2023年1月12日，辛克萊教授在生物學頂刊《Cell》上發(fā)文，揭示表觀遺傳改變是衰老的主要驅(qū)動力，并展示了能夠有效逆轉(zhuǎn)衰老的方法，為人類戰(zhàn)勝衰老提供了無限希望[1]。

在對衰老原因的探索中，人們發(fā)現(xiàn)，DNA損傷是誘發(fā)衰老的關鍵因素之一[2]，但是究竟是基因突變的積累還是表觀遺傳的修飾在“出主力”，研究者們眾說紛紜，各執(zhí)一詞。

圖注：十二大衰老標識中[2]

但是隨著衰老生物學的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，那些突變率高的動物和人，似乎也并不一定會產(chǎn)生早衰的情況[3-4]，即使是已經(jīng)有突變發(fā)生的體細胞克隆出的動物，好像也不會大幅縮短壽命[5]。這些研究成果讓人們產(chǎn)生了疑慮，DNA的改變到底是不是衰老的“元兇”？

為此，本文作者大衛(wèi)·辛克萊教授建立了可以產(chǎn)生DNA損傷、但不產(chǎn)生基因突變的ICE系統(tǒng)，希望能從該系統(tǒng)中找到衰老的“真相”。

不同于以前的傳統(tǒng)DNA損傷制造方法，如輻射和化學品等，辛克萊教授選取了一種更精準、更溫和的方式——I-Ppol內(nèi)切酶基因。當這種基因在小鼠細胞內(nèi)存在，在藥物他莫昔芬（TAM）的作用下，I-Ppol內(nèi)切酶就能在小鼠的基因組中造成20處損傷[6]。

辛克萊教授為這把損傷基因組的“鈍刀”配上了開關，這把“刀”就能收放自如，給DNA損傷足夠的修復時間，不至于造成無法修復的“突變”，且不會對機體其他成分造成破壞。

圖注：ICE系統(tǒng)模式圖

在ICE系統(tǒng)的作用下，小鼠細胞里沒有產(chǎn)生多少基因突變，但是卻實打?qū)嵉爻霈F(xiàn)了各種衰老表現(xiàn)：β-半乳糖苷酶表達上升、衰老相關分泌表型（如炎性因子）等分泌增多、核纖層蛋白B1表達下降等。

細胞實驗的內(nèi)容證實了ICE系統(tǒng)的可行性，同時也將“突變累積學說”打翻在地，沒有突變，細胞也能衰老。

為了進一步驗證ICE對生物衰老的整體影響，辛克萊教授團隊又在小鼠身上開展了實驗。

和細胞實驗一樣，ICE影響3周后，小鼠體內(nèi)也沒能檢測出異常的基因突變情況，也沒表現(xiàn)出直接有害影響，但是從1個月開始，情況就完全不一樣了。

1個月后，ICE小鼠衰老初顯端倪，它們像普通中年鼠那樣，開始毛發(fā)變白和脫發(fā)；

10個月后，ICE小鼠正式邁入衰老，體重下降、活動和呼吸減少等，“鼠生”才剛剛過半的小鼠們卻顫顫巍巍頭發(fā)花白；

10-12個月后，ICE已經(jīng)和24月齡的普通老年鼠一樣，虛弱指數(shù)大幅上升，身形佝僂（脊柱后凸、皮質(zhì)骨厚度損失和內(nèi)層骨小梁密度降低等）……

圖注：小鼠衰老的具體表現(xiàn)

沒有產(chǎn)生額外基因突變的ICE在短短數(shù)月后卻效果如此顯著，小鼠1月白頭，到了后期更是老態(tài)盡顯。ICE系統(tǒng)的促衰功效得到了充分的驗證，而“突變累積理論”也得到了充分的駁斥。

沒有基因突變，但是小鼠早衰了，pass掉了一個錯誤答案后，辛克萊教授團隊繼續(xù)從表觀遺傳的角度展開研究，另辟蹊徑。

為此，他們通過對各年齡段小鼠的肌肉和血液樣本進行分析，創(chuàng)立了針對小鼠的表觀遺傳時鐘，用更精確的數(shù)字對小鼠的衰老進行評估。

而結果也沒辜負他們巨大工作量的前期準備工作：ICE干預小鼠的表觀遺傳衰老速度比對照組小鼠高50%，當DNA損傷和表觀遺傳衰老直接相關，表觀遺傳改變的影響正式進入研究者們的考慮范圍。

圖注：ICE小鼠表觀遺傳年齡差異

在表觀遺傳時鐘的基礎上，他們又檢測了在表觀遺傳中和衰老相關、具有代表意義的基因修飾：和應激反應、核堿基合成、DNA 修復、染色質(zhì)結構和代謝等生命活動密切相關的基因修飾H3K27ac和H3K56ac，以及和生長發(fā)育等密切相關的基因修飾H3K27me3。

在ICE系統(tǒng)的影響下，H3K27ac和H3K56ac大幅上升而H3K27me3大幅下降，直接代表了小鼠體內(nèi)的表觀遺傳改變情況。

圖注：ICE系統(tǒng)影響下，三種基因修飾的表達變化

同時，ICE干預的小鼠體內(nèi)細胞還表現(xiàn)出了空間染色質(zhì)接觸、染色質(zhì)絕緣和 P-E 通訊、細胞分化方向改變（如肌肉細胞向免疫細胞分化）等多種異常情況，全都指向表觀遺傳的改變，也算是完全做實了DNA損傷、表觀遺傳改變和衰老三者之間密不可分的關系。

研究至此，辛克萊教授團隊已經(jīng)確定了，DNA損傷導致衰老的途徑并不是通過“基因突變累積”實現(xiàn)的。相反，DNA損傷導致的衰老離不開表觀遺傳改變的影響，雖然具體機制尚未被完全破解，但也為衰老機制研究提供了全新的方向和理論。

那么，這種由DNA損傷開啟、表觀遺傳改變參與而最終產(chǎn)生的衰老，是否有應對之法呢？早在2年前的2020年12月2日，辛克萊教授團隊就用一篇《Nature》封面論文為這個問題的解決埋好了伏筆。

當時的研究表示，應用AAV（腺相關病毒）體內(nèi)遞送系統(tǒng)，將神奇山中因子中的三個Oct4、Sox2和Klf4導入到活動物體內(nèi)，能在4周的干預中將中年小鼠視網(wǎng)膜中90%的衰老節(jié)細胞恢復到年輕水平，效果堪稱驚人[7]。

當初這項研究登上了生物學頂刊《Nature》的封面，而2年后的今天，這項技術也幫助辛克萊教授團隊將研究刊登在頂刊《Cell》上。

這一次，他們用同樣的AAV方法遞送了O、S、K三個山中因子，到因為ICE系統(tǒng)而衰老的小鼠體內(nèi)，使它們的表觀遺傳年齡年輕了57%！上一部分提到的那些表觀遺傳改變相關的基因修飾的水平變化也得到了恢復，ICE誘導的衰老小鼠又“重返青春”。

圖注：AAV-OSK體內(nèi)重編程系統(tǒng)讓小鼠的表觀遺傳年齡年輕了57%

神奇的ICE系統(tǒng)從一眾衰老相關標識中找到了表觀遺傳改變這一最有可能的“衰老元兇”，而更神奇的AAV-OSK體內(nèi)重編程系統(tǒng)更是直接逆轉(zhuǎn)衰老，“回溯時光”。

研究者認為，這就像是電腦系統(tǒng)，隨著時間的推移，一些關鍵信息（表觀遺傳信息）丟失，就會造成運行遲緩、不靈（衰老），但是這些信息在系統(tǒng)里都有備份副本，而AAV-OSK體內(nèi)重編程便是重裝軟件的過程，強勢逆轉(zhuǎn)衰老。

正如我國衰老生物學領軍人物劉光慧教授對這項研究所評價的：“優(yōu)雅的誘導表觀遺傳衰老的系統(tǒng)”，“我認為作者使用了一種聰明的方法來解決這個問題”。這項研究不僅探究了誘發(fā)衰老的核心機制，還提供了安全有效的潛在應對方法，為未來衰老生物學的發(fā)展指向了更清晰的方向。

也希望在不久的將來，辛克萊教授，或者其他衰老領域科學家能探清DNA損傷-表觀遺傳改變-衰老之間的具體機制原理，也希望在AAV-OSK體內(nèi)重編程系統(tǒng)的幫助下，人類能早日戰(zhàn)勝衰老。

—— TIMEPIE ——

參考文獻

[1] Yang, J. H., Hayano, M., Griffin, P. T., Amorim, J. A., Bonkowski, M. S., Apostolides, J. K., Salfati, E. L., Blanchette, M., Munding, E. M., Bhakta, M., Chew, Y. C., Guo, W., Yang, X., Maybury-Lewis, S., Tian, X., Ross, J. M., Coppotelli, G., Meer, M. V., Rogers-Hammond, R., Vera, D. L., … Sinclair, D. A. (2023). Loss of epigenetic information as a cause of mammalian aging. Cell, S0092-8674(22)01570-7. Advance online publication. https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.12.027

[2] López-Otín, C., Blasco, M., Partridge, L., Serrano, M., & Kroemer, G. (2023). Hallmarks of aging: An expanding universe. Cell. doi: 10.1016/j.cell.2022.11.001

[3] Narayanan, L., Fritzell, J.A., Baker, S.M., Liskay, R.M., and Glazer, P.M. (1997). Elevated levels of mutation in multiple tissues of mice deficient in the DNA mismatch repair gene Pms2. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94, 3122–3127.https://doi.org/10.1073/pnas.94.7.3122.

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[6] Berkovich, E., Monnat, R.J., Jr., and Kastan, M.B. (2007). Roles of ATM and NBS1 in chromatin structure modulation and DNA double-strand break repair. Nat. Cell Biol. 9, 683–690. https://doi.org/10.1038/ncb1599.

[7] Lu, Y., Brommer, B., Tian, X., Krishnan, A., Meer, M., Wang, C., . . . Sinclair, D. A. (2020). Reprogramming to recover youthful epigenetic information and restore vision. Nature, 588(7836), 124-129. doi:10.1038/s41586-020-2975-4