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端粒影响细胞的再生衰老与人类的健康

01

 

细胞的再生以及为什么需要细胞再生

 

 

 

 

1961年,生物学家Leonard Hayflick发现,正常的人类细胞在凋亡前会进行有限次数的分裂。细胞通过复制自身来繁殖(称为有丝分裂),当Hayflick做实验时,把人源细胞放在烧瓶中的一层薄薄的透明层中,它们首先会快速自我复制。随着它们的繁殖,Hayflick需要越来越多的烧瓶来容纳不断增长的细胞培养物。早期的细胞繁殖如此之快以至于不能保存所有的培养物。Hayflick回忆说,如果继续保存这些培养物,他和助手们可能要被这些大量的培养瓶挤出实验室和研究大楼了。Hayflick把这个细胞分裂的初期阶段称为“繁茂的生长”。然而,过了一段时间,Hayflick实验室里的细胞停止了生长,好像它们疲倦了一样。最持久的细胞大约有50次细胞分裂,尽管大多数细胞分裂的次数比这要少得多。最终,这些疲倦的细胞达到了一个称之为衰老的阶段: 这些细胞仍然活着,但它们已经永久地停止了分裂。这被称为Hayflick极限,也就是人类细胞分裂的自然极限,而细胞分裂停止的开关是染色体末端一段叫做端粒的基因片段。

 

人体所有细胞都受Hayflick极限的限制吗?答案是否定的。在我们的身体各种组织器官里面都里存在一些可以不断自我更新而再生的成体干细胞,包括免疫系统,骨、肠、肺和肝脏皮肤和毛囊细胞、胰腺细胞、心血管系统等。在这些组织中存在的具有干性潜能的细胞,他们不受Hayflick极限的限制,可以不断自我更新和分化为普通的体细胞,来保持我们的身体组织器官正常功能和健康。所以与Hayflick实验室培养皿中的细胞(普通的体细胞)不同,细胞并不总是有Hayflick极限。干细胞中高表达一种叫端粒酶的蛋白,这种酶可以不断的修复和延长端粒基因片段的缩短,所以与普通的体细胞相比,干细胞可以在我们的一生中不断分裂和分化,补充我们的组织和器官。

 

从某种程度上来看,细胞不能无限制的分裂绝对是好事。因为如果它们继续一直繁殖,癌症就会随之而来。组织器官中存在的那部分已经过了繁茂生长期的细胞慢慢衰老,这些衰老的细胞不能像之前一样正常运作,而且不能向其他细胞发送正确的信号,这对我们的健康有着深远的影响。当体内太多的细胞衰老时,身体的组织就会开始老化。例如,当血管壁上有太多的衰老细胞,动脉就会硬化,更有可能心脏病发作。当血液中的抗感染免疫细胞由于衰老而无法分辨附近是否有病毒侵袭时,更容易感染流感或肺炎。衰老的细胞会释放出促炎物质,使人更容易遭受更多的疼痛和慢性疾病。最终,许多衰老的细胞都将经历死亡。

02

 

疾病的开始

 

只要端粒(以及其他细胞关键组分)保持正常功能,健康的人体细胞可以重复分裂,但随着时间的推移,细胞就会衰老,最终,连不受Hayflick极限限制的干细胞也会发生衰老。而这种细胞分裂的极限是人类健康寿命具有极限的原因之一。当然,也有许多人的健康寿命比一般人长很多。对我们中的一些人和我们的许多孩子来说,要使得健康寿命和寿命达到80甚至100岁都是可能可以实现的。

 

世界上大约有30万百岁老人,而且他们的数量还在迅速增加。 超过90多岁的人数更是在增加。根据这一趋势,人们认为现在英国超过三分之一的新生儿将活到100岁。而在这些年的生命中有多少年是在受疾病困扰的呢?如果我们能更好地理解细胞更新的杠杆作用,我们就能在晚年拥有活动自如的关节、呼吸顺畅的肺部、有效抗击感染的免疫细胞、强有力的的心脏,以及敏锐的大脑。但在实际生活中,在复杂的环境因素的作用下,很多细胞并没有按照预定轨迹完成所有的分裂,有时细胞分裂停止的更早,细胞出现过早老化,组织器官提前进入衰老的阶段。当这种情况发生时,我们就无法生存至80,90的高龄。

 

 

图1:老化和疾病

 

到目前为止,年龄是慢性疾病发生的最大决定因素。这张图显示了按年龄(65岁及以上)划分的死亡频率,按疾病(心脏病、癌症、呼吸系统疾病、中风及其他脑血管疾病)划分的前四大致死原因。由慢性病引起的死亡率在40岁以后开始上升,在60岁以后急剧上升。美国卫生与公众服务部,疾病控制与预防中心,死亡和伤害的十大主要原因

http://www.cdc.gov/recovery/wisqars/leadingcauses es.html

 

为什么人们的衰老速度和健康寿命各不相同?根本原因之一是便是细胞老化。现在的问题是,是什么决定了细胞衰老进程?回答这个问题之前,我们先举个鞋带的例子。

 

端粒是如何让人感受自身的衰老,或让人感觉依然年轻和健康?

 

您知道鞋带末端的塑料保护帽吗? 这个塑料帽是用来防止鞋带磨损的。现在想象鞋带就是细胞中的染色体,细胞内部一种携带着遗传信息的结构。端粒与塑料帽类似,它是染色体末端的一段DNA片段,它们在染色体末端形成小帽样结构,防止遗传物质散开。随着时间的推移,端粒会逐渐磨损。

 

图2:想想您的鞋带

 

把端粒比作鞋带的保护帽。鞋带末端的保护帽越长,鞋带磨损的可能性就越小。就染色体而言,端粒越长,细胞或染色体融合发生的可能性就越小。染色体融合会引发染色体不稳定和DNA断裂,这对细胞来说简直是灾难性事件。

 

当端粒变得太短时,不能保护染色体结构完整,细胞就会衰老死亡,所以端粒是衰老的保护帽。虽然端粒并不是细胞衰老的唯一原因,还有其它一些影响细胞的因素,然而我们目前还不甚了解。但短的端粒是人类细胞衰老的主要原因之一,也是控制Hayflick极限的机制之一。遗传是决定端粒长度的重要因素之一,包括影响出生时的端粒长度以及端粒缩短的速度。虽然遗传不能控制, 但来自全球各地的研究都表明,可以采取生活方式干预手段介入并控制端粒的长短和端粒健康状态。例如:我们中的一些人在面对困难的情况时会感到高度的威胁感,而这种反应与较短的端粒有关。

 

我们可以用更积极的方式重新构建我们对事物的看法。一些身心技巧,包括冥想和气功,已经被证明可以减轻压力,增加端粒酶表达水平,从而减缓端粒磨损的速度。促进心血管健康的运动对端粒很有好处。而像热狗这样的加工肉类等不良的饮食习惯对端粒是有害的,新鲜的、全天然的食物对端粒是有益的。社会凝聚力低的社区——意味着人们彼此不了解、不信任,这也不利于端粒,无论收入如何情况都是如此。而有过不良生活事件的儿童的端粒也比较短。

 

把孩子从被忽视的环境中转移出来(比如臭名昭著的罗马尼亚孤儿院)可以减轻一些对端粒的损伤。卵子和精子中父母的染色体的端粒会直接传递给发育中的婴儿。值得注意的是,这意味着,如果父母生活艰难导致端粒缩短,他们可能会把这些缩短的端粒传给孩子,如果您认为这与您的情况一样,不要惊慌。端粒既可以增加也可以缩短。您仍然可以采取行动来保持端粒的稳定。这也意味着我们自己的生活选择可以为下一代带来积极良好的遗传财富。

 

03

 

 

建立与端粒的联系

 

当您想到以一种更健康的方式生活时,您可能会叹息着想到一长串您应该做的事情。然而,对于一些人来说,当他们看到并理解自己的行为和端粒之间的联系时,他们才能够做出持久的改变。“看,我现在骑自行车去上班了——我的端粒很长!”或者“我不再喝含糖汽水了。但我不愿意去想它对我的端粒有什么影响”。

 

端粒

下一步

 

我们的研究能说明通过保持端粒,人们就可以活到几百岁,或者能在94岁的时候跑马拉松,或者不长皱纹吗?”不。每个人的细胞都会老化,最终我们依然会面临会死亡。但是想象一下您在高速公路上开车。有快车道,有慢车道,还有介于两者之间的车道。您可以在快车道上开车,以比同龄人更快的速度朝着疾病的方向奔驰而去。或者您可以在慢车道开车,花更多的时间享受天气,音乐,与同伴同行的快乐时光。当然,您还会享受自身的健康。即使您现在正处在细胞过早衰老的快车道上,您也有机会转换车道。

 

端粒是一个综合指数,反映了各种因素对人一生的影响,包括有益的、有助于恢复体力的,好的影响,比如良好的健康和睡眠,也包括一些有害的影响,比如压力、营养不良或逆境。在鸟类、鱼类和小鼠身上也表现出压力与端粒的关系。因此,端粒长度可能是“毕生幸福健康的圣杯”,可以用来作为反映动物一生经历的一种总结性测量方式。 就像在动物身上一样,在人类的身上,没有一种生物学指标可以衡量人一生的累积经历,但端粒是我们目前所知道的对此最有帮助的指标之一。

端粒

 

 

来源:The Telomeres Effect