神奇的二甲双胍
二甲双胍（metformin）是著名的降糖药，主要用来治疗2型糖尿病，但它对非酒精性脂肪肝病及癌症等多种人类疾病也有潜在治疗效果。更神奇的是，二甲双胍像热量限制一样能够延长生物的寿命，这已在线虫、大鼠和小鼠中得到证实。如此说来，二甲双胍堪称“神药”、“仙丹”！
6月2日，Science Daily网站报道了《美国科学院院报》（PNAS）刚刚在线发表的一篇最新论文，揭示二甲双胍通过“线粒体低毒兴奋效应”促进线虫延寿，其关键环节是对细胞抗氧化成分的诱导。事实上，有关二甲双胍在动物中表现长寿效果的报道时有耳闻，只不过每篇论文各自所阐述的机理都不同，或者说大家所站的角度各异，实际上可能都是正确的。
以我手头掌握的近两年新发表的3篇相关论文为例，关于二甲双胍的长寿机理，今年这一篇说是二甲双胍促进线粒体产生活性氧，而活性氧又诱导抗氧化酶（PNAS）；去年的一篇文章说是二甲双胍可抑制衰老细胞产生促炎细胞因子（Aging Cell），另一篇文章说二甲双胍抑制了细菌（线虫食物）的叶酸及甲硫氨酸代谢（Cell）。
二甲双胍促进长寿的真正机理究竟是什么？从这些研究能否得出二甲双胍延寿机理的确切结论？以下就结合我们在酵母及小鼠中开展的抗衰老研究作一番深度解读，让我先从几个专业术语说起。如果以下内容对读者有所启发，本人甚觉欣慰。若遇行家指教，更倍感荣幸！
线粒体低毒兴奋效应（mitohormesis）
过量的活性氧对于细胞而言是有毒物质，而少量活性氧却对细胞有益。过氧化氢就是最常见的一种活性氧，高浓度可以促进细胞凋亡，而低浓度将诱导抗氧化酶表达，反而提高细胞的抗氧化能力。这就是活性氧介导“低毒兴奋效应”的简单内涵。
热量限制（限食）可以通过减少线粒体内ATP合成导致AMP/ATP比值升高，由此激活AMP依赖性激酶（AMPK），使线粒体产生大量活性氧，继而诱导抗氧化酶表达，最终可以清除活性氧，避免细胞的氧化损伤。这就是过氧化氢作用于线粒体引起的所谓“线粒体低毒兴奋效应”。
人们早已发现二甲双胍是AMPK的激活剂，因此它能作为热量限制的模拟化合物发挥延寿效果就理所当然了。也就是说，二甲双胍也应该能促进活性氧产生，以及诱导抗氧化酶表达，从而发挥“线粒体低毒兴奋效应”。
我们曾用低剂量过氧化氢处理酵母，结果发现它能使酵母寿命轻微延长，其间抗氧化酶基因表达上调，活性升高。相反，有人用抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸（NAC）和叔丁基羟基茴香醚（BHA）处理，却抵消了二甲双胍的延寿效果。顺便说一句，我对人体补充小分子抗氧化剂的益处一直存疑，因为它们把活性氧彻底清除后，反而削弱了细胞自身的抗氧化能力。
线粒体解偶联（mitochondrial uncoupling）
线粒体通过呼吸链电子传递产生氢质子驱动ATP合成的过程称为线粒体偶联。反之，电子传递与ATP合成脱节就叫线粒体解偶联。最著名的线粒体解偶联剂是2,4-二硝基苯酚（DNP），多年前它曾作为减肥药应用于人体，但后因严重的副作用而被弃用。如果把握好剂量，这个老药的减肥及延寿效果还真不错。
原来人们只知道二甲双胍是AMPK的激活剂，但并不知道是直接激活还是间接激活，近年来的研究发现，它实际上是通过部分抑制呼吸链上的复合物I（Complex 1, C1）间接激活AMPK，因为此时电子传递受阻，氧化磷酸化无法进行，ATP合成减少，导致AMP/ATP升高。前述DNP导致ATP无法合成的原因则是它能引起质子泄漏而失去能量产生的驱动力。
半个月前，我在 Nature载文揭示长寿的奥秘 一文中介绍，线粒体中α-酮戊二酸可与ATP合成酶结合而抑制其活性，这样也导致ATP无法合成。不过，目前还难以把这个机制与二甲双胍或DNP的作用联系起来，或者说效果相同，但方式各异。我们在酵母和小鼠中的研究发现，热量限制也能引起线粒体解偶联，只不过其作用机理似乎不完全相同（见下）。
线粒体增殖（mitochondrial biogenesis）
对于线粒体低毒兴奋效应产生的原因，目前要么不解释，要么解释不清。早在10年前，意大利人Nisoli就提出“一氧化氮促进线粒体增殖”的假说，并得到后续实验的证实，但最近有好几篇论文质疑是否存在线粒体增殖，其中有一篇Cell文章声称，长期热量限制可以维持线粒体功能，但未见线粒体数目增加。
其实，他们的结论都不算错，但各自只强调现象的存在，而未深究这种现象的动态变化。我们在酵母中发现，短期（12小时）热量限制确实可见线粒体功能亢进，而长期热量限制（72小时）却使线粒体功能衰退，由此提出线粒体针对热量限制的“双期响应”（dual-phase response）模式。在对数生长期，热量限制主要是诱导抗氧化酶活性升高，呼吸链组分表达增加，而对数生长后期则出现糖、脂、蛋白质、核酸等主要物质分解代谢增强、合成代谢减弱的趋势。
我们的结果是，前期有线粒体数量增殖，而后期仅有线粒体功能维持，从而合理地解释了过去有关“营养供应减少导致物质代谢增加”结论的矛盾。我们认为，正是由于早期线粒体增殖才放大了线粒体氧化损伤的“危险信号”，只有大量活性氧释放才会诱导更多抗氧化酶合成。我们还发现，热量限制确实能高效诱导线粒体中的含锰超氧化物歧化酶（Mn-SOD）。同样，PNAS文章介绍的在线虫中所做的工作显示，二甲双胍也可以诱导具有抗氧化作用的过氧化氧还蛋白PRDX-2表达。
至于线粒体增殖的机理，一般认为受两条信号通路控制：一条是AMPK通路，另一条是SIRT1通路，前者受AMP激活，后者受NAD激活。其中，AMPK激活就导致mTOR阻遏。在热量限制过程中，AMP和NAD双双增加，可同时活化转录因子PGC-1α，启动线粒体转录与翻译，最终导致线粒体增殖。因此，SIRT激活剂白藜芦醇有延寿作用，就很容易理解了。至于为什么雷帕霉素也能延寿，是因为它能抑制mTOR，这相当于激活AMPK。
一氧化氮信号转导（nitric oxide signaling）
目前对于热量限制的作用机理尚不完全清楚，但我们在小鼠和酵母中的研究发现，它是通过激发一氧化氮与呼吸链上复合物V中细胞色素c氧化酶的血红素辅基结合而发挥作用的。在此过程中，首先是热量限制导致线粒体AMP/ATP比值升高，使AMPK激活，再沿着 AMPK→Rac1→Akt→eNOS 信号通路促进一氧化氮合成。也就是说，热量限制的作用是以一氧化氮信号转导为媒介而实现的。难怪我们用一氧化氮合成前体精氨酸或一氧化氮供体硝普钠处理小鼠时，竟然获得类似热量限制的效果。
有趣的是，我们还首次发现，抗疟药青蒿素可以直接结合细胞色素c氧化酶的血红素辅基，从而完全模拟热量限制对酵母的延寿作用。经基因表达谱芯片及定量转录产物扩增验证，青蒿素与热量限制之间有很多重叠及相似的变化模式。不难看出，热量限制是通过一氧化氮与细胞色素c氧化酶的可逆结合导致线粒体解偶联，而青蒿素则是与细胞色素c氧化酶共价结合导致线粒体解偶联。
DNA损伤与修复（DNA damage and repair）
随着抗氧化能力的增强，DNA氧化损伤程度下降，这就使得一些参与DNA损伤修复的基因显著下调。DNA损伤的酶修复系统包括很多蛋白质组分，其中以肿瘤抑制基因编码的酶和蛋白质为主，如P53、BRCA1、BRCA2等。相反，如果DNA损伤严重，而肿瘤抑制基因又发生突变，那么正常细胞就会转变成癌细胞。比如，很多乳腺癌患者都存在BRCA1、BRCA2基因突变.
我们在小鼠中发现，热量限制可以大幅下调肿瘤抑制基因（如BRCA1）表达，其他参与DNA修复的基因表达水平也明显下降，说明DNA损伤减少，DNA修复活性主动下降，也说明长寿细胞的显著特征之一是氧化应激程度降低。
端粒与长寿（telomere and longevity）
端粒位于染色体两端，随细胞不断分裂逐渐缩短，最后端粒消失意味着生命终结，故端粒被形象地称为“生命时钟”。不过，端粒长短与寿命长短并非因果关系，而只是存在相关性。尽管端粒长度与细胞寿命成正比，但端粒并不是越长越好，因为癌细胞的端粒就很长。影响端粒长度变化的因素有两个：一是端粒延长速度加快，二是端粒缩短速度减缓。在癌细胞中，通常是端粒酶活化，端粒逐渐延长，而长寿细胞中，未见端粒酶活化，只是端粒缓慢缩短。
我们惊异地发现，热量限制通过减少DNA损伤明显减慢了端粒缩短速度，而青蒿素、精氨酸、硝普钠、过氧化氢等也都能模拟热量限制的效果，使端粒长度保持相对恒定。这些结果说明抗氧化能力的增强才是各种长寿效果得以发挥的关键因素，也进一步强调抗衰老存在“多因一效”现象。
营养与抗炎（nutrition and anti-inflammation）
再回过头来看Cell文章（Cabreiro F. et al. Metformin retards aging in C. elegans by altering microbial folate and methionine metabolism. Cell 2013, 153: 228-239），它通过二甲双胍使甲硫氨酸合成酶及S-腺苷甲硫氨酸合成酶双缺陷型线虫形成甲硫氨酸限制，结果也能延缓衰老进程。类似结果见于芳香族分支氨基酸营养限制引起的中年小鼠骨骼肌线粒体增殖（D'Antona G. et al. Branched-chain amino acid supplementation promotes survival and supports cardiac and skeletal muscle mitochondrial biogenesis in middle-aged mice. Cell Metabo 2010, 12: 362-372）。
最后，还剩下一个二甲双胍抗炎的话题。Aging Cell的文章（Moiseeva O. et al.Metformin inhibits the scenescence-associated secretory phenotype by interfering with IKK/NF-κB activation. Aging Cell 2013, 12: 489-498）强调二甲双胍通过抑制炎症信号转导通路中IKK/NF-κB的激活阻止促炎细胞因子合成。我们知道，促炎细胞因子可诱导iNOS合成大量病理性一氧化氮，而这个过程又通过精氨酸竞争抑制eNOS合成少量生理性一氧化氮。由于二甲双胍的抗炎作用，避免了一氧化氮爆发引起的细胞损伤、衰老和癌变，其最终结果与热量限制激活eNOS效果一样。另外，具有抗炎作用的免疫抑制剂雷帕霉素就表现延寿作用，进一步说明缓解炎症也是延长寿命的重要举措之一。
综上所述，线粒体在决定细胞乃至生物整体寿命中具有举足轻重的作用，而抗氧化能力的增强则是保持染色体稳定性和延长细胞寿命的关键枢纽。凡是能提高细胞抗氧化活性的方式（如热量限制）或化合物（如二甲双胍、白藜芦醇、青蒿素等）乃至免疫抑制性抗炎药物（雷帕霉素等）及低浓度氮自由基化合物（一氧化氮、精氨酸、硝普钠等）或氧自由基化合物（过氧化氢等）都具有显著的延寿效果。
Anti-diabetic drug slows aging and lengthens lifespan, animal study suggests
Date: June 2, 2014 Source:KU Leuven
Summary: Researchers have provided new evidence that metformin, the world’s most widely used anti-diabetic drug, slows aging and increases lifespan. Scientists teased out the mechanism behind metformin's age-slowing effects: the drug causes an increase in the number of toxic oxygen molecules released in the cell and this, surprisingly, increases cell robustness and longevity in the long term.
（科学网曾庆平博客 2014-6-6）