死亡起源(十二)—— 壽命調節中的反饋機制
簡介:這篇文章的話題雖然是死亡, 但是, 這篇文章真正要討論的, 卻是「永生」, 或者, 是某種程度上的"永生」。
本文於2016年3月開始,連載於西西河論壇,到目前更新到了第十九節《自我意識,究竟是什麼》。我自己簡單統計了一下, 到目前為止, 在西西河這個小眾的網站,點擊超過42萬,全系列得「花」(西西河的獎勵措施,相當於點贊)超過2400,因為西西河是個國外的小眾論壇,有時候也會被牆,我覺得有必要我將此文連載轉發到知乎上,以供大家討論。附本文在西西河的連接:【原創】死亡起源 The Origin of Death -- 西西河。
==============================續上,死亡起源(十一)—— 壓力與壽命
比線蟲更複雜的,是哺乳動物在飢餓壓力下的反應。其實飢餓可以導致壽命延長本就是在作為哺乳動物的老鼠的身上首先被觀察到的。
2012年10月得克薩斯大學西南醫療中心(UT Southwestern Medical Center)的研究者們《eLife》雜誌上發表題為《飢餓激素,成纖維細胞生長因子21(FGF-21),延長小鼠壽命》[23]的研究論文。ScienceDaily 為此還專門配發了一篇評論:《飢餓激素顯著延長小鼠壽命而無需限食》 [24] 。關於Fibroblast Growth Factor-21(FGF-21)的研究是最近比較熱門的一項研究,因為它和許多有趣的生命控制機制都相關。FGF-21是一種所謂的「飢餓激素」,它主要由肝臟分泌,在空腹時,肝臟會分泌這種激素以此讓身體做出適應飢餓的反應,它是一種行為很像激素的生長因子。人體的其他部位包括下丘腦也會分泌這種物質。得克薩斯大學的研究者們冒著失敗的風險,做了一個很昂貴的實驗。他們花了幾年的時間,培養了一些可以過分表達和分泌FGF-21的轉基因小鼠,並觀察他們的壽命。他們並沒有對這些小鼠限制食物,而是提供了足夠的食物,不過觀察的結果是,這些FGF-21長期過量分泌的小鼠的平均壽命要比普通小鼠增加30%,特別是對於雌鼠來說,其壽命要增加40%之多!研究者對此很興奮,該文章的共同作者、他們的藥理學主席David Mangelsdorf博士說:「長期過量生成FGF21激素使得小鼠無需減少食物攝取即可獲得極長的壽命。它在沒有節食的情況下模擬並獲得了需要通過節食才能獲得的健康與益處。」
不過這次我的視點還是沒有集中到小鼠的壽命的延長上,因為這我看來,這本就天經地義。我視點在FGF-21的副作用上。因為包括該文的研究者也承認,FGF-21過量分泌的小鼠要比普通的野生小鼠體型更瘦小,並且伴有嚴重的骨質疏鬆。另外,最關鍵的一點是,FGF-21會導致雌鼠不育! 我們只要比較一下前面提到的線蟲為什麼延長了壽命,再和這個例子裡面小鼠做一個對比,就可以觀察到一個共同點——它們都抑制了生殖系統。
2013年8月,《Nature》的子刊《Nature Medicine》刊登了一篇文章「《FGF-21有助於神經內分泌控制雌性的生殖》(FGF21 contributes to neuroendocrine control of female reproduction)[25],描述了過量分泌的FGF-21是如何抑制雌性小鼠的生殖系統的。文章指出,FGF-21可以抑制雌性小鼠的生殖系統,導致性腺機能減退,以及雌激素等激素的降低。而且有趣的是,FGF-21在導致雌鼠不育的同時,卻也使得雌鼠獲得超過雄鼠的壽命的延長。雌鼠獲得的壽命的延長要比平均壽命延長高10%,達到驚人的40%。
另外,除了導致雌鼠不育以外,「飢餓激素」FGF-21會導致食物和營養並不短缺的小鼠出現嚴重的骨質疏鬆也很有趣。其實生命本就有許多類似的抑制機制。比如,當我們遇到危險逃命的時候,我們的交感神經會變得十分興奮,而副交感神經則受到壓抑,表現出來的就是與逃命相關的項目獲得增強,比如心跳加快,腎上腺素大量分泌,而與迫在眉睫的危險無關的,比如生殖、胃的消化、唾液的分泌等等,都會受到抑制,體內對這些部分提供的血液也會隨之減少。這本就是生物的一個非常正常的應急反應——把能量用在最需要的地方。關於骨質疏鬆症,我解釋一下:我們體內的鈣循環是和骨骼相關的,我們的骨骼即便是在成年以後也是非常活躍的,一直在經歷著生長和破壞的過程,也在不停的在與身體進行鈣離子的循環和交換。鈣離子對於身體來說極為重要,它是機體各項生理活動不可缺少的離子。 它對於維持細胞膜兩側的生物電位,維持正常的神經傳導功能,維持正常的肌肉伸縮與舒張功能以及神經——肌肉傳導功能都至關重要。而我們的骨骼,正是我們身體鈣離子的儲藏庫。正常情況下,骨骼和其他器官之間的鈣離子的循環會處於一個平衡的狀態。不過隨著年齡的增大,在某種機制的作用下(表現之一是老年人對鈣的吸收率快速下降),鈣離子的循環會變得不平衡,所以常常說老年人要補鈣。另外,懷孕期的婦女因為母體需要將大量的鈣提供給胎兒建造身體和骨骼,也會導致母體臨時性的缺鈣和骨質疏鬆——也就是說,母體把自己庫存的鈣大量提供給了胎兒,導致了自己體內的鈣儲備的庫存空虛。而「飢餓激素」FGF-21所表現出來的對生殖系統和鈣離子循環的抑制,似乎和我們在危險情況下逃命時機體做出的反應類似,是一種身體在食物缺乏(或者是以為自己處於食物缺乏狀態)條件下的一種適應性反應。因為我們的機體許多的通訊是靠激素傳遞的,所以過量分泌的「飢餓激素」FGF-21可能讓我們的身體(應該也是下丘腦)以為我們處於一個食物缺乏的狀態,所以,它可能通過某種機制,減緩了對骨骼對鈣的吸收,以保證更加重要的器官和組織不會因缺鈣而失去功能,而與此同時,骨骼中的鈣庫存可能還在正常釋放與流失,所以最終表現出來的就是實驗小鼠嚴重的骨質疏鬆。所以這些小鼠的骨質疏鬆和孕期婦女的骨質疏鬆的原因是很相似的。儘管得克薩斯大學的研究者對FGF-21所表現出來的延長小鼠壽命很興奮,但是,我對FGF-21是否真的可以讓我們健康的長壽表示懷疑,我相信應該有更加深刻而且獨立的機制在作用,FGF-21隻是觸發了這套機制的一部分而已。
圖.50 由肝臟(Liver)分泌的」飢餓激素」 FGF-21 ,在雌性小鼠的內分泌系統中,信號傳遞是通過下丘腦(hypothalamus)——腦垂體(Pituitary)——卵巢(Ovary)生殖軸,造成雌性小鼠的性腺的衰退。
同樣可以對生殖系統產生抑制,並且與肝臟分泌的「飢餓激素」 FGF-21類似的,是腸胃也可以分泌「飢餓激素」。Ghrelin 就是一種由主要由腸胃分泌的「飢餓激素」,胃腸,主要是胃,在空腹狀態下會產生大量的這種激素。2013 年10月,倫敦帝國學院醫學研究所的Alexander N. Comninos團隊在《牛津期刊》旗下的human reproduction update發表了一篇文章《腸道與脂肪分泌的激素與生殖的關係》 [26],描述了生殖系統與上述兩種激素的關係和作用機制。如圖所示,腸胃分泌的「飢餓激素」Ghrelin 信號在雌性和雄性內分泌系統的生殖軸上,對生殖系統也是有強抑制作用的。
圖51. 腸道分泌的激素和脂肪分泌的激素與生殖之間的關係。圖中的實線代表促進作用;虛線代表抑制作用;粗線表示作用強。圖中我們可以看出,腸胃的「飢餓激素」Ghrelin信號會通過下丘腦(hypothalamus)——腦垂體(Anterior Pituitary)——生殖系統睾丸(Testis)和卵巢(Ovary),對雄性和雌性的生殖系統造成強抑制。
與肝臟分泌的FGF-21類似的,腸胃產生的Ghrelin如果過量分泌的話,也可能導致骨質疏鬆。多數臨床研究支持Ghrelin與骨量、骨密度正相關,也就是會促進骨骼生長。但是在神經性厭食症患者身上觀察到的Ghrelin反常升高可引起生長激素抵抗和促腎上腺皮質激素升高,進而導致全身性骨流失以及青少年峰值骨量獲得性缺失[27]。也就是說,過量分泌的Ghrelin和過量分泌的FGF-21一樣,都會導致骨質疏鬆。
至於過量分泌的飢餓激素Ghrelin 是否能夠如另一種飢餓激素FGF-21一樣,也可以導致小鼠的壽命的極大延長,我沒有看見相關的實驗報道。相信主要還是因為這是一個需要耗時超過3年甚至4年的昂貴實驗。FGF-21對小鼠的壽命延長實驗是在2007年開始,2012年才出來結果。不過,在2007年左右,就已經有人開始相信Ghrelin可能可以延長壽命了。2008年11月《Life Enhancement Magazine》雜誌發表了一篇文章《Ghrelin: A Mere Hormonal Appetite Stimulant or a Possible Anti-Aging Molecule》,(Ghrelin: 一個純粹的荷爾蒙食慾興奮劑,或者是一個可能的抗衰老分子),文中提到有證據表明,衰老可能和Ghrelin的分泌減少或者Ghrelin受到阻礙相關[28][29]。
既然空腹時產生的某些飢餓激素可以讓我們長壽,那麼,如果吃飽了飯後分泌的某些激素的分泌不足,會不會也讓我們長壽呢?答案是肯定的。和上述兩種在空腹時大量分泌的「飢餓激素」相反,我們吃飽了飯也是會大量分泌許多激素的。主要由肝臟分泌的IGF-1生長因子 (insulin-like growth factors-1)便是其中一種。IGF-1可以被譯作「類胰島素生長因子-1」,因為它的結構和功能都和胰島素很相似,它是人體內肝細胞、腎細胞、脾細胞等十幾種細胞自分泌和旁分泌的產物(也就是說人體內細胞本身就含有IGF-1)。早在1993年,加州大學的著名分子生物學家Cynthia Kenyon第一個發現了如果線蟲體內IGF-1分泌不足,或者胰島素/IGF-1受體因為基因變異而削弱(也就是線蟲的daf-2基因出現突變),會使得線蟲的壽命延長為普通線蟲的兩倍,這是非常顯著的壽命的延長。這項研究也從此開啟了通過尋找線蟲的基因突變研究衰老機制之門。進一步的研究發現,如果胰島素/IGF-1受體基因變異,使得受體功能削弱,那麼我們可以在包括蒼蠅、小鼠、甚至人類身上都觀察到壽命的延長[30]。一項對世界各地的90-100歲老人的調查發現,許多人身上都發現了這個基因突變從而導致了這個受體都受到削弱。所以,體內低水平 的IGF-1或者胰島素/IGF-1 受體受到削弱,是一個已經被大量證據證實的,可以延長壽命的因素。
圖52. 與IGF-1相關的基因和信號通道被證明影響到多種生物的壽命。圖片來自: 鏈接出處
圖53. IGF-1因子和細胞表面上的IGF-1受體,以及信號在細胞內的傳導
其實IGF-1的分泌不足或者受體削弱,簡單來說,所代表的含義,是和飢餓激素過量分泌是一樣的。都意味著食物短缺(或者讓機體以為自己處於食物短缺,當然,實際情況可能要更複雜)。而且有趣的是,在哺乳動物身上觀察到,低水平的IGF-1和「飢餓激素」過量分泌一樣,在延長壽命的同時,都會導致小鼠生殖發育的遲緩[31] [32],以及骨質疏鬆[33]。不過比飢餓激素會導致雌鼠不育好一些的是,它們的生殖系統最終還是會發育的,並不會因此不育。這其實很好理解:IGF-1水平低下代表的可能是糖和脂類等等的攝入不足,這和「飢餓激素」代表的肚子空空,完全沒有食物顯然輕微許多。所以,飢餓激素過量分泌會導致不育,而IGF-1水平低下只是延緩生殖,畢竟,對於生命來說,生殖才是第一要務。
有趣的是,線蟲的IGF-1因素所致的壽命延長,似乎沒有以犧牲健康為代價。一開始大家以為IGF-1雖然可以延長壽命,但是,它將是不健康的,比如細胞內線粒體的老化它就無法避免,所以它的老年必定行動遲緩,晚景凄涼。但最新的一則研究則顛覆了這種假設。2015年11月20日發表於《Nature Communications》的一篇文章[34],揭示了IGF-1受體受到削弱的線蟲不但能夠長壽,而且也更健康。這篇文章的意義在於找到了一種可以有效描述線蟲活性和健康狀態的方法,並對比了IGF-1受體基因突變的線蟲與普通野生線蟲的健康狀態。他們的研究結論是,IGF-1受體基因突變(也就是線蟲的daf-2基因出現突變)的線蟲,更健康,更有活力,並且表明它們的細胞的線粒體也更健康。這項研究實際上揭示了線蟲的生命中內含的,可以健康的延長壽命的潛力。
說一個題外話,即便是如Cynthia Kenyon 這樣的大牛,也有一個我認為是錯誤的觀點:她認為線蟲獲得壽命延長主要是基因突變所致,所以她曾經提出一個問題: 從線蟲到人類,壽命提高了幾千倍,假設線蟲是我們的祖先,那麼需要積累多少個基因突變才能達到這樣的效果呢?我認為她這樣的想法是錯誤的,她還沒有意識到線蟲們的長壽,是來自於生命內含的那種「永生」的能力,線蟲要做的,只是抑制這種能力,並在必要的時候對壽命這個變數進行調整。而且大量的證據也證明了這一點:(1)飢餓所致的線蟲壽命延長就不涉及到任何的基因突變,它們也可以獲得如daf-2基因突變的線蟲一樣的兩倍的壽命;有研究表明,線蟲由飢餓獲得的長壽特點,也可以通過Small RNA誘導的基因靜默獲得,並以表觀遺傳的方式遺傳,並且可以遺傳幾代[35]。Daf-2基因突變所觸發的長壽,其實是個「作弊」的結果,它靠削弱胰島素/IGF-1受體的功能獲得,它其實並不是一個多麼穩定的結構,這可以從大部分線蟲並不擁有這個基因突變可以看出,這種突變不具有演化優勢。不過這個基因突變的意義在於告訴我們:我們可以通過「作弊」的方式騙過我們的死亡機制。(2)線蟲的生殖細胞也是永生的,它也無需任何基因突變;(3)線蟲的近親,多次繁殖的美洲鉤蟲就有超過15年的壽命,線蟲的祖先,水螅則可能接近永生。它們都無需演化到人這麼高級,就已經可以獲得和人類一樣,甚至遠超我們壽命的長壽了。
可以延長線蟲壽命的方法其實還有許多,比如前面已經提到,直接抑制線蟲的生殖系統,它們的壽命也可以獲得延長。典型的例子是具有glp-1(e2141)基因突變的線蟲沒有生殖細胞系,它們的壽命也可以獲得延長[36]。另外,美國托馬斯傑斐遜大學(Thomas Jefferson University)生物化學與分子生物學系的研究人員發現線蟲中單一蛋白質的水平就可以決定線蟲的壽命。線蟲出生時如果沒有這種被稱為抑制蛋白(arrestin)的蛋白質,那麼它的壽命要比正常情況大約長三分之一;如果體內有三倍這種抑制蛋白的線蟲,它的壽命則會縮短三分之一。[37] [38]
為什麼過量分泌的FGF-21、Ghrelin等「飢餓激素」或者IGF-1水平低下,在長期作用下,抑制了生殖系統的同時,會延長壽命呢?從演化的角度上說,生殖系統被抑制的原因只是和我們在逃命時抑制生殖系統類似,主要為了緩解食物短缺的燃眉之急,以保證機體的最低正常運轉。不過,生殖畢竟還是生命的最終使命之一,不完成這個使命,它的生命就沒有意義。所以,它必須要調整自己的壽命和死亡機制的觸發時間,同時抑制需要消耗大量能量的器官,儘可能的延長壽命,熬到食物重新豐富的那一天,以完成生殖的任務。這是生命對食物短缺這種常見問題的一個適應機制。另外,對於人類來說,飢餓與壽命的關係,可能更加複雜。我們一方面可以觀察到食物的豐富,可能會導致少年兒童的性早熟;另一方面,壓力的降低卻又可能延長壽命。而且每一個人生活經歷都是不一樣的,在眾多複雜因素的共同作用下,具體到某一個個體,會有什麼效果,其實還很難說。所以,現在的研究發現,通過飢餓的方法,似乎並不會讓人類的壽命增加多少。
小結:從上述的壓力導致壽命的減少,和飢餓對壽命的延長,以及各種基因突變,或者各種激素對壽命的影響,為我們揭示了幾個重要的事實:
(1)動物擁有某種潛力使其較之正常狀態存活得更長久——這個事實已經受到了廣泛的承認。同時也揭示了壽命長短是可調的
(2)這些壽命的延長或縮短,或多或少,都與生殖相關。
(3)有許多不相關而且相對獨立的因素,都可以導致壽命的延長。這暗示,真正控制壽命長短的機制,雖然和這些因素都有關係,卻是一個和它們完全獨立的機制,上面提到的這些導致壽命延長或者縮短的因素,只是恰好觸發了這個獨立的壽命控制機制而已。
3.2.4 關於表觀遺傳和壓力的一些爭議。
關於表觀遺傳和壓力的關係還是存在一些爭議的。畢竟,表觀遺傳還未被證明在任何外界壓力下都會產生性狀改變,它不能夠像DNA遺傳那樣穩定可靠,另外,一些缺失的環節仍然有待發現。例如有實驗表明,表觀遺傳的印記在沒有環境壓力的數代之後,可能會漸漸丟失。
當許多人在詬病並強調錶觀遺傳的不穩定和不可持續性時,有沒有想過,其實很可能,不穩定或許才是表觀遺傳所要強調的功能和特點啊。
很可能表觀遺傳的目的之一就是生物在演化過程中,它需要一個可以調節的臨時變數,以此適應短期的環境變化。首先在生物生活的時候,遇到壓力後,它可以馬上就在自己的體內改變一些相關的甲基化水平等等,以此適應一些突然的環境變化;如果變化消失,這些甲基化也可能消失並且不將其遺傳。如果這個壓力強度大且持續,就有選擇的將它遺傳(註:是否選擇遺傳應該還有其他的一些機制,或許會有根據歷史經驗選擇出來的優先順序等等,因為有證據表明,基因本身或許可以決定自身是否產生甲基化,也就是說,基因自身可以控制自己的表觀遺傳 [39])。通常生物在後天獲得的表觀遺傳並不持久,這其實很好理解。因為假設表觀遺傳一旦獲得,就會長期遺傳,那麼當環境又變回去了,它又怎麼重新適應呢?所以,當環境再次變化,壓力減輕後,表觀遺傳即便不是完全逐漸清除,也是應該被清除一部分的。簡單的說,如果環境壓力消失,該物種幹嘛還要著急的承擔巨大的機會成本,並消耗巨大能量,去縮短壽命,甚至自殺呢?畢竟,自殺和重啟系統是要消耗包括機會成本在內的巨大成本的,況且周圍環境是否能夠提供足夠它們這樣折騰的食物與能量也是一個問題。 當壓力消失時,也就是環境再次變化時,將已經不適應環境變化的表觀遺傳的印記逐漸抹去,也是適應自然選擇的。
3.2.5 關於壓力、生殖、遺傳三者之間對壽命的影響的一個小結
關於壓力、生殖、遺傳三者之間對壽命的影響,我認為一個合理的演化論的解釋是: 如果動物遭遇到短期的壓力,它需要啟動一個應急機制,讓自己變得更強壯,更具有競爭力。但是,如果這樣做沒有效果,它繼續遭遇到持續的強大壓力,這就意味著他可能遇到一個非常強大的生存威脅,這或者是環境,或者是天敵等等造成的。關於壓力傳遞途徑,除了它們自己的生活經歷以外,我相信有相當部分是由信息素傳播的。當它們同類遭遇到危險甚至死亡的時候,釋放出來的信息素可以傳遍整個區域,壓力也因此傳播開來,雖然這種壓力我們人類完全感受不到,但是對於它們的同類來說,卻是一種有形有質的壓力,並且壓力的強度和信息素的濃度相關,也就是我們通常所謂的,一種死亡的氣息。壓力之下,它就可能需要適當的提高敏感度,同時加快生長發育和死亡速度,縮短壽命,加快世代交替。因為如果不加快世代交替,它很可能在沒有生殖之前,也就是沒有傳宗接代之前,就已經被天敵或者環境消滅。這樣發展下去,它的整個種群都有被滅絕的危險。所以,它加快世代交替,提前死亡是可以獲利的,這樣的個體也會被自然選擇所選擇出來。在生物面臨壓力的同時,在它還活著的時候,就通過DNA甲基化等等表觀遺傳反應,對自己進行適應性改變,以此同時,在世代交替的時候,將這些改變有選擇的遺傳給後代,這樣,它後天採集到的信息就在後代身上完成了一個對變化了的環境的信號反饋循環。至於世代交替速度到底應該多快,自然選擇會告訴它。世代交替過慢,可能會在生殖之前就被消滅,它不會有後代;但是,世代交替過快,也可能因為能量消耗過大,同時也因為機會成本的喪失,或者是食物的缺乏,而導致來不及世代交替而被淘汰。不過,好在演化是以個體為單位進行的,那些世代交替速度剛好落在速度最恰當的區間的個體,會被自然選擇選擇出來。
至於對飢餓壓力的適應,則相反,它需要延長壽命並抑制包括生殖在內的許多機能以應對食物短缺。因為生殖本身以及生殖後的後代的生長發育都是高耗能的生理活動,在食物短缺時期,抑制生殖能力,以避免母體和後代因食物短缺而死亡,是對飢餓所造成的壓力的一個正確的反應,這樣的個體會被自然選擇所選擇出來。與此同時,表觀遺傳也要介入,飢餓所造成的壓力,在造成母體長壽的同時,也是可以遺傳的,這導致了後代的長壽,當然,這是一個臨時變數,是可以修改的,所以,表觀遺傳通常只有幾代的效果。2014年7月,美國哥倫比亞大學發表於《Cell》期刊的一項研究表明,線蟲的飢餓經歷,在延長自己壽命的同時,也是可以通過Small RNA誘導的表觀遺傳遺傳給後代的,使得後代的壽命獲得延長,而且這種遺傳可以延續好幾代。[35]
圖54. 線蟲由飢餓獲得的長壽特點,可以通過Small RNA誘導的基因靜默獲得,並以表觀遺傳的方式遺傳,而且可以遺傳幾代
所以,結果就是,壓力、生殖、遺傳(包括表觀遺傳)通過相互作用和相互合作,獲得了一個完美的對外界變化環境的反饋循環。
當然,這所有的一切,都有一個前提,那就是,壽命長短是雙向可調的,這是由生命所內含的「永生」屬性所決定的。而且生物擁有一個獨立的調整自己壽命的機制,它可能和許多因素都有聯繫,不過這套機制本身是相對獨立的。上面的大量討論和證據,其實都已經指向了這一點。並且,相信生物的壽命絕不是某個單個因素或者單個基因控制的,現在的大部分研究,可能都只是如管中窺豹一般,只看見了豹子身上的一兩片斑紋,而內在的更加深刻的全局機制,也就是那一整頭豹子,尚隱藏在迷霧當中..........
待續...........請點擊:死亡起源(十三)—— 細胞的主動自殺(凋亡)
備註與參考文獻
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