硕士班抗衰老

1、衰老机理和抗衰老基因组学时代的机遇吕占军 41人类对寿命有很高的需求徐福对秦始皇说：“海中有三神山，名曰蓬莱、方丈、瀛洲，仙人居之， 蓬莱仙药可得。汉武帝晚年迷信方士，炼丹寿命受进化力的选择，小鼠的寿命是2年，人的寿命是70年。2How is it programmed so timely and so correctly?生命的过程是一种准确、准时程序？Whether you believe it or not!3The MicrobesEvolutionaryRNA World 4 第一节 提出问题 1、多细胞生物包括人为什么会衰老？ 2、什么是衰老，衰老是年龄上升还是功能下降？ 3、衰老

2、从什么时候开始计算，是从出生（受精卵）时还是从功能达到顶峰时？ 4、人是因病而死还是因老而死？ 5、一般认为衰老具有普遍性，内在性，进行性，有害性的共同特点。问题是：“有害”为什么还能“普遍”？自然选择为什么不能把这种有害的特征选择掉？ 6、衰老、分化和肿瘤发生之间有什么联系？解释其中之一的学说如何看待另外两个现象？ 5 7、真核细胞与原核细胞的功能区别必然与它们的结构有关，那么如何认识原核生物和真核生物结构与功能的统一？结构：非编码序列，核小体，染色质结构；功能：衰老，分化。 6 8、生殖细胞和体细胞都来自受精卵，它们的遗传物质是相同的，但是生殖细胞可以世代延续具备不老的特征，而体细胞却要衰

3、老，这是为什么？ 9、如果说，只有生殖细胞可以延续后代，那么植物的插枝、克隆蛙、克隆羊、孤雌生殖、单性生殖、植物的单个细胞衍生为植株又如何解释？ 10、有人认为，有性生殖的意义在于增加了该物种的多样性。这样的观点如何解释生物的雌雄同体？ 11、哺乳动物的寿命约等于其生长期的5-7倍，等于其性成熟期的8-10倍，为什么？该规律为什么对非哺乳动物不一定适用？ 12、体细胞可以衰老，一旦成为转化细胞则不衰老，为什么? 13、为什么突变通常造成短寿，而不能出现明显长寿的个体？如小鼠的寿命象人一样长。 14、衰老逆转是否可行？ 15、生物进化是由单细胞到多细胞，由简单到复杂，由不衰老到衰老。这些事实是否

4、足以使我们考虑衰老的重要生物学意义？。7 16、肿瘤发生是因为分化紊乱还是因为DNA一级结构改变？ 17、遗传性缺陷为什么到一定的年龄发病？ 18、为什么病毒有明显的寄主和细胞寄生特异性？ 19、如何解释细胞融合发生的诸如表型熄灭、表型出现、数量影响等复杂现象。 20、如何解释分化诱导的时间性？诱导早了不行，晚了也不行。鸡腿长鳞片，翅膀长羽毛，中胚层诱导。821、表观遗传是衰老的主要控制因素长期以来，有一种现象一直困扰着研究遗传与进化的学者们，他们发现除了基因序列外，似乎另有一些因素影响着基因的表达。这些就是表观遗传学所要研究的问题。表观遗传指不改变DNA序列的可遗传的基因表达改变。表观遗传学

5、研究没有DNA 序列变化的、可遗传的基因表达改变 ,研究在基因组序列不变的情况下，可以决定基因表达与否并可稳定遗传下去的调控密码。910 从一个单个受精卵发展成人体中220种不同类型细胞过程中DNA的序列是不变的，这一过程被认为主要受“表观遗传密码”的调控，这一密码是什么？ 对这些问题的回答，从根本上说，将推动人类对生命进化理论的认识。11图 椎实螺外壳旋转方向的遗传12马、驴正反交的后代差别较大13X染色体失活过程巴氏小体14分化和分化状态的维持淋巴细胞淋巴母细胞15表观遗传的机制：1、DNA甲基化2、组蛋白修饰3、小RNA4、基因组印记5、染色质构象16第二节 衰老的重要现象一、衰老受遗传

6、控制 二、寿命与生长期、性成熟期的关系17三、突变与寿命 可以从两个方面讨论该问题：即体细胞突变和生殖细胞突变。 (一）体细胞突变 小鼠染色体畸变率随年龄而稳定的增加，畸变率增加的速度与动物预期寿命成反比。在人体外周血淋巴细胞的培养中也发现染色体的畸变率随年龄而增加，这些是正常个体随年龄上升染色体畸变增加的例证。 （二）生殖细胞突变 染色体和基因的不正常也可以发生在生殖细胞，形成遗传病。关于自发突变率，虽然每个核苷酸突变率很低，但是考虑到人类基因组有3109硷基对，由受精卵分化、增殖为新的生殖细胞要经历许多细胞代（尤其是精子发生），因此发生后代基因偏离亲代的机会还是不少的。目前已经发现有300

7、0余种疾病与遗传有关，这些疾病多数可以使患者的寿命缩短，但是不能使患者的寿命延长。患遗传病可以使人短寿，由此导致的死亡与通常情况所说衰老、死亡有何本质区别？前文已列举大量事实证明衰老与遗传有关，那么是否可以说，衰老都属于遗传病呢？或者可以说，在后代独立生活前的遗传性死亡都是疾病，后代独立生活后的遗传性死亡不属于疾病？ 18图 限食和非限食小鼠脾淋巴细胞对有丝分裂原的反应性 限食和非限食小鼠的脾淋巴细胞用植物血凝素（PHA）、刀豆素A(Con A)、脂多糖 (LPS)刺激，测定脾淋巴细胞3H-Tdr掺入量。 A=31-34周龄，B=56-61周龄，C=75-85周龄 四、限食与寿命 限制饮食是迄

8、今为止知道的能够大大延长哺乳动物生命的唯一方法。 19 五、年龄相关疾病与寿命 高血压、冠心病、糖尿病、骨质疏松等疾病的发病率与年龄呈正相关趋势。 吃什么食物对疾病的影响？20 六、衰老的标志 21七、水分等变化 老年人机体组成成分的改变主要表现为体内水份和细胞固体成分减少，脂肪明显增多。脂肪由青年时占总体重的14%增至老年时的30%，Printice和Edelman等的研究证实，老年人体内水分含量与脂肪含量呈反比。水分由青年时的61%减至老年时的53%，细胞固体成分由青年时的19%减至老年时的12%。老年人的细胞内液减少，而血管内液（一般血管内液量为细胞外液1/4）相对增多。正常情况下，细胞

9、内的水分与细胞内的亲水性物质结合，以结合水的形式存在。老年人细胞内水分减少，是因为细胞内物质结合水的能力下降，所以靠单纯补充水分不能增加细胞内的水分含量。228. Germ cells not being ageingAgeingSperm and ovumNew individualadult23第三节 衰老、分化及肿瘤发生理论 一、中医的精气亏耗学说 我国中医认为精气虚衰导致机体衰老。素问、金匮真言论有记载：“夫精者，身之本也。”灵枢本神篇记载：“故生之来谓之精”灵枢平人绝古篇记载：“故神者，水谷之精气也”朱丹溪在格致余论中列举了老人各种衰老征象，认为原因在于精血俱耗。宋陈直认为老人气血渐

10、衰，真阳气少，精血耗竭，神气浮弱。 古代医家认为身体本身活力称之为精，精气是人体维持其器官功能正常运行的动力所在。精气分先天之精与后天之精，前者禀受于父母，形成人生命的原始动力，后者来源于饮食水谷。先天精气与生俱来，继承于父母，不能得到继续补充，是有限的；而后天精气是源于饮食和一些其它活动，可以不断得到补充。按此推理衰老的本质原因是因为先天之精匮乏。 中医的精气亏耗学说所提到的一些宏观运行机制对现代医学的抗衰老理论的研究有一定启发和积极地帮助作用，但是较为抽象且缺乏细胞分子水平的根据。 24二、体细胞突变学说 该学说认为在生物体的一生中，诱发（物理因素如电离辐射、X射线、化学因素及生物学因素等

11、）和自发的突变破坏了细胞的基因和染色体，这种突变积累到一定程度导致细胞功能下降，达到临界值后，细胞即发生死亡。支持该学说的证据有：X线照射能够加速小鼠的老化，短命小鼠的染色体畸变率较长命小鼠为高，老年人染色体畸变率较高；有人研究了转基因动物在衰老过程中出现的自发突变的频率和类型，也为该学说提供了一定的依据。 然而，该学说也有解释不了的事实，如衰老究竟是损伤增加还是染色体修复能力降低，该学说无法解释；另外，现代生物学证明基因的突变率为10-6-10-9 /细胞/基因位点/代，如此低的突变率不会造成细胞的全群死亡，而按该学说要求细胞应有异常高的突变率；衰老是突变造成的，转化细胞在体外能持续生长，就

12、此而言，转化细胞应不发生突变，事实却并非如此。25三、自由基学说 衰老的自由基学说是Denham Harman在1956年提出的，认为衰老过程中的退行性变化是由于细胞正常代谢过程中产生的自由基的有害作用造成的。生物体的衰老过程是机体的组织细胞不断产生的自由基积累结果，自由基可以引起DNA损伤从而导致突变，诱发肿瘤形成。自由基是正常代谢的中间产物，其反应能力很强，可使细胞中的多种物质发生氧化，损害生物膜。还能够使蛋白质、核酸等大分子交联，影响其正常功能。26四、交联学说 该学说由Bjorksten于1963年提出的，后经Verzar加以发展。其主要论点是：机体中蛋白质，核酸等大分子可以通过共价交

13、叉结合，形成巨大分子。这些巨大分子难以酶解，堆积在细胞内，干扰细胞的正常功能。这种交联反应可发生于细胞核DNA上，也可以发生在细胞外的蛋白胶原纤维中。目前有一些证据支持交联学说。皮肤胶原的可提取性以及胶原酶对其消化作用随增龄降低，而其热稳定性和抗张强度则随年龄的增高而增强了；大鼠尾腱上的条纹数目及所具备的热收缩力随年龄的增高而增加，溶解度却随年龄增高而降低。这些结果表明，在年老时胶原的多肽链发生了交联，并日益增多。该学说与自由基学说有类似之处，亦不能说明衰老发生的根本机制。27五、差误成灾学说 差误成灾学说是由Orgel明确提出的，认为在DNA复制，转录和翻译中发生误差，这种误差可以不断扩大，

14、造成细胞衰老、死亡。如DNA转录mRNA的过程发生微小的差异，带有该微小差异的mRNA会翻译出进一步偏离的蛋白质，该蛋白质如果属于DNA聚合酶会合成差异程度更大的DNA，这样的差错经过每一次信息传递都扩大一些，形成恶性循环，使细胞内积累许多差错分子造成灾难，细胞正常功能不能发挥，致使细胞衰老、死亡。 对于这种假说，已有大量的研究和报道，各抒己见，褒贬不一。Lewis和Tarrant发表了他们认为支持该学说的资料：合成生物大分子所需的酶存在年龄依赖性变化，如小鼠肝DNA多聚酶、人体成纤维细胞DNA多聚酶合成的正确性都随着年龄的增加而降低；同时DNA的修复速度也下降。 然而，与之不符的结果有在亚致

15、死浓度的氨基酸类似物中生长的二倍体细胞寿命并不缩短。假如衰老是因为蛋白质合成时的差错引起的，那么在上述不利的情况下，能够加快这一过程的因素将会缩短培养细胞的寿命，事实却并非如此。Gupta发现诱变剂连续处理几个周期并不会缩短体外培养的成纤维细胞的寿命；另外，肿瘤细胞系可以无限制的传代而保存下来，似乎也与差误假说不符。 28六、生物钟学说 又称为遗传程序学说，该学说认为衰老是生命周期中已经安排好的程序，它只不过是整个生长与分化过程中的一个方面，每一物种都有一份遗传上的“时间计划”，即靠生物钟或类似的机制按照在大自然进化中生存的利害得失发生。特定的遗传信息按时激活退变过程，退变过程逐渐展开，最终导

16、致衰老和死亡。29七、端粒学说 端粒学说由Olovnikov提出，认为细胞在每次分裂过程中都会由于DNA聚合酶功能障碍而不能完全复制它们的染色体，因此最后复制DNA序列可能会丢失，最终造成细胞衰老死亡。30八、网络学说 20世纪90年代由Kowald等人提出网络学说。该学说综合了线粒体缺陷，畸变蛋白和自由基对衰老的影响，包括抗氧化酶和蛋白溶解清除剂的保护作用。其中的诸多数学模型概括了该学说的四个特征：1）缺陷线粒体的积累；2）蛋白质合成过程产生畸变蛋白对机体的影响；3）氧自由基的损伤；4）蛋白水解酶对蛋白质的“清道”作用减弱。 31九、衰老基因学说 首先报道诱导永生细胞衰老实验的是Sugawa

17、ra等人，用正常细胞和永生仓鼠细胞融合后，出现衰老表现。将人1号染色体导入永生仓鼠细胞则细胞出现衰老迹象。Sugawara等认为1号染色体上携有仓鼠永生细胞系的衰老基因。有人说细胞衰老是被激活的或在细胞增殖后期作用显著的基因控制的结果，由此认同了衰老基因的存在，缺失这些基因使细胞发生永生化。正常细胞和肿瘤细胞杂交后，杂交细胞表现衰老，说明了正常细胞能够弥补肿瘤细胞在衰老程序中的缺陷。人们发现使细胞衰老的染色体似乎也有特异性，如对于同一种细胞导入2号染色体，细胞出现衰老表现，导入3、6、7、9、11或12号染色体细胞仍能继续生长，也没有形态的改变。 导入染色体可以使细胞从永生向衰老转变，不能就认

18、为其上一定携有衰老基因，任何引起细胞功能下降的因素都可以导致衰老。从进化上讲，多细胞生物也没有必要强制性存在衰老基因。32十、基因阻遏平衡论 一种衰老学说基因阻遏平衡论，于1992年由吕占军教授提出，以后又作了部分补充。严格说该学说属于一种生命学说，因其不仅解释衰老也解释肿瘤和分化。该学说同时考虑到衰老、分化和肿瘤现象，考虑到基因结构及组成，生物进化等多方面的问题，但其中的许多论点和直接实验依据尚在进一步地验证和提供过程中。 33基因阻遏平衡论认为，多细胞生物体的基因有被非特异阻遏的特性。根据打开和关闭的顺序多细胞生物的基因可以分为若干级，多细胞生物细胞中每一级基因的活化都需要上级基因的产物和

19、某些诱导因素。基因活性的维持最终要追溯到受精卵的条件，但是受精卵的条件已经不复存在，特定细胞中上级基因的产物和特定诱导条件都在逐渐减弱，这使基因表达减弱，使细胞功能减弱，衰老就会来临。由于缺乏了上级基因产物，所以不同类型细胞中表达的不同分化基因都有向阻遏方向平衡的趋势。上级基因衰老和下级基因启动是细胞分化的基础，如果上级基因不衰老，生物就会停留在单细胞的水平；但是上级基因活化是下级基因启动的前提，一旦上级基因衰老，下级基因即失去了支持，所以衰老必然来临。下级基因活性维持不需上级基因支持，是肿瘤发生的基础。精子和卵子结合会启动第一级基因，新的生命过程开始。 3435We proposed “RN

20、As activating gene model” trying to explain the data mentioned in this report. The model is very simple and clear. RNA population activating gene modelRNA群基因启动模型36十一、RNA群基因启动模型 RNA群基因启动模型概要在真核细胞中所有转录产物剪切为RNA片段共同组成RNA群，其中多数来自非编码RNA。在细胞周期的S期，DNA合成以后尚未包装成核小体之前，RNA片段暂时结合到互补的DNA区段（主要是非编码DNA），接下来导致RNA结合区段

21、的DNA不能包装形成典型的核小体（发生位移和结构改变）。RNA片段一旦影响核小体形成以后，即不再需要RNA的持续作用，相当于“印记”。在DNA复制和分入两个子细胞以后，含有非典型核小体的区域由于缺乏稳定性而成为松散结构，染色质的松散区域就是转录区或潜在转录区。未经RNA片段印记（或印记较少）的DNA区域即是紧密包装的非转录区域。在每次细胞周期中，细胞都要经历基因表达RNA，然后RNA片段识别和印记基因的过程。不同细胞的RNA群（细胞中RNA片段的总和）不同，结果印记不同的基因，这是同样基因在不同类型的细胞中表达不同的主要原因。 37Chromatin conformationThe eukar

22、yotic genome is structurally organizedinto nucleosomes to form chromatin, which regulatesgene expression, in part, by controlling theaccessibility of regulatory factors. When packaged aschromatin, many promoters are transcriptionally repressed,thus reducing the access of transcription factorsto thei

23、r binding sites. 38Explanation for biological phenomena39 Regulation of gene expression in prokaryotes and eukaryotesMineralOrganic substanceOriginal lifeProkaryoteEukaryoteMulticellular eukaryotesBiological evolutionGene expression regulation in prokaryotes is according to one hierarchy (for exampl

24、e, the operon system).In multicellular eukaryotes, gene expression regulation is by two hierarchies, i.e. the first is the chromatin conformation regulation mainly by non-coding RNA/DNA and the second is the post-chromatin regulation by proteins etc. The most important characteristic of multicellula

25、r eukaryotes is that same genomes are different expression in different kinds of cells, which is carried out by non-coding DNA, non-coding RNAs and histones. 40 Non-coding DNA and non-coding RNA extended in genomes have important biological significances. a) Special factors that determine the differ

26、ences of gene expression in different types of cells; b) Factors that maintain gene expression.Since the gene activation by RNA fragments is a dose-dependent response, similar to nucleic acid hybridization, a little change in the non-coding DNA and non-coding RNA usually causes quantitative transfor

27、mation of gene expression rather than an “all or nothing” effect. This may be the reason for variations within species. Accounting for non-coding DNA and non-coding RNA(introns)41 Repetitive sequencea) Same factor activates a group of genes (DNA repetitive sequences).b) Transcribes from distinct gen

28、es cooperate (RNA repetitive sequences). L1 segments are the richest in X.Repetitive sequences are the most in chr 19.42 Histone and nucleosomeDNA helixH1a) The function of histones is to package DNA into nucleosomes that maintain the chromatin structure, which can be regulated by RNA fragments and

29、proteins.b) Around 95% of genes cannot express in every kind of cells because of non-specific chromatin structure suppression.nucleosome core nucleosome43 Accounting for ageing, differentiation and propagation Multicellular Eukaryote genes can be divided into different grades (grade A, grade B etc.)

30、 according to expression order during development of the organisms. Activation of every grade genes needs the activators (mainly RNA fragments) from higher-grade genes. If the activators are absent, the gene expression (or potential) is stopped (chromatin structure suppression). The process of cell

31、differentiation and propagation can be considered: 44a) In zygote the genes of grade A, the first grade genes, are activated (for example, the numbers of these genes are 1-1000). b) Then in cell division, the products of the grade A genes activate grade B genes (for example, the numbers of these gen

32、es are 100-1100 which include some new genes and some genes activated in grade A.).c) The activation of grade B genes causes the cells to express some kinds of receptors (several kinds of receptivity). d) The different factors around cells affect different receptors, to induce different gene express

33、ion. This produces different RNA population and activates the genes in different lower-grades (for example grade C1, grade C2 etc.). The rest may be deduced by analogy.e) Ovum combining with sperm activates the first grade genes to form zygote. Life process is a cycle in some meaning (Fig 2).45If lo

34、wer-grade genes have been activated and the expression of higher-grade genes still maintains, differentiation could not be completed. For example, after the grade A genes activate grade B genes, the expression of the grade A genes must be stopped. The function of grade A genes is the development of

35、a new individual. In cells of grade B gene activation, the ability of the development of a new individual has been lost. However, grade B gene expression results from the activation of grade A. After the expression of the grade A genes stops, the expression of grade B genes stops subsequently. Seque

36、ntial activation and inactivation of genes are the development process of multicellular eukaryotes. So ageing (the inactivation of higher-grade genes) has an important biological significance. 4647 Persistence of differentiation states In every cell cycle DNA must be doubled. What factors make new r

37、eplicated DNA in daughter cells have the expression pro their mother cell? The following two points can be considered: a) There are sufficient RNA fragments that bind to chromatin regions of expressed genes and around them by base complementarity in the RNA population. b) The DNA replication in hete

38、rochromatin is late and early in euchromatin.S phaseLevelDNARNA48Accounting for cancer RNAs chromatin conformation and(mRNAs) Proteins Positive feedback 1.0RNA population produced by certain chromatin conformation in genome can not imprint to form the same ones, otherwise immortal cells will be emer

39、ged. intracellular 49第四节 衰老逆转和延缓衰老1、宗教 、气功。2、延缓生长、发育 1）限食 2）适当的少量的毒物 3）降低体温503、病毒转染 有人用不耐热的猿病毒（40T）转染人成纤维细胞，使其永生化。将这种永生化的细胞加热到40培养，永生性质即会消失，成为“正常的”可以衰老的细胞。加热使这些细胞出现衰老表现是暂时的，温度下降（37）以后永生特性又会出现。因为存在导致肿瘤的可能性，所以该方法缺乏明显的治疗学意义。4、移植疗法、治疗性克隆51死亡率 年龄实际、寿命大幅度延长以后（长寿）和不衰老个体的年龄与死亡率关系曲线（横纵坐标均取对数） 实际长寿不老525、延迟生育年

40、龄6、人体冷冻7、强化 1）激素、维生素、蛋白质等 2）氧气 3）某些中药8、支持疗法53九、基因调节RNA、蛋白质 克隆 植物、蛙、小鼠、羊，治疗性克隆 干细胞 将一种与胚胎干细胞多能性相关的四基因联合体导入到小鼠尾部细胞中时，这些细胞能够具有类似于胚胎干细胞的性质。 体细胞诱导 细胞编程 转录组研究541、克隆 植物、蛙、小鼠、羊 治疗性克隆2、干细胞 将一种与胚胎干细胞多能性相关的四基因联合体导入到小鼠尾部细胞中时，这些细胞能够具有类似于胚胎干细胞的性质。使用逆转录病毒载体，将四种转录子的基因拷贝，即Oct4，Sox2，c-Myc，和 Klf4导入正常小鼠细胞内。55 体细胞做基因重组，

41、使之成为胚胎干细胞，然后转入假孕小鼠的子宫，孕育出后代。这种基因重组细胞在功能上与胚胎干细胞没有本质的区别。经过适当的选择，制备出多能性诱导干细胞（iPS），它们似乎与胚胎干细胞具有相同的特征。为了验证这一点，研究人员用荧光染料标记了iPS细胞，并把它们注入了小鼠的早期胚胎中，结果发现，这些胚胎能够成功发育为正常的小鼠，其中一些甚至整个身体都存在着衍生的iPS细胞。563、体细胞诱导将人的体细胞导入羊的早期胚胎，羊自然分娩，检测这种嵌合体羊的肝脏内有相当比例的细胞是人源性的细胞。经过分离后可以用于治疗574、细胞编程（Reprogramming）Recent researches indica

42、te that mesenchymal stem cells (MSCs) isolated from bovine and porcine bone marrow are more efficient than fibroblasts for somatic cell nuclear transfer (SCNT) because of their less differentiation that led to easy reprogrammability to resemble the genome of the zygote (Faast et al., 2006; Jin et al

43、., 2007). 585、基因组转录研究59The transcriptional network that controls growth arrest and differentiation in a human myeloid leukemia cell linePredicted core regulatory network of the 30 core motifs. An edge X-Y is drawn whenever the promoter of at least one of the TFs associated with motif Y has a predicted regulatory edge for motif X (z value Z1.5) and the edge has independent experimental support. The color of each node reflects its cluster membership and the size of the node reflects the significance o