端粒与寿命(一)

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摘要

端粒是重复的串联DNA序列，覆盖染色体末端，保护基因组DNA免受酶降解。端粒随着细胞复制而逐渐缩短，因此被认为与生物年龄和年龄有关。越来越多的证据表明（I）端粒长度、衰老和年龄相关疾病之间存在可预测的负相关关系，以及（ii）身体活动和端粒长度之间存在正相关关系。这两种假说都获得了巨大的研究关注和广泛的共识；然而，每个命题的证据都是不一致的，充其量是模棱两可的。端粒长度不符合衰老生物标志物的基本标准，至少50%的关键研究未能找到与身体活动的联系。在这篇综述中，我们讨论了支持和反驳端粒长度、衰老和身体活动之间假定联系的证据。我们最后简要回顾了可能的机制和潜在的未来研究方向。

关键词:端粒; 老化; 身体活动; 生物标记; 联合

1.介绍

到2050年，全球80岁以上人口将增加两倍【1】，不可避免地导致公共卫生的必要性。目前预期寿命的增长超过了无疾病年的相应增长，从而压缩了老年人的慢性病负担【2].生理老化的特征是生物功能的累积性有害变化【3】并且是大多数慢性疾病的最强不可改变的预测因子。尽管如此，衰老对健康的影响仍存在显著差异【4].

死亡率与血压、胆固醇和体重指数（身体质量指数）等传统生物标志物之间的联系随着年龄的增长而减弱【5].细胞衰老的异质性阻碍了对确定性衰老生物标志物的研究。有丝分裂后细胞不会受到有丝分裂细胞所经历的复制压力；因此，一些组织比其他组织表现出更大的生物老化。人类寿命的高度变化突出表明，仅仅按时间顺序排列并不是衡量衰老的有效、孤立的方法。生物老化指的是与时间老化无关的过程，会降低机体的生存能力并增加脆弱性。端粒被许多人视为衰老生物标志物的继承人，记录着年龄和生物年龄6,7].

2.端粒生物学——入门

端粒是阻止核DNA降解的特殊DNA结构8].由于DNA聚合酶不能完全复制滞后的C链，有丝分裂造成端粒碱基对的逐渐丢失【9,10].这种累积损失同时记录了复制历史，并施加了有限的复制限制。端粒的关键缩短导致保护性蛋白质谢尔特林复合物的最终破坏【11].需要高复制能力的细胞表达端粒酶，这是一种合成端粒重复序列的特殊核糖核蛋白复合物【12].人端粒酶最少由两种核心成分组成；逆转录酶催化亚单位（hTERT）和反义RNA模板（hTERC）【12,13].端粒对包括氧化应激在内的一系列刺激敏感【14】，慢性炎症【15】、身体质量指数【16】，吸烟【17】，酒精摄入量【18】，感知压力【19】和体育活动（PA）【20].越来越多的证据也表明，端粒对习惯性PA有反应20,21].

尽管端粒被普遍称为有丝分裂时钟，但端粒长度和衰老之间的关系并不一致，也不符合必要的生物标志物标准【22].对PA相关性的进一步研究也揭示了不一致性和方法上的混淆。临床和公众对PA-端粒相关的兴趣是基于几个默认的假设:（I）平均端粒长度与生物衰老和年龄相关的病理有因果关系，以及（ii）PA可以延长平均端粒长度，这样做；（iii）PA将减少生物老化和疾病负担。这篇综述总结了目前支持和反对端粒作为衰老生物标志物和运动诱导健康获益的潜在介质的证据。

3.细胞衰老

细胞衰老是体细胞复制能力进行性和不可逆的丧失【23].细胞衰老跨越了几个矛盾且看似不协调的二元功能；即组织再生【24】和组织功能障碍【25】，胚胎发育【26】和机体衰老【27】和肿瘤促进【28】和抑制【29].当端粒末端限制性片段（TRF）的平均长度达到4–7kb时，衰老即被触发【30].在这个临界阈值，保护性的谢尔特林复合物被破坏，暴露出未加帽的双链染色体末端。这进而触发共济失调毛细血管扩张症突变（ATM）-p53-p21轴和随后的DNA损伤反应（DDR）【31】，防止进入细胞周期的S期【32,33,34].

复制性衰老是指由端粒损失驱动的增殖性衰竭，而氧化或遗传毒性应激可加速应激诱导的衰老，与端粒长度无关【35].复制性衰老与衰老和年龄相关疾病如心血管疾病（CVD）有因果关系【36]，糖尿病[37,38】，骨关节炎【39】、青光眼【40】和白内障【41].除了丧失增殖能力外，细胞衰老还会导致基因表达、表观遗传因子和细胞形态发生显著变化【42].衰老细胞还获得了一种被称为衰老相关分泌表型（SASP）的特征性分泌体【43].这种大量促炎表型可引发年轻细胞衰老，导致组织功能障碍【25】，动脉粥样硬化的进展【36]，癌症[44】和糖尿病【37,38].

免疫系统内的复制性衰竭被称为免疫衰老；一系列与年龄相关的变化导致复制能力下降【45,46】，缩短的端粒【47】，细胞因子产生增加【48,49】并增加对传染病的易感性【50].鉴于不同的生理分支，衰老可能是联系衰老的间接、微观原因与衰老的直接、宏观影响的因果关系【27].

4.端粒与衰老

实际年龄和端粒长度之间存在明显的反比关系。端粒和衰老之间因果关系的支持来自加速衰老的情况，如先天性角化不良、维尔纳综合征和哈钦森-吉尔福德综合征。这种类雌激素综合征的特征是端粒磨损加速导致的年龄相关病理后遗症【51,52,53,54,55].

美国衰老研究联合会规定任何候选衰老生物标志物必须满足以下标准【56,57]:

它必须预测衰老的速度，因此比实际年龄更能预测寿命

它必须反映和监测衰老背后的生理过程

它必须是一种可重复、不引人注目且无害的措施

它必须可以在动物模型中测试

4.1.标准1—必须比实际年龄更好地预测衰老速度

人类端粒长度在出生时变化5000至15000个碱基对【58】，这一指标超过了成年人一生中白细胞端粒缩短的总平均长度【59].全基因组关联研究已经确定了许多与LTL变异相关的潜在候选基因座【60,61,62,63,64,65].端粒bp丢失的估计值在每个分裂30-200个BP之间不等【66,67].尽管幅度可变，但与年龄相关的LTL下降是一致观察到的【68].最近的三项研究估计端粒年缩短率为17.4【69], 15.6 [70】和每年48–67个基点【71].后代受孕时父亲的年龄与更长的后代LTL相关【72,73,74】，然而婴儿LTL与成人端粒损耗率呈正相关【75,76].然而，与出生时的LTL变化相比，年成人损耗率对人口LTL变化的贡献较小【77】和生命头二十年的自然减员率【78,79].与实足年龄不同，端粒缩短不是线性的；大多数缩短发生在从出生到青春期的快速身体膨胀期间【80,81].此后，LTL比平均水平长或短的成年人倾向于在老年时保持这种分类【82,83].端粒缩短在给定细胞内可能是不均匀的，因为较长的端粒比较短的端粒缩短得更快【84,85,86].

矛盾的是，在几项纵向研究中已经观察到端粒延长【75,76,87,88,89,90,91,92,93,94,95].经过2-6年的评估，大多数人缩短或保持端粒长度；然而，15-44%的研究表明平均LTL有所增加【87,89,96].评估时间过程似乎很重要，因为在10年的评估期内观察到的延长较少【97].干预后端粒长度的增加可能是由于端粒酶介导的端粒DNA的增加或免疫细胞亚群的重新分布导致的明显延长【98];端粒研究中很少宣布的警告。

越来越多的人步入老年；然而，当人类寿命达到有限的生物学极限时，这些人最终会在很短的时间内死亡【99].如果端粒长度可靠地与寿命成比例，那么端粒较短的人理论上将在达到人类寿命极限之前死亡。这将导致端粒长度差异的年龄相关减少，称为幸存者偏差；一个已经被证明的现象【100,101】并在数据中反驳【102].大多数人的寿命都不足以达到被称为端粒边缘的端粒临界缩短阈值。据信，寿命的进一步延长将受到端粒长度的限制103].鉴于平均起始LTL为10-15千碱基对，即使每年损失约50个碱基对，淋巴细胞功能仍应维持到100岁以上。这似乎支持了这样的理论:与平均端粒长度相反，最短端粒的长度会引发细胞周期停滞、基因组不稳定和衰老【85].总体而言，LTL似乎增加了健康指标的预测能力，但不如实际年龄有效【104].这可能是由于出生时和整个生命周期中LTL的高度可变性。

4.2.标准2—反映生理过程的能力

端粒作为一种候选的衰老生物标志物具有明确的生物学合理性，反映了氧化应激、炎症、复制历史和细胞衰老。尽管如此，与年龄敏感的功能测量的关联是不一致的。几项研究未能发现LTL和肺功能之间的联系【105】，握力【18】、血压【106】和几种认知功能的测量方法【18,101].然而，最近的一项调查发现了与肺功能、握力、脉压、反应时间、一般智力和一般健康状况的关系【104].纽卡斯尔85+研究评估了一组74个候选生物标志物与852名85岁人群的四项健康状况指标之间的关系。白细胞端粒长度不符合与至少两项健康状况指标显著相关的标准【107].

Boonekamp等人提出，生物体由冗余元素组成，这些冗余元素在缓冲和积累损伤时会逐渐失效并相互取代。当最后一种元素耗尽时，死亡就会发生。Boonekamp等人进一步提出，LTL比生物老化更好地被视为躯体冗余的生物标志物【108].体细胞冗余模型符合两个已确定的端粒观察结果:（I）拥有更多冗余单位的较长端粒比较短端粒缩短得更快【84】和（ii）端粒缩短仅在超过临界阈值时变得有害【109].目前的证据表明LTL可能反映了青春期前的体细胞生长和青春期后的细胞衰老和氧化应激【58].

4.3.标准3—无害的可重复测量

大多数研究测量循环白细胞中的平均端粒长度作为靶组织的生理指标。这些研究的结论是基于LTL和靶组织之间的假定相关性。一项研究将LTL与血管组织端粒长度相关联110】而且有证据表明不同组织间的端粒长度存在个体间相关性【111,112].最近的一项研究发现，在评估的12种人体组织中，只有两种组织（肋间骨骼肌和肝脏）与之相关113].实验数据表明组织间端粒长度的差异是由组织特异性损耗率引起的【114];然而，从成年到老年，这些比率似乎向平均值倒退【79].

平均LTL代表异质细胞群体的平均端粒长度。最近的一项研究显示，B细胞中的端粒最长，然后是CD4+和CD8+CD28+ T细胞（长度相似），衰老的CD8+CD28- T细胞中的端粒最短115].端粒酶的表达在免疫系统中也是异质的；在B细胞中最高，其次是CD4+ T细胞、CD8+CD28+ T细胞，在CD8+CD28- T细胞中最低【115].众所周知，运动以强度依赖的方式短暂调节白细胞亚群的相对比例【116].因此，任何给定时间点的细胞组成将决定平均LTL和端粒酶活性【115].

端粒测量技术内部和之间存在相当大的差异。目前，有几种不同的方法可以用来测量端粒长度【117].这些方法从最初的金标准Southern印迹末端限制性片段分析（TRF）、基于定量聚合酶链反应的技术（qPCR）到单端粒长度分析（STELA）、流式和定量荧光原位杂交（分别为流式荧光原位杂交和Q-FISH）。每一种都有自己的优势、局限性和变异系数（CV），这使得研究之间的比较可能不准确。qPCR和Southern印迹的数据弱相关（r = 0.52) [118].qPCR和flow FISH之间的比较获得了类似的弱相关系数（r = 0.47) [119].下一代测序（NGS）技术产生了测量端粒长度的新方法。提出的两种关键方法都计算包含端粒重复序列的短阅读数【120】并适用于评估基因组中的平均端粒长度【121].然而，目前NGS方法和基于qPCR的测量之间存在相当大的差异【122].DNA提取方案的差异也显著影响端粒长度【123].类似地，端粒酶也可以使用多种方案及其变体进行评估，直接测量端粒酶产物或来自端粒酶介导的DNA的信号【124].

端粒研究中测量误差的可能性很高。LTL的个体间差异可为5000至15000个基点【58】虽然年缩短率可能在30–100个基点之间变化【125].大多数端粒研究使用qPCR，其变异系数为6.45%，而TRF的变异系数为1.74%【117].这种差异很可能使许多关联变得不重要或至少是有问题的。

4.4.标准4—可在动物模型中测试