湖南师范大学学报医学版邀我为该杂志的 2012 写述评。于是从医学健康角度介绍了我们关于衰老机理的研究。写完后发现生物体的健康与人类社会的健康其实有着诸多异曲同工之处——无论这个“主义”，那个“制度”都是社会发展过程中“损伤与健康的博弈”。值此科学网庆祝五周年之际，全文贴在下面（并附当年的一首手书小诗），算是给渴望健康的大众和网上好友一点启发，也是给科学网五周年的一个祝福！ 附，文章正式发表的 pdf 文件： 衰老_损伤与生命维护的博弈.pdf 衰老，损伤与生命维护的博弈 印大中 颜思宇 湖南师范大学生命科学学院 湖南长沙 410081 摘要： 衰老已不再是生物学的不解之谜，是种种生化副反应损伤与生物体维护之间的博弈的最终结果。尽管生物进化建立的遗传系统竭尽全力试图把生物体维持在理想状态，然而能量代谢过程仍然会引起氧应激与糖应激相关的生理性和病理性的机体损变。解密衰老之后，关于健康长寿的研究将进入全新的历史时期。 Abstract: The biological mechanisms of ageing is no longer a mystery. Ageing is the result of fight between multiple damages of biochemical side-reactions and maintenant system. Although the genetic system developed during evolution has been working hard to remain organisms to a ideal situation, the energy metabolism induced oxidative/glycative stresses can still lead pathophysiologic alterations in molecules, cells, tissues and organs in organisms. After understanding the complex of ageing, the health and longevity study is entering a new era. 1 引言 二十一世纪以来，随着全球范围内老年人数的迅速增加，人类的社会组成形态逐渐老龄化，多种多样的老年退行性疾病以及随之产生的巨大的医疗费用已成为越来越严重的社会问题。沿着老年病追根寻源，人们对种种老年病的上游病因与机体衰老的根本机理的同源性已越来越清楚，也越来越关注 。 自从我们将生物体衰老的生理生化过程追溯到生物物理的源头，提出了生物衰老的本质是生命与熵增之战的终极理念，进而从亚分子、功能团水平提出了机体衰老具体的生化过程及与之相关的化学键形成机理的理化本质以来 ，我们的研究工作，作为“广义衰老学说”，得到了国内外专业领域越来越广泛的认可 。例如，继 Holliday 教授首先响应，喊出了“衰老不再是生物学之谜”后 ，美国衰老研究权威， Hayflick 教授也发文强调了“熵增决定衰老，基因决定寿命 … ”这个理念应该是生物体衰老唯一正确的答案 。曾对“熵增衰老“嗤之以鼻的英国老年学研究权威 Kirkwood 教授也终于放下了他高高举起的“严谨的科学研究已经无望解读错综复杂的衰老机理”的衰老研究“死亡判决书 ” ，认可了“ 衰老是潜移默化的，与身同在的，维持和修复受限造成的损伤积累 ” 。 尽管衰老已不再是一个生物学未解之谜，但是，人类的自然老化和一些老年退行性疾病之间的关系仍然颇有争议 。老年退行性疾病似乎仍是大部分动物必然经历的一个过程，而且这种导致健康水平下降的病变最终是致命的。许多老年病是漫长时间内生物分子或细胞活动的灾难性结果，是生物体损伤与防御殊死搏斗和灾难累积的表象。然而尽管生理性衰老与病理性衰老在许多机理上异曲同工，生理性衰老仍是我们认清衰老本质的最佳入口。 为了进一步厘清熵增导向的衰老生理生化机理及相关理念，本文对生命衰老进程中必然发生的老化损伤及机体防御的相互作用和生死博弈作一些简要的介绍和探讨。 2 衰老的多重原因及表象 机体是如何发生衰老的？要回答这个问题，我们需要考虑很多发生在衰老过程中的实际事件及其生理生化机理。从表面现象看，生物体的衰老、病变以及死亡具有多重原因 。这包括 1 ）基因损伤的聚集或者基因突变、染色体突变以及线粒体突变； 2 ）多种情况下的活性氧损伤造成的脂质过氧化产物（ ALEs ）和脂褐质堆积； 3 ）高血糖导致的糖尿病以及高级糖基化终产物（ AGEs ）在多种细胞和组织的蓄积； 4 ）胶原蛋白和弹性蛋白的交联； 5 ）蛋白质的其他异常代谢和不溶性聚合物的聚集； 6 ）免疫功能以及自身免疫的缺失； 7 ）肌肉张力减弱； 8 ）骨质疏松和骨关节炎； 9 ）组织炎症损伤； 10 ）激素失衡； 11 ）机体稳态下降； 12 ）表观遗传学异常（包括 DNA 甲基化的缺失或变异）以及肿瘤发生率的显著增加等等。所有这些都可能导致主要器官及系统的病变，例如心脏和血管，大脑以及机体其它各个器官的退行性改变以至衰竭等等。 另外，在机体老化的过程中，染色体突变和基因突变会有所增加，一些 DNA 损伤不被修复酶所识别并修复从而长期积累 。例如，许多文献都记载了 mtDNA 的增龄性缺失；又例如，核 DNA 的异常可以导致年龄相关的癌变。改变蛋白质上的一些位点，会造成胶原蛋白和弹性蛋白彼此交联，从而引起动脉硬化，动脉壁弹性下降，使得血压上升，并导致肾脏损伤以及中风。许多类型的蛋白质与葡萄糖或其它碳水化合物发生反应，生成 AGEs 。这些高分子的聚合可以发生在生物组织的诸多位点。在神经元和心肌等许多组织细胞的老化过程中常常有脂褐质的积累。脂褐质又称“老年色素”，是由多种生化应激降解产物构成的复杂混合物。二型糖尿病则是由于胰岛素水平失控或者胰岛素受体的改变而逐渐发生的典型的糖应激导致的退行性疾病。在大脑中，神经元可能死亡缺失或发生异常，产生淀粉样蛋白和神经纤维缠结，导致阿尔兹海默病和其他痴呆病症。在血管系统中，动脉粥样硬化斑主要形成在动脉内壁，使得血流量减少，这就是引发心脏病的主要原因，心脏瓣膜钙化也是心脏病的一种症状。虽然肌肉组织在一定程度上能自我修复，但长期的增龄性萎缩和细胞过度损伤也是无法弥补的老化现象。衰老往往与听觉和视觉的衰退有关。眼球晶状体是由晶体蛋白组成，也是不可替代和更新的组织，最终会因为光应激、氧应激或糖应激而形成白内障，丧失透明性。与增龄相关的视网膜病变亦主要是由于未能消除视网膜上感光细胞的蛋白质终产物的聚集而而形成。与老化相关的骨质疏松和关节炎则主要是因为，正常组织代谢能力的衰退和骨关节处损伤和免疫退化等因素的积累。 通过许多对比研究可以很清楚地看到，寿命长的物种其自身的维护机制比寿命短的物种要更有效。例如，同样的化学交联反应在牛的皮肤中要比在人的皮肤中发生要更为迅速。在大鼠体内，癌细胞的数量远远多与人类，其癌变扩散的几率也有着大约 30 倍的差异。此外，以小鼠和人类相比，小鼠淋巴细胞的基因突变率约为人类的 10 倍。因此许多癌变在大鼠身上 2-3 年内就可发生，而在人类身上需要大约 80 年时间 。研究证明，对活性氧基团（ ROS ）的防御和哺乳类动物的寿命相关。同时，已经有研究表明在长寿的鸟类、如鸽子体内，对 ROS 基团的防御力要比躯体大小和代谢率相似的哺乳动物，即短寿命的大鼠更高效。类似的差异也存在于短寿命的鸟类（金丝雀和鹦鹉）以及小鼠中。从这些研究中，我们可以隐隐约约的感觉到自身维持机制的衰退，是衰老的重要因素。 3 多发性损伤事件与生理性衰老 以上事实表明，分子和细胞水平的多发性应激事件可以引起组织和器官非常重大的变化。反过来，在老化过程中，这些变化也导致了机体健康水平下降和疾病的发生。但是，并不是所有的与老化有关的多发应激事件都是致病的 。 皮肤老化就提供了一个直观粗略的标准被用来衡量人的年龄。皮肤的变化是因为弹性减弱、出现褶皱，而且通常有老年色素斑的积累。除了皮肤癌，这些生物应激的累积效应仅仅只是衰老表现的一部分，并不对机体健康造成直接的和生死存亡的威胁。头发老化也是一个很好的例子，这是因为毛囊中的产生黑色素的细胞和毛囊本身受损，导致变白脱发。再一个例子就是肌肉的强度随着老化而减弱，这本身也不是有害的变化，但它可以导致其它问题，如跌倒和骨折，特别是当生物体还患有骨质疏松症的时候。 有趣的是，机体衰老的变化不是由多种疾病引起的，而是由于机体内部的种种分子和组织细胞的变化，最终出现与衰老相关的疾病和衰老的一些表现症状。例如尽管基因型相同，生活在相同环境下，近亲交配的小鼠的寿命却长短不一。这些小鼠的存活数量曲线呈 S 形分布。在死亡率较低的年轻时期，存活数量曲线平稳，然后死亡率从慢慢发展到急剧增加，最后曲线的斜率变小，处于极值的小鼠寿命最长。如果这个曲线以对数绘制，同样在存活小鼠数量指数下降之前处于一个平衡稳定的水平。这与放射学中的观察结果十分类似，例如，辐射诱变后病毒的数量变化也是如此。同样，早期的病毒存活数处于一个稳定水平，接着指数下降。这就是多因素存活曲线的一个例子。同样可以说，许多机体内受损的部分集中在一起构成了整个机体的老化，而且，不同组织或器官的老化以及功能的衰退不是完全同步的。 在长期的进化过程中，有些物种的寿命在缩短，而另一些物种的寿命却在增加。由于机体衰老是由多种原因导致的，机体维持自身稳态的效率在进化中的演变必然取决于各种组织和器官衰老速率的同步化程度。如果一个器官系统延长（或缩短）它的寿命，而其他的器官不延长（或缩短），这将没有选择性优势的存在。 4 生物体的自我维持与更新 生物体都是从受精卵发育成拥有繁殖能力的个体。在进化演变的自然环境中，动物们面临着许多危险，如猛兽袭击，食物和饮水资源的紧张或寄生虫和病原体的入侵等等。正因如此，野生动物的死亡率较高。 大量研究表明，动物的寿命除了与能量代谢过程导致的生化副反应的损伤相关，与机体各类组织和器官功能的维持也是直接相关的 。 生物体内存在着多种自我维持的机制，其中包括： 1 ） DNA 损伤修复； 2 ）异常蛋白分子的降解； 3 ）自由基的抵抗； 4 ）免疫系统抗寄生虫和病原体入侵； 5 ）饮食中对有害化学物质的解毒作用； 6 ）校对生物大分子的合成和纠错； 7 ）伤口的愈合，包括凝血现象和断骨的修复； 8 ）遗传控制正常的细胞功能和防止癌的生长； 9 ）细胞凋亡，消灭潜在的有害细胞； 10 ）生理稳衡调节，协调不同细胞、组织和器官的功能； 11 ）梳洗毛发和清洁皮肤，去除有害害虫和寄生虫的危害； 12 ）能量以脂肪的形式储存。 衰老是一个复杂的过程，影响着分子、细胞、组织、器官以及生理稳态，而机体的自我维持与更新也是非常复杂的。每一个维持机制单独看都可以作为一门学科，但衰老的研究包含了所有这些学科。 5 遗传与衰老的关系 生物体与非生物的最大差别，就是前者从它们的前辈获得了一套完整的遗传信息，并以此为标准来维护和修复环境因素对机体造成的损伤和变异。因此生命过程的本质就是损伤和维护的永无休止的博弈。当损伤在生物体中导致不可修复的改变时，便是生命过程走向退化的实际事件过程，换言之——衰老发生！能量代谢过程引起的生化副反应损变，所谓氧应激，糖应激及其共同过程，羰基应激便是生理性衰老过程的核心生化机理 。 在各种衰老模式生物的研究中，通过辐射和化学诱变剂诱导突变或缺失、敲除技术和同源重组改变基因的表达或者 RNA 干扰诱导翻译抑制使得基因表达水平降低，由此可以改变寿命的长短，这类基因被称为长寿基因或衰老基因。 应当指出，生物体内有大量的基因，它们是所有蛋白质和生物酶赖以形成所必需的代码，这些蛋白质和酶是各种维持机制需要的基本功能成分。长寿基因并非直接决定生物体的寿命，例如 SIRT2 就是通过调控胰岛素样因子（ IGF-1 ）及其相关的信号通路来影响机体自身维持与更新的机制，降低机体的新陈代谢速率或者使其生长速度减慢，从而促进衰老或延缓衰老。一般这种调控是有多种基因共同作用的。 6 分子保真度的减小和熵增 二十世纪的物理学大师薛定谔（ Schrodinger ）在的《生命是什么？》一书中讨论了生物体与热力学基本定理定律的关系。热力学第二定律表明处于有序态的原子和分子终究会向无序状态衍变。生物体必须靠能量供应来维持他们复杂的结构，但能量代谢造成的副反应损伤会导致无序状态增加，所谓熵增，使得机体衰老与走向死亡。无论造成衰老的原因如何花样繁多，多种多样，衰老全过程的根本原因都可以被归结于一个生物物理的基本原理，那就是分子保真度的减小和生物体的无序程度，“熵”的增加。 事实上，分子保真度的减小和熵的增加同导致机体衰老的多种原因并没有本质的区别。机体内分子的保真度损失或由于各种损伤增加分子的无序性，而自我维持与更新的机制不是永久有效的。随着时间的推移，体内损伤会越来越多，并且难以通过原来机制修复。当损伤积累到一定程度后，细胞、组织、器官甚至机体开始出现相应的老化和病变，直至最终的死亡。 7 瞻望 衰老已经不再是生物学的未解之谜 。正常的新陈代谢消耗一定的能源显然是生命所必需的，但对于利用资源以繁殖后代还是维持自身是需要权衡的，对于这种权衡，不同种类的动物是不同的。寿命短、体型小的物种，比如说啮齿动物（鼠类），可以繁殖很多后代，但体型大且寿命长的物种则只繁殖少数几个后代。动物和人类在消耗能量过程中自发产生的种种应激损伤，或多或少逐渐影响和改变了自身机体器官和组织细胞的各种基本功能，从而导致健康水平的下降以至最终出现相应的老年疾病。然而，随着依靠医疗手段来维持自身健康的费用的日益增加，未来有关衰老生物学的研究将从各个角度出发，更加深入地阐明衰老的多重因素及其作用机理，寻找针对衰老相关疾病的预防措施。 1. Hayflick L, How and why we age . Exp Gerontol, 1998, 33 (7-8): 639-653. 2. Hayflick L, Entropy explains aging, genetic determinism explains longevity, and undefined terminology explains misunderstanding both . PloS Genetics, 2007, 3(12): e220. 3. Yin D, Aging: a war between life and entropy . Chi J Gerontol, 2003, 23(9): 555-559. 4. Yin D, Brunk UF, 1995. Carbonyl toxification hypothesis of biological aging . In: Macieira-Coelho A (ed.), Molecular Basis of Aging. CRC Press Inc, New York, pp. 421-436. 5. Holliday R, Aging is no longer an unsolved problem in biology . Ann NY Acad Sci, 2006, 1067: 1-9. 6. Holliday R, Aging and the decline in health . Health, 2010, 2(6): 615-619. 7. Kirkwood TBL, A systematic look at an old problem . Nature, 2008, 451 : 644-647. 8. Yin D, Biochemical basis of lipofuscin, ceroid, and age pigment-like fluorophores . Free Radic Biol Med, 1996, 21 (6): 871 - 888. 9. 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植物为我们的生存提供了粮食和治疗疾病的药物，植物自身的防御和对环境的响应一直以来是科学家感兴趣的话题。科罗拉多州立大学的 Medford 教授等人发现植物也可以用于反恐，他们基于 GUS 报告基因标记、表观现象、叶绿素荧光和定量反转录 PCR 等技术 系统研究了植物反恐的机理。植物叶片暴漏在 TNT( 一种烈性炸药 ) 的环境中会迅速脱色，由绿色变成了白色，并且脱色的程度随着 TNT 浓度的增大和暴漏时间的延长而加剧，当移除 TNT 炸药时叶片又恢复成绿色，就像变色龙一样。植物的这种特性让我想起了《植物大战僵尸》里的胆小菇，呵呵。 在机场安检处我们经常可以看到警犬嗅来嗅去的，它们主要是在检测有没有爆炸物和一些危险品，警犬一经发现有什么不对劲的地方就会汪汪叫，从而协助安检人员解除危险。相比于狗狗，我们的植物丝毫也不逊色，如狗狗能检测爆炸物的浓度是 10 个 ppb 至 500 个 ppt ( ? ) ，而经过改造的植物其灵敏度优于或者接近狗狗的鼻子。但在 Medford 教授 等人研究论文中需要至少整整 24 小时才能明显的发现 TNT ，这显然不能够用于实战，要知道恐怖分子要不几分钟就能造成很大的破坏，从这个角度来讲植物反恐好像不靠谱。但五角大楼的决策官员比较乐观，美国国防部已经拨款 790 万美元与她们研究组开展合作研究，这种反恐植物或许在未来的三年内就能用于安检。 由于 TNT 的化学成分是三硝基甲苯，一些药品或许就含有类似的成分，如果一个病人在机场携带了包含此类物质的药品而被当成恐怖分子抓起来是很尴尬的，会造成秩序的混论和其它不必要的麻烦。 Medford 教授显然也注意到了这个问题，她在回复我的邮件中解释说她们的研究还相当基础 (Our work is pretty basic right now) 。举一个不太雅观和夸张的例子，如果一个消化系统不太好的人在机场放了一个臭屁，都有可能被这种比狗鼻子还灵敏的植物误判为恐怖分子，我们知道屁的成分相当复杂，包含大量的有害和有毒气体成分。基础研究与应用研究一般会有很大的差距，缩小这种差距是不同层面科学家的梦想。近日，她们的研究论文" Programmable Ligand Detection System in Plants through a Synthetic Signal Transduction Pathway ”发表在 PLoS ONE 上。 除了整个研究思路具有新颖性以外，老外的科普工作做的也相当漂亮，值得所有从事基础研究的科研人员学习。论文中 GUS 报告基因表达鉴定和定量反转录 PCR 这些分子生物学的东西我不大了解，但对她们采用的叶绿素荧光成像技术是略知一二的。上图中彩色的漂亮图片就是叶绿素荧光成像技术，由于快速、无损和灵敏等特点已经被广泛用于植物生理生态的研究中。上图也是刊载在 Daily Mail 上的科普图片，形象生动地展示了已经转入感受爆炸物基因的烟草、没有转入感受爆炸物基因的阴性对照和普通烟草对爆炸物的反应，左边两排植株是肉眼可见的表观现象，右边两排就是叶绿素荧光成像的照片，这篇 Daily Mail 的作者没有解释这是一种什么技术，只是告诉普通大众这是在电脑帮助下的机器成像，省去了读者理解上的麻烦。下图是研究论文的截图，表达的是同样的意思，不仅有具体的植株材料标注和处理时间，还有成像伪色条码，以及光系统 2 潜在的最大的光化学效率的线条图，科学性是有了，但理解起来需要专业知识，显然不是普通民众喜闻乐见的形式。 我很荣幸被推荐为科学网第三届顾问博主委员会成员，理应为科学网发展献计献策，现在也是科网五周年庆祝的骨节眼上，我认为所有的科网博主有责任有能力把自己的研究成果写成生动活泼的科普文章，而科学网也应该努力扩大博主工作的影响，特别是那些做出了很漂亮工作的博主。“君子讷于言而敏于行”和“酒香不怕巷子深”这些教人含蓄的哲理对于从事基础研究的人已经不合时宜了，再说花着纳税人的钱，难倒不应该让纳税人知道您做的到底是什么东东吗？科网允许开博的准入条件是很高的，大部分都是研究生以上的科研人员，如果稍加培养博主的这种精神，科网成为全国甚至全世界最优秀的科技资讯平台是指日可待的。而这，无论于科网，还是于科网博主都是两全其美的扩大影响力的绝好机会。 相关阅读： Daily Mail 报道： The latest weapon in the fight against terrorism: How scientists have developed plants that can detect bombs PLoS ONE 全文
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