞內外損傷造成的結果,但它們還無法繞開另一個問題,即細胞自我凋亡或自噬.不同于細胞壞死,在一般情況下,組織中的細胞能夠被生物信號誘導主動進入細胞凋亡程序.事實上,年老的器官細胞里,凋亡水平同樣是增加的,這又是為什麼?
不少研究認為,它們也是由于更長久的細胞損傷積累導致的.但更可能的解釋是,細胞凋亡反映的是一種保護機制.這個重要的問題涉及到細胞對損傷的反應.在某些情況下,特別是增殖型組織的干細胞,如骨髓和腸上皮細胞等,受損的細胞將構成明顯的腫瘤威脅.這大概是為什麼這樣的細胞往往會通過啟動細胞凋亡來應對dna損傷的響應.如果這樣解釋的話,衰老就能看做是一種對癌症的保護機制,而不是衰老導致癌症.其中的因果箭頭將被顛倒.
生命在衰老和癌症之間做出權衡,即表現為刪除和維護受損的細胞之間的平衡.對此,tyner等人在2002年發表的研究中,采用了p53突變型小鼠.這種基因突變的小鼠被大大降低了癌症發病率.但同時,他們也表現出更快的衰老,包括肝,腎,脾,****等各種組織細胞的衰老加速,同時也有皮膚的厚度,毛發生長速度,傷口愈合速度等表型的下降.
(未完待續.)