衰老生物学(原书第二版)

目录 第1章 衰老生物学中的基本概念 1 生物老年学：对生物学衰老的研究 1 随着人类寿命的延长，生物学家开始研究衰老 2 20 世纪40 年代开始生物老年学发展成为独立的研究学科 2 当今的衰老研究更注重人的整体健康 3 非人类物种的生物学衰老与人类的衰老有许多共同特征 4 衰老研究是一个复杂的过程 4 衰老的原因与机制是两个独立但又相互关联的过程 5 生物学衰老的定义 5 生物学衰老的初定义基于死亡率 6 基于功能的定义有助于描述特定时期的生物学衰老 7 本书中衰老的定义 7 发育、成熟、衰老用于描述衰老相关事件的不同阶段 7 生物学衰老有别于老年病 9 生物老年学家如何研究衰老：使用实验室生物研究人类衰老 9 用独立的细胞体系研究衰老与寿命的基本生物化学过程 11 真菌是研究影响衰老与寿命的环境因素的良好模型 13 原始的无脊椎动物可能为延长细胞寿命、细胞信号转导，以及整体衰老提供线索 13 昆虫能够用于研究全身和胞内信号如何影响生命历程 14 小鼠和大鼠是研究营养、遗传和生理学问题的常用对象 15 非人灵长类动物显示许多与人类相同的时间依赖性变化 15 人类早老症能够作为正常人类衰老的模型 16 生物老年学家如何研究衰老：比较生物老年学 17 物种的体型与寿命相关 17 减少对外来危险的脆弱性可以阐释寿命的延长 18 高度组织化的社会结构延长野生动物的寿命 19 少数水生动物长寿 19 涡虫和水螅的衰老可以忽略不计，寿命极长且组织再生能力极强 20 生物老年学家如何研究衰老：系统生物学 21 系统生物学有助于将生物学转变为预测科学 21 生物学研究具有科学还原法的特征 23 系统生物学和还原论共同协作以扩增知识并改善预测 24 还原论可以预测简单生物系统的涌现属性，复杂系统则需要定量的方法 25 现代系统生物学和“组学”科学始于人类基因组测序 25 生物学网络提供了评估系统内相互作用的方法 27 未来之路 29 核心概念 29 讨论问题 30 延伸阅读 31 第2章 测量生物学衰老 32 在个体中测量生物学衰老 32 年龄相关的表型差异影响对个体衰老的测量 34 生活方式的选择显著影响表型 36 横向研究比较在单个时间点不同年龄组别的变化 37 纵向研究观察单一个体随时间的变化 38 精准医学计划将开发出精准明确的衰老生物标志物 41 在群体中测量生物学衰老 44 通过死亡率估计群体中的死亡数量 45 生命表包含关于死亡率、预期寿命和死亡概率的信息 45 年龄别死亡率呈指数上升 47 非年龄依赖性死亡能够影响死亡率 48 死亡率倍增时间用以校正初始死亡率的差异 49 生存曲线近似于死亡率 51 生命末期死亡速率的下降提示长寿基因存在的可能性 52 精准医学时代将改变我们衡量群体衰老速率的方式 53 未来之路 53 核心概念 54 讨论问题 54 延伸阅读 55 第3章 寿命与衰老的进化理论 57 寿命与衰老的进化理论的基础 57 Weismann 确立了体细胞与生殖细胞的区分 57 Weismann 提出衰老是一个非适应性特征 58 种群生物学家开发出计算种群增长的逻辑方程 61 种群年龄结构反映了复杂真核生物的达尔文适应度 62 种群繁殖速率描述了年龄特异性的适应度 63 Fisher 描述了种群繁殖潜能和达尔文适应度之间的关系 64 进化与寿命 65 外因性衰老速率导致自然选择的效力下降 65 Medawar 理论认为衰老是遗传漂变的结果 67 Medawar 提出在繁殖后群体中衰老与长寿是分别出现的 67 Hamilton 的自然选择压力对死亡率的影响完善了Medawar 理论 68 检验寿命的进化模型 69 晚育生物体具有更低的固有死亡率 69 遗传漂变将寿命和繁殖联系起来 70 长寿进化理论的验证结果改变了生物老年学研究 71 进化与衰老 72 拮抗多效性是一般多效性的一个特例 72 一次性体细胞理论基于有限资源的分配 73 未来之路 74 核心概念 74 讨论问题 75 延伸阅读 76 第4章 细胞衰老 77 细胞周期与细胞分裂 77 细胞周期包括4 1 个阶段 77 DNA 复制发生在S 期 78 细胞分裂发生在M 期 78 细胞周期的调控 80 S 细胞周期蛋白和细胞周期蛋白依赖性激酶启动DNA 的复制 81 p53 信号通路能够阻止G1 到S 期过渡时的DNA 复制 82 许多蛋白质参与DNA 的复制 82 黏连蛋白和凝缩蛋白有助于染色体的分离 82 分裂中期到后期的过渡标志着细胞周期后的检查点 83 功能完善的细胞能够在G0 期退出细胞周期 84 程序性细胞死亡（即凋亡）是发育和组织维持的正常部分 84 细胞衰老 86 一个错误使得细胞衰老的发现推迟了50 年 86 Hayflick 和Moorhead 的研究发现开创了细胞老年学研究领域 87 体外培养细胞的生长分为三个阶段 88 衰老细胞的若干共同特点 90 细胞衰老能够保护细胞免受癌症侵袭 91 诱导细胞衰老的机制有待阐明 91 细胞衰老的原因：损伤的生物分子的积累 92 生物分子服从于热力学定律 92 生命需要持续地保持秩序与自由能的平衡 93 衰老的基本机制是分子保真度的丧失 93 衰老反映了细胞内受损生物分子的积累 93 细胞衰老的代谢基础 95 当大气中氧含量增加时诞生了多细胞生物 96 氧化代谢产生活性氧 96 线粒体ATP 合成产生大多数的超氧离子 97 酶催化超氧自由基还原为水 99 胞浆还原也会产生自由基 100 氧自由基导致损伤的生物分子的积累 101 细胞膜容易受到活性氧的损伤 102 拮抗多效性解释了活性氧所造成的损害导致衰老的机制 105 端粒与细胞衰老 106 端粒能够阻止后随链去除关键的DNA 序列 106 端粒的缩短可能导致体细胞衰老 108 端粒短缩与时间依赖性功能丧失和疾病相关 109 未来之路 110 核心概念 111 讨论问题 111 延伸阅读 112 第5章 寿命的遗传学 113 真核生物基因表达概述 113 DNA 转录产生互补RNA 114 真核细胞在转录后对RNA 进行修饰 115 翻译是RNA 引导的蛋白质合成 118 翻译后蛋白质能够被修饰或降解 120 基因表达的调控 121 核小体结构的改变可以调控基因的表达：表观基因组学 122 蛋白质与DNA 的结合能够调控基因的表达 122 转录后机制也能够调控基因的表达 126 生物老年学研究中基因表达的分析 127 生物老年学中的遗传分析始于突变体的筛选 129 鉴定基因功能需要进行DNA 克隆 129 基因序列可以部分确定该基因的功能 130 原位杂交能够揭示基因功能 137 转基因生物有助于评估某个基因对人类寿命的影响 137 DNA 微阵列技术用于评估不同年龄的基因表达模式 140 酿酒酵母寿命的基因调控 141 酿酒酵母既进行无性繁殖也进行有性繁殖 141 环境条件影响繁殖与寿命 143 DNA 结构的改变影响寿命 143 SIR2 通路与长寿相关 143 营养响应通路上的功能失活突变可能延长寿命：以雷帕霉素为靶标 145 秀丽隐杆线虫寿命的基因调控 148 调控dauer 形成能够延长线虫寿命 148 调控dauer 形成的遗传途径 149 daf-2 基因的弱突变能够延长寿命 150 daf-2 基因联结了长寿与神经内分泌调控 151 线粒体蛋白可能连接着代谢与寿命延长 152 黑腹果蝇寿命的基因调控 153 果蝇在遗传学研究中的应用历史悠久 153 延长寿命的基因与抗逆性的增加相关 154 调控果蝇生长的基因也能够延长寿命 156 小鼠寿命的基因调控 157 许多小鼠基因能够影响寿命 158 胰岛素信号的降低连接了缓慢生长与寿命延长 159 生长激素信号的降低将胰岛素样信号通路与寿命延长联系了起来 160 小鼠中寿命相关基因的调控对人类衰老研究有一定意义 163 未来之路 163 核心概念 164 讨论问题 165 延伸阅读 165 第6章 植物衰老 167 基础植物生物学 167 植物细胞具有细胞壁、中央液泡和质体 168 叶绿体——光合作用的场所 169 植物激素调节植物的生长和发育 171 植物衰老生物学 173 有丝分裂期的衰老发生于分生组织的细胞中 173 有丝分裂期后的植物衰老涉及程序性过程和随机性过程 177 植物衰老的模型——拟南芥（Arabidopsis thaliana）叶片 177 叶片衰老三部曲 177 单糖在叶片衰老中扮演着重要角色 180 叶绿体的分解为其他植物器官提供氮和矿物质 183 分解代谢产物可以诱导参与细胞器解体过程的基因的表达 183 叶片衰老过程中植物细胞膜的降解 183 启动植物衰老 184 光照强度影响植物衰老的起始 184 细胞分裂素能够延缓衰老 187 诱导衰老的其他植物激素 188 未来之路 189 核心概念 190 讨论问题 190 延伸阅读 191 第7章 人类的寿命与长寿 192 人类长寿的起源 192 人类死亡率是兼性的 193 遗传因素使人类死亡率具有显著的可塑性 193 长寿人群的死亡率也不尽相同 194 全基因组关联研究确定了与人类长寿复杂性状相关的基因 195 人类的智力改变了其死亡率 200 高等智力使人类具有独特的长寿轨迹 201 遗传对人类寿命的影响很小 202 20 世纪人类寿命延长的提升 203 在大部分人类历史中，人类平均寿命不足45 岁 203 控制传染性疾病使人口的平均寿命延长 204 婴幼儿死亡率的降低提高了期望寿命 206 医疗水平的进步使得预期寿命持续提升 207 女性比男性有更高的平均期望寿命 209 未来之路 211 核心概念 212 讨论问题 212 延伸阅读 213 第8章 衰老相关的常见失能 214 身体成分和能量代谢的变化 214 能量平衡是摄入与消耗之差 215 脂肪在成年后持续积累 216 临终期体重过度减少导致死亡率的增加 219 骨骼肌的变化 222 肌肉收缩是肌节内肌动蛋白和肌球蛋白分子间相互作用的结果 222 骨骼肌的收缩过程始于神经信号 224 骨骼肌收缩速度和收缩力由肌纤维的类型决定 225 卫星细胞在骨骼肌损伤修复与更新中的作用 227 缺乏体力活动和内源性衰老影响年龄依赖性的肌量丢失 228 骨骼肌强度和力量的年龄相关损失与老年性肌肉萎缩相关 229 导致老年性肌肉萎缩的内在机制是