古希臘神話中有一特別慘的哥們兒叫西西弗斯，被罰推巨石上山，但是每每到達山頂一松手，巨石就會重新滾落山底。

其實對想要延緩衰老的人類來說，每個人都是時間路上的“西西弗斯”。

我們努力（各種干預手段）推巨石上山（抗衰延壽），不敢有一絲懈怠。更危險的是，這座山不止一面山坡，稍不小心，任何一面都可能使巨石滾落（衰老）。

想要松開手但又不想讓巨石滾落？今年四月，來自加州大學合成生物學研究所的華人教授郝楠及其團隊在頂刊《Science》上發(fā)表最新研究，通過一種神奇的“基因電路”，還真的找到了“一勞永逸”的可能性[1]。

#不久后的12月9日-10日TIMEPIE第四屆衰老干預論壇中，我們有幸邀請到了郝楠教授線下參加、演講，討論抗衰領域最新研究，及“基因電路”在衰老生物學如何“大施拳腳”！感興趣的讀者可至文末查看。

衰老是每個生命的歸宿，到了一定年齡之后，機體會在各種衰老途徑的作用下逐漸衰退。但衰老機制就像一座光溜溜的圓錐山，鞏固了A角度，卻可能因為B途徑失守而滿盤皆輸。再厲害的抗衰藥，目前都做不到兼顧人類所有衰老途徑。

人類的衰老相關途徑太多太復雜，于是本項研究先從最簡單的真核生物酵母（沒錯，就是發(fā)饅頭的那個酵母）入手。早在2020年，郝楠教授及其團隊就找到了酵母衰老和壽命相關的兩個重要途徑：賴氨酸去乙?；?Sir2相關途徑和血紅素激活蛋白（HAP）相關途徑[2]。

這兩種途徑代表了酵母的兩種死亡原因：

①因為Sir2的減少，Sir2介導核糖體 DNA（rDNA）處的染色質沉默也不斷減少，于是rDNA這一脆弱基因組位點的穩(wěn)定性和細胞核仁的完整性難以維持，酵母走向死亡；

②因為HAP的減少，其發(fā)揮重要作用的血紅素生物發(fā)生和線粒體功能遭受重創(chuàng)，酵母走向死亡。

研究者們發(fā)現(xiàn)，酵母會因為其中一種狀況而死，但不會兩種狀況“并存”。并且在其中一種情況中停留時間較長時，就意味著這顆酵母“死期將近”[2]。

圖注：模式1對應①號狀態(tài)，模式2對應②號狀態(tài)，兩種狀態(tài)就像山的兩個面，并不兼容[2]

想要活著，就必須找到第三種狀態(tài)！在2020年，研究者們通過傳統(tǒng)干預方法——Sir2和HAP過表達，打破了Sir2與HAP“此消彼長”的規(guī)則，成功延長了酵母的壽命[2]；而今天，他們選擇了一種一勞永逸的方式：讓這兩種途徑“自己動起來”。

當衰老的小球滾落，馬上就能有另一股力量讓它重新“自動上山”就好了！

雖然不能將酵母狀態(tài)固定在某一個位置，但的確避免了它們在狀態(tài)一或狀態(tài)二長期停留。不停留就不會死，而“不死”的時間越長，豈不意味著延壽的效果越好？

圖注：當忽略摩擦力帶來的動能損失，小球能一直上下滾動，永不停歇

研究者們在這種想法的基礎上，構建了一個能維持來回擺動的“基因電路”。

他們將Sir2的啟動子換成了能被HAP結合并激活的CYC1，再將HAP“遷居”到Sir2能沉默（抑制）的rDNA區(qū)域，最后給比較靈敏的Sir2裝上“信號燈”（mCherry熒光報告蛋白），一個“可視化基因電路”就安裝好啦！

當Sir2減少，則HAP抑制解除，表達升高，隨之激活Sir2的表達；

而Sir2一旦增長到一定程度，則會將HAP抑制，Sir2的自身合成也隨之減少。

圖注：HAP-Sir2“基因電路”模式圖

在這樣的設置下，一個衰老途徑的改變，就會引起另一個衰老途徑的積極響應，因此其中任何一種都不會長期停留在缺乏的狀態(tài)中，而不出意外的話酵母就能在Sir2和HAP的拉拉扯扯中不斷向前。

理論可行，實踐開始！

研究者們根據(jù)連接在Sir2上的指示燈，記錄了被改裝了基因電路的工程酵母以及普通對照酵母的一生。

圖注：對照組普通酵母和實驗組工程酵母對比

基因電路自動啟動，工程酵母里的Sir2-HAP即刻“開擺”。普通對照酵母中看不到成規(guī)律的Sir2-HAP變化，而工程酵母里卻十分明顯，其中65%的工程酵母就在這樣規(guī)律的擺動中度過一生，還有35%則擺著擺著就累了，在生命晚期偏離了原定“軌道”。

光能擺起來不算什么，真發(fā)揮作用才是關鍵，“基因電路”對酵母的影響主要表現(xiàn)在壽命、細胞周期長度和壽命差異這三個方面。

No.1

壽命延長：講別的沒有用，延壽才是硬道理

通過對兩組酵母存活時間的監(jiān)測，研究者們發(fā)現(xiàn)，基因電路真的能給酵母的生命續(xù)航。普通對照組酵母的壽命不足2000分鐘，工程酵母壽命延長了105%，即使是晚年偏離軌道的工程酵母壽命也延長了45%。

圖注：各組酵母復制壽命對比

No.2

細胞周期長度：老當益壯，保持子細胞產出

酵母的一生，除了生存，就是產生子細胞，即后代酵母。而對于普通酵母來說，隨著衰老的進程，細胞周期會逐漸延長，這代表著細胞退化、產生子細胞的能力越來越差。

設置基因電路后，工程酵母不僅活得更長，細胞功能也提升了。細胞周期變短，能長時間維持在較短的70-90分鐘，也就是它們的增殖能力保持在較好水平。

圖注：對照組和工程酵母的細胞周期長度（即增殖能力）對比

No.3

壽命差異：流水線生產，自然統(tǒng)一高品質

研究者們發(fā)現(xiàn)，因為不同的酵母以不同狀況為生命終點，所以它們的壽命雖然都短，但參差不齊。酵母和酵母之間的差異系數(shù)高達0.48；但統(tǒng)一安裝了基因電路后，他們的壽命就整齊多了，差異系數(shù)降低至0.29。

圖注：工程酵母的長壽是相似的，而對照酵母各有各的短壽

在積極研究成果的基礎上，研究人員還嘗試了其他幾種有缺陷的基因電路，發(fā)現(xiàn)這條基礎電路中的要素缺一不可，且不能中斷，任何改動或中斷，都會折損工程酵母的壽命。

其次，他們還將工程酵母與傳統(tǒng)的過表達或突變干預方法放在一起對比，結果還得是基因電路，其延壽效果能達到普通過表達Sir2方法的3.6倍（基因電路法平均延長82%，過表達Sir2法延長23%），一騎絕塵將其他方法甩在身后。

基因電路在和其他干預方法的pk中證明了自己的價值，在小小的酵母中已經(jīng)大放光彩，其未來在其他生物上的應用也未來可期。

作者點評

郝楠

美國加州大學圣地亞哥分校電路研究所分子生物學副教授

"我們希望突出的是我們實現(xiàn)這個結果的方法，這是第一次把計算機模擬輔助和工程學的角度和方法應用到衰老研究上。用這種合成生物學的方法對細胞基因動態(tài)過程進行重新編程和構建，這是大部分傳統(tǒng)生物學方法無法實現(xiàn)的。我們希望這個研究作為一個成功案例，能夠吸引越來越多的科學家從這個新的角度，用這種新的方法，來理解和調節(jié)衰老過程。"

想了解郝楠教授對衰老生物學未來的看法嗎？想了解“基因電路”的后續(xù)進展嗎？盡在時光派12月9日-10日第四屆衰老干預論壇！除郝楠教授外，還有與數(shù)十位大咖學者面對面交流的機會。

[1]Zhou, Z., Liu, Y., Feng, Y., Klepin, S., Tsimring, L. S., Pillus, L., Hasty, J., & Hao, N. (2023). Engineering longevity-design of a synthetic gene oscillator to slow cellular aging. Science (New York, N.Y.), 380(6643), 376–381. https://doi.org/10.1126/science.add7631

[2]Li, Y., Jiang, Y., Paxman, J., O'Laughlin, R., Klepin, S., Zhu, Y., Pillus, L., Tsimring, L. S., Hasty, J., & Hao, N. (2020). A programmable fate decision landscape underlies single-cell aging in yeast. Science (New York, N.Y.), 369(6501), 325–329. https://doi.org/10.1126/science.aax9552