【2009 Nobel系列報導三】細胞之謎:老化如何發生?

How we age?

演講∣周成功教授

整理∣台大科學教育發展中心編輯小組

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細胞中的端粒長度是老化的關鍵(點我可以看大圖)

討論過生物為什麼會老之後,接下來的問題是:產生老化現象背後的分子機制是什麼?也就是說,在生物成長的歲月中,身體或細胞內究竟發生了什麼事,讓生命個體開始呈現出各種不同的老化特徵?

目前有二個重要的因子被認為與細胞或是個體的老化過程有關。一是保護細胞染色體端點的端粒子結構,會因為每次細胞分裂時消耗一些,因此正常細胞只能分裂一定的代數,當端粒子的結構被消耗殆盡時細胞就會停止生長而呈現老化的狀態。另外一個重要的因素就是氧化壓力。生命的維持需要從外界攝取食物,食物在細胞裡燃燒,產生能量來維持內部的結構及生命的運作。但在食物燃燒過程中所產生的高能量電子會不慎與氧接觸而產生氧的自由基等副產品,這些氧的自由基會不斷對細胞的分子像DNA或細胞膜產生傷害。如果細胞修補能力不足,這些傷害就會隨著年歲的增長而累積,最後導致個體的老化。

端粒結構逐漸耗損

細胞會不會老?正常的細胞如果在體外培養,給予充分的營養,能不能無限期的生長分裂呢?這個答案很清楚是「不能」。體外培養的細胞經過一定次數的分裂之後也會慢慢的變老。分裂的次數越來越多的時候,細胞的型態就開始發現了一些轉變,原來細細長長的細胞此時變得又扁又平,裡面開始堆積了一些有顏色的物質。這些細胞還沒有死,但是它沒辦法再分裂了。失去了分裂的能力,這就是細胞的老化。

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wiki百科上用可愛的方式畫的端粒圖

為什麼年輕的細胞持續分裂以後,經過一定代數的分裂會變老呢?細胞裡面有一種「端粒酵素」,它會製造出特定的結構來保護染色體的端點。在胚胎發育的過程中,當端粒把染色體端點的結構製造出來以後,端粒酵素在正常細胞中便快速消失了,因此端粒結構的長度是固定的。細胞在每一次分裂的過程中,端粒結構都會被消耗掉一些,所以隨著細胞分裂的次數增加,端粒子的結構就越來越小,到最後當端粒的結構不足以保護染色體的端點時,染色體所攜帶的遺傳資訊就會在分裂過程中受到傷害。細胞就會失去分裂的能力,也就是所謂的變老,終至於死亡。

著名的遺傳性疾病「早衰症」,罹患者的端粒結構長度比同年齡正常人短很多。顯示端粒結構在細胞裡的耗損不能補充,的確可能是造成老化的重要原因。桃莉羊2003年誕生,2007年就去世了,牠是另外一個快速老化的例子,科學家分析牠細胞裡面的端粒子的結構,一樣發現比正常的羊短很多。於是有人想到,如果我們重新送一個正常的端粒酵素回到細胞裡,讓它修補端粒結構,豈不妙哉?

但細胞真的可以返老還童嗎?究竟我們身上什麼樣的細胞會有長生不老的能力?只有癌細胞在我們身體裡面才是永生的,所以基本上細胞回春這條路是走不通的。那如果這條路走不通,我們能不能看另外的其他的老化原因呢?

都是氧化壓力惹的禍

氧化壓力是大家耳熟能詳的老化原因之一。氧化壓力到底是什麼?簡單說,就是我們身體燃燒食物產生的副產品。我們每一個細胞都需要食物,而在細胞裡面燃燒食物分子最重要的場所就是粒線體,我們常常把粒線體比喻為細胞裡面的火力發電廠。火力發電廠是送煤進去,燃燒以後發電,粒線體也是一樣,我們供應食物分子進去,在這裡轉換成細胞運作所需要的各種能量。火力發電廠送經過高壓電線把電送出來,高壓電線外面都要有極佳的絕緣裝置,以避免輸送過程中與外界接觸而讓電消散掉了。同樣的,在食物燃燒過程當中,也會產生很多高能量的電子,電子在粒線體中間傳遞,在傳遞的過程中把它們的能量釋放出來,最後用一個很特別的化學形式產生細胞所需的能量。

但是電子在傳遞的過程中,人體內並沒有良好的絕緣設施。所以高能的電子就很容易跟細胞裡面的氧分子結合在一起,而產生氧的自由基。氧的自由基會攻擊細胞裡的各種結構,包括DNA重要的儲存遺傳資訊分子,造成不可逆的損傷。我們身體裡面其實有機制可以清除這些因電子或者食物燃燒所產生自由基。但是不管保護系統再嚴密,也總是有疏漏的時候。氧的自由基雖然非常有效率地被這些保護系統清除,但是它仍然有機會不斷在細胞裡面造成傷害。傷害累積久了,修補的能力不好,伴隨而來的就是細胞到身體的老化。

吃得少 活得久?

如果自由基在老化過程中扮演重要的角色,那麼少吃一點,讓自由基的生成減少,是不是就可以延緩老化的過程呢?早在1935年美國生化學家McCay就曾報告,用大鼠做實驗,餵食不同卡路里的食物,他發現餵食低卡路里的老鼠的平均壽命比餵食高卡路里的老鼠來的長。限制卡路里可以延長壽命,不僅在老鼠、甚至果蠅、線蟲等模式動物中都得到證實。接下來就產生一個有趣的問題:是否從初生起就得開始節食才延長壽命?

2003年英國科學家Partaidge教授用果蠅做了一個有趣的實驗,如果他讓果蠅吃得半飽,讓果蠅隨時處在挨餓的狀態,死亡率比每天都吃得很飽的果蠅低了許多。但對這些吃得很飽的果蠅,等到第十八天開始讓牠挨餓,死亡率馬上就掉下來了!相反的,將原來處在挨餓狀態死亡率很低的果蠅,第十八天開始給牠吃得很飽,死亡率馬上就增加了!這個實驗結果清楚地告訴我們,食物的攝取與老化的速度,有非常密切的關連。至少對果蠅來說,節食永不太遲,但得終生奉行才行!

線蟲與酵母菌的啟示

要探討老化背後的分子機制,特別是想要找出那些基因的活性與動物的老化相關就必須藉重容易從事遺傳作用的模式生物,在這方面的研究近年來有突飛猛進的發展,其中最重要的二種模式動物就是線蟲和酵母菌。

線蟲(C. elegans)的構造簡單,全身只有959個體細胞,我們目前已經可以精確地描述一個受精卵,到如何發育長成一個成蟲。在它的生活史中,正常成蟲的壽命約為18~21天;但是如果遭逢「飢饉」,初孵化的幼蟲會進入「冬眠」。冬眠的幼蟲壽命可長達一年,一旦食物供應無虞,它又會回復正常,發育成只能活三星期的線蟲。過去對「冬眠」控制已作了不少研究。「冬眠」的進行與恢復,是由一些基因在控制,其中一個叫daf2的基因。平時daf2是持續表現,但在環境惡劣下, daf2基因會關閉,誘發另一個daf16基因的開啟,隨即展開「冬眠」的實施。

加州大學舊金山分校的肯揚(Kenyon)教授想到,我們如果讓幼蟲發育到成蟲,再發動「冬眠計畫」,看看當這些控制「冬眠」的基因對成蟲的壽命有什麼樣的影響。肯揚教授讓線蟲先發育到成蟲階段再使daf2失去活性,而daf16則被誘發。這一來,線蟲的壽命幾乎延長了一倍!但另一方面,當肯揚教授同時破壞daf2及daf16這二個基因,則發現線蟲仍然只能活三星期。這個實驗結果表示,daf2這個基因的正常功能是會減短線蟲的壽命,而破壞daf2基因所導致延緩老化的過程則的確得仰賴daf16的活性。那麼daf16不就成了「長青基因」?

尋找延緩老化基因

從線蟲的例子,我們很清楚看到生物壽命的長短,的確受到一些基因的控制。這是不是真的表示有所謂的「老化程式」或是「老化時鐘」存在呢?冬眠是線蟲為應付惡劣環境所演化出的一套遺傳程式。當daf2基因的活性失去時,雖然生存環境良好,但線蟲仍會啟動冬眠程式而開始冬眠。Daf2基因的產物相當於人類的胰島素受體,專司接受胰島素或是胰島素生長因子的指令。當食物充裕的時候,胰島素會命令細胞把養分儲存起來,同時改善醣份燃燒的效率等等。當幼蟲碰到食物不足,胰島素受體自然就會保持靜默,這個靜默的訊號活化了daf16基因,進而啟動幼蟲當的冬眠程式。因此daf2 和daf16對線蟲正常的生理調控各有其功能。而它們對線蟲壽命的影響,只能看作是實驗室培養條件下的副產品罷了。

另外還有一個有趣的問題是:daf16是否為唯一可以延緩老化的基因?答案當然是否定的。肯揚教授在2006年 作了一個大規模的基因篩檢,她把一萬多個線蟲的基因一一破壞,看看那些基因被破壞之後線蟲的壽命會因此而延長。結果她又找到數十個基因會影響線蟲的壽命。 這當然還不是故事的全部,未來還可能會發現要二或甚至三個特定基因的合作或拮抗才會得到影響線蟲壽命的訊號。未來線蟲老化的研究終將帶領我們走入系統生物學的殿堂。

如果多細胞生物會老,那麼單細胞的細菌呢?我們也很難去計算細菌的年紀。因為當一個細菌分裂成二個大小相同的子代時,我們搞不清楚誰是「媽媽」,誰是「女兒」。這樣沒有辦法追蹤單一細菌,看它究竟能分裂多少次和活多久!因此過去的老化研究中,單細胞生物不是被看好的研究模式!

不過早在1959年,美國加州大學柏克萊分校的Johnston教授就想出一個「奇笨無比」的方法去檢驗酵母菌的壽命。我們平時作麵包的酵母菌(Saccharomyces ceravisiae)是以出芽分裂的方式繁殖後代。所以在顯微鏡下很容易看出誰是「媽媽」誰是「女兒」。Johnston教授把單一剛「出生」的酵母菌附著在洋菜膠上,給予充分的營養之後,酵母菌就開始行出芽分裂。他在顯微鏡下連續觀察,每當新芽迸出,就用一種超細微的鉗子把這個剛出生的「女兒」鉗走,然後算「媽媽」細胞複製了一次。

這樣周而復始,看了許多酵母菌後,Johnston教授下了一個結論:酵母菌也會老死!因為每一個新出生的子細胞都有一定的分裂潛能,最多大約能分裂四十次左右。他發現酵母菌和人類相仿,死亡率會隨著年齡 (酵母菌的年齡是用分裂代數來界定的)呈指數增加。換句話說,對酵母菌老化、死亡,一方面是機率問題,另一方面它又有其不可超越的極限。這個極限與機率又 會隨著「物種」(species)的不同而有所不同,顯示它們是由遺傳基因來決定的。

白藜蘆醇是青春之泉?

葡萄中含有豐富的白藜蘆醇
葡萄中含有豐富的白藜蘆醇

既然酵母菌會老,那麼是那些基因在影響酵母菌的壽命?這個問題一直拖到九○年代才有了突破性的發展。其中最重要的科學家是麻省理工學院的Guarente教授。Guarente 教授一開始分析了幾個不同品系酵母菌的壽命,發現它們長短不一,但不知道是什麼基因在調控。小心觀察永遠是讓意外成為突破的關鍵,有一次當他把冷藏在冰箱中 好幾個月的酵母菌拿出來作實驗時,發現原先比較短命的酵母菌早就耐不住長期冷藏而一命嗚呼,但那些長壽的酵母菌還活著。這個發現表示酵母菌壽命的長短可能與其是否耐壓(冷、熱對生物而言都是一種環境的壓力)有關。

從這個假設出發,Guarente教授就先去找耐壓的酵母菌。他讓酵母菌餓八天,絕大多數野生種的酵母菌都死了,結果找到39株沒餓死的酵母菌,其中有八株酵母菌命果真比野生種長了20%到55%。進一步分析這些酵母菌是那些基因出了問題,找到一個叫SIR2的基因。這個基因的產物是個酵素,會修飾染色體上的組蛋白。如果讓SIR2基因數量變多,酵母菌的壽命就會增長。從這個簡單的SIR2基因數量與酵母菌壽命之間的關連性,讓Guarantee的學生,現在是哈佛大學醫學院教授的Sinclair想到,能不能去找會活化SIR2酵素活性的藥物?這種藥物是否以後可能作為延緩老化的「青春之泉」?他與藥廠合作,經過大規模篩選的結果,發現有一系列化學結構相似的小分子,能使SIR2的酵素活性增強,其中活化能力最強的就是「白藜蘆醇(Resveratrol)」。

一般正常酵母菌的壽命,平均分裂次數40次左右,就無法再分裂。但如果讓酵母菌的生存條件差一點,將培養液的葡萄糖濃度從最適濃度5%降為0.5%,可以讓酵母菌分裂次數增加到60次。但如果維持原來5%的葡萄糖濃度,但給予「白藜蘆醇」,則酵母菌的分裂次數也會增加到60次。表示在正常飲食下不需要挨餓,白藜蘆醇可以讓酵母菌壽命延長。另一方面,如果讓酵母菌挨餓再給它「白藜蘆醇」,酵母菌的壽命也不會更長。這個結果表示「白藜蘆醇」在酵母菌身上的作用可能是讓酵母菌處於挨餓的生理狀態。

能延長酵母菌壽命的藥物,是不是也能夠延長其他多細胞生物的壽命呢?線蟲攝食含白藜蘆醇的食物後,約可延長18%的壽命;對果蠅則可延長30%。對老鼠如何呢?2007年,Sinclair教授作了一個實驗,他將400隻老鼠養到一歲(約相當於人類40-50歲),再分成三組,一組給予正常食物,另一組給予高脂肪食物,另一組給高脂肪食物及白藜蘆純,結果顯示高脂肪食物組的死亡率隨年齡增加而增加;而給予高脂肪食物同時又給白藜蘆醇組,因高脂肪食物所引起死亡率增加幾乎可完全被白藜蘆醇所逆轉,死亡率反倒降低,且體重並未降低,老鼠吊單槓、跑步的體力長期來看並沒有減退。

白藜蘆醇最早是在中藥虎杖(又名『紅川七』)中分離出來的,之後科學家發現它可延長酵母菌的壽命,而在紅葡萄、特別是葡萄皮中的含量非常豐富。法國人與美國人一樣攝取高脂肪食物,但發生心血管疾病的機率明顯較美國人少40%,是否與經常飲用葡萄酒,而其中含豐富「白藜蘆醇」有關,是個值得探討的問題。2008年八月,美國國家老年研究所的報告出爐,他們發現雖然「白藜蘆醇」可以減少老鼠年老時心臟血管的病變,但是對整體壽命的延長並沒有幫助。這些大量服用「白藜蘆醇」的老鼠最後和控制組的老鼠一樣,大多死於淋巴瘤。看來在尋找「青春之泉」的路上,我們還有一段漫長的路要走。

關於老化 我們所能做的努力

我們可以讓酵母菌活得很老,但是對人來說,老化不僅是一個細胞或是幾個細胞活得多長的問題。從簡單的酵母菌,到果蠅、老鼠再到人,這之間其實是有非常大的差異。讓老鼠挨餓、它可以活得很長,並不表示它的大腦沒有問題。人老了,最大的問題是發生在大腦、第二是心臟,這中間有著極複雜的關連。所以要解決人的老化問題,不能夠簡單地只是看著老鼠挨餓,我們也就跟著去挨餓;因為你不曉得老鼠挨餓的時候,牠的生命是延長了,但是生命的品質到底有沒有變好?這是我們從科學實驗,研究如何延緩老化,到實際上要應用到人,應該要考慮的觀點。

而雖然基因是與天俱來的,無從選擇,但愈來愈多的研究也發現,減少攝取過多的食物,特別是高脂肪、高熱量食物,可以降低體內氧化自由基的生成,像是日本相當盛行的「只吃七分飽,延壽又防老」的養生法,也就是從這個方向來延緩老化,增加人體壽命。另外,當然要少一點壓力,這個壓力包括心理的壓力,還有我們剛剛 談過的氧化壓力。在這樣一個基因的時代裡面,究竟該怎麼樣面對老化的挑戰?我們沒有任何清楚的答案。但是對生命、對老化的現象,現在我們至少有一些瞭解;我們還需要有更多的智慧。


責任編輯:MissZoe

備註:本系列文章改寫自周成功教授在2009年6月27日為「探索講座:達爾文的奇幻旅程」所做的演講。


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