第一节 衰老的细胞和分子特征
从老年人整体的衰老特征观察：头发花白、走路迟缓、驼背、脸部或其他部位皮肤皱纹大量增加等均是衰老的外观特征。此外，衰老在老年个体表现为高度的异质性，衰老特征的表现也明显不同。为了更好地了解衰老发生的机制，实现精准干预，十分需要从细胞和分子水平上进行深入研究。
一、细胞衰老的特征
组成人体组织和器官结构的基本单位是细胞。因此，衰老的基本原因必须在细胞水平上进行解答。细胞衰老（cellular senescence）是指细胞停止分裂，退出细胞周期，细胞体积变大，扁平铺展，异染色质出现点状凝集，颗粒物增加的现象。最为典型的细胞衰老标志物是β-半乳糖苷酶染色阳性，细胞阻断在G1期。衰老标志分子如P16、P21、P27等表达持续升高。细胞衰老可分为复制性衰老、早熟性衰老和发育性衰老3种类型。
细胞衰老的生理功能 很长时间以来，细胞衰老被看作是一种细胞功能衰退，丧失正常生理功能的标志。发育性衰老的发现，终于确认细胞衰老具有正常的生理功能，像细胞凋亡一样，是生物行使正常生理功能所必需的。在胚胎发育过程中，出现衰老的细胞，这些细胞有可能分泌细胞因子，改变局部的内环境而有助于某些器官的形成和发育。
在特定条件下，人体中的衰老细胞也具有正常的生理功能。当出现伤口愈合过程中，成纤维细胞进入衰老状态有助于伤口的愈合。胰岛细胞衰老后分泌的胰岛素增加，有助于降低人体的胰岛素抵抗。更有意思的是心肌细胞在出生后一周左右停止增殖，该过程也是通过细胞衰老反应，增加活性氧自由基及DNA损伤相关的蛋白表达而实现的。
细胞衰老具有抑制肿瘤发生的功能。肿瘤细胞存活并形成肿瘤的第一步，需要实现无限增殖，必须克服细胞衰老机制的约束，可以说，细胞衰老是肿瘤发生的“安全阀”。在Pten抑癌基因失活的小鼠前列腺模型中，检测到癌前病变及非致死性肿瘤中衰老的细胞，但在恶性肿瘤中并未检测到。通过P53可限制Pten基因缺陷细胞的生长、诱导细胞衰老。癌基因的活化不仅能够促进P19蛋白合成，也可通过DNA的过度复制激活DNA损伤调控点，通过损伤反应激酶磷酸化P53，激活衰老信号通路。而破坏这条通路的完整性，肿瘤细胞就无法进入衰老程序，导致肿瘤的发生。通过诱导小鼠模型Ras致癌基因的表达，可引起多发肺腺瘤，其中某些肺腺瘤会进展为恶性的腺癌。在良性腺瘤细胞中明显表达P16衰老特异性标志，而在腺癌中几乎不表达。
1.细胞衰老的危害
鉴于人体中分裂能力最强的是干细胞，既有组织干细胞，也有分化水平更低的干细胞，细胞衰老现象更多地出现在干细胞中。以至于有学者提出干细胞衰老是衰老发生的原因。从组织新生及损伤恢复等方面考虑，多数干细胞丧失分裂能力，意味着人体正常生理的异常和调节能力丧失。
衰老的细胞仍然是活细胞，至少能存活1年以上，具有明显的代谢活动，并分泌多种炎性因子和蛋白酶，影响周围的微环境。最终，衰老的细胞通过凋亡而被免疫细胞吞噬。在老年阶段，大量出现的衰老细胞对人体是有害的，是促进疾病发生的重要因素，最为明显的是促进炎性因子的产生而导致慢性炎症。
2.非分裂细胞的衰老
在人体内，细胞衰老现象是针对能分裂的细胞而言的。人体中还存在出生后就不分裂的细胞，例如：心肌细胞、神经细胞。这些不分裂的细胞，是否存在细胞衰老现象，目前仍然缺乏十分明确的研究，也没有找到生物标志物。这些细胞的衰老变化更多表现在细胞自噬、线粒体功能失调等方面。从生物进化角度看，越高等的动物，越需要生理功能高度特化的器官。作为生物界最为高级的生物人类，婴儿出生后，需要实现自主血液循环和营养供应。神经细胞的突触大量生长，互相联系增多，以灵敏地感知外部的世界。到老年期，这些细胞最终会出现衰老和死亡，无法通过干细胞的增殖而实现动态置换，这是人类肉体不可能实现“永生”的科学理论基础。
3.维持细胞衰老特征的相关分子
细胞衰老相关蛋白，如P53、P21、P16等，在维持衰老细胞表型的不同阶段起作用。这些信号分子参与细胞周期的调节，均在肿瘤中首先发现，并与某些肿瘤的发生和治疗相关。迄今为止，还没有发现：只在衰老进程中表达而与其他生理或病理过程无关的分子，这也是部分学者不承认存在衰老现象的原因。
1）P53：
抑癌基因P53是细胞中的重要调节蛋白，与细胞凋亡、自噬、细胞衰老密切相关。P21是P53的下游激活分子，是一种周期蛋白，具有阻滞细胞周期运行的作用。抑癌基因P53对于保持基因组稳定发挥着重要的作用，P53的变异或失活会促进癌症的发生，人类一半以上的肿瘤都存在P53的突变。DNA损伤反应与衰老关系密切，强烈的损伤引起P53蛋白持续升高，引起细胞凋亡而被免疫细胞清除。而轻度的损伤，引起衰老。过氧化氢或基因毒性药物处理后，损伤DNA，引起损伤信号通路的激活，损伤信号传导到P53，引起短暂性升高，然后激活P21基因，最终导致细胞衰老。
2）P16：
细胞周期调节蛋白P16表达的持续升高，是维持细胞衰老表型所必需的。损伤信号引起P16表达的持续增加，使周期蛋白RB去磷酸化，细胞被阻断在G1期。在正常二倍体细胞中，P16的高表达是细胞衰老的可靠的分子标志。把P16基因连接上荧光素酶基因转染到小鼠体内，当细胞衰老时荧光素酶就能激活。活体成像发现：老年小鼠的荧光强度明显强于年轻小鼠，但衰老细胞多的小鼠其肿瘤的自然发生率并没有明显提高；此外，还观察到即使在遗传和环境、饮食条件完全一致的情况下，小鼠个体的荧光强度仍然具有明显的差异，说明p16的表达存在个体和组织的差异性。
3）Skp2/P27：
周期蛋白P27的高表达，也是某些类型细胞衰老的分子标志。蛋白酶体通路蛋白Skp2属于F盒蛋白家族成员，与skp1/cullin组成蛋白复合体，在泛素蛋白酶体降解通路中起特异识别靶蛋白的作用。在该信号通路中，外部损伤信号通过Pten磷酸酶传递，抑制Skp2的活性，导致P27的表达升高。该信号通路引起的细胞衰老，P53、P16的基因并没有活化，其表达量也没有升高。
Skp2在多种恶性肿瘤中存在不同程度的增高，且与肿瘤的分化程度、恶性进程和临床预后密切相关。通过阻断Skp2活性，引发肿瘤细胞衰老从而遏制肿瘤生长。以Pten缺陷型和P19缺陷型患有前列腺癌小鼠为模型，观察到缺失Skp2基因的小鼠没有出现肿瘤，提取缺失Skp2基因的小鼠淋巴腺和前列腺组织，用衰老特异的β-半乳糖苷酶染色检测癌细胞，出现大量的阳性细胞，证明癌细胞开始衰老。Skp2诱导细胞衰老直接作用于P53的下游分子P21。
二、模式生物与衰老机制的研究
模式生物（model organism）是一类遗传背景清晰、具有多种突变表型，研究历史较长的生物。典型的模式生物有大肠埃希菌、出芽酵母、秀丽隐杆线虫、果蝇、小鼠等，模式生物代表着进化不同阶段的物种。通过研究模式生物，我们深入了解了大量十分重要的生物学作用机制，帮助我们更好地防治疾病、设计和发展新药。在衰老机制研究中，模式生物也起着十分重要的作用。必须指出的是：模式生物的研究结果与人类的衰老机制存在明显的差异，不能把相关结果直接推广到人类。目前，部分研究者和媒体，对发表的基础科学成果进行了不负责任的过度解读，并不利于人类衰老机制的研究。
1.酵母
酵母是单细胞真核生物，共有近6000个基因。酵母生长快速，取材方便，有关细胞周期调节机制的结果，很多是从酵母细胞中首先得到的。在研究酵母衰老时，需要不断分离新生的细胞，确定酵母衰老的时间。酵母具有细胞壁，与人类细胞完全不同。从进化角度看，酵母存在基本的衰老机制，至少对其他高等生物的研究具有启示作用。
2.线虫
模式生物线虫的正式学名是秀丽隐杆线虫，长约1～2mm。共由1000左右的细胞组成、虫体透明、寿命20多天，靠吃大肠埃希菌为生。调节寿命的基因首先在线虫中发现，许多信号通路与人类存在70%的相似性。大量衰老与延长寿命的研究结果，首先在线虫中得到。无论是寻找干预衰老的药物，还是肠道菌群研究，线虫是一个很好的模型。值得指出的是：线虫的部分衰老相关的性状与哺乳类是完全不同的。超氧化物歧化酶SOD在哺乳类具有明显的抗氧化作用，但缺失SOD2的线虫寿命反而延长。长寿基因SIRT1在哺乳类细胞中抑制FOXO3a的活性，而其线虫的同源物Sir2具有激活Daf-16（FOXO3a的同源蛋白）的作用。
3.果蝇
模式生物果蝇为黑腹果蝇，属于昆虫，其成虫的寿命为60多天，体型小，培养方便，是研究遗传和发育生物学的重要模式生物。自美国著名的遗传学家JP摩根开启该模式生物研究以来，仅使用果蝇进行的研究，已经荣获5次诺贝尔奖，包括2017年因发现昼夜节律分子机制而荣获的医学或生理学奖。有多项研究显示，使用果蝇得到衰老或寿命评价的结果。由于果蝇成虫的寿命时间较长，更多的研究者喜欢使用线虫进行评价。
非洲青鳉鱼
从低等动物过渡到哺乳动物，需要鱼类模式动物进行研究。常见的模式动物斑马鱼，寿命为5年，显然不适合进行衰老机制和寿命评价的研究。斯坦福大学的研究团队发现非洲青鳉鱼（African turquoise killifish）是研究衰老及其相关疾病的良好模型。该鱼类的寿命只有4～6个月。他们使用CRISPR/Cas的基因组编辑技术使端粒酶缺失，2～3个月就得到了稳定的突变株，这些鳉鱼突变体与人类端粒缺陷的先天角化不良疾病相似。
4.啮齿类-小鼠和裸鼹鼠
模式生物小鼠是广泛使用的高等哺乳类动物，利用该动物，取得了大量与生命科学和医学相关的重大研究成果。小鼠的寿命2～3年，广泛应用于衰老和寿命的研究。根据基因组测序的结果，人类基因组与小鼠基因组的相似度达到90%。不过，小鼠与人类的部分生物性状完全不同。值得注意的是小鼠在衰老时端粒缩短不明显。即使在缺失端粒酶的情况下，要到第四代小鼠才出现明显的端粒缩短。还有一个现象是分离人胚胎细胞，在体外条件下，至少能培养到50代。而小鼠的胚胎细胞，由于空气中较强的氧浓度对细胞的毒害，容易发生衰老，培养时间一般不超过10代。
同样属于啮齿类的裸鼹鼠，体型与小鼠相当，长期在地下生活，其寿命长达30年。与小鼠容易得癌症不同，裸鼹鼠终生不患癌症，其原因是细胞能分泌高分子量的透明质酸，抑制了细胞的恶性增殖。裸鼹鼠的长寿机制引起科学家的高度兴趣，但具体的机制仍然在研究之中。
三、与衰老调控相关的重要信号通路
调节生物基本功能的信号通路，如代谢、DNA修复、能量合成等，与衰老的发生及进程密切相关。阐明这些信号通路与衰老的关系，对于深入研究衰老发生的机制、衰老与疾病的联系及衰老的干预均有重要意义。下面介绍2条重要的信号通路。
1.TOR信号通路与衰老
雷帕霉素靶蛋白（target of rapamycin，TOR）是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，属于磷脂酰肌醇3激酶相关激酶（pho sphatidylinositol 3-kinase-related kinase，PIKK）蛋白家族。最早在啤酒酵母中发现，作为雷帕霉素的靶蛋白而命名。根据不同物种来源的TOR，在命名时加前饰予以区别，如mTOR（mammalian TOR）是哺乳类的TOR蛋白。TOR信号通路的功能主要是调节细胞增殖、分化、代谢、感受营养的变化等，是细胞内重要的调节通路。TOR信号通路具有明显的保守性，从低等生物酵母、线虫到高等动物小鼠、人类，相关的蛋白其结构均具有较高的同源性，表现出相似的功能和作用特征，说明该信号通路在生理功能调节中的中心作用。
mTOR的蛋白结构从N端到C端，依次为20个重复的HEAT模体、FAT、FRB、激酶结构域、FATC。雷帕霉素与FKBP12结合后，与FRB结合而抑制TOR的活性。HEAT介导蛋白之间的相互作用，而FATC结构域对稳定TOR的活性有重要的作用。mTOR在细胞中以两种方式存在，mTORC1和mTORC2。mTORC1与辅助蛋白mLST8、Raptor形成复合体，对雷帕霉素敏感，主要调节增殖、代谢等功能。而mTORC2与mlST8、Rictor形成复合体，对雷帕霉素不敏感，主要调节细胞骨架、细胞运动的功能。实际上，有些功能的调节需要两类复合体的共同作用，才能达到最大的效应。根据最近的研究发现，mTORC2对雷帕霉素不敏感的原因与磷脂酸的浓度密切相关，降低细胞内的磷脂酸的浓度，就能明显提高对雷帕霉素的敏感性。
mTOR的上游由两条信号通路介导，将信号汇聚到TOR复合体。①PI3K/Akt/mTOR通路，主要介导细胞因子和生长因子的信号，如白介素、类胰岛素样生长因子、表皮生长因子、血小板源生长因子等，通过受体酪氨酸激酶的磷酸化，把信号传递到Akt，Akt磷酸化结节性脑硬化复合物TSC-2的Ser939和Thr1462位点，解除TSC1/TSC2复合物对小GTP酶Rheb的抑制作用，Rheb与mTOR结合而活化mTOR激酶。②LKB1/AMPK/mTOR通路，主要介导能量代谢和氨基酸代谢的调节，AMPK（AMP-activated kinase，AMPK）感受细胞内AMP水平的细微变化而调节ATP的水平。当细胞内能量缺乏时，AMPK直接磷酸化TSC2，促进TSC1/TSC2复合体的形成，从而抑制Rheb活性而抑制mTOR的活性。
mTOR的下游通路通过磷酸化多种蛋白而发挥作用，如对蛋白翻译起始蛋白4EBP1、核糖体P70S6K蛋白的调节。4EBP1通过竞争性抑制eIF-4G与eIF-4E的结合，来达到抑制翻译起始的作用。mTOR信号通路磷酸化4EBP1，解除其抑制作用，而加速蛋白的合成。P70S6K是核糖体40S小亚基S6蛋白激酶，mTOR信号通路通过磷酸化S6蛋白，而提高部分mRNA的翻译效率。
mTOR信号通路在肿瘤中高度活化，是抗肿瘤的重要靶点。此外，该信号通路与代谢、免疫和骨质疏松等疾病的发生密切相关。无论是低等模式生物或小鼠实验，抑制或降低mTOR的活性，能干预衰老、延长寿命。敲除小鼠S6蛋白激酶能明显地延长寿命，使用雷帕霉素延长小鼠寿命的作用，也与影响mTOR及其下游相关信号通路有关。
2.胰岛素/类胰岛素信号通路与衰老
胰岛素（insulin）/胰岛素样生长因子-1（insulin-like growth factor，IGF-1）信号通路调节细胞的营养与代谢、糖类的调节。该通路激活后引起PI3K-AKT的激活，抑制FOXO3A的活性，影响DNA的修复、细胞增殖和抗氧化应激等功能。在中老年阶段，IGF-1因子含量升高可明显增患癌症的风险。DAF-2是线虫的胰岛素生长因子的受体，DAF-2基因发生突变后，线虫的生命期较野生型线虫增长了3倍，该机制主要是增加DAF-16（FOXO3A的同源物）表达所致。在小鼠中，也证实了抑制该信号通路可延长雌性小鼠的寿命。
四、端粒与衰老
端粒（telomere）是染色体DNA末端的特殊结构，由TTAGGG的重复序列组成。端粒的作用是维持基因组结构的稳定性，避免有丝分裂时不同的染色体粘连在一起。端粒的长度由端粒酶（telomerase）维持。端粒酶是一种能够延长端粒长度的逆转录酶，其全酶包括端粒酶催化亚基TERT和模板RNA（TERC）以及其他端粒酶结合蛋白。端粒酶能够以自身的TERC为模板合成端粒重复序列。细胞内的端粒酶水平受到严格调控，正常细胞没有或只有很低的水平的端粒酶活性，如干细胞表达端粒酶。随着细胞分裂次数的增加，端粒会逐渐缩短，当端粒长度缩短到一定水平后，细胞将不再分裂，也就是进入了不可逆的细胞衰老状态，这就是复制性衰老的发生机制。
端粒复合体是由大约50～300个核苷酸的3’单链突出，突出部分可以回折插入前面的双螺旋链中形成一个大T-环结构的蛋白复合物。T-环的稳定性取决于端粒特异性结合蛋白复合体的完整性，这种复合体称为Shelterin复合体。端粒复合体保护染色体不被DNA损伤修复系统识别为DNA断裂，从而避免激活p53和p16通路，引起细胞衰老或凋亡。Shelterin复合体由TRF1、TRF2、TOP1、TPP1、Rap1和TIN2六种蛋白组成。其中，TRF1和TRF2能结合在双链端粒DNA上。POT1直接与单链端粒DNA结合，同时与TPP1相互作用。Rap1与TRF2相互作用。TIN2是复合物的核心组分，可以与TRF1，TRF2和TPP1结合。TRF1和TRF2都能与端粒双链区结合，但两者的功能相差很大。TRF2能促进T环的形成。过表达的TRF2会激活ATM/P53或P16/RB通路，引起细胞衰老或凋亡。而敲除TRF2会导致染色体末端融合，基因组不稳定。POT1与端粒单链区结合，敲除POT1起端粒处的DNA损伤反应，导致细胞衰老。TPP1与POT1相互作用而不能与端粒DNA直接相互作用。TPP1缺失的MEF细胞中基因组非常不稳定。TPP1缺失还会抑制TERT与端粒的结合，阻碍端粒的延长。Rap1与TRF2直接结合从而被募集到端粒结构中。缺失Rap1的成年小鼠中，上皮细胞可以再生，但是端粒长度更短，并且表现出皮肤着色过度的表型。Rap1还可以结合在亚端粒区，对附近的基因有调控作用。
实际上，Shelterin复合体每一种蛋白的功能都依赖与其他蛋白的相互作用。例如，TRF1和TRF2相互作用共同调节端粒功能，这一过程同样需要POT1的参与。POT1对端粒的结合和保护依赖于与TPP1的结合。Shelterin复合物中的六种蛋白被认为是端粒特异性的蛋白，过去认为只存在于端粒处。近期研究发现这些蛋白可能拥有不依赖端粒的功能，例如Rap1被发现存在于细胞质中，与IKK结合负调控NF-κB通路。除Shelterin复合体外，端粒结构上还有其他一些非特异性的结合蛋白，这些蛋白对端粒序列的动态稳定性也具有重要作用。
使用随机光学重构显微镜得到超高分辨率的荧光图像，观察到端粒的动态结构，发现依赖于TRF2的T环是常见结构，其他结合蛋白如TRF1、POT1、Rap1对T环没有影响。shelterin复合体是保护端粒不被DNA损伤机制所错误识别的结构，其中TRF2的保护作用由两步反应组成，首先TRF2的二聚体化抑制ATM的活化，然后TRF2抑制ATM信号向下游传导。使用电子显微镜确定四膜虫端粒酶的全酶结构，TERT、TER和P65位于核糖核酸蛋白的催化核心，P50介导与其他端粒酶结合蛋白的相互作用。
端粒结合蛋白TPP1招募端粒酶到端粒上，延长DNA片段。通过突变体分析，发现TPP1上的TEL片段是招募端粒酶所必需的。TPP1的磷酸化与端粒酶结合的周期依赖性相关，该蛋白S111位的磷酸化起关键作用；把该位点突变后端粒酶在复合体中的活性明显降低，引起端粒缩短。在酵母中，Rif1、Rif2和Rap1形成端区体（telosome），抑制端粒酶与端粒的接触，保护端粒不被误认为DNA断裂片段。使用X-射线分析Rif1和Rif2的结构，发现这些蛋白能单独、非依赖性与Rap1表位结合，具有较长的结合距离。
虽然端粒缩短引起衰老得到公认，但端粒长度能否成为衰老的标志物仍然存在较多的争议。对非洲裔美国人儿童的研究，发现端粒长度与家庭生活环境明显相关。分析生活在不良生活环境、如缺少食物、父母关爱少、甚至单亲等家庭的40位9岁男性儿童发现，其端粒长度比对照组明显要短。虽然该研究检测的例数较少，也能提示幼年期的不良生活可能对中老年期健康有影响。令人吃惊的是，对斯里兰卡国儿童的研究发现：较好的卫生条件和营养也使端粒的长度缩短。已经有大量的报道：端粒长度与许多疾病的发生有关。通过对3.8万人的基因组分析发现：影响端粒平均长度的7个位点与多种疾病的发生相关，例如：每一个位点的突变增加冠心病的发生率21%。
不过，端粒长度太长也不是好事，有可能引起肿瘤的发生。当细胞内端粒酶的活性一直维持较高水平时，细胞就有可能具有无限分裂的能力。研究表明，90%的肿瘤细胞具有较强的端粒酶活性。肿瘤细胞具有较长的端粒，其维持机制一是端粒酶作用，二是依赖同源重组的替代性端粒延长机制（Alternative Lengthening of telomeres），大约10%～15%的肿瘤依赖后者保持端粒的长度。在ALT同源搜寻的过程中，需要DNA双链断裂反应激发，引起端粒移动，类似于减数分裂的联会。该过程需要Rad51和Hop2-Mnd1二聚体。
五、线粒体与衰老
线粒体是细胞内重要的细胞器，其主要功能是产生ATP能量，通过三羧酸循环维持细胞能量的平衡。从起源分析，线粒体是进化早期在细胞内与其共生、能自主生活的古细菌。线粒体DNA由长16.6 kb的环状DNA分子组成，共编码2个rRNAs、22个tRNAs和13个多肽。由于没有组蛋白等分子保护，线粒体DNA易受各种因素作用而发生损伤和异常，其突变率比核DNA高10～20倍。缺乏线粒体DNA可导致线粒体功能衰退，最终产生器官衰竭和早老症状。
1.线粒体与活性氧自由基
线粒体在合成能量活动中，产生活性氧自由基（reactive oxygen species，ROS）。在正常的生理过程中，产生的ROS可通过位于线粒体中的抗氧化系统予以清除。当线粒体的功能受损时产生过量的ROS，引起细胞衰老和凋亡。据统计，细胞中90%的ROS是由线粒体产生的。把人过氧化氢酶基因在小鼠线粒体中定向表达，可明显地延长小鼠的寿命，平均延长4.5个月。该结果也说明线粒体与衰老密切相关。
2.线粒体自噬（mitophagy）
由于线粒体在细胞中的重要性，细胞进化出自噬的机制而保持健康。通过线粒体分裂机制，分离功能缺陷的线粒体，然后通过清除，这种过程称为线粒体自噬。线粒体自噬是实现线粒体的质量控制，保持其健康状态所必需的。PARKIN和PINK1是线粒体自噬的重要蛋白，PARKIN是一种E3泛素连接酶，将泛素连接到受损的线粒体上而引起自噬，该分子的突变导致帕金森综合征。而PINK1是一种蛋白激酶，通过激活PARKIN起作用。通过质谱技术确认：PINK1能在泛素Ser 65位磷酸化，若将该部位突变，影响PARKIN的活性。也就是说，PARKIN的完全活化需要PINK1激酶同时磷酸化PARKIN和泛素蛋白。通过Flag标记的DUP互补DNA文库筛选，发现线粒体去泛素酶USP30能拮抗PARKIN的作用。过表达USP30抑制线粒体自噬，而降低USP30的含量增加线粒体的降解。果蝇体内实验发现：敲除USP30基因的多巴胺神经元具有抵抗百草枯引起的毒性，改善运动功能，提高组织成活率。
由1型糖尿病敏感基因clec16a编码的蛋白位于膜相关的内吞体上，与E3泛素连接酶Nrdp1存在相互作用，缺失该蛋白导致出现异常的线粒体，降低ATP的浓度，增加PARKIN的表达。从患者样品clec16a 基因的SNP分析也发现降低了该基因的表达和胰岛素的分泌。着色性干皮病是DNA损伤修复缺陷引起的疾病，通过基因芯片分析和体内实验发现是线粒体自噬信号通路缺陷所致，导致PINK1的过度降解。分析该过程还发现降低了NAD/SIRT1去乙酰化酶的表达而导致DNA损伤感应分子PARP-1的过度活化，使用PARP-1的特异抑制剂或加NAD前体能恢复基因突变线虫的正常寿命。
PARKIN蛋白还具有其他功能。在肿瘤中，该蛋白的表达受p53的直接调节，从而影响葡萄糖代谢和瓦格纳效应。令人惊奇的是发现PARKIN介导细胞对抗结核分枝杆菌和沙门菌的感染。缺失PARKIN基因的小鼠和果蝇的突变体对结核分枝杆菌的感染率明显升高。在细胞吞噬细菌的异体自噬过程中，PARKIN蛋白的作用是使相关蛋白泛素化而被溶酶体识别，最终消化细菌。该研究结果解释了临床上帕金森综合征患者容易受细菌感染的原因。
3.线粒体与其他细胞器的相互调控
细胞核与线粒体之间的通信也是维持线粒体功能所必需的。在衰老过程中氧化磷酸化系统发生变化，线粒体丧失了亚单位蛋白如COX2，COX4等，此过程与细胞核中NAD含量的降低和积累HIF-1α有关。缺失SIRT1加速该过程，在老年小鼠中增加NAD能恢复线粒体的功能，表明衰老过程中细胞核之间通信能力的降低导致线粒体功能下降。
能量代谢感受蛋白AMPK具有多种功能，在衰老和长寿中均起到重要的作用。观察禁食的小鼠发现缺乏骨骼肌AMPK时出现低血糖症和肌肉衰减，该机制与脂肪酸的氧化应激无关，而是与循环系统中降低丙氨酸的水平密切相关。当抑制AMPK的自噬功能时，衰老的小鼠表现为肌肉功能降低、线粒体疾病及自噬标志蛋白的积累。
六、氧化损伤与衰老
氧化应激（oxidative stress）是生物的基本功能，应激中产生的ROS通过抗氧化酶系，如：过氧化氢酶、过氧化物歧化酶，或抗氧化物质，如谷胱甘肽所中和。细胞中90%的ROS是由线粒体产生的，其余的10%主要由位于细胞膜上的NADPH酶产生。由于ROS本身是信号分子、也是巨噬细胞杀死病原菌的重要介质。因此，“ROS的产生引起衰老”的表述是不正确的。生化副反应引起不可降解产物大量积累是引起衰老原因的观点，具有一定的合理性。使用代谢物展示法分析年龄和食物对果蝇的影响，共追踪了15 000种代谢产物的变化，可以观察到：随着衰老进程，代谢物的多样性明显增加，出现低丰度的代谢物，大约14%的代谢物与衰老密切相关，代谢水平变慢，积累影响寿命的代谢分子。
自由基致衰老的假说最早由美国学者Harman于1956年提出，该假说认为体内产生的自由基引起蛋白、核酸和脂类损伤，这些损伤不断积累而导致衰老表型的出现。后来该假说不断发展，并补充提出自由基的来源主要来自线粒体代谢产生。但该假说也受到其他研究的挑战，有时衰老指标的出现与自由基并没有关系。如：线粒体DNA编码的聚合酶基因γ缺失的小鼠，出现明显的衰老相关特征，但细胞中产生的ROS并没有升高。
如果自由基致衰老的假说是完全正确的，那么专一性的抗氧化剂消除自由基后，就有可能具有抗衰老和减少老年病的效果，可是研究事实并非如此。以20mg/kg、400mg/kg、4000mg/kg的维生素E给小鼠服用，可以检测到小鼠血液内维生素E含量明显升高，但小鼠的寿命并没有明显地延长，早期的小样本人体实验已经证明：维生素类专一性抗氧化剂并没有预防疾病的作用，但由于受试者的人数较少而颇受质疑。美国医学会组织了大规模的随机、双盲对照实验，对14641位超过50岁的美国男性进行了8年的随访研究，每天服用500mg维生素C，隔天服用400IU维生素E，服用组与安慰剂组相比较，并不能降低心脑血管疾病的发病率，以及前列腺癌或其他癌症的发生率。这些结果让人怀疑自由基致衰老假说的正确性。就本身的实验设计而言，时间跨度如此长的研究，实施比较困难，如何保证实验数据的准确性存在疑问。另外，由于服药后药物只是在人体内存在一段时间，而自由基的产生是连续的，研究不能排除服用这些抗氧化剂并不能完全抑制自由基产生的可能性。根据目前的研究，相比于后来发现的天然抗氧化剂而言，维生素C、E的抗氧化活性是最弱的。
抗氧化剂能降低体育锻炼的效果。使用抗氧化剂维生素C和维生素E给20位年轻人锻炼前服用，另外没有服用的19人作为对照。四周后发现服用组氧化酶活性下降，对葡萄糖的利用率也明显降低，说明服用抗氧化剂对健康人反而有害。利用黑色素瘤细胞作为模型，发现氧化应激具有抑制肿瘤转移的作用，该作用与激活叶酸信号通路，引起NADP相关的酶类表达增加有关。而使用专一性的抗氧化剂能明显促进肿瘤细胞转移。
从目前的研究看，自由基过度产生引起的氧化损伤导致衰老的基本结论，仍然没有过时。但这些氧化损伤的产物是什么？仍然缺乏细致的研究。这些产物如何在体内继续起毒性作用，需要更为直接的人体数据。
七、衰老研究的挑战
随着人口老龄化的快速发展，老龄化产生的问题引起全社会的关注及科技界的高度重视。在衰老研究和成果普及中，目前存在一些较为严重的问题，需要高度重视和解决。
1.是否存在专一性的衰老基因
在衰老的定义中，可以看出衰老的发生时间是一个渐进的概念，无法确定哪一个人类个体在某年就一定衰老。正如老年医学是以年龄为划分学科标志的一样，与没有衰老的年轻个体相比较，老年个体的衰老有其明显的特征。根据这些特征推测，衰老似乎是一种程序性的过程，或许是可以编程的。不过，根据目前的大量分子生物学研究结果，并不存在特异的、专一地负责衰老的基因或信号通路。在未满20岁的人类个体中，均能观察到衰老相关的基因表达及细胞衰老现象，那些基因具有其他生理功能，绝不是老年阶段才出现表达的。衰老可编程性的观点，缺乏研究结果的支持。
2.基础研究与临床认识严重脱节
衰老的基础研究已经得到了大量的结果，解决了一些共性问题。但基础研究与临床医生的认识严重脱节。部分临床医生并不认为年龄对人体结构和功能的巨大影响，即使承认了，也是简单地提到年龄因素，而不是作为一个重要的因素看待。对同一个研究对象，使用不同的专业术语进行描述。最为明显的是“aging”。
3.研究力量过于分散
临床的专科治疗和研究是为了更好地治疗疾病，可以理解多个学科均涉及老年人的问题。由于不同学科的研究人员，对衰老及老年问题认识的差异性，导致研究的深度不够，提出的保健措施，让患者无所适从。老年人常患有多种疾病，服用多种药物，导致药物副作用高发。正是由于这种分科的因素，难以从衰老机制角度对药物副作用进行深入研究，从而提出强有力的应对措施。
（何琪杨）